CN115690354B - 一种基于三维实景数值分析的浅埋隧道施工动态控制方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种基于三维实景数值分析的浅埋隧道施工动态控制方法，采用实景建模、三维地质模型构建技术还原隧道场的真实地质情况。基于上述实景地质模型，采用数值分析的方法计算隧道施工过程中的变形值。在施工过程中，随监测数据的更新反演数值模型的计算参数，以此精确计算浅埋隧道场的应力分布情况。运行修正后的数值分析模型，预测隧道施工下阶段的变形值，结合监测数据不断优化数值分析模型，提前预警，若预测值超限、预测值允许偏差超限则进行预警，以此达到浅埋隧道的动态施工控制。

Description

一种基于三维实景数值分析的浅埋隧道施工动态控制方法

技术领域

本申请涉及土木工程技术领域，具体而言，具体涉及一种隧道场的三维地形模型建立方法、隧道场的三维地质模型建立方法、隧道场的三维实景数值模型建立方法、浅埋隧道施工动态控制方法和浅埋隧道动态施工预警方法。

背景技术

随着我国公路工程的快速发展，创造了多个“世界第一”，其中隧道工程占有重要的地位。而山区浅埋隧道工程的地表起伏较大、围岩压力受上部埋深影响较大、围岩较为破碎等特点，为隧道施工过程中安全分析和预警带来困难。

隧道工程中浅埋隧道施工风险相对较大，一方面施工过程中存在众多的不确定性，对隧道结构的实际情况难以把控，另一方面浅埋隧道具有埋深浅、围岩破碎、土层起伏较大等特点，为浅埋隧道设计、施工分析带来困难。

隧道工程施工稳定性分析是一个复杂的地质力学问题，通常采用数值分析的方法计算复杂的隧道施工变形。由于浅埋隧道上部荷载的受力机理与深埋隧道不同，其围岩压力由隧道埋深和隧道上覆围岩重度决定，因此不同的隧道埋深产生的围岩压力也不同。其次，浅埋隧道的浅层多为土层，土层分布随地形起伏较大。同时浅埋隧道的围岩通常较为破碎，难以准确地获取数值分析中的计算参数。

近几年来，三维实景建模技术被越来越多的应用到工程施工、地形重建、建筑复原等领域中。三维实景建模技术也称之为基于图像的三维重建，这项技术可以通过数学方法，并结合相机的基本原理，通过各种方法采集到的上百张图像，甚至是几十张照片，就能得到真实目标物体的三维模型。实景建模技术打破了传统人工建模的局限，提供了一个完全崭新的方法，应用前景广泛。

发明内容

本申请的主要目的在于提供一种隧道场的三维地形模型建立方法、隧道场的三维地质模型建立方法、隧道场的三维实景数值模型建立方法、浅埋隧道施工动态控制方法和浅埋隧道动态施工预警方法，以解决目前的问题。

为了实现上述目的，本申请提供了如下技术：

本申请一方面还提供一种隧道场的三维地形模型建立方法，包括如下步骤：

基于无人机倾斜摄影技术，获取隧道外部环境的地形影像数据；

将所述隧道外部环境的地形影像数据导入实景建模软件中，并进行预处理，得到隧道场的三维TIN模型；

根据隧道施工的影响范围和周围地形分布条件，对所述三维TIN模型型进行深度数值处理，转换为数值分析软件可导入的文件格式，并以此在数值分析软件中生成所述隧道场的三维地形模型。

作为本申请的一种可选实施方案，可选地，基于无人机倾斜摄影技术，获取隧道外部环境的地形影像数据，包括：

根据出洞口所在位置，勘测现场情况，规划无人机数据采集范围，确定航摄高度；

布设像控点，并获取像控点平面位置与高程坐标；

规划无人机飞行路线，确保拍摄覆盖范围能够满足数值分析中边界条件的要求；

利用无人机倾斜摄影技术，从正射及四个方向的倾角对隧道上部地形进行照片影像拍摄，获取隧道外部环境的地形影像数据。

作为本申请的一种可选实施方案，可选地，将所述隧道外部环境的地形影像数据导入实景建模软件中，并进行预处理，得到隧道场的三维TIN模型，包括：

预设实景建模软件；

将所述隧道外部环境的地形影像数据导入所述实景建模软件中，使用实景建模软件处理所述地形影像数据，进行多次空中三角测量计算；

在空中三角测量计算无误的情况下，通过多视角影像，密集匹配获得高密度点云，对点云进行网格化处理后，形成三维TIN模型。

作为本申请的一种可选实施方案，可选地，根据隧道施工的影响范围和周围地形分布条件，对所述三维TIN模型进行深度数值处理，转换为数值分析软件可导入的文件格式，并以此在数值分析软件中生成所述隧道场的三维地形模型，包括：

