數(shù)字孿生技術(shù)在隧洞工程地質(zhì)模型中的應(yīng)用

盧樹盛 孫云志 謝禮明

摘要：

為更好地發(fā)現(xiàn)隧洞工程中的風(fēng)險，生成更安全、高效的設(shè)計以及更有效的成果，明確隧洞工程中的風(fēng)險所在和其結(jié)構(gòu)性能至關(guān)重要，介紹了數(shù)字孿生技術(shù)的工程應(yīng)用歷程、工程地質(zhì)模型開發(fā)的基礎(chǔ)性作用、建模流程和數(shù)字孿生成熟度模型。提出了數(shù)字孿生在隧洞工程地質(zhì)應(yīng)用總體框架和應(yīng)用的不同階段任務(wù)，探討了應(yīng)用階段和工程地質(zhì)模型的不確定問題。對數(shù)字孿生技術(shù)在巖體工程中的應(yīng)用局限進行了初步闡述，展望新技術(shù)在隧洞工程的應(yīng)用前景。結(jié)果表明：復(fù)雜地質(zhì)條件的隧洞工程數(shù)字孿生應(yīng)用還存在一些技術(shù)瓶頸，但隨著新技術(shù)的快速發(fā)展，可為未來大型引調(diào)水工程隧洞數(shù)字化提供較強的技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：

隧洞工程； 工程地質(zhì)； 數(shù)字孿生； 地質(zhì)模型

中圖法分類號：TV698.1

文獻標(biāo)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(shù)字孿生是充分利用物理模型、傳感器更新、運行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學(xué)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(yīng)實體裝備的全生命周期的過程。該技術(shù)與傳統(tǒng)的信息化相比，能更好發(fā)現(xiàn)風(fēng)險、生成更安全、高效的設(shè)計以及更有效的成果，以便與項目利益相關(guān)者溝通來完善項目交付［1］?；谖锫?lián)網(wǎng)、無線通信和云計算等新興技術(shù)，大型復(fù)雜項目可用數(shù)據(jù)正在為數(shù)字孿生提供動力［2-3］。在隧洞工程中運用數(shù)字孿生，可以將地面和地下情景結(jié)合，展示它們之間的相互作用。三維地質(zhì)模型與結(jié)構(gòu)三維模型相結(jié)合，可以更詳細、有力地展示結(jié)構(gòu)位置［4-5］。工程師能更好了解風(fēng)險所在和結(jié)構(gòu)性能。模型之間的交互可更清楚地傳達隧洞工程風(fēng)險。

王國崗等［6］立足于地質(zhì)生產(chǎn)的全過程及全生產(chǎn)要素的應(yīng)用需求，提出了水利水電工程中地質(zhì)生產(chǎn)的數(shù)字化應(yīng)用方案。張綠原等［7］結(jié)合水利工程仿真決策系統(tǒng)的建設(shè)經(jīng)驗，探討了數(shù)字孿生技術(shù)架構(gòu)設(shè)計以及需要關(guān)注解決的重點問題。饒小康等［8］以數(shù)字孿生為基礎(chǔ)，將GIS+BIM+IoT融合的數(shù)字孿生與流域管理相結(jié)合，建立數(shù)字孿生數(shù)據(jù)及模型集成與可視化表達方法，研究數(shù)字孿生運行機制，構(gòu)建智慧流域?qū)\生體，設(shè)計數(shù)字孿生驅(qū)動的智慧流域平臺。楊順群等［9］歸納總結(jié)了代表性的國內(nèi)外大中型水利水電工程數(shù)字化應(yīng)用案例，從工程設(shè)計、建造、運行管理等方面分析了發(fā)展現(xiàn)狀和存在的數(shù)據(jù)融合、數(shù)據(jù)智能化問題，提出了未來大數(shù)據(jù)、智能化技術(shù)發(fā)展趨勢。同濟大學(xué)朱合華團隊［10］在四川某隧道進行了基于數(shù)字孿生的隧道圍巖等級自動判別及數(shù)字化動態(tài)支護設(shè)計方面探索。上述學(xué)者結(jié)合數(shù)字孿生技術(shù)，分別在數(shù)字化應(yīng)用方案、技術(shù)架構(gòu)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(shù)字孿生技術(shù)在隧洞工程地質(zhì)方面的應(yīng)用。本文旨在探討數(shù)字孿生技術(shù)在隧洞工程地質(zhì)中進行信息管理的可能性，提出數(shù)字孿生成熟度模型，探討數(shù)字孿生技術(shù)在隧洞工程的應(yīng)用階段及工程地質(zhì)模型不確定性問題，并介紹具體應(yīng)用標(biāo)例。

