基于三維地質信息的隧洞變形評估及支護設計方法和系統與流程

本發明涉及工程技術領域，更具體的說，是涉及一種基于三維地質信息的隧洞變形評估及支護設計方法和系統。

背景技術：

水電、交通、采礦的巖質地下隧洞的開挖之前，需要預先進行變形評估和支護設計，圍巖的變形破壞首先取決于圍巖地質，其中包括圍巖體的巖性、結構條件，其次受到圍巖的環境條件即地應力的大小、地下水的發育分布狀況的影響，同時也與圍巖的支護條件密切相關。

對于大型水電、交通、采礦的地下工程，通常區域地質條件復雜，因此地下隧洞的不同位置，地應力條件和巖體力學參數的變化都比較大，這就需要對地下隧洞進行分段變形評估和支護設計。

在傳統的地下隧洞變形評估和支護設計方法中，勘查、設計部門的協同性較低，導致在設計環節無法有效整合前期的勘查資料，且對于補勘資料，設計部門也無法及時有效的作出修正和反饋。

對于項目前期的勘察資料無法進行有效且有序的管理和利用，隨著勘察資料的豐富和完善，無法迅速有效地利用現有資料對當地的地質條件進行評價，也無法隨時對場地中所布置的任意地下隧洞的洞段進行變形評估和支護設計。

技術實現要素：

有鑒于此，有必要針對上述問題，提供一種基于三維地質信息的隧洞變形評估及支護設計方法和系統，輔助項目決策者及時調整地下隧洞的布置方案和支護方案，從而達到兼顧安全施工和節約成本的目的。

為了實現上述目的，本發明的技術方案如下：

一種基于三維地質信息的隧洞變形評估及支護設計方法，包括以下步驟：

S1、收集匯總三維地質信息數據；

S2、根據收集到的三維地質信息數據構建區域三維地質模型；

S3、編錄勘察平洞和鉆孔數據，并通過三維空間立方網DSI插值技術，得到洞室結構區域的初始應力和巖體力學參數的空間分布；

S4、在三維地質模型中構建隧洞幾何結構模型，計算指定斷面的隧洞變形量；

S5、根據變形量給出支護方案，并給出工程量的統計匯總結果。

作為優選的，所述步驟S3具體包括：

S301、對勘察平洞和鉆孔數據進行整合分析，從而對勘查鉆孔和平洞進行不同標準的圍巖評分，結合巖體力學參數取值公式，生成基于鉆孔和平洞幾何位置的攜帶巖體變形和強度參數的點集數據；

S302、基于該點集數據，通過三維空間立方網DSI插值技術，得到隧洞整個場地區域的攜帶巖體變形和強度參數數據的立方網對象；

S303、再次利用三維空間立方網DSI插值技術，將巖體變形和強度參數數據插值映射到隧洞的洞段上；

S304、根據基于離散測點幾何位置的現場地應力測試數據進行插值，得到攜帶地應力屬性的點集數據；

S305、利用三維空間立方網DSI插值技術，得到地下隧洞整個場地區域的攜帶地應力數據的立方網對象，將地應力屬性映射到地下隧洞的洞段上。

作為優選的，所述步驟S4中，根據得到的同時攜帶了巖體變形和強度參數數據以及地應力數據的洞段，結合地下工程用的HOEK-BROWN或摩爾-庫倫本構關系判斷地下隧洞的變形量。

作為優選的，所述步驟S301中，圍巖評分包括RMR評分、BQ評分、水電評分。

作為優選的，所述勘查平洞和鉆孔數據包括進尺與巖性信息、巖芯的RQD信息、節理產狀信息、節理狀態信息、地下水狀態信息、巖石取樣位置信息。

作為優選的，所述步驟S1中收集的三維地質信息數據包括勘察平洞和鉆孔數據、現場巖石和巖體實驗數據、現場物探測試數據、室內巖石實驗數據和現場地應力測試數據。

一種根據上述進行隧洞變形評估及支護設計的系統，其特征在于，包括數據庫模塊和三維地質模型構建展示模塊；

所述數據庫模塊用于存儲并錄入三維地質信息數據，包括勘探平洞和鉆孔數據編錄單元、現場巖石和巖體試驗數據存儲單元、室內巖石試驗數據存儲單元、現場物探測試數據存儲單元和現場地應力測試數據存儲單元；

