數字孿生技術在隧洞工程地質模型中的應用

盧樹盛 孫云志 謝禮明

摘要：

為更好地發現隧洞工程中的風險，生成更安全、高效的設計以及更有效的成果，明確隧洞工程中的風險所在和其結構性能至關重要，介紹了數字孿生技術的工程應用歷程、工程地質模型開發的基礎性作用、建模流程和數字孿生成熟度模型。提出了數字孿生在隧洞工程地質應用總體框架和應用的不同階段任務，探討了應用階段和工程地質模型的不確定問題。對數字孿生技術在巖體工程中的應用局限進行了初步闡述，展望新技術在隧洞工程的應用前景。結果表明：復雜地質條件的隧洞工程數字孿生應用還存在一些技術瓶頸，但隨著新技術的快速發展，可為未來大型引調水工程隧洞數字化提供較強的技術支撐。

關鍵詞：

隧洞工程； 工程地質； 數字孿生； 地質模型

中圖法分類號：TV698.1

文獻標志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.05.022

文章編號：1006-0081（2023）05-0134-06

0 引 言

數字孿生是充分利用物理模型、傳感器更新、運行歷史等數據，集成多學科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對應實體裝備的全生命周期的過程。該技術與傳統的信息化相比，能更好發現風險、生成更安全、高效的設計以及更有效的成果，以便與項目利益相關者溝通來完善項目交付［1］。基于物聯網、無線通信和云計算等新興技術，大型復雜項目可用數據正在為數字孿生提供動力［2-3］。在隧洞工程中運用數字孿生，可以將地面和地下情景結合，展示它們之間的相互作用。三維地質模型與結構三維模型相結合，可以更詳細、有力地展示結構位置［4-5］。工程師能更好了解風險所在和結構性能。模型之間的交互可更清楚地傳達隧洞工程風險。

王國崗等［6］立足于地質生產的全過程及全生產要素的應用需求，提出了水利水電工程中地質生產的數字化應用方案。張綠原等［7］結合水利工程仿真決策系統的建設經驗，探討了數字孿生技術架構設計以及需要關注解決的重點問題。饒小康等［8］以數字孿生為基礎，將GIS+BIM+IoT融合的數字孿生與流域管理相結合，建立數字孿生數據及模型集成與可視化表達方法，研究數字孿生運行機制，構建智慧流域孿生體，設計數字孿生驅動的智慧流域平臺。楊順群等［9］歸納總結了代表性的國內外大中型水利水電工程數字化應用案例，從工程設計、建造、運行管理等方面分析了發展現狀和存在的數據融合、數據智能化問題，提出了未來大數據、智能化技術發展趨勢。同濟大學朱合華團隊［10］在四川某隧道進行了基于數字孿生的隧道圍巖等級自動判別及數字化動態支護設計方面探索。上述學者結合數字孿生技術，分別在數字化應用方案、技術架構和模型集成和可視化表達方面做了較深入研究，但均沒有涉及數字孿生技術在隧洞工程地質方面的應用。本文旨在探討數字孿生技術在隧洞工程地質中進行信息管理的可能性，提出數字孿生成熟度模型，探討數字孿生技術在隧洞工程的應用階段及工程地質模型不確定性問題，并介紹具體應用標例。

1 工程地質數字孿生

1.1 技術必要性

數字孿生由物理系統、虛擬系統和它們之間的雙向鏈接組成，可通知同步至系統，并根據需要調整行為。雙向鏈接不斷與物理和虛擬系統保持聯系，在兩個方向上接收和發送信息［11］。工程地質與非工程地質系統在數字孿生中的需求見表1。

對系統行為的預測效果，將影響隧洞工程施工的效率、安全和環境。通過隧洞應用程序的統一存儲庫進行實時連接需要亞秒級的雙向信息傳輸。傳入數據和地質模型之間實時連接，以便及時解釋和融合信息。

隧洞工程中需解決生產力低、安全性差和不可預測的問題。數字孿生可支持這種優化，尤其在智能化的隧洞施工中，根據上述3方面將體驗與反饋機制、沉浸式與可視化相結合，提供隧洞性能的設計、分析和預測。