1 工程地質(zhì)數(shù)字孿生

1.1 技術(shù)必要性

數(shù)字孿生由物理系統(tǒng)、虛擬系統(tǒng)和它們之間的雙向鏈接組成，可通知同步至系統(tǒng)，并根據(jù)需要調(diào)整行為。雙向鏈接不斷與物理和虛擬系統(tǒng)保持聯(lián)系，在兩個方向上接收和發(fā)送信息［11］。工程地質(zhì)與非工程地質(zhì)系統(tǒng)在數(shù)字孿生中的需求見表1。

對系統(tǒng)行為的預(yù)測效果，將影響隧洞工程施工的效率、安全和環(huán)境。通過隧洞應(yīng)用程序的統(tǒng)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(shù)據(jù)和地質(zhì)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(chǎn)力低、安全性差和不可預(yù)測的問題。數(shù)字孿生可支持這種優(yōu)化，尤其在智能化的隧洞施工中，根據(jù)上述3方面將體驗與反饋機制、沉浸式與可視化相結(jié)合，提供隧洞性能的設(shè)計、分析和預(yù)測。

數(shù)字孿生可以描述為設(shè)計對象或物理對象的三維表示，包括當(dāng)前的地質(zhì)條件和規(guī)劃或建造的基礎(chǔ)設(shè)施。如需要通過復(fù)雜地形挖掘的工程，其在交叉關(guān)系中包含不同的地質(zhì)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(shù)據(jù)庫和3D模型，則可以更好地識別和溝通復(fù)雜的關(guān)系、描述地面特征的信息、評估風(fēng)險和不確定性。

三維地質(zhì)模型與包括地下基礎(chǔ)設(shè)施在內(nèi)的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)相結(jié)合，提高了工程設(shè)計準(zhǔn)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(guī)劃。數(shù)字孿生技術(shù)在隧洞工程地質(zhì)模型中的應(yīng)用流程見圖1。當(dāng)隧洞工程地質(zhì)條件發(fā)生變化時，如隧洞穿越斷層破碎帶，則可以通過數(shù)字孿生形式展示地質(zhì)模型，使利益相關(guān)者更容易理解。結(jié)構(gòu)模型和地質(zhì)模型的結(jié)合顯示了“前后效應(yīng)”和兼容性。基于數(shù)字孿生的三維地質(zhì)模型可以更好地表征各方風(fēng)險，并在項目早期進行溝通。

1.2 成熟度模型

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

從工程地質(zhì)學(xué)的角度來看，數(shù)字孿生技術(shù)可以將地上和地下情景結(jié)合起來，揭示它們之間的相互作用。將三維地質(zhì)模型與結(jié)構(gòu)模型結(jié)合起來，更加詳細、有力地了解結(jié)構(gòu)模型和地質(zhì)體的相關(guān)系統(tǒng)。當(dāng)?shù)厣辖ㄖ锱c其下的地質(zhì)條件能結(jié)合觀測時，就能更好地發(fā)現(xiàn)風(fēng)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(shè)計的技術(shù)價值。合并后的圖片作為“新的整體”，將更清楚地反映項目風(fēng)險。

2 隧洞工程地質(zhì)應(yīng)用

2.1 隧洞工程地質(zhì)應(yīng)用總體框架

基于數(shù)字孿生的隧洞工程地質(zhì)應(yīng)用架構(gòu)平臺主要包括信息化基礎(chǔ)設(shè)施和數(shù)字孿生平臺。信息化基礎(chǔ)設(shè)施是整個隧洞工程地質(zhì)數(shù)字孿生體系的基礎(chǔ)支撐，包含空天地一體化感知設(shè)備和物理實體模型，為上一級數(shù)據(jù)層提供如隧洞工程地質(zhì)勘察所需的遙感、鉆探、物探、化探和工程地質(zhì)分析數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)孿生平臺數(shù)據(jù)底板主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換、融合、存儲、處理、共享等功能，同時集成大數(shù)據(jù)、云計算、虛擬化等技術(shù)，為整個孿生平臺提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。包括隧洞工程地質(zhì)應(yīng)用涉及的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)、設(shè)計方案、施工方法及監(jiān)測數(shù)據(jù)和超前地質(zhì)預(yù)報數(shù)據(jù)等。

數(shù)據(jù)孿生平臺模擬仿真引擎以模型庫和知識庫為基礎(chǔ)，借助三維地質(zhì)模型、GIS+BIM+IoT數(shù)據(jù)融合、云計算、數(shù)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(guī)則等方面的映射關(guān)系，構(gòu)建信息空間中各類實體、環(huán)境、參數(shù)的模擬仿真和決策支持模型。

