巖體精細化建模方法與三維塊體識別

（東華理工大學，江西 南昌 330013）

巖石的內(nèi)部結(jié)構(gòu)空間平面在保證巖洞中圍巖的穩(wěn)定性中也起著重要的作用，而基于巖體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)空間平面的分布的更真實和準確的結(jié)構(gòu)表征在巖體穩(wěn)定性的分析中同時也起著決定性的重要作用。大多數(shù)的結(jié)構(gòu)平面的模擬都是使用了aamontecarlo方法直接隨機計算生成的結(jié)構(gòu)空間平面。這樣如果得到的隨機結(jié)構(gòu)空間平面不準確，得到的塊不僅僅只能是一個定位塊，只能直接用于數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析和數(shù)據(jù)可靠性的分析。對通過地質(zhì)物理勘測和其他的方法分析獲得的多源數(shù)據(jù)分別進行了空間的解釋和確定性的修改，以獲得一個確定的隨機結(jié)構(gòu)空間平面，將具有確定性的結(jié)構(gòu)空間平面和隨機生成的結(jié)構(gòu)空間平面模擬進行了階段性的組合，并且通過引入隨機結(jié)構(gòu)平面的模擬進行動態(tài)實時驗證和調(diào)整機制，在巖洞開挖的過程中使用連續(xù)時間測量的確定性數(shù)據(jù)對隨機結(jié)構(gòu)空間平面模擬的穩(wěn)定性進行了動態(tài)的驗證和實時的調(diào)整。為了更好地建立基于隨機結(jié)構(gòu)空間平面的更精細的結(jié)構(gòu)空間分析模型并同時使用整個結(jié)構(gòu)空間塊，可以使用識別方法來識別圍巖塊，搜索不穩(wěn)定塊并分析穩(wěn)定性。

1 巖體精細化概述

1.1 確定性結(jié)構(gòu)面的生成

巖土及地下工程在探查設(shè)計和施工前通常都要考慮采用多種的地質(zhì)探查和勘測的手段和方法來分析探查設(shè)計和施工開挖的地質(zhì)區(qū)域一定深度范圍內(nèi)的地質(zhì)工程結(jié)構(gòu)和地質(zhì)狀況，從而可以得到豐富多樣的工程地質(zhì)信息和數(shù)據(jù)，主要是包括地質(zhì)鉆孔、平硐及地質(zhì)物探信息等這些地質(zhì)數(shù)據(jù)來源不同的地質(zhì)數(shù)據(jù)雖然在探測精度、分辨率、數(shù)量、質(zhì)量等方面都存在較大的差異，但有一個共同的特點通過對空間的解譯和對多源地質(zhì)數(shù)據(jù)的耦合首先可以將其轉(zhuǎn)化為根據(jù)空間位置確定的地質(zhì)點、線或地質(zhì)面等的幾何結(jié)構(gòu)設(shè)計對象，然后我們就可以直接通過空間擬合最終將其建模轉(zhuǎn)化為三維的地質(zhì)數(shù)據(jù)建模最終生成系統(tǒng)的確定性地質(zhì)結(jié)構(gòu)面。以某一大型地質(zhì)區(qū)域工程中的單個簡單地質(zhì)結(jié)構(gòu)面建模擬合后的構(gòu)造過程為一實例，生成系統(tǒng)的確定性地質(zhì)結(jié)構(gòu)面的基本設(shè)計操作步驟和過程如下：

（1）根據(jù)主要研究區(qū)域重點及該區(qū)域主要地質(zhì)地層結(jié)構(gòu)的立體橫和平剖面剪切圖及縱和平面剪切圖及該地質(zhì)結(jié)構(gòu)面上的兩個鉆孔曲線方向所在點上的矢量相關(guān)數(shù)據(jù)，得到該地質(zhì)結(jié)構(gòu)面上的u，v方形軸向上的兩個鉆孔曲線方向點的矢量。

（2）我們可以看到利用這個反微分算法可以求出各不同方向微分曲線所在矢量上的一個控制微分點。

（3）方法采用最小二維砌體坐標數(shù)的乘法，利用每個控制點二維坐標的模擬數(shù)組合出砌體結(jié)構(gòu)橫截面的兩個平面夾角方程。

得到的有關(guān)巖體內(nèi)部結(jié)構(gòu)面積的信息數(shù)據(jù)分析處理模型數(shù)據(jù)可以直接通過軟件導入智能分析的信息數(shù)據(jù)處理分析軟件，生成有關(guān)巖體結(jié)構(gòu)的確定性和內(nèi)部結(jié)構(gòu)橫剖面等的信息分析模型。

