CN110147635A - 一种基于bim的隧道围岩级别超前动态预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于BIM的隧道围岩级别超前动态预测方法，包括以下步骤，在BIM软件中构建隧道模型和隧道围岩级别对应的开挖功法的施工模型；对隧道进行分段开挖，并采集多组开挖前和开挖后的隧道参数，根据开挖后的参数计算隧道围岩级别，然后通过映射关系计算隧道开挖前参数与隧道围岩级别对应的关系，采集下一个待开挖区的开挖前的隧道参数，并将根据隧道开挖前参数与隧道围岩级别的映射关系计算待开挖区的隧道围岩级别，并将采集的数据输入至BIM软件中，BIM软件根据存储的数据和获得的围岩级别可动态显示下一待开挖区的开挖工法。该方法可以提前预测隧道的围岩级别，并通过BIM软件显示相应隧道的开挖工法，保证了隧道施工的安全和准确性。

Description

一种基于BIM的隧道围岩级别超前动态预测方法

技术领域

本发明涉及隧道预测领域，具体涉及基于BIM的隧道围岩级别超前动态预 测方法。

背景技术

公路隧道开挖、支护方案设计需要通过围岩级别进行设计，而围岩级别来 源于前期地质勘察结果。部分特长隧道因其所处地质条复杂，施工区域常常跨 越多个不同地质区，囿于地形条件、气候条件、勘察技术手段等方面的限制， 前期勘察所得出的分级结果往往无法达到足够的精准程度，以致部分区域的设 计方案相对于围岩真实状态存在差异，可能会出现开挖冒进、设计支护不足造 成施工风险或开挖、支护方案相对保守造成成本浪费的现象。因此，施工过程 中，根据待施工区域的真实情况，在设计结果的基础上及时、准确的进行相应 的方案调整十分必要。

发明内容

本发明针对以上的问题提出了一种基于BIM的隧道围岩级别超前动态预测 方法。

本发明采用的技术手段如下：

一种基于BIM的隧道围岩级别超前动态预测方法，包括以下步骤：

S0、根据隧道参数在BIM软件中构建隧道模型和隧道围岩级别对应的开挖 功法的施工模型；

S1、对当前待开挖隧道区域进行开挖前的隧道参数采集，开挖前的隧道参 数包括P波波速、S波波速、反射层分布系数、泊松比、杨氏模量、拱顶沉降、 洞周收敛以及掌子面回弹值；

S2、对当前待开挖隧道区域进行开挖，采集开挖后的隧道参数，开挖后的 隧道参数包括单轴抗压强度、完整性系数、主结构面产状系数、地下水发育系 数以及节理延展性系数，根据采集的开挖后的隧道参数计算对应隧道区域的隧 道围岩级别；