根据隧道施工的影响范围和周围地形分布，确定数值分析模型的边界范围；

采用所述边界范围，对三维TIN模型进行修剪，剔除隧道开挖影响范围外的数据，进行三维TIN模型重构；

将重构后的三维TIN模型进行格式转化，在提取等高线数据后转为.dxf格式文件，便于建立数值分析模型；并在数值分析软件中以此格式文件生成所述隧道场的三维地形模型。

本申请另一方面还提供一种隧道场的三维地质模型建立方法，包括如下步骤：

采集隧道场内的勘察钻孔点数据，

基于预设的插值算法，计算待插值点与周围已知勘察钻孔点土层之间的空间位置关系，得到两者之间的土层属性相近性；

根据钻孔点的土层埋深及厚度，实现插值计算操作，以此生成隧道场的三维地质模型。

作为本申请的一种可选实施方案，可选地，根据钻孔点的土层埋深及厚度，实现插值计算操作，包括：

将隧道场内的钻孔点，按照钻孔编号、x方向坐标、y方向坐标、土层类型和土层埋深整理为.xlsx格式文件；

参考数值分析模型中的坐标原点，将各钻孔点的绝对坐标更改为相对坐标；

采用Midas数值分析软件中的层面助手工具，定义整理好的钻孔信息；

运行Midas内嵌的土层插值工具，生成各土层的土层分界面，以此确定三维空间中任意一点位置的土层信息。

本申请另一方面还提供一种隧道场的三维实景数值模型建立方法，包括如下步骤：

获取根据上述所述的隧道场的三维地形模型建立方法所生成的三维地形模型；

根据隧道的埋深，将所述三维地形模型按隧道施工影响深度扩展为三维的实体模型；

由已整理的钻孔信息，将所述实体模型插值生成隧道场的三维地质模型；

根据隧道洞路线的坐标，以隧道开挖轮廓线为边界，采用CAD格式的隧道结构剖面图导入的方式或在数值分析软件中直接建模的方式，建立隧道实体模型。

作为本申请的一种可选实施方案，可选地，还包括如下步骤：

确定隧道各结构计算参数，初步确定数值分析中各土层的计算参数，生成最终的三维隧道数值分析模型；

为三维隧道数值分析模型施加数值模型约束，并划分数值网格单元；

根据预设的设计文件，设置施工分析步骤，运行数值分析模型，计算隧道开挖过程各阶段的变形计算值。

本申请另一方面还提供一种浅埋隧道施工动态控制方法，包括如下步骤：

获取浅埋隧道施工现场的监测数据；

获取上述进行数值分析计算得到的数值计算结果；

将所述监测数据与数值计算结果进行对比分析，提取与现场相同施工进度条件下的隧道变形计算值，制作开挖长度—隧道变形趋势曲线：

若数值计算结果与实际监测的变形趋势曲线较为接近时，以此计算工况作为后续隧道施工的预测模型，并将所述数值计算结果作为后续施工的预测值；

若数值计算结果与实际监测差异较大时，结合开挖后的掌子面围岩破碎情况，对计算参数进行折减或放大，重新设置多组计算参数，直至满足数值计算结果与监测趋势曲线的拟合允许误差，并将此工况下的所述数值计算结果作为后续隧道浅埋段的预测值；以后续的监测点加以验证，若出现偏差时，重复计算参数反演工作。