典型應(yīng)用將數(shù)字孿生體與物理實體對象一一對應(yīng)，包括工程地質(zhì)勘察過程中風(fēng)險控制、超前地質(zhì)災(zāi)害預(yù)報、巖機感知與智能掘進、TBM集群施工綜合管理和施工地質(zhì)風(fēng)險管控集中保障系統(tǒng)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(yè)務(wù)管理和交互界面，具體框架平臺見圖2。

2.2 數(shù)字化隧洞應(yīng)用階段

巖體的特征為不連續(xù)、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(zhàn)。例如：描述巖體不連續(xù)性的特征對于隧洞模擬至關(guān)重要，包括邊坡穩(wěn)定性、減壓和排水、鉆孔和爆破優(yōu)化以及巖體破碎。用于建立地質(zhì)模型的數(shù)據(jù)（如鉆孔、遙感、物探、化探數(shù)據(jù)）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(yīng)用分為工程準(zhǔn)備期、計劃階段、施工階段和工程完工期，數(shù)字化應(yīng)用見圖3。

2.3 地質(zhì)模型不確性與數(shù)字孿生

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

數(shù)字化地質(zhì)模型受制于兩種關(guān)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(shù)、結(jié)構(gòu)面規(guī)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(tǒng)計方法和專家判斷來評估系統(tǒng)特性和行為。

地質(zhì)模型還包含水文地質(zhì)過程，水文地質(zhì)條件會在短時間內(nèi)發(fā)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(yīng)力狀態(tài)。可觀測的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)特征與合成、插值和解釋數(shù)據(jù)高度整合，形成數(shù)字化地質(zhì)系統(tǒng)，但地質(zhì)系統(tǒng)建模的精度受到地質(zhì)不確定性的嚴(yán)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(tǒng)的相同方式構(gòu)建物理系統(tǒng)的“孿生”系統(tǒng)。

地質(zhì)和巖土工程學(xué)科依賴專家判斷，尤其是在解決認(rèn)知或模型不確定性時。工程地質(zhì)模型（包括巖性、結(jié)構(gòu)、巖體特征和水文地質(zhì)）與隧洞模型相結(jié)合，可以優(yōu)化隧洞設(shè)計。地質(zhì)模型還通過直接或間接方式，觀測與相鄰數(shù)據(jù)集之間的插值（是否為差值或無誤）、解釋和預(yù)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(fēng)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(guān)的風(fēng)險，尋求更多關(guān)于模型本身的信息，并盡快對其進行改進；同時即承認(rèn)了模型無法被描述為可充分反映現(xiàn)實的“孿生體”，固有的不確定性仍然存在。工程地質(zhì)和水文地質(zhì)模型為隧洞設(shè)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(shù)據(jù)進行補充。

2.4 應(yīng)用示例

現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施的數(shù)字化使用移動測繪掃描系統(tǒng)創(chuàng)建。一旦創(chuàng)建，可以添加計劃中的結(jié)構(gòu)。憑借此類數(shù)字化過程，可完成耗時的變化過程、新的設(shè)計或規(guī)劃想法以及不同的模擬。通過使用數(shù)字孿生模型，用戶可以獲得現(xiàn)有和規(guī)劃隧道的全面數(shù)字文檔，更簡單直觀地通過結(jié)構(gòu)3D呈現(xiàn)基礎(chǔ)設(shè)施信息，通過標(biāo)準(zhǔn)化界面鏈接顯示數(shù)據(jù)、自動或半自動邊緣檢測建立模型，隧洞工程數(shù)字孿生模型應(yīng)用示例見圖4。

建立隧洞數(shù)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(jiān)測數(shù)據(jù)、地質(zhì)和地下水分析。所有這些來自不同學(xué)科的數(shù)據(jù)模型以及傳感器信息，必須連接到數(shù)字孿生模型，集成靜態(tài)和動態(tài)實時信息。該模型基于云系統(tǒng)與第三方數(shù)據(jù)配合使用，對整個隧洞工程數(shù)據(jù)進行分類，使用人工智能進行半自動檢測，并對第三方云應(yīng)用程序開放。

3 討 論

3.1 地下工程應(yīng)用局限

隧洞施工中存在較大地質(zhì)風(fēng)險，主要原因是缺乏地質(zhì)數(shù)據(jù)和相關(guān)認(rèn)識，以及由自然條件可變性導(dǎo)致的隧洞地質(zhì)力學(xué)和巖土工程的不確定性，即知識不對稱。這些地質(zhì)模型的復(fù)雜性和不確定性，阻礙了工程師基于風(fēng)險做出決策的能力［12］。

