巖體精細(xì)化建模方法與三維塊體識(shí)別

（東華理工大學(xué)，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(shí)和準(zhǔn)確的結(jié)構(gòu)表征在巖體穩(wěn)定性的分析中同時(shí)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(jī)計(jì)算生成的結(jié)構(gòu)空間平面。這樣如果得到的隨機(jī)結(jié)構(gòu)空間平面不準(zhǔn)確，得到的塊不僅僅只能是一個(gè)定位塊，只能直接用于數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析和數(shù)據(jù)可靠性的分析。對(duì)通過地質(zhì)物理勘測(cè)和其他的方法分析獲得的多源數(shù)據(jù)分別進(jìn)行了空間的解釋和確定性的修改，以獲得一個(gè)確定的隨機(jī)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(jī)生成的結(jié)構(gòu)空間平面模擬進(jìn)行了階段性的組合，并且通過引入隨機(jī)結(jié)構(gòu)平面的模擬進(jìn)行動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)驗(yàn)證和調(diào)整機(jī)制，在巖洞開挖的過程中使用連續(xù)時(shí)間測(cè)量的確定性數(shù)據(jù)對(duì)隨機(jī)結(jié)構(gòu)空間平面模擬的穩(wěn)定性進(jìn)行了動(dòng)態(tài)的驗(yàn)證和實(shí)時(shí)的調(diào)整。為了更好地建立基于隨機(jī)結(jié)構(gòu)空間平面的更精細(xì)的結(jié)構(gòu)空間分析模型并同時(shí)使用整個(gè)結(jié)構(gòu)空間塊，可以使用識(shí)別方法來識(shí)別圍巖塊，搜索不穩(wěn)定塊并分析穩(wěn)定性。

1 巖體精細(xì)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(jì)和施工前通常都要考慮采用多種的地質(zhì)探查和勘測(cè)的手段和方法來分析探查設(shè)計(jì)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(cè)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(gè)共同的特點(diǎn)通過對(duì)空間的解譯和對(duì)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(diǎn)、線或地質(zhì)面等的幾何結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)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(gè)簡(jiǎn)單地質(zhì)結(jié)構(gòu)面建模擬合后的構(gòu)造過程為一實(shí)例，生成系統(tǒng)的確定性地質(zhì)結(jié)構(gòu)面的基本設(shè)計(jì)操作步驟和過程如下：

（1）根據(jù)主要研究區(qū)域重點(diǎn)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(gè)鉆孔曲線方向所在點(diǎn)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(gè)鉆孔曲線方向點(diǎn)的矢量。

（2）我們可以看到利用這個(gè)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(gè)控制微分點(diǎn)。

（3）方法采用最小二維砌體坐標(biāo)數(shù)的乘法，利用每個(gè)控制點(diǎn)二維坐標(biāo)的模擬數(shù)組合出砌體結(jié)構(gòu)橫截面的兩個(gè)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(dǎo)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(jī)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(fù)雜性，加之隧道挖掘手段、工期、經(jīng)費(fèi)的復(fù)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(duì)開挖完成后所需要揭示的隧道工程地質(zhì)特征和條件對(duì)反應(yīng)映隧道工程圍巖結(jié)構(gòu)進(jìn)行再認(rèn)識(shí)和再分析確定。本文主要采用隧道巖體結(jié)構(gòu)面非自動(dòng)接觸數(shù)字地質(zhì)攝像測(cè)量分析技術(shù)，隨著反應(yīng)映隧道工程開挖的順利進(jìn)行，實(shí)時(shí)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(zhǔn)確。

結(jié)構(gòu)面非自動(dòng)接觸數(shù)字巖體攝像測(cè)量系統(tǒng)由一套3g軟件、測(cè)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(biāo)定的鏡頭和高標(biāo)準(zhǔn)手接觸數(shù)碼相機(jī)，從兩個(gè)不同的位置和角度對(duì)巖體指定區(qū)域的巖體進(jìn)行成像，數(shù)據(jù)采集工作完成后，在一臺(tái)計(jì)算機(jī)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(zhǔn)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(gè)巖體真實(shí)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(duì)采集的結(jié)構(gòu)面概率模型信息和數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)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(dǎo)入geosma-3d圖像該系統(tǒng)生成隨機(jī)結(jié)構(gòu)面。

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

（1）首先確定模擬時(shí)巖體中心點(diǎn)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(jìn)行劃分模擬應(yīng)用區(qū)域以分區(qū)進(jìn)行模擬應(yīng)用。但需要特別注意的一個(gè)問題是，由于大部分模擬時(shí)巖體中心點(diǎn)位于模擬應(yīng)用區(qū)內(nèi)的模擬結(jié)構(gòu)面有部分會(huì)繼續(xù)延伸發(fā)育到模擬應(yīng)用區(qū)外，同樣也可能會(huì)發(fā)現(xiàn)有相當(dāng)一部分模擬時(shí)中心點(diǎn)或者位于模擬應(yīng)用區(qū)外的結(jié)構(gòu)面會(huì)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(jìn)一步擴(kuò)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(jìn)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(jì)算參數(shù)方法依據(jù)先進(jìn)的在線數(shù)字測(cè)量攝影和電子測(cè)量圖像處理分析技術(shù)通過分析設(shè)計(jì)得到的整體結(jié)構(gòu)面積和參數(shù)概率模型，讀入各個(gè)圓盤中心線每點(diǎn)結(jié)構(gòu)坐標(biāo)概率模型的計(jì)算參數(shù)，首先我們可以精確生成各個(gè)圓盤中心線每點(diǎn)的整體結(jié)構(gòu)坐標(biāo)面積和一個(gè)圓盤上的中心線各點(diǎn)的結(jié)構(gòu)坐標(biāo)。

（4）自動(dòng)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(gè)類型結(jié)構(gòu)體表面的運(yùn)動(dòng)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(gè)參數(shù)，生成各個(gè)類型結(jié)構(gòu)體截面的平均半徑。

（6）支持動(dòng)態(tài)校核并自動(dòng)調(diào)整結(jié)構(gòu)化頁(yè)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(shí)別

隨著研究的深入，三維塊體全空間自動(dòng)識(shí)別成為研究熱點(diǎn)，其中較成熟的典型方法有2種，即基于拓?fù)渫{(diào)理論的方法和基于凸體組合的方法。

（1）基于三維塊與拓?fù)淞Ⅲw空間相同長(zhǎng)度調(diào)節(jié)性理論的三維空間塊體積的全空間識(shí)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(shí)別方法。

基于復(fù)雜凸體半空間組合的復(fù)雜塊體識(shí)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(fù)雜巖體，之后再簡(jiǎn)單地通過不連續(xù)面無限尺寸的裂隙有限性來識(shí)別和組合簡(jiǎn)單的凸體形成復(fù)雜半空間塊體的新技術(shù)思路。

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

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

3 應(yīng)用

塊體的識(shí)別和模擬搜索的塊體識(shí)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(gè)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(jìn)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(fù)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(shí)別和模擬的基礎(chǔ)上通過模擬搜索得出的若干個(gè)失穩(wěn)小單元塊體及1個(gè)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(shí)現(xiàn)對(duì)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(cè)量數(shù)據(jù)分析技術(shù)快速測(cè)量結(jié)構(gòu)面的重要產(chǎn)狀和相關(guān)信息，使得對(duì)隧道開挖模型的分析建立和設(shè)計(jì)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(shí)間，對(duì)于工程的安全和施工管理具有積極重大意義。