本申请另一方面还提供一种基于上述所述的浅埋隧道施工动态控制方法的浅埋隧道动态施工预警方法，包括如下步骤：

设置隧道变形预测值报警阈值、计算偏差报警阈值和隧道变形监测阈值；

当经过反演后的数值模型变形的计算值超过隧道变形预测值报警阈值时，提前预警，分析原因，判断是否需要加强措施；

当下阶段监测值超过与计算值的偏差量超过计算偏差报警阈值报警阈值时，预警并分析原因，调整计算模型；

当下阶段监测值超过隧道变形监测阈值时报警，分析报警原因。

与现有技术相比较，本申请能够带来如下技术效果：

基于本申请的实施方案，本申请采用无人机倾斜摄影建立三维实景模型来反应隧道真实的上部荷载，由地质钻孔插值生产场地的土层分布。同时，通过更新监测数据，不断反演破碎岩体的计算参数值，可以有效预测隧道施工过程中的沉降量，以此保证下一阶段的施工安全，具有精度高、操作便捷、成本低等优点。该方法还原了隧道场的真实地形和地质情况，考虑了施工工序等因素的影响，能够定量地预测浅埋隧道各个施工阶段的变化趋势，该方法可有效降低浅埋隧道的施工风险，还能为施工过程中措施调整、成本控制、科研分析等提供帮助。在施工阶段，对隧道开展监测工作，由监测数据反演数值模型的计算参数，比选出最优的一组计算参数，以此预测后续隧道施工的沉降。根据不同的围岩等级，设定不同的预警值，对隧道前方施工风险做出判断。

本技术采用实景建模、三维地质模型构建技术还原隧道场的真实地质情况。基于上述实景地质模型，采用数值分析的方法计算隧道施工过程中的变形值。在施工过程中，随监测数据的更新反演数值模型的计算参数。运行修正后的数值分析模型，预测隧道下阶段施工的变形值，若预测值超限、预测值允许偏差超限、进行预警，以此精确计算浅埋隧道场的应力分布情况，结合监测数据不断优化数值分析模型，提前预警，以此达到浅埋隧道的动态施工控制。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，使得本申请的其它特征、目的和优点变得更明显。本申请的示意性实施例附图及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

附图1为本发明的隧道三维地形模型建模方法的流程图；

附图2为本发明的隧道三维地质模型建模方法的示意图；

附图3为本发明的隧道场内土层分界面的示意图；

附图4为本发明的隧道三维地形模型的示意图；

附图5为本发明的隧道三维地质模型的示意图；

附图6为本发明的隧道三维实体结构模型的示意图；

附图7为本发明的隧道三维数值分析模型的局部剖面图；

附图8为本发明的浅埋隧道施工动态控制方法的流程图；

附图9为本发明的隧道数值计算参数反演的示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

在本申请中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“中”、“竖直”、“水平”、“横向”、“纵向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。这些术语主要是为了更好地描述本申请及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。

并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本申请中的具体含义。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

本申请中的三维建模软件，不进行限制，可以由技术人员自行选择，比如建模软件ContextCapture Viewer。数值分析软件或者有限元分析软件的具体应用软件，可以不限于Midas GTS NX等应用软件。Midas GTS NX数值分析软件的数据计算和应用分析功能等，本实施例不作赘述。

本技术采用隧道场的三维地形建模、三维地质模型构建技术，还原隧道场的真实地质情况。融合两种模型生成数值分析的三维场地模型后，建立隧道各支护结构，并进行有限元分析。采用数值分析的方法计算隧道施工过程中的变形值。在施工过程中，随监测数据的更新反演数值模型的计算参数。因此，将分别描述一种隧道场的三维地形模型建立方法、隧道场的三维地质模型建立方法、隧道场的三维实景数值模型建立方法、浅埋隧道施工动态控制方法和浅埋隧道动态施工预警方法。

实施例1

采用厘米级的无人机对隧道外部的地形进行倾斜摄影，获取隧道外部环境的地形影像数据。为保证数值分析模型的计算精度，三维地形模型的精度控制在厘米级较为合理。

本申请一方面还提供一种隧道场的三维地形模型建立方法，包括如下步骤：

基于无人机倾斜摄影技术，获取隧道外部环境的地形影像数据；

将所述隧道外部环境的地形影像数据导入实景建模软件中，并进行预处理，得到隧道场的三维TIN模型；

根据隧道施工的影响范围和周围地形分布条件，对所述三维TIN模型进行深度数值处理，转换为数值分析软件可导入的文件格式，并以此在数值分析软件中生成所述隧道场的三维地形模型。

