基于自動采集與數(shù)字孿生模型的巖體隧道智能設(shè)計(jì)服務(wù)

基于自動采集與數(shù)字孿生模型的巖體隧道智能設(shè)計(jì)服務(wù)同濟(jì)大學(xué)1.1研究背景某隧道長11km，最大埋深1150m；基于地質(zhì)調(diào)繪和物探分析設(shè)7個(gè)鉆孔，其中4號孔深961.8m，單孔費(fèi)用207萬有限且昂貴的地表鉆孔等信息，難以全面描述復(fù)雜地質(zhì)條件1.1研究背景人工隧道支護(hù)動態(tài)設(shè)計(jì)流程川藏鐵路等復(fù)雜高難度隧道工程，須進(jìn)行動態(tài)支護(hù)設(shè)計(jì)與施工1.1研究背景主要問題①數(shù)據(jù)獲取困難①數(shù)據(jù)獲取困難②信息傳遞緩慢②信息傳遞緩慢③判斷結(jié)果難準(zhǔn)③判斷結(jié)果難準(zhǔn)④方案調(diào)整繁瑣④方案調(diào)整繁瑣⑤人力成本極高⑤人力成本極高調(diào)研國內(nèi)10余家隧道設(shè)計(jì)單位發(fā)現(xiàn)，一個(gè)設(shè)計(jì)代表同時(shí)負(fù)責(zé)10-50多個(gè)隧道開挖面的設(shè)計(jì)變更巖體隧道實(shí)踐中支護(hù)設(shè)計(jì)-施工極易脫節(jié)巖體隧道實(shí)踐中支護(hù)設(shè)計(jì)-施工極易脫節(jié)，難以一體化動態(tài)設(shè)計(jì)-施工1.1研究背景較差較差條件圍巖：現(xiàn)有動態(tài)設(shè)計(jì)體系難以有效保障安全安全安全較較好條件圍巖：現(xiàn)有動態(tài)設(shè)計(jì)體系中支護(hù)結(jié)構(gòu)和人力被大量浪費(fèi)經(jīng)濟(jì)經(jīng)濟(jì)工期工期現(xiàn)有支護(hù)設(shè)計(jì)技術(shù)難以全面支撐復(fù)雜地質(zhì)條件隧道建設(shè)現(xiàn)有支護(hù)設(shè)計(jì)技術(shù)難以全面支撐復(fù)雜地質(zhì)條件隧道建設(shè)的安全、經(jīng)濟(jì)和工期要求1.2工程需求鉆爆法隧道施工，單個(gè)循環(huán)初次出渣、排險(xiǎn)與二次出渣約占用時(shí)間2-3個(gè)小時(shí)。態(tài)設(shè)計(jì)掌子面完全暴露、施作支護(hù)之前掌子面完全暴露、施作支護(hù)之前，只有至多約1小時(shí)進(jìn)行采集、分析與設(shè)計(jì)1.2工程需求 切入點(diǎn) 地質(zhì)采集遠(yuǎn)程反饋遠(yuǎn)程反饋提取建模提取建模穩(wěn)定分析穩(wěn)定分析 動態(tài)設(shè)計(jì)技術(shù)突破方向與研究目標(biāo) 要求手段高效少人精細(xì)手段高效少人精細(xì)數(shù)字孿生數(shù)字孿生 智能化鉆爆法隧道支護(hù)“一小時(shí)鉆爆法隧道支護(hù)“一小時(shí)”動態(tài)設(shè)計(jì)2.1隧道開挖面三維地質(zhì)信息自動識別人臉特征有規(guī)律隧道行業(yè)現(xiàn)狀?支護(hù)設(shè)計(jì)施工易脫節(jié)?難以快速診斷與反饋?