S3、重复S1和S2，获取多组开挖前的隧道参数和开挖后的隧道参数，并根 据开挖后的隧道参数计算得到多组对应隧道区域的隧道围岩级别；

S4、根据S3中获取的多组开挖前的隧道参数和隧道围岩级别，建立开挖前 的隧道参数与隧道围岩级别的映射关系；

S5、获取下一个待开挖区的开挖前的隧道参数，根据S4中获得的开挖前的 隧道参数与隧道围岩级别的映射关系计算下一个待开挖区的隧道围岩级别；

S6、将获取的下一个待开挖区的隧道围岩级别输入到BIM软件中，BIM软件 根据获取的待开挖区的隧道围岩级别显示对应区域的开挖工法的施工模型。

进一步地，所述S0中隧道围岩级别对应的开挖功法的施工模型包括如下几 个模型：台阶法、预留核心土法、单侧壁导坑法、中隔壁法以及双侧壁导坑法。

进一步地，所述S6中，建立开挖前的隧道参数与隧道围岩级别的映射关系 采用高斯过程进行映射。

与现有技术比较，本发明所述的基于BIM的隧道围岩级别超前动态预测方 法具有以下有益效果：该方法可以预测待开挖隧道的围岩级别，保证施工的顺 利进行。

附图说明

图1为本发明公开的基于BIM的隧道围岩级别超前动态预测方法的流程图；

图2为对开挖隧道分区域开挖的示意图；

图3为P波和S波的获取示意图；

图4为反射层分布系数获取的示意图；

图5为隧道的泊松比的获取示意图；

图6为隧道的杨氏模量的获取示意图；

图7为隧道开挖前参数、隧道开挖后参数以及隧道围岩级别映射图；

图8为BIM中不同工法对应的建模图；

图9为安全监测值的采集示意图；

图10为掌子面回弹值的采集示意图；

图11为在BIM中建立的隧道模型图；

图12为在BIM中建立隧道模型的流程图；

图13为IFC标准对隧道构件复杂属性的表达的流程图。

具体实施方式

如图1所示本发明公开的基于BIM的隧道围岩级别超前动态预测方法，包 括以下步骤：

S0、根据隧道参数在BIM软件中构建隧道模型和隧道围岩级别对应的开挖 功法的施工模型；

S1、对当前待开挖隧道区域进行开挖前的隧道参数采集，开挖前的隧道参 数包括P波波速、S波波速、反射层分布系数、泊松比、杨氏模量、拱顶沉降、 洞周收敛以及掌子面回弹值；

S2、对当前待开挖隧道区域进行开挖，采集开挖后的隧道参数，开挖后的 隧道参数包括单轴抗压强度、完整性系数、主结构面产状系数、地下水发育系 数以及节理延展性系数，根据采集的开挖后的隧道参数计算对应隧道区域的隧 道围岩级别；

S3、重复S1和S2，获取多组开挖前的隧道参数和开挖后的隧道参数，并根 据开挖后的隧道参数计算得到多组对应隧道区域的隧道围岩级别；

S4、根据S3中获取的多组开挖前的隧道参数和隧道围岩级别，建立开挖前 的隧道参数与隧道围岩级别的映射关系；

S5、获取下一个待开挖区的开挖前的隧道参数，根据S4中获得的开挖前的 隧道参数与隧道围岩级别的映射关系计算下一各待开挖区的隧道围岩级别。

具体地，如图2所示，在隧道开挖时，需要对隧道进行一段一段的开挖， 即对图中所示的区域1、区域2、区域3……区域n依次进行开挖。在对区域1 进行开挖前，先对区域1处进行开挖前的隧道参数采集并将采集的数据写入至 工程BIM模型中，开挖前的隧道参数包括P波波速d11、S波波速d12、反射层 分布系数d13、泊松比d14、杨氏模量d15、拱顶沉降d16、洞周收敛d17以及 掌子面回弹值d18。

然后，对区域1进行开挖，在区域1开挖后，采集区域1处开挖后的隧道 参数：单轴抗压强度x11、完整性系数x12、主结构面产状系数x13、地下水发 育系数x14以及节理延展性系数x15，并根据采集的开挖后的隧道参数计算对应 隧道区域的隧道围岩级别y1,然后将围岩级别结果写入至BIM模型中，开挖后 的隧道参数x与隧道围岩级别y采用BQ法进行计算，

其具体计算过程如下：

BQ＝90+3R_c+250K_v-100(K₁+K₂+K₃)其中式中参量依次为：R_c单轴抗压强度、 K_v完整性系数、K₁主结构面产状系数、K₂地下水发育系数、K₃节理延展性系数。 计算结果可参照表1确定围岩级别：

表1围岩级别与BQ值对应表

重复上述过程，即依次对区域2、区域3……区域m(m<n)进行开挖前的隧 道参数、开挖后的隧道参数进行采集，获得区域2处开挖前的隧道参数包括P 波波速d21、S波波速d22、反射层分布系数d23、泊松比d24、杨氏模量d25、 拱顶沉降d26、洞周收敛d27以及掌子面回弹值d28；区域2处的开挖后的隧道 参数：单轴抗压强度x21、完整性系数x22、主结构面产状系数x23、地下水发 育系数x24以及节理延展性系数x25；获得区域3处开挖前的隧道参数包括P波 波速d31、S波波速d32、反射层分布系数d33、泊松比d34、杨氏模量d35、拱 顶沉降d36、洞周收敛d37以及掌子面回弹值d38；区域3处的开挖后的隧道参 数：单轴抗压强度x31、完整性系数x32、主结构面产状系数x33、地下水发育 系数x34以及节理延展性系数x35；……；获得区域m处开挖前的隧道参数包括 P波波速dm1、S波波速dm2、反射层分布系数dm3、泊松比d3m4、杨氏模量dm5、 拱顶沉降dm6、洞周收敛dm7以及掌子面回弹值dm8；区域3处的开挖后的隧道 参数：单轴抗压强度xm1、完整性系数xm2、主结构面产状系数xm3、地下水发 育系数xm4以及节理延展性系数xm5。通过不同区域开挖后的隧道参数可以计算 得到对应不同区域的隧道围岩级别y1、y2……ym。