首先，根据出洞口所在位置，勘测现场情况，规划无人机数据采集范围，确定航摄高度。为保证后期数值分析建模精度，在确保飞行设备安全的情况下，尽可能的降低飞行高度。

其次，现场均匀地布设像控点，并获取像控点平面位置与高程坐标。规划无人机飞行路线，确保拍摄覆盖范围能够满足数值分析中边界条件的要求。利用无人机倾斜摄影技术，从正射及4个方向的倾角对隧道上部地形进行照片影像拍摄。

最后，完成上述操作后，将影像、坐标信息、以及相机参数等数据导入软件，需要满足已获得精确数据以及与其他影像保持连续和重叠。导入数据后，进行多次空中三角测量计算、人工刺入控制点，具体操作如下：使用实景建模软件处理采集的影像数据，首先对采集的影像数据进行空三计算。在空三计算无误的情况下，通过多视角影像密集匹配获得高密度数量的点云。对点云进行网格化处理后，形成三维TIN模型。根据隧道施工的影响范围和周围地形分布，确定数值分析模型的边界范围，对三维TIN模型进行修剪，剔除隧道开挖影响范围外的数据。将重构后的TIN模型进行格式转化，提取等高线数据转为.dxf格式，并在数值分析软件中以此格式文件生成所述隧道场的三维地形模型。

如附图1所示，具体操作如下：

1.实地考察：前往现场考察当地的飞行条件，需要注意避开限飞区域、危险区域，确保安全后在规划飞行区域。

2.控制点布置：为了使实景模型具备地理信息特征，现场设置基站，通过基站发射实时信号，为无人机提供更精确的位置信息。同时，需要在现场布设控制点，并通过RTK测量控制点的GPS坐标。

3.路线规划：确定好飞行区域后，需要制定无人机的飞行高度、航向重叠度、旁向重叠度等参数，重叠度越大，照片重叠率越高，拼接成功率和模型质量越高，但数据量也越大。航向重叠度至少设置为80％，旁向重叠度设置为60-70％，根据实际需要进行调整。

4.执行任务：无人机自动执行路线飞行任务并拍摄影像，飞行过程中需要人为实时观察飞行情况，避免意外情况的发生。

5.导出影像：无人机数据采集完成后，将影像、坐标信息、以及相机参数等数据导入实景建模软件ContextCapture Viewer中。

6.空中三角测量：基于导出的数据，通过空中三角测量(以下简称“空三”)来完成影像拼接。加入控制点之前，首先进行一次空三计算，初步确定每张影像的POS数据，包括三维坐标和空中姿态。

7.人工刺点确定影像中的控制点位置，一个控制点根据实际情况刺入10-20张影像。

8.刺点完成后，再进行一次空三计算，结合第一次空三成果和控制点的约束，修正模型的位置，进一步提高模型的精度。

9.空三计算完成后，检查空三报告，若空三结果和控制点分布没有出现问题，则可以开始模型重构。

10.经过空三运算得到场景信息，通过立体重构，自动生成点云三维模型，尽最大程度还原高质量的三维模型。在模型重构中，还需要对实景模型的生产做一定的设置，例如：确定模型的坐标系、划定模型的边界、以及对模型进行分块操作。

11.当拍摄的场景面积较大，需要模型分块，提高建模精度和效率

12.将TIN模型进行格式转化，提取等高线数据，并转化为(.dxf)格式文件。

13.在数值分析软件中导入(.dxf)格式文件生成所述隧道场的三维地形模型。

采用上述方法，建立得到隧道场的三维地形模型的示意图。

实施例2

如附图2所示，采用隧道场内的勘察钻孔点数据，对土层分布的插值分析，以确定三维空间中任意一点位置的土层信息。

本申请另一方面还提供一种隧道场的三维地质模型建立方法，包括如下步骤：

采集隧道场内的勘察钻孔点数据，

基于预设的插值算法，计算待插值点与周围已知勘察钻孔点土层之间的空间位置关系，得到两者之间的土层属性相近性；

根据钻孔点的土层埋深及厚度，实现插值计算操作，以此生成隧道场的三维地质模型。

首先，对勘察钻孔数据进行解译，整理各钻孔点的三维坐标、土层厚度、土层标高、土层类型等信息。

其次，基于克里金插值、反距离权重插值等算法，依据待插值点与邻近已知钻孔点土层的空间位置关系来表达空间上的土层属性相近性，即用几何距离来表达空间相似程度。根据钻孔点的土层埋深及厚度，实现克里金插值分析，生成三维的地形模型。

