ShapeMetriX与Rocscience RocTunnel3：从数据采集到风险评估的地下岩体工程一体化流程

ShapeMetriX和Rocscience RocTunnel3提供构建和建模实际开挖三维几何形态及其相对位置地质结构的功能。通过结合使用这两个工具，您可以高效地：

基于摄影测量或激光雷达（LiDAR）生成包含结构的实际开挖几何模型

按位置和尺寸在三维中绘制地质结构图

利用实际开挖几何和已测结构，识别围岩中可能形成块体的位置及潜在不稳定区域的规模

考虑分步开挖和支护条件，真实地进行风险评估

对实际开挖环境和真实施工顺序进行建模的价值不可低估，其带来的优势包括但不限于：

将设计假设与实际数据进行验证

提供更全面的岩体特征描述，优化钻爆施工并指导现场作业

在施工过程中识别潜在危险区域并采取补救措施

结合现场数据与三维建模预测风险

图1：ShapeMetriX与Rocscience RocTunnel3的工作流程

使用摄影测量或LiDAR数据在ShapeMetriX中构建三维开挖模型；

在ShapeMetriX中按产状、位置和尺寸绘制结构；

将三维开挖面模型导出至RocTunnel3；

在RocTunnel3中构建岩体体积并导入ShapeMetriX绘制的结构；

计算结构交点形成块体，并进行运动学分析，得出块体安全系数或失稳概率。

地下数据采集专家建议

地下数据采集存在一系列挑战，如光照不足、信号干扰及空间狭小等。以下是针对ShapeMetriX建模效果优化的地下摄影测量建议：

相机与设备布置

在地下应用中，照片通常由静态相机拍摄。尽管智能手机相机普及，但数码单反相机（DSLR）在低光环境下可提供更佳图像质量。建议使用三脚架与遥控快门，以避免图像模糊。

图2：用于地下摄影测量的三脚架安装DSLR，相机具备实时预览与遥控功能。

照片应从不同位置和角度拍摄，以确保三维测量的可行性，且相邻照片重叠率应达到约80%。三维模型可以由几张照片构建，也可扩展至数千张照片。

光照配置

建议使用多组泛光灯为所有相关开挖面提供稳定照明。相比手电筒，泛光灯可避免如下问题：

阴影变化剧烈

灰尘近距离遮挡镜头造成“雾化”

场景整体照明不足

便携式LED灯组是实现优质照明的理想选择，兼顾续航能力。多个光源能有效减少岩面阴影。

地理参考方法

三维建模中常用的地下环境地理参考方法有两种：

地面控制点（GCP）

比例尺标尺（或测量杆）

地面控制点通常通过全站仪测量，需在摄影图像中清晰可见。GCP可用喷漆标记，或预设为测量靶标，兼作位移监测点。

图3：地面控制点示例（从左至右）：喷漆标记、预设测量靶标、专用GCP标记。

理想状态下应将GCP分布在整个测区，但在实际操作中可在不同开挖面设置约3个GCP。

图4：隧道开挖面上的GCP布置（黄色球体）

若使用比例尺标尺或测量杆，可无需测量人员与全站仪。测量杆可提供比例和垂直方向参考，方位校正可通过外部罗盘或巷道已知轴线实现。

图5：安装在开挖面处的测量杆（右侧）

LiDAR：另一种数据采集手段

附带照片纹理的LiDAR也是可行的地下数据采集方式，ShapeMetriX支持.e57点云格式用于建模。地下施工中主要使用地面激光雷达（Terrestrial LiDAR），其方式与安装在三脚架上的摄影测量相机相似。相比空中雷达，地面LiDAR在狭窄空间中更具优势，避免了飞行导航方面的挑战。

三维模型构建与块体稳定性分析

ShapeMetriX中的三维建模

ShapeMetriX中的三维建模过程高度自动化。在完成摄影测量采集后，照片导入其MultiPhoto模块，自动匹配重叠图像并生成带纹理的三维表面模型。用户可根据需要调整模型分辨率。

若使用GCP进行地理参考，则导入的三维坐标将分配给图像测量点。系统提供智能界面辅助用户完成这一过程。

若使用比例尺或测量杆，用户需定义标记位置并指定已知距离，同时可添加方位校正或已知三维坐标。

最终生成的三维模型精确还原了实际开挖结构，具备真实世界的比例。

图6：使用摄影测量数据在ShapeMetriX Multi Photo模块中构建的样例三维模型

ShapeMetriX中的三维地质结构绘图

三维结构地质数据可在ShapeMetriX的Analyst模块中绘制与分析。可通过开放多段线绘制出露节理迹线，或通过闭合多段线绘制节理面。这些标注提供节理的方位（倾角与倾向）、空间位置与表观尺寸。绘图可交互式完成，亦可通过半自动工具辅助。节理可按平面或起伏面（即具有粗糙度）进行外推与投影。

图7：在ShapeMetriX Analyst模块中进行地质结构绘图

RocTunnel3中的三维块体稳定性分析

构建完成的三维模型及已绘节理可轻松导入RocTunnel3进行地下块体稳定性分析。RocTunnel3支持通用几何格式（如.obj与.dxf），可直接兼容ShapeMetriX提供的文件。节理信息可保存为.3gdps文件，该格式亦可在Dips中进一步进行节理组识别与运动学分析。

图8：以.obj格式将三维开挖面导入RocTunnel3

图9：RocTunnel3内建几何工具用于构建岩体体积并修复开挖面缺陷

RocTunnel3利用三维几何与节理尺寸及位置数据，确定结构交点以形成块体，并进行运动学分析，分别计算每个块体的安全系数或失稳概率（确定性或概率性分析）。

此外，RocTunnel3支持分步开挖分析。只有当某块体在开挖面出露时，它才可能产生实际影响，因此分步模拟至关重要。

不仅RocTunnel3可为基于实际建模的项目提供风险评估结果，模型本身也因采用真实数据而更能反映工程实际。

图10：节理相交与出露面形成的块体；节理以平面建模

这对您有何益处？

利用ShapeMetriX与RocTunnel3等现代工具，可在岩体开挖过程中真实评估地下风险，从而为风险管理与现场决策提供依据

地下三维建模效率越来越高，所需数据采集设备如相机更为普及

通过集成ShapeMetriX与RocTunnel3，可实现简洁高效的分析工作流程

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