基于三维地质信息的隧洞变形评估及支护设计方法和系统与流程

本发明涉及工程技术领域，更具体的说，是涉及一种基于三维地质信息的隧洞变形评估及支护设计方法和系统。

背景技术：

水电、交通、采矿的岩质地下隧洞的开挖之前，需要预先进行变形评估和支护设计，围岩的变形破坏首先取决于围岩地质，其中包括围岩体的岩性、结构条件，其次受到围岩的环境条件即地应力的大小、地下水的发育分布状况的影响，同时也与围岩的支护条件密切相关。

对于大型水电、交通、采矿的地下工程，通常区域地质条件复杂，因此地下隧洞的不同位置，地应力条件和岩体力学参数的变化都比较大，这就需要对地下隧洞进行分段变形评估和支护设计。

在传统的地下隧洞变形评估和支护设计方法中，勘查、设计部门的协同性较低，导致在设计环节无法有效整合前期的勘查资料，且对于补勘资料，设计部门也无法及时有效的作出修正和反馈。

对于项目前期的勘察资料无法进行有效且有序的管理和利用，随着勘察资料的丰富和完善，无法迅速有效地利用现有资料对当地的地质条件进行评价，也无法随时对场地中所布置的任意地下隧洞的洞段进行变形评估和支护设计。

技术实现要素：

有鉴于此，有必要针对上述问题，提供一种基于三维地质信息的隧洞变形评估及支护设计方法和系统，辅助项目决策者及时调整地下隧洞的布置方案和支护方案，从而达到兼顾安全施工和节约成本的目的。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种基于三维地质信息的隧洞变形评估及支护设计方法，包括以下步骤：

S1、收集汇总三维地质信息数据；

S2、根据收集到的三维地质信息数据构建区域三维地质模型；

S3、编录勘察平洞和钻孔数据，并通过三维空间立方网DSI插值技术，得到洞室结构区域的初始应力和岩体力学参数的空间分布；

S4、在三维地质模型中构建隧洞几何结构模型，计算指定断面的隧洞变形量；

S5、根据变形量给出支护方案，并给出工程量的统计汇总结果。

作为优选的，所述步骤S3具体包括：

S301、对勘察平洞和钻孔数据进行整合分析，从而对勘查钻孔和平洞进行不同标准的围岩评分，结合岩体力学参数取值公式，生成基于钻孔和平洞几何位置的携带岩体变形和强度参数的点集数据；

S302、基于该点集数据，通过三维空间立方网DSI插值技术，得到隧洞整个场地区域的携带岩体变形和强度参数数据的立方网对象；

S303、再次利用三维空间立方网DSI插值技术，将岩体变形和强度参数数据插值映射到隧洞的洞段上；

S304、根据基于离散测点几何位置的现场地应力测试数据进行插值，得到携带地应力属性的点集数据；

S305、利用三维空间立方网DSI插值技术，得到地下隧洞整个场地区域的携带地应力数据的立方网对象，将地应力属性映射到地下隧洞的洞段上。

作为优选的，所述步骤S4中，根据得到的同时携带了岩体变形和强度参数数据以及地应力数据的洞段，结合地下工程用的HOEK-BROWN或摩尔-库伦本构关系判断地下隧洞的变形量。

作为优选的，所述步骤S301中，围岩评分包括RMR评分、BQ评分、水电评分。

作为优选的，所述勘查平洞和钻孔数据包括进尺与岩性信息、岩芯的RQD信息、节理产状信息、节理状态信息、地下水状态信息、岩石取样位置信息。

作为优选的，所述步骤S1中收集的三维地质信息数据包括勘察平洞和钻孔数据、现场岩石和岩体实验数据、现场物探测试数据、室内岩石实验数据和现场地应力测试数据。

一种根据上述进行隧洞变形评估及支护设计的系统，其特征在于，包括数据库模块和三维地质模型构建展示模块；

所述数据库模块用于存储并录入三维地质信息数据，包括勘探平洞和钻孔数据编录单元、现场岩石和岩体试验数据存储单元、室内岩石试验数据存储单元、现场物探测试数据存储单元和现场地应力测试数据存储单元；