所述三維地質模型構建展示模塊用于根據收集到的三維地質信息數據，勘查鉆孔和平洞的圍巖變形和強度參數點集，并建立構建區域三維地質模型和洞室結構模型，包括地下隧洞的三維幾何模型、含屬性的地下隧洞模型。

作為優選的，還包括一地下隧洞計算及設計模塊，用于根據三維地質信息數據和三維地質模型，計算地下隧洞洞段的變形程度、支護類型及工程量統計。

作為優選的，所述數據庫模塊，對存儲于數據庫模塊中的各類數據進行整合分析，并對勘察鉆孔和平洞進行不同標準的圍巖評分；

所述地應力測試數據存儲單元用于錄入或導入現場地應力測試信息，具體包括測點的位置和所測得的地應力大小和方位；

所述勘探平洞和鉆孔數據編錄單元用于錄入或導入相應的數據，具體包括進尺與巖性信息、巖芯的RQD信息、節理產狀信息、節理狀態信息、地下水狀態信息、巖石取樣位置信息；

所述室內巖石試驗數據存儲單元用于錄入對應于鉆孔和平洞取樣點位置的室內巖石物理試驗、強度試驗的結果數據；

所述現場巖石和巖體試驗數據存儲單元用于錄入或導入現場測試得到的巖體數據，包括點荷載強度；

所述現場物探測試數據存儲單元用于錄入或導入鉆孔和平硐的物探數據，包括聲波測試結果、地震波測試結果。

作為優選的，所述三維地質模型構建展示模塊通過三維空間CAD技術和三維空間立方網DSI插值技術建立區域三維地質模型和洞室結構模型。

與現有技術相比，本發明的有益效果在于：本發明能夠提高勘查、設計部門的協同性，在設計環節有效整合前期的勘查資料，且對于補勘資料，設計部門能夠及時有效的作出修正和反饋。對于項目前期的勘察資料進行有效且有序的管理和利用，隨著勘察資料的豐富和完善，能夠迅速有效的利用現有資料對當地的地質條件進行評價，隨時對場地中所布置的任意地下隧洞的洞段進行變形評估和支護設計。

附圖說明

圖1為本發明實施例的方法流程框圖；

圖2為本發明實施例圖1中步驟S3的流程圖；

圖3為本發明實施例的系統結構框圖。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本發明所述的基于三維地質信息的隧洞變形評估及支護設計方法和系統作進一步說明。

以下是本發明所述的基于三維地質信息的隧洞變形評估及支護設計方法和系統的最佳實例，并不因此限定本發明的保護范圍。

圖1和圖2示出了一種基于三維地質信息的隧洞變形評估及支護設計方法，包括以下步驟：

S1、收集匯總三維地質信息數據；

S2、根據收集到的三維地質信息數據構建區域三維地質模型；

S3、編錄勘察平洞和鉆孔數據，并通過三維空間立方網DSI插值技術，得到洞室結構區域的初始應力和巖體力學參數的空間分布；

S4、在三維地質模型中構建隧洞幾何結構模型，計算指定隧洞斷面的變形量；S5、根據變形量給出支護方案，并給出工程量的統計計算結果。

作為優選的，所述步驟S3具體包括：

S301、對勘察平洞和鉆孔數據進行整合分析，從而對勘查鉆孔和平洞進行不同標準的圍巖評分，再利用巖體力學參數取值公式，生成基于鉆孔和平洞幾何位置的攜帶巖體變形和強度參數的點集數據；

S302、基于該點集數據，通過三維空間立方網DSI插值技術，得到隧洞整個場地區域的攜帶巖體變形和強度參數數據的立方網對象；

S303、再次利用三維空間立方網DSI插值技術，將巖體變形和強度參數數據插值映射到隧洞的洞段上；

S304、根據基于離散測點幾何位置的現場地應力測試數據進行插值，得到攜帶地應力的點集數據；現場地應力測試數據進行DSI插值運算，得到含有場地區域的地應力分布的立方網，從而得到地下隧洞各個洞段的地應力分布；

S305、利用三維空間立方網DSI插值技術，得到地下隧洞整個場地區域的攜帶地應力數據的立方網對象，將地應力屬性映射到地下隧洞的洞段上。

DSI插值技術，是一種插值方法，該方法依賴于網格結點的拓撲關系，不以空間坐標為參數，是一種不受維數限制的差值方法。DSI插值基本思想：欲在一個離散化數據點間建立相互聯絡的網絡，如果網絡上的已知節點值滿足某種約束條件，則未知節點上的值可以通過解線性方程而得到。

