本发明涉及岩溶地质工程与岩土工程，尤其是一种精细化随机裂隙溶洞隧道数值模型构建方法。
背景技术：
1、裂隙的形成主要是由于地质压力、温度变化或者岩石本身的物理力学性质变化所引起的，其为水流动提供了渗流路径，进而促进了溶洞的发育。此外，裂隙的发育和分布也控制着岩体整体力学性质，使其表现出随机性、不连续性以及空间各向异性。
2、在可溶性岩地层中，除了存在裂隙等软弱结构面存在之外，溶洞的发育较为广泛，由于其具有不规则的特性，因此可以认为含裂隙溶洞的地层是一种极不均匀的岩体，这些裂隙溶洞结构体的分布对岩体的工程力学性质和稳定性有很大的影响，进而对在该地层中的隧道开挖施工造成了很大的安全隐患。
3、由于地质作用复杂多变，因此裂隙以及溶洞在形成过程中具有不确定性，而且裂隙溶洞形态各异，分布复杂，因此，在隧道施工、矿山开采等工程应用中，准确描述裂隙和溶洞体的空间分布和力学特性至关重要。
4、但是，现有的技术难以准确地分析和描述岩溶发育地区的岩体。例如，现有模型在处理复杂地质条件下的多尺度裂隙和溶洞分布时存在局限性，难以有效模拟它们的相互作用和对整体力学性质的影响。
5、因此，亟需一种能够准确描述裂隙溶洞体的数值模型构建方法，以便更好地分析和模拟岩溶地层中的工程力学行为和稳定性，从而提高隧道开挖施工的安全性和可靠性。
技术实现思路
1、针对现有技术的不足，本发明提供一种精细化随机裂隙溶洞隧道数值模型构建方法，本发明在建模过程中综合考虑岩溶隧道在施工过程中周围围岩中裂隙、溶洞的分布情况，从而可以满足后续隧道施工与运维过程中溶洞与隧道安全距离评估的需求。
2、本发明的技术方案为：一种精细化随机裂隙溶洞隧道数值模型构建方法，包括以下步骤：
3、s1）、根据工程范围和地层分布、隧道的尺寸大小建立隧道及地层模型；
4、s2）、根据裂隙分布特征确定岩体节理裂隙分布的产状、尺寸即迹长、位置、张开度、密度以及它们所对应的概率密度分布函数；
5、利用蒙特卡洛方法通过伪随机数生成器prng生成随机数，并根据随机数在模拟过程中为每个裂隙赋予具体的物理属性，根据随机生成的属性值建立离散裂隙网络dfn模板，在隧道及地层模型中准确地放置每一条裂隙；
6、然后利用离散裂隙网络dfn模板对隧道及地层模型进行切割，并转换成粘合块体模型bbm；
7、s3）根据溶洞分布特征确定溶洞的位置、半径并建立随机小球模型，利用蒙特卡洛方法通过伪随机数生成器prng生成随机数，并在模拟过程中为每个小球赋予具体的物理属性，最后将其进行面网格划分；
8、s4）、将随机小球模型导入粘合块体模型bbm中进行切割，并基于布尔运算的差集生成随机裂隙溶洞模型。
9、作为优选的，步骤s1）中，在构建隧道及地层模型前，需要先对工程地质条件进行量化，包括岩石的类型及其分布范围、断层褶皱、岩土物理力学参数、裂隙的分布特征、溶洞的发育特征。
10、作为优选的，步骤s1）中，所述的岩土物理力学参数包括重度、变形模量、泊松比、剪切模量、粘聚力、内摩擦角、抗拉强度；
11、所述的裂隙的分布特征包括产状、尺寸即迹长、密度；
12、所述的溶洞的发育特征包括位置、尺寸即迹长、体岩溶率/线岩溶率。
13、作为优选的，步骤s1）中，所述的隧道及地层模型的建立包括如下步骤：
14、s11）、确定地层的分布情况，然后确定隧道及地层模型的边界范围以及隧道设计尺寸、形状以及所采用的开挖工法参数；
15、s12）、通过dem将地形数据导入到rhino中，使用内置建模工具构建各个地层，然后使用boolean操作来合并或切割地层，得到所述的隧道及地层模型的地层部分；
16、s13）、使用曲线工具绘制隧道的横截面和纵向轮廓，然后将隧道轮廓沿着预定的路径拉伸或扫描，形成完整的隧道体；
