CN108930539B - 一种基于bim隧道超欠挖控制的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于BIM隧道超欠挖控制的方法，将全智能凿岩台车与用户终端的中央处理器相连接，实现了凿岩台车在隧道内精确定位与多臂同步姿态调整，多钻臂自动工作，自动测量隧道周边轮廓和定位炮孔位置。超前水平钻探地质探测数据结合BIM技术分析，进行地质分析，并依据钻爆设计，与植入的钻爆设计方案进行匹配，结合爆破人员施工经验，对钻爆设计方案进行动态调整，与LS‑DYNA程序相结合进行钻爆模拟，从而制定最佳钻爆方案。凿岩台车钻爆按方案进行钻孔，严格控制超欠挖，实现了隧道开挖施工现场人员、机械的智能化自动化管理，从而实现隧道超欠挖的控制。
Description
技术领域
本发明涉及隧道施工现场技术管理相关技术领域，具体涉及一种基于BIM 隧道超欠挖控制的方法。
背景技术
开挖是隧道施工中的关键工序。超挖过多，不仅因出渣量和衬砌量增多而提高工程造价，而且由于局部超挖会产生应力集中，影响围岩稳定性。欠挖则直接影响衬砌厚度，处理起来费时费力。超欠挖在钻爆法施工中虽然不可避免，但可以通过一定措施，将超欠挖值控制在较小水平，降低对施工成本、施工进度和隧道安全的影响。超欠挖的影响因素分为钻孔精度、爆破技术、施工组织管理、测量画线、地质条件变化和其他因素，经过对实际开挖循环爆破效果统计，钻爆设计方案对超欠挖影响最大。
LS-DYNA是世界上最著名的通用显示动力分析程序，能够模拟真实世界的各种复杂问题，特别适合求解各种二维、三维非线性结构的高速碰撞、爆炸和金属成型等非线性动力冲击问题，同时可以求解传热、流体及流固耦合问题。在工程应用领域应用广泛认可为最佳的分析软件包。与实验的无数次对比证实了其计算的可靠性。LS-DYNA程序作为分析非线性冲击动力的有效工具，可用来成功地模拟各种介质中的爆炸过程及各类别工程爆破过程。
目前国产首台全电脑三臂凿岩台车——ZYS113在铁建重工下线。这台全电脑凿岩台车依托智能化数据采集与控制系统，实现整机在隧道内精确定位与多臂同步姿态调整，一键启动，多钻臂自动工作等功能。凿岩机以钻孔规划图设计的钻孔位置、大小、深度、角度等参数为输入，通过计算机目标路径规划与控制系统完成自动找点和高精度自动钻孔作业。这台设备室完全智能化，无需人工测量隧道周边轮廓和炮孔位置，可缩短90％以上的施工准备时间；开挖断面布孔图中每个孔的位置、角度、钻孔数量和移动顺序、方向灯均由车载电脑按预先优化的方案自动进行，所有钻孔的定位开孔和钻进循环完全由电脑自动完成，钻孔效率高，可在2分钟内完成5米钻孔深度；全电脑凿岩台车通过控制超欠挖，节约物料成本50％以上；隧道实际开挖截面轮廓与隧道设计开挖轮廓线一致程度高,隧道截面轮廓成型效果好；
建筑信息化模型(BIM)的英文全称是BuildingInformationModeling，是一个完备的信息模型，能够将工程项目在全寿命周期中各个不同阶段的工程信息、过程和资源集成在一个模型中，方便的被工程各参与方使用。通过三维数字技术模拟建筑物所具有的真实信息，为工程设计和施工提供相互协调、内部一致的信息模型，使该模型达到设计施工的一体化，各专业协同工作，从而降低了工程生产成本，保障工程按时按质完成。专利CN105257300B公开了一种隧道超欠挖控制方法及钻孔检验杆，此项发明采用钻机适配装置将显示检测杆安装于钻机上；逐一在需检测钻孔中安装钻孔检测杆，钻孔检测杆末端安装反光膜片；用手持终端无线读取每个钻孔角度信息，用全站仪测试钻孔检测杆末端膜片坐标；动态调整爆破设计参数；采用全站仪进行爆破面扫描，扫描数据无线同步至手持终端，断面扫描数据上传至隧道超欠挖控制监测信息化系统；所述钻孔检测杆包括传感器模块：由三轴磁阻传感器和三轴加速度传感器组成；A/D转换模块：将传感器模块检测的钻孔角度原始信息转换为数字信号；以及滤波模块、控制模块和无线模块；此项发明自动化程度较低，人力时间成本耗费大；需要施工人员全程跟踪测量计数，可读性不高，人为误差较大。