作為優選的，所述步驟S4中，根據得到的同時攜帶了巖體變形和強度參數數據以及地應力數據的洞段，結合地下工程用的HOEK-BROWN強度準則或摩爾-庫倫本構關系判斷地下隧洞指定斷面的變形量。

作為優選的，所述步驟S301中，圍巖評分包括RMR(Relative Metabolic Rate，能量代謝率)評分、BQ評分、水電評分。

作為優選的，所述勘查平洞和鉆孔數據包括進尺與巖性信息、巖芯的RQD(Rock Quality Designation，巖石質量指標)信息、節理產狀信息、節理狀態信息、地下水狀態信息、巖石取樣位置信息。

作為優選的，所述步驟S1中收集的三維地質信息數據包括勘察平洞和鉆孔數據、現場巖石和巖體實驗數據、現場物探測試數據、室內巖石實驗數據和現場應力測試數據。

圖3示出了一種根據上述方法進行隧洞變形評估及支護設計的系統，其特征在于，包括數據庫模塊和三維地質模型構建展示模塊；

所述數據庫模塊用于存儲并錄入三維地質信息數據，包括勘探平洞和鉆孔數據編錄單元、現場巖石和巖體試驗數據存儲單元、室內巖石試驗數據存儲單元、現場物探測試數據存儲單元和現場地應力測試數據存儲單元；

所述三維地質模型構建展示模塊用于根據收集到的三維地質信息數據，勘查鉆孔和平洞的困巖變形和強度參數點集，并建立構建區域三維地質模型和洞室結構模型，包括地下隧洞的三維幾何模型、含屬性的地下隧洞模型。

作為優選的，還包括一地下隧洞計算及設計模塊，用于根據三維地質信息數據和三維地質模型，計算地下隧洞洞段的變形程度、支護類型及工程量統計。

根據其變形程度，采用收斂應變法進行支護設計，從支護類型庫中選擇合適的支護類型(包含三種支護類型：錨桿、拱架、噴射混凝土)，一般都選擇復合支護類型，如噴層+錨桿，或者噴層+錨桿+拱架。對于每種支護類型，都內置了工程中常用的材料庫，確定支護類型參數后，便可得到該復合支護類型所能提供的支護壓力，然后根據洞段的圍巖特征曲線和支護壓力曲線來判斷所選支護類型的安全儲備，從而初步確定該洞段所需的支護類型，并可以初步估算該地下隧洞的工程量，如拱架數量、錨桿數量、噴射混凝土的方量；

作為優選的，所述數據庫模塊將存儲于數據庫模塊中的各類數據自動進行整合分析，并對勘察鉆孔和平洞進行不同標準的圍巖評分；

所述地應力測試數據存儲單元用于錄入或導入現場地應力測試信息，具體包括測點的位置和所測得的地應力大小和方位；

所述勘探平洞和鉆孔數據編錄單元用于錄入或導入相應的數據，具體包括進尺與巖性信息、巖芯的RQD信息、節理產狀信息、節理狀態信息、地下水狀態信息、巖石取樣位置信息；

所述室內巖石試驗數據存儲單元用于錄入對應于鉆孔和平洞取樣點位置的室內巖石物理試驗、強度試驗的結果數據；

所述現場巖石和巖體試驗數據存儲單元用于錄入或導入現場測試得到的巖體數據，包括點荷載強度；

所述現場物探測試數據存儲單元用于錄入或導入鉆孔和平硐的物探數據，包括聲波測試結果、地震波測試結果及其他物探測試數據。

作為優選的，所述三維地質模型構建展示模塊通過三維空間CAD技術和三維空間立方網DSI插值技術建立區域三維地質模型和洞室結構模型。

與現有技術相比，本發明的有益效果在于：本發明能夠提高勘查、設計部門的協同性，在設計環節有效整合前期的勘查資料，且對于補勘資料，設計部門能夠及時有效的作出修正和反饋。對于項目前期的勘察資料進行有效且有序的管理和利用，隨著勘察資料的豐富和完善，能夠迅速有效的利用現有資料對當地的地質條件進行評價，隨時對場地中所布置的任意地下隧洞的洞段進行變形評估和支護設計。

以上所述實施例僅表達了本發明的幾種實施方式，其描述較為具體和詳細，但并不能因此而理解為對本發明專利范圍的限制。應當指出的是，對于本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬于本發明的保護范圍。因此，本發明專利的保護范圍應以所附權利要求為準。