17、s14）、使用boolean将隧道和地层进行整合镶嵌。
18、作为优选的，步骤s2）中，所述的离散裂隙网络dfn模板的要素包括裂隙倾向、裂隙倾角、裂隙迹长、裂隙位置、裂隙密度；其中，所述的裂隙倾向、裂隙倾角服从fisher分布，裂隙位置服从均匀分布，裂隙迹长服从幂律分布。
19、作为优选的，步骤s2）中，所述的岩体节理裂隙分布的密度参数指标由下式确定：
20、
21、式中，表示单位体积内的裂隙数量，即三维体裂隙密度；表示单位长度内的裂隙数量，即一维线裂隙密度；表示裂隙直径平方的期望值；表示积分的空间区域，表示方向函数，a表示方向矩阵；
22、其中，方向矩阵a为：
23、式中，表示裂隙倾向，表示裂隙的平均倾向；
24、当裂隙相互平行时：；
25、当裂隙不平行时：；
26、式中，表示裂隙的集中参数。
27、作为优选的，步骤s2）中，所述的岩体节理裂隙分布的产状概率密度函数表达式为：
28、
29、式中，表示裂隙倾向，表示裂隙倾角；表示裂隙的集中参数。
30、作为优选的，步骤s2）中，所述的岩体节理裂隙分布的尺寸即迹长的概率密度函数表达式为：
31、
32、式中，表示裂隙迹长的随机变量， 为缩放指数为模型的密度项；表示归一化参数项；表示裂隙的目标区域的体积；
33、其中，归一化参数项表示为：
34、
35、其中，、分别表示迹长的最大值和最小值。
36、作为优选的，步骤s2）中，所述的岩体节理裂隙分布的位置概率密度函数表达式为：
37、
38、其中，表示裂隙的 y坐标值，与分别表示裂隙在该区域分布的 y坐标的下限和上限值。
39、作为优选的，步骤s2）中，所述的岩体节理裂隙分布的张开度概率密度函数表达式为：
40、
41、其中，表示裂隙的张开度，表示裂隙张开度的均值，表示裂隙张开度的标准差。
42、作为优选的，步骤s2）中，所述的粘合块体模型bbm的生成，具体包括如下步骤：
43、s21）、在定义裂隙的几何和物理特性后，输入产状、位置、尺寸即迹长的概率密度函数；
44、s22）、生成目标裂隙，然后给出生成目标裂隙数量以及密度；
45、s23）、在生成目标裂隙后，对裂隙张开度进行设置；
46、s24）、利用离散裂隙网络dfn模板对隧道围岩模型进行切割，生成的裂隙将耦合进模型中形成粘合块体模型bbm。
47、作为优选的，步骤s3）中，所述的随机小球模型的构成要素包括溶洞位置、溶洞洞高、溶洞密度以及溶洞与隧道的相对距离，所述的溶洞密度服从泊松分布，溶洞与隧道的相对距离服从对数正态分布；所述的溶洞位置的y坐标，即沿着隧道开挖进尺方向服从均匀分布；而溶洞位置的x、z坐标则根据小球中心点位置与隧道中轴线的垂线及其与x方向上的切平面的夹角共同确定；其中，夹角在空间平面上服从均匀分布；所述的溶洞洞高服从正态分布。
48、作为优选的，步骤s3）中，定义要生成的随机小球模型的参数，包括定义小球的空间范围、密度参数、半径分布、小球间最小允许距离、隧道在空间上的分布范围、隧道与距离参数，然后确定生成小球的数量，然后生成随机小球模型。
49、作为优选的，步骤s3）中，所述小球在空间上的相对位置以及与y轴的垂线距离的对数正态分布函数表达式为：
50、
51、式中，表示小球的y坐标值，表示小球的中心点坐标与y轴的垂线距离，表示小球中心点与y轴的垂直线与x轴的空间夹角，表示小球的x坐标值，表示小球的z坐标值；表示小球与隧道距离的标准差，表示小球与隧道距离的均值，，表示小球在该区域分布的y坐标的上限和下限值；表示小球的中心点坐标与y轴的垂线距离的对数取值。
52、作为优选的，步骤s3）中，所述小球的半径的正态分布函数表达式为：
53、
54、其中，表示小球的半径，是最大溶洞半径；表示小球半径的标准差，表示小球半径的均值。