专利CN207007177U公开了一种凿岩台车快速定位测量系统系统，此发明公开了一种凿岩台车快速定位自动测量系统，包括设置在隧道衬砌上朝掌子面行进的凿岩台车，包括设置在凿岩台车上的移动设备和通过无线网络连接的固定在隧道壁上的固定设备。此发明的采用凿岩台车定位自动化测量实现方式；定位测量速度快，高精度；不受隧道线型的限制，适合任何曲线隧道。控制界面设计，智能化界面显示，信息全面直观；此发明无需专职人员值守；在台车就位过程中只要台车操作司机点击“定位测量”按钮，测量系统会自动进行台车的测量并将台车轴线偏离值以及台车的里程、侧倾角、俯仰角等以智能化界面实时显示在控制电脑上的凿岩台车快速定位自动测量系统。此项技术仅是对凿岩台车自行定位测量，功能较单一，无法实现施工现场智能化、自动化的管理；
专利(CN107643028A)公开了浅埋铁路隧道下穿民房软弱段爆破施工方法，包括以下步骤：a、根据浅埋铁路隧道下穿民房软弱段的特点建立数值模型；b、选取与浅埋铁路隧道下穿民房软弱段相应的数值模型的材料参数；c、浅埋铁路隧道下穿民房软弱段的爆破模拟；d、不同掏槽爆破方式的数值模拟结果分析；e、结合浅埋铁路隧道下穿民房软弱段爆破施工的工程实测数据进行验证，以满足爆破安全振动控制标准要求。利用动力有限元法进行数值模拟分析研究爆破地震的规律，并结合工程实测数据进行验证，在一定程度较为准确地反映爆破振动。研究减震技术方案的爆破减震效果，为制定隧道下穿密集房屋减振爆破方案提供依据，研究开挖隧道的存在对地震波传播规律的影响。
发明内容
本发明提供一种基于BIM隧道超欠挖控制的方法，将全智能凿岩台车与用户终端的中央处理器相连接，实现了凿岩台车在隧道内精确定位与多臂同步姿态调整，多钻臂自动工作，自动测量隧道周边轮廓和定位炮孔位置。超前水平钻探地质探测数据结合BIM技术分析，进行地质分析，并依据钻爆设计，与植入的钻爆设计方案进行匹配，结合爆破人员施工经验，对钻爆设计方案进行动态调整，与LS-DYNA程序相结合进行钻爆模拟，从而制定最佳钻爆方案。凿岩台车钻爆按方案进行钻孔，严格控制超欠挖，实现了隧道开挖施工现场人员、机械的智能化自动化管理，从而实现隧道超欠挖的控制。
本申请的发明点或技术改进点：
按照隧道地质方面设计情况，制作隧道BIM模型，建立中央处理系统；
基于BIM技术建立的中央处理系统进行二次开发，建立凿岩台车控制模块、地质分析模块、钻爆方案选择模块、钻爆模拟模块；
结合凿岩台车超前水平钻探测和超前地质预报及设计图纸等信息，进行地质情况分析；
结合隧道地质分析模块的分析数据，BIM技术与LS-DYNA程序相结合，通过钻爆模拟模块进行钻爆模拟实验，不断调整各项钻爆参数，结合爆破人员施工经验制定最佳钻爆方案；
通过BIM技术全方位自动化、智能化的进行凿岩台车钻孔作业。
附图说明
图1为一种基于BIM隧道超欠挖控制的方法的原理示意图。
图2为本发明采集装置示意图。
具体实施方式
图1为本发明一种实施方式的一种基于BIM隧道超欠挖控制的方法的原理示意图。
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细描述说明。本发明提供一种基于BIM隧道超欠挖控制的方法，实现该方法的装置包括全智能凿岩台车控制装置和中央处理系统等；
本发明的使用方法如下：按照隧道地质方面设计，在中央处理系统中制作隧道BIM模型。
对中央处理器的中央处理系统进行二次开发，中央处理系统中的BIM模型包括地质分析模块、钻爆方案选择模块和钻爆模拟模块。
采集装置1包括扭矩传感仪2、地质雷达探测仪5、红外探水探测仪，扭矩传感仪2安装在凿岩台车钻杆末端；红外探水探测仪、扭矩传感仪2、地质雷达探测仪5均通过数据线3与数据采集器4相连接，数据采集器4通过无线传输技术将采集装置1采集到的数据传输至中央处理器6；
施工前人工手持地质雷达探测仪5对隧道掌子面进行扫描，并采集隧道掌子面三维数据，扫描完毕后，启动凿岩台车进行探测孔施工；探测孔打设完毕后，采集装置1将采集到的信息通过数据线3传输至数据采集器4，数据采集器4通过无线传输将采集装置1采集到的隧道掌子面三维数据传输至中央处理器6。
中央处理器6中的地质分析模块，根据扭矩传感仪2传来的扭矩数据，进行数据处理，计算出阻力值，根据阻力值，计算出围岩硬度。结合超前地质预报中的TSP和地质素描，以及地质雷达5、红外探水探测仪探测到的数据将围岩情况、地层岩性等信息传输至地质分析模块，围岩情况、地层岩性信息包括围岩走向、倾向、倾角、页理发育情况、节理及围岩渗漏水情况，在地质分析模块中进行分析，并将分析结果数据传输至钻爆方案选择模块；