最后，可根据采用的数值分析软件不同，选用软件内含的插值功能或二次开发软件接口，实现插值计算操作。若操作中存在不同坐标系，需对上述三维地形模型和钻孔坐标点进行同坐标系转换。

具体操作步骤：

1.将隧道场内的钻孔点按照钻孔编号、x方向坐标、y方向坐标、土层类型、土层埋深整理为(.xlsx)格式文件。

2.参考数值分析模型中的坐标原点，将各钻孔点的绝对坐标更改为相对坐标。

3.采用Midas数值分析软件中的层面助手工具，定义整理好的钻孔信息。

4.运行Midas内嵌的土层插值工具，生成各土层的土层分界面。

如附图3所示，为提高数值分析计算效率，便于后期划分网格单元，采用调整部分勘察点的土层埋深的方法，对有叠交部分的土层分界面进行人工简化，对力学性质相近的土层进行合并。

实施例3

通过实施例1和实施例2，分别得到隧道场的三维地形模型和隧道场的三维地质模型。

本实施例，通过融合两种实施例1和实施例2分别生成的模型，生成数值分析的三维场地模型，建立隧道各支护结构，并进行有限元分析。

本申请另一方面还提供一种隧道场的三维实景数值模型建立方法，包括如下步骤：

获取根据上述所述的隧道场的三维地形模型建立方法所生成的三维地形模型；

根据隧道的埋深，确定根据上述所述的隧道场的三维地质模型建立方法所生成的三维地质模型的深度，将所述地形模型按三维地质模型的深度扩展为三维的实体模型；

由已整理的钻孔信息，将所述实体模型插值生成隧道场的三维地质模型；

根据隧道洞路线的坐标，以隧道开挖轮廓线为边界，采用CAD格式的隧道结构剖面图导入的方式或在数值分析软件中直接建模的方式，建立隧道实体模型。

在数值分析软件中建立三维隧道场地形模型，具体操作如下：

a.将(.dxf)格式的三维地形数据导入有限元分析软件中，生成浅埋隧道上部的地形表面；

b.根据隧道的埋深确定地质模型的深度，以保证围岩应力可以充分释放，将地形表面按地质模型的深度扩展为三维的实体模型；

c.由已整理的钻孔信息，插值生成隧道场的三维地质模型。；

d.根据隧道洞路线的坐标，以隧道开挖轮廓线为边界，采用CAD格式的隧道结构剖面图导入或在数值软件中直接建模的方式，建立隧道实体模型；

e.若隧道洞身长度较短时，可忽略隧道曲率的影响；

f.确定隧道各结构计算参数，初步确定数值分析中的土层、围岩计算参数。

g.若场地内存在地下水，还需设置地下水水位；

h.施加数值模型约束，划分数值网格单元，设置施工分析步，计算隧道开挖过程各阶段的变形。

如附图4所示，采用Midas GTS NX数值分析软件中的地形生成器工具，导入含有等高线的(.dxf)格式文件，生成隧道场内浅埋隧道上部的地形模型。

如附图5所示，根据隧道开挖的影响范围和边界条件，对地形模型进行裁剪。按照隧道施工影响深度将地形面模型扩展为三维实体模型，以土层分界面为分割面对实体模型进行切割，生成隧道场的三维地质模型。

如附图6所示，根据隧道洞口的坐标，以隧道开挖轮廓线为边界，采用隧道CAD结构剖面图导入方式，建立隧道实体模型。其中，锚杆采用桁架单元，管棚采用梁单元，初支采用板单元，二衬采用实体单元，初支中钢筋网承载作用较小，模拟可不考虑。网格划分精度主要依据距离隧道的远近，对隧道结构单元和围岩体，可加密周围网格，对远离隧道方向的岩土体，可放大网格尺寸。

初步确定各土层的计算参数，采用摩尔-库伦本构模型，由勘察、设计等相关文件，结合现场围岩情况，初步确定场地内各土层的重度、弹性模量、内摩擦角、粘聚力、浮重度、泊松比等计算参数。