缺乏精確化分析理論隧道開挖面千變?nèi)f化，規(guī)律性不明顯如何實(shí)現(xiàn)快速、精確的“隧道臉”識別?2.1隧道開挖面三維地質(zhì)信息自動識別物理實(shí)體與其物理實(shí)體與其數(shù)字虛體之間精確映射的孿生關(guān)系具有孿生關(guān)系的物理實(shí)體、數(shù)字虛體分別稱作物理孿生體、數(shù)字孿生體數(shù)字孿生隧道開挖面物理孿生體隧道開挖面數(shù)字孿生體數(shù)字孿生通過對數(shù)字孿生2.1隧道開挖面三維地質(zhì)信息自動識別開挖面暴露→支護(hù)施工只有約1小時(shí)地質(zhì)信息采集傳統(tǒng)方法開地質(zhì)信息采集傳統(tǒng)方法開挖面存在問題開挖面掉塊存在問題存在問題2.1隧道開挖面三維地質(zhì)信息自動識別基于手機(jī)拍照的智能多目成像創(chuàng)新提出基于手機(jī)虛擬多目智能算法的開挖面三維重構(gòu)方法，攻克隧道開挖掌子面暴露后數(shù)字孿生模型快速重構(gòu)的難題2.1隧道開挖面三維地質(zhì)信息自動識別隧道掌子面數(shù)字孿生模型三維重構(gòu)與分析流程獲取左右圖像極線校正極線校正特征點(diǎn)特征點(diǎn)檢測稠密匹配獲稠密匹配獲取視差圖特征點(diǎn)特征點(diǎn)點(diǎn)云三維點(diǎn)云三維坐標(biāo)帶GRB信息的三維點(diǎn)云產(chǎn)狀自動化計(jì)算手動選取結(jié)構(gòu)面計(jì)算產(chǎn)狀跡長2.1隧道開挖面三維地質(zhì)信息自動識別手機(jī)拍照虛擬多目三維重構(gòu)數(shù)字孿生模型選擇照片距離，使關(guān)鍵區(qū)域完全開挖面照片可以超過專業(yè)相機(jī)照片的重構(gòu)精度基于RGB的三維點(diǎn)云重建基于手機(jī)多目圖像重構(gòu)的三維點(diǎn)云數(shù)字孿生模型2.1隧道開挖面三維地質(zhì)信息自動識別巖體結(jié)構(gòu)面三維信息自動提取算法2.1隧道開挖面三維地質(zhì)信息自動識別巖體結(jié)構(gòu)面三維信息自動提取算法特征點(diǎn)收縮算法求解三維跡線基于3D打印標(biāo)準(zhǔn)試樣的精度測試跡線產(chǎn)狀粗糙度跡線室內(nèi)3D打印試樣的測試精度99%以上，現(xiàn)場測試精度92%以上2.1隧道開挖面三維地質(zhì)信息自動識別數(shù)字孿生模型結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀自動提取數(shù)字孿生模型結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀自動提取2.1隧道開挖面三維地質(zhì)信息自動識別隧道地質(zhì)信息透明化隧道地質(zhì)信息透明化基于縱向斷面數(shù)據(jù)的前方三維地質(zhì)信息預(yù)測三維地質(zhì)信息預(yù)測原理基于縱向斷面數(shù)據(jù)的三維地質(zhì)信息預(yù)測系統(tǒng)2.1隧道開挖面三維地質(zhì)信息自動識別單軸抗壓強(qiáng)度彈性模量風(fēng)化程度單軸抗壓強(qiáng)度彈性模量風(fēng)化程度粗糙度…RN=1.0646RL+6.3673(r=0.99)施密特回彈儀結(jié)構(gòu)根據(jù)沖擊能量分為施密特回彈儀結(jié)構(gòu)根據(jù)沖擊能量分為按國際巖石力學(xué)學(xué)會最新推薦方法2.2隧道開挖面自動分級數(shù)據(jù)平臺與傳輸系統(tǒng)AP定向天線無線網(wǎng)橋蓄電池遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)無線傳輸系統(tǒng)搭建2.2隧道開挖面自動分級數(shù)據(jù)平臺與傳輸系統(tǒng)隧道遠(yuǎn)程智慧工程云平臺2.2隧道開挖面自動分級數(shù)據(jù)平臺與傳輸系統(tǒng)支持國家規(guī)范以及國際分級指標(biāo)自動計(jì)算支持國家規(guī)范以及國際分級指標(biāo)自動計(jì)算2.3隧道支護(hù)精細(xì)化動態(tài)設(shè)計(jì)方法提出并實(shí)現(xiàn)了基于數(shù)字孿生模型的鉆爆法隧道支護(hù)智能動態(tài)設(shè)計(jì)方法，較人工設(shè)計(jì)效率提高數(shù)十倍以智能手機(jī)為采集核采集、傳輸、重構(gòu)、提取、分級、反饋4.