數字孿生可以描述為設計對象或物理對象的三維表示，包括當前的地質條件和規劃或建造的基礎設施。如需要通過復雜地形挖掘的工程，其在交叉關系中包含不同的地質單元，這種地形無法用二維剖面很好地描述或表示。然而有了足夠大的數據庫和3D模型，則可以更好地識別和溝通復雜的關系、描述地面特征的信息、評估風險和不確定性。

三維地質模型與包括地下基礎設施在內的結構數據相結合，提高了工程設計準確性，減少了不確定性，因此可以更好地利用于隧洞工程建造規劃。數字孿生技術在隧洞工程地質模型中的應用流程見圖1。當隧洞工程地質條件發生變化時，如隧洞穿越斷層破碎帶，則可以通過數字孿生形式展示地質模型，使利益相關者更容易理解。結構模型和地質模型的結合顯示了“前后效應”和兼容性?；跀底謱\生的三維地質模型可以更好地表征各方風險，并在項目早期進行溝通。

1.2 成熟度模型

英國工程技術研究所和阿卡迪斯共同編制了數字孿生成熟度模型，來表達數字孿生的發展［12］。

從工程地質學的角度來看，數字孿生技術可以將地上和地下情景結合起來，揭示它們之間的相互作用。將三維地質模型與結構模型結合起來，更加詳細、有力地了解結構模型和地質體的相關系統。當地上建筑物與其下的地質條件能結合觀測時，就能更好地發現風險及模擬建筑物可能的運作模式。模型之間的交互可以提供工程設計的技術價值。合并后的圖片作為“新的整體”，將更清楚地反映項目風險。

2 隧洞工程地質應用

2.1 隧洞工程地質應用總體框架

基于數字孿生的隧洞工程地質應用架構平臺主要包括信息化基礎設施和數字孿生平臺。信息化基礎設施是整個隧洞工程地質數字孿生體系的基礎支撐，包含空天地一體化感知設備和物理實體模型，為上一級數據層提供如隧洞工程地質勘察所需的遙感、鉆探、物探、化探和工程地質分析數據。

數據孿生平臺數據底板主要實現數據交換、融合、存儲、處理、共享等功能，同時集成大數據、云計算、虛擬化等技術，為整個孿生平臺提供基礎數據支撐。包括隧洞工程地質應用涉及的工程地質、水文地質、設計方案、施工方法及監測數據和超前地質預報數據等。

數據孿生平臺模擬仿真引擎以模型庫和知識庫為基礎，借助三維地質模型、GIS+BIM+IoT數據融合、云計算、數值仿真、人工智能、決策控制與可視化，通過孿生體與物理實體在位置、幾何、行為、規則等方面的映射關系，構建信息空間中各類實體、環境、參數的模擬仿真和決策支持模型。

典型應用將數字孿生體與物理實體對象一一對應，包括工程地質勘察過程中風險控制、超前地質災害預報、巖機感知與智能掘進、TBM集群施工綜合管理和施工地質風險管控集中保障系統等。最終以Web用戶終端、移動端、VR/AR/MR端等多種形式，提供多場景的業務管理和交互界面，具體框架平臺見圖2。

2.2 數字化隧洞應用階段

巖體的特征為不連續、不均勻、各向異性和非彈性，與工程材料相比，其在取樣、建?；蚰M方面具有一定挑戰。例如：描述巖體不連續性的特征對于隧洞模擬至關重要，包括邊坡穩定性、減壓和排水、鉆孔和爆破優化以及巖體破碎。用于建立地質模型的數據（如鉆孔、遙感、物探、化探數據）由一系列空間分辨率獲得，需進行不同程度的處理和解釋。隧洞工程應用分為工程準備期、計劃階段、施工階段和工程完工期，數字化應用見圖3。

2.3 地質模型不確性與數字孿生

由于對地下工程認知有限和地質模型的不確定性，為提高模型精度，需開發新的方法分析、量化和傳達地質模型中的不確定性，但目前尚未形成現實的“孿生”，地質建模能力存在一定局限性。

數字化地質模型受制于兩種關鍵類型的不確定性，即接觸面三維幾何知識的局限性和隨機性（如模型的隨機參數、結構面規模和方向）。大部分巖體在開挖之前無法看到，只能使用一般統計方法和專家判斷來評估系統特性和行為。