钻爆方案选择模块，将分析数据与植入的钻爆方案进行匹配，并将匹配结果输入到钻爆方案调整模块；
钻爆方案调整模块，根据地质分析模块所得到的围岩信息，针对输出的钻爆方案，不断调整掏槽眼、周边眼、底板眼、掘进眼的角度以及深度，调整各类孔药量分配，调整爆破网络设计等影响爆破效果的因素，并将每一次的调整结果的数据传输至钻爆模拟模块；
钻爆模拟模块，即与LS-DYNA程序相结合，通过钻爆模拟模块进行钻爆模拟实验，经过数次实验对比爆破后的效果，确定最佳钻爆方案；
钻爆方案包括断面布孔图中每个孔的位置、角度、钻孔数量和移动顺序、方向等爆破信息，即钻孔布置图、爆破网络图和爆破参数表；
钻爆模拟模块将钻爆方案中的爆破信息传输至凿岩台车控制模块，凿岩台车控制模块对凿岩台车控制装置下达指令，全智能凿岩台车按照指令进行钻孔工作。
1、相比于传统凿岩台车钻孔技术，本发明无需人工测量隧道周边轮廓和炮孔位置，减小了人力的投入，降低了人工成本；
2、相比于传统凿岩台车技术，本发明实现了自动化精确定位，智能化程度更高；
3、相比于传统凿岩台车钻孔技术，本发明结合超前地质预报数据，实现了对钻爆设计方案的动态调整，更好地控制隧道超欠挖，降低了成本；
4、相比于传统的隧道开挖钻爆技术，本发明实现了隧道开挖的现代化、信息化、智能化。
Claims (3)
1.一种基于BIM隧道超欠挖控制的方法，实现该方法的装置包括全智能凿岩台车控制装置和中央处理系统；
其特征在于：按照隧道地质方面设计，在中央处理系统中制作隧道BIM模型；
对中央处理器的中央处理系统进行二次开发，中央处理系统中的BIM模型包括地质分析模块、钻爆方案选择模块和钻爆模拟模块；
采集装置(1)包括扭矩传感仪(2)、地质雷达探测仪(5)、红外探水探测仪，扭矩传感仪(2)安装在凿岩台车钻杆末端；红外探水探测仪、扭矩传感仪(2)、地质雷达探测仪(5)均通过数据线(3)与数据采集器(4)相连接，数据采集器(4)通过无线传输技术将采集装置(1)采集到的数据传输至中央处理器(6)；
施工前人工手持地质雷达探测仪(5)对隧道掌子面进行扫描，并采集隧道掌子面三维数据，扫描完毕后，启动凿岩台车进行探测孔施工；探测孔打设完毕后，采集装置(1)将采集到的信息通过数据线(3)传输至数据采集器(4)，数据采集器(4)通过无线传输将采集装置(1)采集到的隧道掌子面三维数据传输至中央处理器(6)；
中央处理器(6)中的地质分析模块，根据扭矩传感仪(2)传来的扭矩数据，进行数据处理，计算出阻力值，根据阻力值，计算出围岩硬度；结合超前地质预报中的TSP和地质素描，以及地质雷达探测仪(5)、红外探水探测仪探测到的数据将围岩情况、地层岩性信息传输至地质分析模块，围岩情况、地层岩性信息包括围岩走向、倾向、倾角、页理发育情况、节理及围岩渗漏水情况，在地质分析模块中进行分析，并将分析结果数据传输至钻爆方案选择模块；
钻爆方案选择模块，将分析数据与植入的钻爆方案进行匹配，并将匹配结果输入到钻爆方案调整模块；
钻爆方案调整模块，根据地质分析模块所得到的围岩信息，针对输出的钻爆方案，不断调整掏槽眼、周边眼、底板眼、掘进眼的角度以及深度，调整各类孔药量分配，调整爆破网络设计影响爆破效果的因素，并将每一次的调整结果的数据传输至钻爆模拟模块；
钻爆模拟模块，即与LS-DYNA程序相结合，通过钻爆模拟模块进行钻爆模拟实验，经过数次实验对比爆破后的效果，确定最佳钻爆方案。
2.根据权利要求1所述的一种基于BIM隧道超欠挖控制的方法，其特征在于：钻爆方案包括断面布孔图中每个孔的位置、角度、钻孔数量和移动顺序、方向爆破信息，即钻孔布置图、爆破网络图和爆破参数表。
3.根据权利要求1所述的一种基于BIM隧道超欠挖控制的方法，其特征在于：钻爆模拟模块将钻爆方案中的爆破信息传输至凿岩台车控制模块，凿岩台车控制模块对凿岩台车控制装置下达指令，全智能凿岩台车按照指令进行钻孔工作。
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