1.2 隨機結(jié)構(gòu)面的模擬

由于反應(yīng)映隧道工程圍巖的地質(zhì)特征和條件的多變性、復雜性，加之隧道挖掘手段、工期、經(jīng)費的復雜性等限制，在隧道工程開挖前不可能將隧道圍巖地質(zhì)特征情況勘探得十分清楚，而必須通過對開挖完成后所需要揭示的隧道工程地質(zhì)特征和條件對反應(yīng)映隧道工程圍巖結(jié)構(gòu)進行再認識和再分析確定。本文主要采用隧道巖體結(jié)構(gòu)面非自動接觸數(shù)字地質(zhì)攝像測量分析技術(shù)，隨著反應(yīng)映隧道工程開挖的順利進行，實時地采集、更新、調(diào)整反應(yīng)映隧道掌子面的巖體結(jié)構(gòu)面地質(zhì)信息，使得反應(yīng)映巖體隧道圍巖結(jié)構(gòu)掌子面的地質(zhì)信息更加準確。

結(jié)構(gòu)面非自動接觸數(shù)字巖體攝像測量系統(tǒng)由一套3g軟件、測量系統(tǒng)產(chǎn)品jointmetrix3d和shapemetrix3d重建軟件組成首先該系統(tǒng)使用標定的鏡頭和高標準手接觸數(shù)碼相機，從兩個不同的位置和角度對巖體指定區(qū)域的巖體進行成像，數(shù)據(jù)采集工作完成后，在一臺計算機上通過smx模型重建的軟件將這些概率模型數(shù)據(jù)合成為3d模型重建圖像該系統(tǒng)的圖像不僅準確地反映了巖體結(jié)構(gòu)和表面的信息，而且還是反映了整個巖體真實情況的三維概率模型信息，包括巖體開挖面上幾乎所有巖體結(jié)構(gòu)和表面的概率模型信息。然后利用3gsm模型重建軟件對采集的結(jié)構(gòu)面概率模型信息和數(shù)據(jù)進行了統(tǒng)計和分析后，將采集的結(jié)構(gòu)面概率模型的參數(shù)信息直接通過軟件導入geosma-3d圖像該系統(tǒng)生成隨機結(jié)構(gòu)面。

系統(tǒng)中三維網(wǎng)絡(luò)模擬的實現(xiàn)過程如下：

（1）首先確定模擬時巖體中心點模擬應(yīng)用區(qū)域的大小，并根據(jù)應(yīng)用區(qū)內(nèi)結(jié)構(gòu)面延伸發(fā)育的程度進行劃分模擬應(yīng)用區(qū)域以分區(qū)進行模擬應(yīng)用。但需要特別注意的一個問題是，由于大部分模擬時巖體中心點位于模擬應(yīng)用區(qū)內(nèi)的模擬結(jié)構(gòu)面有部分會繼續(xù)延伸發(fā)育到模擬應(yīng)用區(qū)外，同樣也可能會發(fā)現(xiàn)有相當一部分模擬時中心點或者位于模擬應(yīng)用區(qū)外的結(jié)構(gòu)面會繼續(xù)延伸發(fā)育到模擬應(yīng)用區(qū)內(nèi)，因此為了保證模擬結(jié)果的美觀和精度，應(yīng)該進一步擴大現(xiàn)有的模擬應(yīng)用區(qū)域，一般情況下可將模擬區(qū)域每一側(cè)的寬度進行增加1～3倍的結(jié)構(gòu)面發(fā)育直徑，或者更大。

（2）初步確定各組結(jié)構(gòu)面數(shù)量。

（3）讀入計算參數(shù)方法依據(jù)先進的在線數(shù)字測量攝影和電子測量圖像處理分析技術(shù)通過分析設(shè)計得到的整體結(jié)構(gòu)面積和參數(shù)概率模型，讀入各個圓盤中心線每點結(jié)構(gòu)坐標概率模型的計算參數(shù)，首先我們可以精確生成各個圓盤中心線每點的整體結(jié)構(gòu)坐標面積和一個圓盤上的中心線各點的結(jié)構(gòu)坐標。