地質模型還包含水文地質過程，水文地質條件會在短時間內發生變化，并受到隧洞施工過程的影響。此外，巖體開挖（地表或地下）的過程會改變巖體的應力狀態?？捎^測的工程地質和水文地質特征與合成、插值和解釋數據高度整合，形成數字化地質系統，但地質系統建模的精度受到地質不確定性的嚴重限制。雖可以通過了解更多信息進行改進，但不可能以完全制造工程系統的相同方式構建物理系統的“孿生”系統。

地質和巖土工程學科依賴專家判斷，尤其是在解決認知或模型不確定性時。工程地質模型（包括巖性、結構、巖體特征和水文地質）與隧洞模型相結合，可以優化隧洞設計。地質模型還通過直接或間接方式，觀測與相鄰數據集之間的插值（是否為差值或無誤）、解釋和預測以及管理不確定性的隨機模擬過程。

隧洞工程某些特征固有的不確定性反映出工程風險狀況，需要進行一系列策略評估，以幫助決策。此類方法旨在降低與已知不確定性相關的風險，尋求更多關于模型本身的信息，并盡快對其進行改進；同時即承認了模型無法被描述為可充分反映現實的“孿生體”，固有的不確定性仍然存在。工程地質和水文地質模型為隧洞設計和運營提供信息，并反之由直接或間接觀測提供信息，通過它們之間的插值，由不受直接觀測支持的“合成”數據進行補充。

2.4 應用示例

現有基礎設施的數字化使用移動測繪掃描系統創建。一旦創建，可以添加計劃中的結構。憑借此類數字化過程，可完成耗時的變化過程、新的設計或規劃想法以及不同的模擬。通過使用數字孿生模型，用戶可以獲得現有和規劃隧道的全面數字文檔，更簡單直觀地通過結構3D呈現基礎設施信息，通過標準化界面鏈接顯示數據、自動或半自動邊緣檢測建立模型，隧洞工程數字孿生模型應用示例見圖4。

建立隧洞數字孿生模型，需要的典型信息包括照片、隧洞剖面、支護措施、監測數據、地質和地下水分析。所有這些來自不同學科的數據模型以及傳感器信息，必須連接到數字孿生模型，集成靜態和動態實時信息。該模型基于云系統與第三方數據配合使用，對整個隧洞工程數據進行分類，使用人工智能進行半自動檢測，并對第三方云應用程序開放。

3 討 論

3.1 地下工程應用局限

隧洞施工中存在較大地質風險，主要原因是缺乏地質數據和相關認識，以及由自然條件可變性導致的隧洞地質力學和巖土工程的不確定性，即知識不對稱。這些地質模型的復雜性和不確定性，阻礙了工程師基于風險做出決策的能力［12］。

數字孿生模型的好壞取決于創建它的數據，需要它隨著條件的變化適應新的數據［13］。如果新的信息沒有反饋到數字孿生中，過時信息則可能會產生誤導。

在地下工程勘察設計過程中探索隧洞工程的數字孿生要求與不確定的地質模型間的相互作用，以及兩個模型如何連接。

數字化地質系統在一定程度上滿足數字孿生要求，建立可以通過統一存儲庫連接的關系，將使隧洞孿生在近乎實時的基礎上提供和接收更新。

此外，盡管機器學習和算法方面取得了進展［13-14］，但驗證和質量保證需要依賴專家意見和人工干預，這意味著目前不可能對虛擬地質系統進行實時或快速更新。雖然地質成分和數據可用于呈現隧洞周圍工程資產的數字孿生環境，但并不構成地質數字孿生環境。自然系統包含不確定性，需要對工程隧洞系統的數字版本采用不同的方法，使這些系統更易配對。

早期地質模型（原位巖石邊界、特征和結構）與物理地質對應物相去甚遠。數字隧洞的傳感器和實時數據收集能力通過不斷迭代，將它們與早期模型結合起來，改善模型與現實的關系。

隧洞工程數字化是通過使用數字模型、模擬、分析、控制和相關反饋來增強物理挖掘的智能方法［15］。通過數字孿生增強數字化和實時交互，將優化隧洞設計，但該系統巖體部分的數字化仍存在問題。雖然工程系統可以數字配對，但包含固有不確定性的自然系統將存在挑戰，尤其是在需要人工密集型程序的情況下，這一點更加復雜，因為隧洞系統的設計目的不僅是與周圍環境相互作用，而且是實質性、持續地改變周圍環境。