所述三维地质模型构建展示模块用于根据收集到的三维地质信息数据，勘查钻孔和平洞的围岩变形和强度参数点集，并建立构建区域三维地质模型和洞室结构模型，包括地下隧洞的三维几何模型、含属性的地下隧洞模型。

作为优选的，还包括一地下隧洞计算及设计模块，用于根据三维地质信息数据和三维地质模型，计算地下隧洞洞段的变形程度、支护类型及工程量统计。

作为优选的，所述数据库模块，对存储于数据库模块中的各类数据进行整合分析，并对勘察钻孔和平洞进行不同标准的围岩评分；

所述地应力测试数据存储单元用于录入或导入现场地应力测试信息，具体包括测点的位置和所测得的地应力大小和方位；

所述勘探平洞和钻孔数据编录单元用于录入或导入相应的数据，具体包括进尺与岩性信息、岩芯的RQD信息、节理产状信息、节理状态信息、地下水状态信息、岩石取样位置信息；

所述室内岩石试验数据存储单元用于录入对应于钻孔和平洞取样点位置的室内岩石物理试验、强度试验的结果数据；

所述现场岩石和岩体试验数据存储单元用于录入或导入现场测试得到的岩体数据，包括点荷载强度；

所述现场物探测试数据存储单元用于录入或导入钻孔和平硐的物探数据，包括声波测试结果、地震波测试结果。

作为优选的，所述三维地质模型构建展示模块通过三维空间CAD技术和三维空间立方网DSI插值技术建立区域三维地质模型和洞室结构模型。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明能够提高勘查、设计部门的协同性，在设计环节有效整合前期的勘查资料，且对于补勘资料，设计部门能够及时有效的作出修正和反馈。对于项目前期的勘察资料进行有效且有序的管理和利用，随着勘察资料的丰富和完善，能够迅速有效的利用现有资料对当地的地质条件进行评价，随时对场地中所布置的任意地下隧洞的洞段进行变形评估和支护设计。

附图说明

图1为本发明实施例的方法流程框图；

图2为本发明实施例图1中步骤S3的流程图；

图3为本发明实施例的系统结构框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明所述的基于三维地质信息的隧洞变形评估及支护设计方法和系统作进一步说明。

以下是本发明所述的基于三维地质信息的隧洞变形评估及支护设计方法和系统的最佳实例，并不因此限定本发明的保护范围。

图1和图2示出了一种基于三维地质信息的隧洞变形评估及支护设计方法，包括以下步骤：

S1、收集汇总三维地质信息数据；

S2、根据收集到的三维地质信息数据构建区域三维地质模型；

S3、编录勘察平洞和钻孔数据，并通过三维空间立方网DSI插值技术，得到洞室结构区域的初始应力和岩体力学参数的空间分布；

S4、在三维地质模型中构建隧洞几何结构模型，计算指定隧洞断面的变形量；S5、根据变形量给出支护方案，并给出工程量的统计计算结果。

作为优选的，所述步骤S3具体包括：

S301、对勘察平洞和钻孔数据进行整合分析，从而对勘查钻孔和平洞进行不同标准的围岩评分，再利用岩体力学参数取值公式，生成基于钻孔和平洞几何位置的携带岩体变形和强度参数的点集数据；

S302、基于该点集数据，通过三维空间立方网DSI插值技术，得到隧洞整个场地区域的携带岩体变形和强度参数数据的立方网对象；

S303、再次利用三维空间立方网DSI插值技术，将岩体变形和强度参数数据插值映射到隧洞的洞段上；

S304、根据基于离散测点几何位置的现场地应力测试数据进行插值，得到携带地应力的点集数据；现场地应力测试数据进行DSI插值运算，得到含有场地区域的地应力分布的立方网，从而得到地下隧洞各个洞段的地应力分布；

S305、利用三维空间立方网DSI插值技术，得到地下隧洞整个场地区域的携带地应力数据的立方网对象，将地应力属性映射到地下隧洞的洞段上。

DSI插值技术，是一种插值方法，该方法依赖于网格结点的拓扑关系，不以空间坐标为参数，是一种不受维数限制的差值方法。DSI插值基本思想：欲在一个离散化数据点间建立相互联络的网络，如果网络上的已知节点值满足某种约束条件，则未知节点上的值可以通过解线性方程而得到。