如图7所示，将同一位置开挖前积累的数据与开挖后经由BQ计算所得分类 结果分别作为机器学习算法的输入参数与输出参数，构建二者间的非线性映射 关系。

上述开挖前的隧道参数可以用以下矩阵表示：

上述开挖后的隧道参数与隧道围岩级别可以用以下关系式表示：

根据开挖前的隧道参数d、开挖后的隧道参数x以及隧道围岩级别y，并通 过高斯过程获取开挖前的隧道参数与隧道围岩级别的对应关系：

则可求得

y^*～N(μ^*,σ^*) (4)

在对下一个待开挖区隧道(区域(m+1))进行开挖前，采集区域m+1区域 的开挖前的隧道参数：

d(m+1)＝[d(m+1)1,d(m+1)2,d(m+1)3…,d(m+1)8] (5)

根据对区域(m+1)处采集的开挖前的隧道参数和前面通过高斯过程求得的 开挖前的隧道参数与隧道围岩级别的映射关系，可以计算出区域(m+1)处的隧 道围岩级别，并将获得的围岩级别数据输入到BIM软件中，因为在步骤1中已 经建立了不同的隧道围岩级别对应的开挖功法不同的模型，图8中所示在BIM 软件中建立的不同开挖工法对应的模型，不同围岩级别对应的开挖工法如表2， 因此，当BIM软件获得的区域(m+1)处的隧道围岩级别后，选择合适的开挖功 法对区域(m+1)处进行开挖，并在BIM软件中进行显示。

表2围岩级别与开挖功法对应图

在BIM中建立不同围岩级别对应的开挖功法的施工模型方法如下：隧道隧 道建设过程中，主要涉及到预留核心土法、中隔壁法，单侧壁导坑发、双侧壁 导坑法等五种开挖工法，通过Revite软件分别对这五种开挖工法进行三维建模， 给模型中每一个组成部分赋予顺序标识，并通过时间序列控制在Naviswork软 件基础上进行开挖工法的动态展示，其具体过程参见图12，图12所示过程包含 如下几个步骤：1.在Revit平台中建立相应的结构模型、环境模型与施工设施 模型，并生成整体的模型的RAT文件；2.采用文本程序建立施工部序的时程控 制表，及以文档的形式定义每个时间点的模型变化模式，生成NWC文件；3.将第一步中RAT文件进一步转化为NWC文件并调用相应的时程NWC文件，在 Naviswork软件平台中合成为NWD文件，即为开挖工法的动态展示模型。。

在本方法中开挖前的隧道参数通过以下方式进行采集，

(1)P波、S波波速

其中，P波、S波波速由TSP203地质超前预报系统生成，如图3所示为 隧道超前地质预报二维成果图中P波和S波波形，读取后遵照加权平均的办法 计算P波、S波波速区间内的均值，计算方法如下：

根据图3所示的隧道超前地质预报二维成果图，读取后用公式(6)

计算P波、S波波速区间内的均值。式中，为均值，n为测线波动形成的 区间数，Y_i为第i段数值，x_i为与Y_i对应的持续长度。因现场超前预报结果一般 为150m左右，为了计算的准确性将其等间距划分为5段，每段长度30m，即 在实际的围岩动态分级过程中，样本选取、预测计算的单位距离均为30m。

(2)反射层分布系数

图4为隧道超前地质预报中P波负反射情况，负反射位置象征了围岩中的 软弱结构面，其强度与弱化程度呈正比，所谓的弱化往往代表了结构面的张开 与风化程度，这将会影响围岩稳定性，因此根据负反射程度确定反射面分布系 数，并作为分级指标之一进行取值。具体取值办法参照表3。