數(shù)字孿生模型的好壞取決于創(chuàng)建它的數(shù)據(jù)，需要它隨著條件的變化適應(yīng)新的數(shù)據(jù)［13］。如果新的信息沒有反饋到數(shù)字孿生中，過時信息則可能會產(chǎn)生誤導(dǎo)。

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

數(shù)字化地質(zhì)系統(tǒng)在一定程度上滿足數(shù)字孿生要求，建立可以通過統(tǒng)一存儲庫連接的關(guān)系，將使隧洞孿生在近乎實時的基礎(chǔ)上提供和接收更新。

此外，盡管機器學(xué)習(xí)和算法方面取得了進展［13-14］，但驗證和質(zhì)量保證需要依賴專家意見和人工干預(yù)，這意味著目前不可能對虛擬地質(zhì)系統(tǒng)進行實時或快速更新。雖然地質(zhì)成分和數(shù)據(jù)可用于呈現(xiàn)隧洞周圍工程資產(chǎn)的數(shù)字孿生環(huán)境，但并不構(gòu)成地質(zhì)數(shù)字孿生環(huán)境。自然系統(tǒng)包含不確定性，需要對工程隧洞系統(tǒng)的數(shù)字版本采用不同的方法，使這些系統(tǒng)更易配對。

早期地質(zhì)模型（原位巖石邊界、特征和結(jié)構(gòu)）與物理地質(zhì)對應(yīng)物相去甚遠。數(shù)字隧洞的傳感器和實時數(shù)據(jù)收集能力通過不斷迭代，將它們與早期模型結(jié)合起來，改善模型與現(xiàn)實的關(guān)系。

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

考慮到數(shù)字孿生需求和工程地質(zhì)建模能力，需同步數(shù)字孿生的潛力，以涵蓋其相互作用的復(fù)雜且不確定的地質(zhì)體。工程地質(zhì)及水文地質(zhì)模型數(shù)據(jù)支撐數(shù)字孿生潛力評估見表3?；谶@一評估，數(shù)字孿生在隧洞工程地質(zhì)應(yīng)用中期預(yù)測的價值可能有限。

3.2 新數(shù)字孿生改善技術(shù)

改善數(shù)字孿生技術(shù)需從總體架構(gòu)平臺底層著手，從感知網(wǎng)、信息網(wǎng)、云平臺等數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施開始，在三維地質(zhì)模型構(gòu)建、數(shù)據(jù)融合、實時動態(tài)仿真和人工智能等孿生引擎方面進行增強，最后在智慧應(yīng)用方面不斷拓展和優(yōu)化，提供更友好的用戶界面和技術(shù)決策支撐。結(jié)合孿生實體隧洞工程，數(shù)字孿生新技術(shù)可以從以下幾個方面應(yīng)用。

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

（2） 動態(tài)模型中，通過隨鉆測試（MWD）數(shù)據(jù)及時更新工程地質(zhì)模型，以服務(wù)數(shù)字化地質(zhì)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(tǒng)可使輸入數(shù)據(jù)與當(dāng)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(zhì)模型信息，以記錄和優(yōu)化隧洞開挖掘進過程。這些信息可以存放或加工，以適應(yīng)已掘進內(nèi)容，并可更新地質(zhì)模型，從而有助于提高其預(yù)測效果，幫助規(guī)劃和預(yù)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(shù)可以為隧洞掘進設(shè)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(zhì)模型，以便進行實時更新。

（3） 在模擬方面，經(jīng)過改進的計算框架正逐漸打破過去的一些限制。例如，開發(fā)的多物理面向?qū)ο竽M引擎（MOOSE）的通用功能，目前已應(yīng)用于隧洞，尤其是地下水建模，支持大規(guī)模并行計算與完全耦合的物理模擬。隧洞設(shè)備與隧洞模型的數(shù)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(shù)據(jù)開發(fā)并作為工作流程的一部分，整合到二維和三維地質(zhì)模型中，隨著建模過程自動應(yīng)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(shù)據(jù)可靠性。隨著對地質(zhì)模型的反饋增加，基于地質(zhì)模型有助于制定更準(zhǔn)確的工程解決方案。

4 結(jié) 論

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

（2） 數(shù)字孿生技術(shù)可收集數(shù)據(jù)，建立工程地質(zhì)模型，進而為隧洞工程勘察設(shè)計提供技術(shù)支撐，但當(dāng)前的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)模型和模擬的數(shù)字化技術(shù)有待進一步探索。

（3） 由于勘測新技術(shù)快速發(fā)展，地質(zhì)模型反過來可優(yōu)化工程解決方案。數(shù)字孿生技術(shù)可為更好地發(fā)現(xiàn)隧洞工程地質(zhì)風(fēng)險提供更安全、高效的工程設(shè)計技術(shù)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