云平臺上巖體結(jié)面三維信息自動提取3.云平臺巖體開挖面數(shù)字孿生模型自動重構(gòu)2.3隧道支護(hù)精細(xì)化動態(tài)設(shè)計(jì)方法5.云平臺數(shù)據(jù)傳回手機(jī)端后自動計(jì)算圍巖質(zhì)量分級6.2.4基于三維精細(xì)化模擬方法的災(zāi)害預(yù)測三維等效連續(xù)分析方法:非線性三維破壞準(zhǔn)則τoctτoctτoct,bσm,2=sσcτoct=τoct=GZZGZZ強(qiáng)度準(zhǔn)則：國際巖石力學(xué)學(xué)會(ISRM)建議方法之一(2012)2.4基于三維精細(xì)化模擬方法的災(zāi)害預(yù)測VolumetricdiscontinuityVolumetricdiscontinuityfrequencySurfacecondition現(xiàn)場采集獲取現(xiàn)場采集獲取GSI2.4基于三維精細(xì)化模擬方法的災(zāi)害預(yù)測三維非連續(xù)動力學(xué)精細(xì)分析與數(shù)字照相集成3.1工程背景峨眉至漢源高速公路，起于峨眉山市南側(cè)，止于止于雅安市漢源縣北側(cè)，路線全長約123.468公里，全線橋隧比約80%，僅隧道就占總長比60%多，總投資超過220億元3.1工程背景大峽谷特長隧道，占路線總長度的約十分之一，是制約峨漢高速按時(shí)完工的關(guān)鍵瓶頸眉3.1工程背景大峽谷特長隧道最大埋深1944米，是世界目前埋深最大的公路隧道3.1工程背景圍巖條件非常差，近水平層狀節(jié)理白云巖，含軟弱夾層3.1工程背景塌方頻發(fā)3.1工程背景3.2隧道圍巖等級自動判別及數(shù)字化動態(tài)支護(hù)設(shè)計(jì)了圍巖等級自動判別及數(shù)字化動態(tài)支護(hù)設(shè)計(jì)示范，全過程在12分鐘內(nèi)完成3.2隧道圍巖等級自動判別及數(shù)字化動態(tài)支護(hù)設(shè)計(jì)通過手機(jī)微信小程序上傳數(shù)據(jù)云計(jì)算重構(gòu)三維點(diǎn)云數(shù)字孿生模型3.2隧道圍巖等級自動判別及數(shù)字化動態(tài)支護(hù)設(shè)計(jì)3.2隧道圍巖等級自動判別及數(shù)字化動態(tài)支護(hù)設(shè)計(jì)3.2隧道圍巖等級自動判別及數(shù)字化動態(tài)支護(hù)設(shè)計(jì)3.2隧道圍巖等級自動判別及數(shù)字化動態(tài)支護(hù)設(shè)計(jì)根據(jù)修正BQ值自動匹配出圖現(xiàn)場施工人員通過手機(jī)查看支護(hù)設(shè)計(jì)圖3.2隧道圍巖等級自動判別及數(shù)字化動態(tài)支護(hù)設(shè)計(jì)3.3基于智能移動終端和三維非連續(xù)分析的塌方精細(xì)化預(yù)測3.3基于智能移動終端和三維非連續(xù)分析的塌方精細(xì)化預(yù)測原始掌子面排險(xiǎn)前排險(xiǎn)后3.3基于智能移動終端和三維非連續(xù)分析的塌方精細(xì)化預(yù)測透明化掌子面三維地質(zhì)數(shù)字孿生模型3.3基于智能移動終端和三維非連續(xù)分析的塌方精細(xì)化預(yù)測數(shù)字孿生模型及地質(zhì)信息智能提取3.3基于智能移動終端和三維非連續(xù)分析的塌方精細(xì)化預(yù)測3.3基于智能移動終端和三維非連續(xù)分析的塌方精細(xì)化預(yù)測圍巖分級智能判定結(jié)果分級結(jié)果為