对隧道各结构单元可简化为弹性模型，并根据对应的材料确定计算参数。

如附图7所示，经过上述操作后，生成最终的三维隧道数值分析模型后，施加模型边界约束、划分单元网格。

根据设计文件，设置隧道开挖、超前加固、初期支护、二次衬砌等施工工序的分析步骤后，运行数值分析模型。要保证隧道开挖工序与现场施工一致，便于后续反演计算参数。

实施例4

采用上述实施例3建立的三维实景数值模型，模拟输出隧道开挖过程各阶段的变形计算值，将其和实际监测值进行对比施工。

本申请另一方面还提供一种浅埋隧道施工动态控制方法，包括如下步骤：

获取浅埋隧道施工现场的监测数据；

获取上述进行数值分析计算得到的数值计算结果；

将所述监测数据与数值计算结果进行对比分析，提取与现场相同施工进度条件下的隧道变形计算值，制作开挖长度—隧道变形趋势曲线：

若数值计算结果与实际监测的变形趋势曲线较为接近时，以此计算工况作为后续隧道施工的预测模型，并将所述数值计算结果作为后续施工的预测值；

若数值计算结果与实际监测差异较大时，结合开挖后的掌子面围岩破碎情况，对计算参数进行折减或放大，重新设置多组计算参数，直至满足数值计算结果与监测趋势曲线的拟合允许误差，并将此工况下的所述数值计算结果作为后续隧道浅埋段的预测值；以后续的监测点加以验证，若出现偏差时，重复计算参数反演工作。

如附图8所示，将数值分析模型输出的数值计算结果与施工现场监测数据进行对比。本案例中采用弹性模量E＝0.2Gpa、0.25Gpa、0.3Gpa、0.5Gpa、1.0Gpa分别计算，以拱顶沉降的监测数据为例，提取与现场相同施工进度条件下的拱顶竖向位移，制作开挖长度—拱顶沉降的位移曲线。

以附图6中K62+550、K62+56隧道拱顶沉降监测点作为反演点，并K62+570隧道拱顶沉降监测点加以验证，若出现偏差时，重复反演工作。

当围岩弹性模量取为0.2Gpa时，计算结果与监测值拟合较好，以此工况下的数值计算结果作为后续隧道浅埋段的预测值。

因此，可以在施工阶段，对隧道开展监测工作，由监测数据反演数值模型的计算参数，比选出最优的一组计算参数，以此预测后续隧道施工的沉降。

实施例5

结合上述实施例4的数值模型变形的计算值，结合监测数据不断优化数值分析模型，提前预警。根据不同的围岩等级，设定不同的预警值，对隧道前方施工风险做出判断。

本申请另一方面还提供一种基于上述所述的浅埋隧道施工动态控制方法的浅埋隧道动态施工预警方法，包括如下步骤：

设置隧道变形预测值报警阈值、计算偏差报警阈值和隧道变形监测阈值；

后续施工中，当经过反演后的数值模型变形的计算值超过隧道变形预测值报警阈值时，提前预警，分析原因，判断是否需要加强措施；

后续施工中，当下阶段监测值与计算值偏差超过计算偏差报警阈值时，预警并分析原因，调整计算模型；

后续施工中，当下阶段监测值超过隧道变形监测阈值时报警，分析报警原因。

隧道变形预测值报警阈值、计算偏差报警阈值和隧道变形监测阈值的具体值，有设计人员进行设计，本实施例不作限制。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种隧道场的三维地形模型建立方法，其特征在于，包括如下步骤：

基于无人机倾斜摄影技术，获取隧道外部环境的地形影像数据；

将所述隧道外部环境的地形影像数据导入实景建模软件中，并进行点云数据处理，得到隧道场的三维TIN模型，包括：

预设实景建模软件；

将所述隧道外部环境的地形影像数据导入所述实景建模软件中，使用实景建模软件处理所述地形影像数据，进行多次空中三角测量计算；

在空中三角测量计算无误的情况下，通过多视角影像，密集匹配获得高密度点云，对点云进行网格化处理后，形成三维TIN模型；

根据隧道施工的影响范围和周围地形分布条件，对所述三维TIN模型进行深度数值处理，转换为数值分析软件可导入的文件格式，并以此在数值分析软件中生成所述隧道场的三维地形模型，包括：