（4）自動讀入類型結(jié)構(gòu)體表面產(chǎn)狀，即根據(jù)整體傾向、傾角概率模型軟件中的各種參數(shù)，生成各個類型結(jié)構(gòu)體表面的運動產(chǎn)狀圖如傾向、傾角。

（5）通過數(shù)據(jù)讀取輸入各種結(jié)構(gòu)體截面的平均半徑概率模型及其中的各個參數(shù)，生成各個類型結(jié)構(gòu)體截面的平均半徑。

（6）支持動態(tài)校核并自動調(diào)整結(jié)構(gòu)化頁面的數(shù)量和規(guī)模。

（7）生成結(jié)構(gòu)面三維網(wǎng)絡(luò)圖。

2 塊體識別

隨著研究的深入，三維塊體全空間自動識別成為研究熱點，其中較成熟的典型方法有2種，即基于拓撲同調(diào)理論的方法和基于凸體組合的方法。

（1）基于三維塊與拓撲立體空間相同長度調(diào)節(jié)性理論的三維空間塊體積的全空間識別方法。

（2）基于三維模型凸體圖形組合的三維圖形塊體圖的全空間識別方法。

基于復雜凸體半空間組合的復雜塊體識別方法主要采用了先用無限尺寸的裂隙完全半空間切割復雜巖體，之后再簡單地通過不連續(xù)面無限尺寸的裂隙有限性來識別和組合簡單的凸體形成復雜半空間塊體的新技術(shù)思路。

目前現(xiàn)有的新型塊體識別方法，一定的程度上已經(jīng)適應(yīng)了目前科學研究和計算機工程科學技術(shù)實踐的發(fā)展需要，但在提高數(shù)據(jù)計算的效率、計算結(jié)果的展示等技術(shù)功能方面還是有待改進和完善；這種新型塊體識別方法主要是用于解決巖石力學與計算機工程學科和其他計算機電子工程學科的各種交叉性研究問題，計算幾何、計算機圖形學與之有密切的相互聯(lián)系，可以從不同的視角對其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計以及改進、算法的應(yīng)用以及優(yōu)化等相關(guān)問題進行做深入的研究。

對塊體的識別首先主要取決于不連續(xù)結(jié)構(gòu)面的塊體識別處理方式，不連續(xù)面的處理決定了對塊體進行準確識別的搜索算法。巖體不連續(xù)面的塊體識別處理將逐步地轉(zhuǎn)向更復雜的形態(tài)，進一步的塊體識別研究將對巖體裂隙的形態(tài)及其表述方式做細致的考慮，對塊體的識別搜索算法也將隨之在實踐中做出相應(yīng)的調(diào)整和改進，從而使社會對塊體識別搜索算法的準確性作出一個更高的要求。

3 應(yīng)用

塊體的識別和模擬搜索的塊體識別方法結(jié)構(gòu)圖如下：①本系統(tǒng)利用圖中幾組特殊的塊體通過虛擬結(jié)構(gòu)網(wǎng)格把失穩(wěn)巖體依次劃分成若干個小單元的塊體，即生成虛擬網(wǎng)格的結(jié)構(gòu)體；②在虛擬網(wǎng)格的結(jié)構(gòu)體中依次通過添加小單元的結(jié)構(gòu)面來進行切割小單元；③依次去除已生成虛擬結(jié)構(gòu)體的網(wǎng)格，合并小單元，形成了形態(tài)復雜的小單元塊體。結(jié)構(gòu)圖圖1為軟件操作系統(tǒng)在以上虛擬結(jié)構(gòu)體界面識別和模擬的基礎(chǔ)上通過模擬搜索得出的若干個失穩(wěn)小單元塊體及1個從模板上滑落的失穩(wěn)小單元塊體的模擬結(jié)構(gòu)圖。

圖1 失穩(wěn)塊體及其滑落的模擬圖

4 結(jié)論

為了更好地實現(xiàn)對大型隧道開挖施工過程中重要結(jié)構(gòu)面的迅速分析和提取，采用了近景成像攝影技術(shù)和測量數(shù)據(jù)分析技術(shù)快速測量結(jié)構(gòu)面的重要產(chǎn)狀和相關(guān)信息，使得對隧道開挖模型的分析建立和設(shè)計優(yōu)化工作變得更加迅速，從而大大縮短了技術(shù)人員搜索和找到重要的關(guān)鍵詞和模塊體的過程和時間，對于工程的安全和施工管理具有積極重大意義。