表3反射面分布系数选取办法

(3)泊松比

如图5所示，根据超前地质预报二维解译成果图，该成果图由TSP203地质 超前预报系统生成，并由公式(6)中所述分区段以加权平均的方式计算平均泊 松比。

(4)杨氏模量

如图6所示，泊松比、杨氏模量为岩石强度的基本力学参数，超前地质预 报可通过对反射波形的解译获取这两种参数沿隧道轴线方向的变化规律，因此 将其加权取均值后作为围岩动态分级的影响指标之一，该参数成果图由TSP203 地质超前预报系统生成，并由公式(6)进行计算。

(5)安全监测值

隧道围岩变形在一定范围内存在连续性，即可认为某一点处围岩的位移特 点是由其前、后一定范围内围岩性质所决定的。在此，监控量测开挖掌子面最 近处监测点位2d内的累计拱顶沉降与洞周收敛，并尝试将其作为该位置向开挖 方向30m长度范区间上围岩动态分级的依据指标之一。

如图9所示，分别通过洞周收敛仪、水准仪测量洞周收敛值与拱顶沉降值。

(6)掌子面回弹值

强度回弹值可代表材料的抗压强度性质，由于其简单、快速的特点，被引 入隧道围岩的性质评价体系中。安全测量值为开挖后2d内累计变形，在此期间 隧道一般会进行4～6个循环开挖步骤，根据现场实际情况，在目标区段内依据 施工步数选取n个环形横截面，如图10所示，对每个截面的拱顶(1个检测点)、 拱肩(2个检测点)、拱腰(2个检测点)、拱脚(2个检测点)位置及个位置 连线交点分别进行回弹强度测量，形成包含14个数据的测量组，共得到14*n 个测量数据。

综上，共采集P波波速、S波波速、反射层分布系数、泊松比、杨氏模量、 拱顶沉降、洞周收敛、掌子面回弹值8种数据作为围岩动态分级的影响指标。

这8个参数可较为系统且完整的描述掌子面后方一定范围内岩体物理、力 学性质，相对于传统的BQ分级指标来说，地下水状态、完整性系数变化会导致 P波波速、S波波速分布出现波动；主结构面产状、节理延展性状态可由反射层 分布状态表示；掌子面回弹值对应了岩体单轴抗压强度；泊松比、杨氏模量、 拱顶沉降、洞周收敛则表达了掌子面后方岩体的整体状态。

实施例1

以下是本发明公开的隧道围岩级别超前动态预测方法在吉林甄峰岭隧道施 工过程中的应用，对隧道的ZK95+523～ZK94+653区域进行开挖前的隧道参数的 样本采集，采集结果如表4所示。

表4学习样本

表中，Vp/(m/s)为P波波速，Vs/(m/s)为S波波速，k为反射层分布系数，E/(GPa) 为杨氏模量，μ为泊松比，Xc/(mm)为拱顶监测位移，Xs/(mm)为共腰收敛位移， P为掌子面强度回弹值。

隧道开挖后进行传统BQ值计算，确定揭露级别，将结果写在表4最后一列。 这个过程中的数据可通过如下方法所述方法写入至BIM模型中，写入结果如图 11所示。

将表4中的数据写入BIM的过程如下：基于IFC标准对BIM模型进行二次 开发，通过C#语言编写了基于BIM的隧道信息管理系统，构建了隧道工程的整 体模型，并将围岩超前动态分级前期所采集的指标信息、监测信息、学习样本 组、学习结果以及工程施工信息等写入模型中，实现了多元信息的统一管理， 很大程度上降低了复杂工程信息的管理难度，为围岩超前动态分级整体过程提 供了有效地信息交互平台。

对IfcPropertySetDefinition属性集中的属性进行解析、写入、读取，以IfcSensor实体表示各构件单元，不同构件的类型均包含在枚举类型IfcSensor- TypeEnum中，通过实体IfcSensor的PredifinedType属性进行表达。具体的工 程信息则通过IfcProperty表示，多个IfcProperty构成一个属性集的定义， 即IfcPropertySetDefinition。