55、作为优选的，步骤s3）中，所述小球的密度的泊松分布函数表达式为：
56、
57、其中，表示特定体积内生成小球的数量，表示多次泊松点后在某个区域内生成随机小球个数的期望值，表示阶乘。
58、作为优选的，步骤s4）中，将随机小球模型导入粘合块体模型bbm中进行切割，并基于布尔运算的差集生成随机裂隙溶洞模型，具体包括如下步骤：
59、s41）、将小球的几何信息导入到粘合块体模型bbm中；
60、s42）、对所导入的小球创建一个几何多边形组；
61、s43）、对小球进行布尔切割，并对切割生成的块体进行分组；
62、s44）、然后进行布尔差集运算，删除块体生成随机裂隙溶洞模型。
63、本发明的有益效果为：
64、1、本发明在建模过程中，综合考虑岩溶隧道在施工过程中周围围岩中裂隙、溶洞的分布情况，从而可以满足后续隧道施工与运维过程中溶洞与隧道安全距离评估的需求；
65、2、本发明能够根据实际隧道工程现场的节理裂隙统计数据、溶洞的分布情况建立精细化数值模型；可以更好都模拟和分析隧道中溶地层中的工程力学行为和稳定性，从而提高隧道开挖施工的安全性和可靠性。
1.一种精细化随机裂隙溶洞隧道数值模型构建方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种精细化随机裂隙溶洞隧道数值模型构建方法，其特征在于：步骤s1）中，在构建隧道及地层模型前，需要先对工程地质条件进行量化，包括岩石的类型及其分布范围、断层褶皱、岩土物理力学参数、裂隙的分布特征、溶洞的发育特征。
3.根据权利要求2所述的一种精细化随机裂隙溶洞隧道数值模型构建方法，其特征在于：步骤s1）中，所述的隧道及地层模型的建立包括如下步骤：
4.根据权利要求1所述的一种精细化随机裂隙溶洞隧道数值模型构建方法，其特征在于：步骤s2）中，所述的离散裂隙网络dfn模板的要素包括裂隙倾向、裂隙倾角、裂隙迹长、裂隙位置、裂隙密度；其中，所述的裂隙倾向、裂隙倾角服从fisher分布，裂隙位置服从均匀分布，裂隙迹长服从幂律分布。
5.根据权利要求1所述的一种精细化随机裂隙溶洞隧道数值模型构建方法，其特征在于：步骤s2）中，所述的岩体节理裂隙分布的密度参数指标由下式确定：
6.根据权利要求1所述的一种精细化随机裂隙溶洞隧道数值模型构建方法，其特征在于：步骤s2）中，所述的粘合块体模型bbm的生成，具体包括如下步骤：
7.根据权利要求1所述的一种精细化随机裂隙溶洞隧道数值模型构建方法，其特征在于：步骤s3）中，所述的随机小球模型的构成要素包括溶洞位置、溶洞洞高、溶洞密度以及溶洞与隧道的相对距离，所述的溶洞密度服从泊松分布，溶洞与隧道的相对距离服从对数正态分布；所述的溶洞位置的y坐标，即沿着隧道开挖进尺方向服从均匀分布；而溶洞位置的x、z坐标则根据小球中心点位置与隧道中轴线的垂线及其与x方向上的切平面的夹角共同确定；其中，夹角在空间平面上服从均匀分布；所述的溶洞洞高服从正态分布。
8.根据权利要求1所述的一种精细化随机裂隙溶洞隧道数值模型构建方法，其特征在于：步骤s3）中，定义要生成的随机小球模型的参数，包括定义小球的空间范围、密度参数、半径分布、小球间最小允许距离、隧道在空间上的分布范围、隧道与距离参数，然后确定生成小球的数量，然后生成随机小球模型。
9.根据权利要求8所述的一种精细化随机裂隙溶洞隧道数值模型构建方法，其特征在于：步骤s3）中，所述小球在空间上的相对位置以及与y轴的垂线距离的对数正态分布函数表达式为：
10.根据权利要求1所述的一种精细化随机裂隙溶洞隧道数值模型构建方法，其特征在于：步骤s4）中，将随机小球模型导入粘合块体模型bbm中进行切割，并基于布尔运算的差集生成随机裂隙溶洞模型，具体包括如下步骤：