作为优选的，所述步骤S4中，根据得到的同时携带了岩体变形和强度参数数据以及地应力数据的洞段，结合地下工程用的HOEK-BROWN强度准则或摩尔-库伦本构关系判断地下隧洞指定断面的变形量。

作为优选的，所述步骤S301中，围岩评分包括RMR(Relative Metabolic Rate，能量代谢率)评分、BQ评分、水电评分。

作为优选的，所述勘查平洞和钻孔数据包括进尺与岩性信息、岩芯的RQD(Rock Quality Designation，岩石质量指标)信息、节理产状信息、节理状态信息、地下水状态信息、岩石取样位置信息。

作为优选的，所述步骤S1中收集的三维地质信息数据包括勘察平洞和钻孔数据、现场岩石和岩体实验数据、现场物探测试数据、室内岩石实验数据和现场应力测试数据。

图3示出了一种根据上述方法进行隧洞变形评估及支护设计的系统，其特征在于，包括数据库模块和三维地质模型构建展示模块；

所述数据库模块用于存储并录入三维地质信息数据，包括勘探平洞和钻孔数据编录单元、现场岩石和岩体试验数据存储单元、室内岩石试验数据存储单元、现场物探测试数据存储单元和现场地应力测试数据存储单元；

所述三维地质模型构建展示模块用于根据收集到的三维地质信息数据，勘查钻孔和平洞的困岩变形和强度参数点集，并建立构建区域三维地质模型和洞室结构模型，包括地下隧洞的三维几何模型、含属性的地下隧洞模型。

作为优选的，还包括一地下隧洞计算及设计模块，用于根据三维地质信息数据和三维地质模型，计算地下隧洞洞段的变形程度、支护类型及工程量统计。

根据其变形程度，采用收敛应变法进行支护设计，从支护类型库中选择合适的支护类型(包含三种支护类型：锚杆、拱架、喷射混凝土)，一般都选择复合支护类型，如喷层+锚杆，或者喷层+锚杆+拱架。对于每种支护类型，都内置了工程中常用的材料库，确定支护类型参数后，便可得到该复合支护类型所能提供的支护压力，然后根据洞段的围岩特征曲线和支护压力曲线来判断所选支护类型的安全储备，从而初步确定该洞段所需的支护类型，并可以初步估算该地下隧洞的工程量，如拱架数量、锚杆数量、喷射混凝土的方量；

作为优选的，所述数据库模块将存储于数据库模块中的各类数据自动进行整合分析，并对勘察钻孔和平洞进行不同标准的围岩评分；

所述地应力测试数据存储单元用于录入或导入现场地应力测试信息，具体包括测点的位置和所测得的地应力大小和方位；

所述勘探平洞和钻孔数据编录单元用于录入或导入相应的数据，具体包括进尺与岩性信息、岩芯的RQD信息、节理产状信息、节理状态信息、地下水状态信息、岩石取样位置信息；

所述室内岩石试验数据存储单元用于录入对应于钻孔和平洞取样点位置的室内岩石物理试验、强度试验的结果数据；

所述现场岩石和岩体试验数据存储单元用于录入或导入现场测试得到的岩体数据，包括点荷载强度；

所述现场物探测试数据存储单元用于录入或导入钻孔和平硐的物探数据，包括声波测试结果、地震波测试结果及其他物探测试数据。

作为优选的，所述三维地质模型构建展示模块通过三维空间CAD技术和三维空间立方网DSI插值技术建立区域三维地质模型和洞室结构模型。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明能够提高勘查、设计部门的协同性，在设计环节有效整合前期的勘查资料，且对于补勘资料，设计部门能够及时有效的作出修正和反馈。对于项目前期的勘察资料进行有效且有序的管理和利用，随着勘察资料的丰富和完善，能够迅速有效的利用现有资料对当地的地质条件进行评价，随时对场地中所布置的任意地下隧洞的洞段进行变形评估和支护设计。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。