考慮到數字孿生需求和工程地質建模能力，需同步數字孿生的潛力，以涵蓋其相互作用的復雜且不確定的地質體。工程地質及水文地質模型數據支撐數字孿生潛力評估見表3。基于這一評估，數字孿生在隧洞工程地質應用中期預測的價值可能有限。

3.2 新數字孿生改善技術

改善數字孿生技術需從總體架構平臺底層著手，從感知網、信息網、云平臺等數據基礎設施開始，在三維地質模型構建、數據融合、實時動態仿真和人工智能等孿生引擎方面進行增強，最后在智慧應用方面不斷拓展和優化，提供更友好的用戶界面和技術決策支撐。結合孿生實體隧洞工程，數字孿生新技術可以從以下幾個方面應用。

（1） 隧洞工程地質勘察設計過程中，不斷改進工程地質和水文地質模型將有助于隧洞線路比選和圍巖動態支護。

（2） 動態模型中，通過隨鉆測試（MWD）數據及時更新工程地質模型，以服務數字化地質模型，進而開展工程線路方案比選和未來隧洞工程開挖。該系統可使輸入數據與當前（和更新）模型的地震、斷層、褶皺和地層層位等模型元素共同可視化。探地雷達（GPR）對于水平感知非常有價值，可以提供快速更新的地質模型信息，以記錄和優化隧洞開挖掘進過程。這些信息可以存放或加工，以適應已掘進內容，并可更新地質模型，從而有助于提高其預測效果，幫助規劃和預測下一個掘進階段。超前雷達（LAR）和基于熱紅外的追蹤方法等技術可以為隧洞掘進設備提供有價值的信息，更重要的在于它可將信息反饋到地質模型，以便進行實時更新。

（3） 在模擬方面，經過改進的計算框架正逐漸打破過去的一些限制。例如，開發的多物理面向對象模擬引擎（MOOSE）的通用功能，目前已應用于隧洞，尤其是地下水建模，支持大規模并行計算與完全耦合的物理模擬。隧洞設備與隧洞模型的數字連接將支持快速的模型更新，以減少不確定性并提高模型的可靠性。

另外，可以將接收到的新數據開發并作為工作流程的一部分，整合到二維和三維地質模型中，隨著建模過程自動應用地層和巖性界線和斷層邊界進行變化。需要在隧洞工程中考慮新數據可靠性。隨著對地質模型的反饋增加，基于地質模型有助于制定更準確的工程解決方案。

4 結 論

（1） 數字孿生不僅僅是數字模型或數字模擬，它是通過傳感器和數據在物理對象及其數字模型之間建立連接，并通過不斷迭代更新數據集進行預測。

（2） 數字孿生技術可收集數據，建立工程地質模型，進而為隧洞工程勘察設計提供技術支撐，但當前的工程地質和水文地質模型和模擬的數字化技術有待進一步探索。

（3） 由于勘測新技術快速發展，地質模型反過來可優化工程解決方案。數字孿生技術可為更好地發現隧洞工程地質風險提供更安全、高效的工程設計技術支撐。

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（編輯：唐湘茜，張 爽）

Abstract：

In order to identify risks and to develop design and results that are more safer，efficient，and effective，and to specify the risks of tunnel projects as well as their structural performance，this paper briefly described the engineering application history of digital twin technology，the basic role of engineering geological model development，modeling process and digital twin maturity model.Tasks of digital twin in different stages of tunnel engineering geological application general frame and application were proposed.The application stage of digital twin technology in tunnel engineering and uncertainties of engineering geological modelwere discussed.this paper preliminary elaboratedthe application limitation of digital twin technology in rock mass engineering and looked forward to the application prospect of new technology in tunnel engineering.The results showed that：although there were still some technical bottlenecks in the digital twin application of tunnel engineering with complex geological conditions，in the long run，with the rapid development of new technology，it would be a strong technical support for the digitalization of tunnel of large diversion and diversion projects in the future.

Key words：

tunnel engineering； engineering geology； digital twins； geological model