根据隧道施工的影响范围和周围地形分布，确定数值分析模型的边界范围；

采用所述边界范围，对三维TIN模型进行修剪，剔除隧道开挖影响范围外的数据，进行三维TIN模型重构；

将重构后的三维TIN模型进行格式转化，在提取等高线数据后转为.dxf格式文件，便于建立数值分析模型；并在数值分析软件中以此格式文件生成所述隧道场的三维地形模型。

2.如权利要求1所述的隧道场的三维地形模型建立方法，其特征在于，基于无人机倾斜摄影技术，获取隧道外部环境的地形影像数据，包括：

根据隧道所在位置，勘测现场情况，规划无人机数据采集范围，确定航摄高度；

布设像控点，并获取像控点平面位置与高程坐标；

规划无人机飞行路线，确保拍摄覆盖范围能够满足数值分析中边界条件的要求；

利用无人机倾斜摄影技术，从正射及四个方向的倾角对隧道上部地形进行照片影像拍摄，获取隧道外部环境的地形影像数据。

3.一种隧道场的三维地质模型建立方法，其特征在于，包括如下步骤：

采集隧道场内的勘察钻孔点数据，

基于预设的插值算法，计算待插值点与周围已知勘察钻孔点土层之间的空间位置关系，得到两者之间的土层属性相近性；

根据钻孔点的土层埋深及厚度，实现插值计算操作，以此生成隧道场的三维地质模型，包括：

将隧道场内的钻孔点，按照钻孔编号、x方向坐标、y方向坐标、土层类型和土层埋深整理为.xlsx格式文件；

参考数值分析模型中的坐标原点，将各钻孔点的绝对坐标更改为相对坐标；

采用Midas数值分析软件中的层面助手工具，定义整理好的钻孔信息；

运行Midas内嵌的土层插值工具，生成各土层的土层分界面，以此确定三维空间中任意一点位置的土层信息。

4.一种隧道场的三维实景数值模型建立方法，其特征在于，包括如下步骤：

获取根据权利要求1-2中任一项所述的隧道场的三维地形模型建立方法所生成的三维地形模型；

根据隧道的埋深，将所述三维地形模型按隧道施工影响深度扩展为三维的实体模型；

由已整理的钻孔信息，将所述实体模型插值生成隧道场的三维地质模型；

根据隧道洞路线的坐标，以隧道开挖轮廓线为边界，采用CAD格式的隧道结构剖面图导入的方式或在数值分析软件中直接建模的方式，建立隧道实体模型。

5.如权利要求4所述的隧道场的三维实景数值模型建立方法，其特征在于，还包括如下步骤：

确定隧道各结构计算参数，初步确定数值分析中各土层的计算参数，生成最终的三维隧道数值分析模型；

为三维隧道数值分析模型施加数值模型约束，并划分数值网格单元；

根据预设的设计文件，设置施工分析步骤，运行数值分析模型，计算隧道开挖过程各阶段的变形计算值。

6.一种浅埋隧道施工动态控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

获取浅埋隧道施工现场的监测数据；

获取权利要求5中进行数值分析计算得到的隧道开挖过程各阶段的变形计算值；

将所述监测数据与数值计算结果进行对比分析，提取与现场相同施工进度条件下的隧道变形计算值，制作开挖长度—隧道变形趋势曲线：

若数值计算结果与实际监测的变形趋势曲线较为接近时，以此计算工况作为后续隧道施工的预测模型，并将所述数值计算结果作为后续施工的预测值；

若数值计算结果与实际监测差异较大时，结合开挖后的掌子面围岩破碎情况，对计算参数进行折减或放大，重新设置多组计算参数，直至满足数值计算结果与监测趋势曲线的拟合允许误差，并将此工况下的所述数值计算结果作为后续隧道浅埋段的预测值；以后续的监测点加以验证，若出现偏差时，重复计算参数反演工作。

7.一种基于权利要求6所述的浅埋隧道施工动态控制方法的浅埋隧道动态施工预警方法，其特征在于，包括如下步骤：

设置隧道变形预测值报警阈值、计算偏差报警阈值和隧道变形监测阈值；

当经过反演后的数值模型变形的计算值超过隧道变形预测值报警阈值时，提前预警，分析原因，判断是否需要加强措施；

当下阶段监测值与计算值的偏差量超过计算偏差报警阈值时，预警并分析原因，调整计算模型；

当下阶段监测值超过隧道变形监测阈值时报警，分析报警原因。