具体地，为保证基于IFC标准的实体具备通用性和普及性，IFC实体本身只 定义很少的属性，这些属性往往是IFC实体所必须的和较为基础的，即实体的 静态属性，从而导致单纯依靠IFC实体无法完成对于相关工程组件信息的具体 描述。

如图13所示，在IFC标准中，一个属性集由多个属性组成，属性由抽象实 体IfcProperty表达，其拥有名为Name以及Description的属性用于命名属性 名称、说明属性用途。同时，它拥有简单属性实体IfcSimpleQuantity和复杂 属性实体IfcComplexQuantity两个派生实体。简单属性就是单一的属性，有6 种，可以表达简单数据、枚举值、数值范围、简单表格、数组和对其他实体的 引用信息。这六种属性实体保证了各种属性都能够通过属性集来表达。

利用上述属性集里的属性能够满足本文对于隧道动态施工信息的描述。属 性集扩展方法中每个属性集利用两种递进方式进行表达，一种为包括属性集的 名称、适用实体、适用实体类型值定义，另一种为该属性集对应属性的具体定 义，属性定义需定义属性名称、属性类型以及数据类型等。例如 Pset_SystemAncherBolt属性集的定义如表5所示。表6中适用的类型值一项， 针对具有PredefinedType属性的实体而设置，对应于PredefinedType属性的 枚举值。对于本例，当IfcSystemAncherBolt实体的PredefinedType属性为 HOLLOWANCHORBOLT或MORTARANCHORBOLT时，可以使用该属性集。上述的各英文 名称均为IFC软件的标准语言。

表5 Pset_SystemAncherBolt属性集定义

表6 Pset_SystemAncherBolt属性定义

根据IFC标准的规定要求，将上述数据成员及类型与IFC标准的数据模型建 立映射关系后，即可建立基于IFC的隧道信息集成模型，实现基于IFC的工程信 息表达。

通过上一步中的样本形成映射函数，并在ZK94+653～ZK94+803验证区段内 进行准确性验证。验证区段计算结果如表7所示，预测级别与实际揭露级别基 本一致，说明了算法的准确性，进一步的，并在BIM软件上进行相应的开挖工 法展示。

表7验证结果

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局 限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本 发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护 范围之内。

Claims (3)

1.一种基于BIM的隧道围岩级别超前动态预测方法，其特征在于包括以下步骤：

S0、根据隧道参数在BIM软件中构建隧道模型和隧道围岩级别对应的开挖功法的施工模型；

S1、对当前待开挖隧道区域进行开挖前的隧道参数采集，开挖前的隧道参数包括P波波速、S波波速、反射层分布系数、泊松比、杨氏模量、拱顶沉降、洞周收敛以及掌子面回弹值；

S2、对当前待开挖隧道区域进行开挖，采集开挖后的隧道参数，开挖后的隧道参数包括单轴抗压强度、完整性系数、主结构面产状系数、地下水发育系数以及节理延展性系数，根据采集的开挖后的隧道参数计算对应隧道区域的隧道围岩级别；

S3、重复S1和S2，获取多组开挖前的隧道参数和开挖后的隧道参数，并根据开挖后的隧道参数计算得到多组对应隧道区域的隧道围岩级别；

S4、根据S3中获取的多组开挖前的隧道参数和隧道围岩级别，建立开挖前的隧道参数与隧道围岩级别的映射关系；

S5、获取下一个待开挖区的开挖前的隧道参数，根据S4中获得的开挖前的隧道参数与隧道围岩级别的映射关系计算下一个待开挖区的隧道围岩级别；

S6、将获取的下一个待开挖区的隧道围岩级别输入到BIM软件中，BIM软件根据获取的待开挖区的隧道围岩级别并显示对应区域的开挖工法的施工模型。

2.根据权利要求1所述的基于BIM的隧道围岩级别超前动态预测方法，其特征在于：所述S0中隧道围岩级别对应的开挖功法的施工模型包括如下几个模型：台阶法、预留核心土法、单侧壁导坑法、中隔壁法以及双侧壁导坑法。

3.根据权利要求1所述的基于BIM的隧道围岩级别超前动态预测方法，其特征在于：所述S6中，建立开挖前的隧道参数与隧道围岩级别的映射关系采用高斯过程进行映射。