CN102900466B - 基于三维数字隧道平台的隧道施工安全预警方法与系统 - Google Patents

Abstract

本发明基于隧道施工区域地质勘察资料以及三维地理信息原理，在windows？操作平台下建立施工及影响区域范围内地层岩性、断层分布、滑坡、地下水、有害气体分布等工程地质环境信息的区域工程环境体数据，并基于FLAC3D技术以及岩土力学正、反分析理论构建“三维数字隧道”。采集隧道掘进中初期支护下隧道受力、变形等实时监测数据，通过“三维数字隧道”进行正、反分析和三维可视化展现，将实测应力、变形值与正、反分析得到的应力、变形阈值进行比较分析后，对隧道支护结构的安全与稳定性进行分级预警。预警信息通过“三维数字隧道”模块和与计算机连接的F2003GSMDTU短信模块以手机短信方式发送至施工管理人员手机，完成隧道施工安全预警。

Description

基于三维数字隧道平台的隧道施工安全预警方法与系统

技术领域

 本发明属于隧道以及地下工程施工领域，用于铁路客运专线等大断面隧道施工过程的安全预警；具体涉及一种基于“三维数字隧道”平台的隧道施工安全预警方法与系统。

背景技术

铁路、公路隧道以及地下工程施工安全控制始终是个难题。隧道塌方、透水、瓦斯事故等都时有发生，对施工人员的生命安全构成了威胁。因此开发此类工程施工过程安全的监控预警系统具有十分重要的工程意义。      

国内外在“数字隧道”研究开发方面尚少，根据国内文献，我国公路、矿产、海底隧道、铁路（部分作业面）已有构建数据库、隧道施工多元信息预警与安全管理，但尚未见基于隧道施工区域地质勘察资料以及三维地理信息系统（简称3D GIS）原理，在windows 操作平台下建立施工及影响区域范围内地层岩性、断层分布、滑坡要素等包含诸多工程地质信息的区域工程地质体数据库并基于Three Dimensional Fast Lagrangian Analysis of Continua（计算机三维力学建模商用软件，简称FLAC3D）技术构建“三维数字隧道”的文献报道。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于提供一种基于“三维数字隧道”平台的隧道施工安全预警方法与系统，使用该方法与系统，能够实时连续监测隧道施工区间及隧道掘进面前方的地质变化情况，并将地质变化情况实时连续传输到监测主机，对隧道支护结构的力学稳定性进行分级预警。

本发明解决上述技术问题所采取的技术方案如下：一种基于“三维数字隧道”平台的隧道施工安全预警方法，包括下述步骤：

（1）收集施工区域工程地质环境信息资料，包括地层岩性、断层分布、滑坡、地下水、有害气体分布等，收集隧道设计文件信息资料；

（2）基于隧道施工区域地质勘察资料以及三维地理信息系统原理，在windows 操作平台下建立施工及影响区域范围内的地层岩性、断层分布、滑坡、地下水、有害气体分布等包含诸多工程地质环境信息的区域工程环境体数据库，并基于FLAC3D软件以及岩土力学正、反分析理论构建该施工区域的“三维数字隧道”模型；

（3）在隧道掘进中初期支护下同步安装静力水准仪、压力盒、孔隙水压力计、多点位移计等数据采集传感器，采集隧道初始受力、变形、空隙水压力等实时监测数据，并将实时监测数据传输并加载到用户计算机 “三维数字隧道”模型；

（4）“三维数字隧道”模型将得到的实测隧道变形数据，进行正、反分析，通过三维可视化系统进行展现；并将实测应力、变形值与正、反分析得到的应力、变形阈值进行比较分析后，对隧道支护结构的力学稳定性进行分级预警，根据空隙水压力实测值并结合地下水动力学等水力学理论对施工区域突水可能性进行预测，所有预警信息通过与计算机连接的短信模块，以手机短信方式发送至现场施工管理相关人员的手机，从而完成隧道施工安全预警。

一种基于“三维数字隧道”平台的隧道施工安全预警系统，包括压力盒、静力水准仪、孔隙水压力计与多点位移计等传感器；其特征在于：还包括依次连接的自动化数据采集仪、GPRS静态数据采集仪、通信发射基站、商用卫星、通信接收基站、互联网及计算机；自动化数据采集仪输入端有线连接压力盒、静力水准仪、孔隙水压力计与多点位移计；自动化数据采集仪输出端无线连接GPRS静态数据采集仪，GPRS静态数据采集仪、通信发射基站、商用卫星、通信接收基站、互联网之间依次无线信号通讯连接，计算机连接有F2003GSMDTU短信模块，F2003GSMDTU短信模块与数个手机无线信号通讯连接。

依据隧道的围岩特征，确定压力盒、静力水准仪、孔隙水压力计与多点位移计等传感器的布设数量。

本发明提供了一种将安全预警与隧道施工过程相结合的技术方法。使施工管理相关人员根据预警信息及时采取预防措施，提高施工安全性。

附图说明

图1是某施工区域“三维数字隧道”模型可视化界面，

图2是本发明系统通信发射基站至手机的关系示意图，

图3是隧道内传感器以及自动化数据采集仪、GPRS静态数据采集仪设置图。

图中：1—压力盒，2—静力水准仪，3—孔隙水压力计，4—多点位移计，5—自动化数据采集仪，6—GPRSGPRS静态数据采集仪，7—通信发射基站，8—商用卫星，9—通信接收基站，10—互联网，11—计算机，12—短信模块（F2003GSMDTU），13—手机，14—二衬完毕区间，15—一衬区间，16—掌子面，17—斜井，A—砂质黄土Q3层，B—砂质黄土Q2层，C—砂岩夹砾层。

具体实施方式   

系统实施例    如图2与图3所示：一种基于“三维数字隧道”平台的隧道施工安全预警系统，包括压力盒1、静力水准仪2、孔隙水压力计3与多点位移计4等传感器；还包括依次连接的自动化数据采集仪5、GPRS静态数据采集仪6、通信发射基站7、商用卫星8、通信接收基站9、互联网10及计算机11；自动化数据采集仪5输入端有线连接压力盒1、静力水准仪2、孔隙水压力计3与多点位移计4；自动化数据采集仪5输出端无线连接GPRS静态数据采集仪6，GPRS静态数据采集仪6、通信发射基站7、商用卫星8、通信接收基站9、互联网10之间依次无线信号通讯连接，计算机11连接有F2003GSMDTU短信模块12，F2003GSMDTU短信模块12与数个手机13无线信号通讯连接。

图3示出压力盒、静力水准仪、孔隙水压力计与多点位移计等传感器的设置分布情况；隧道施工过程中，通常包括二衬完毕区间14、一衬区间15与掌子面16，隧道施工区间15设有斜井17。

在隧道施工区间15设置多个压力盒1、静力水准仪2、孔隙水压力计3与多点位移计4等传感器，斜井17设置自动化数据采集仪5与GPRS静态数据采集仪6。

方法实施例

（1）选择一软弱围岩隧道作为基于“三维数字隧道”平台的隧道施工安全预警系统实施的对象；收集该施工区域工程地质环境信息资料，包括地层岩性、断层分布、滑坡、地下水、有害气体分布等，收集隧道设计文件信息资料；

（2）基于隧道施工区域地质勘察资料，在windows 操作平台下建立施工及影响区域范围内的地层岩性、断层分布、滑坡、地下水、有害气体分布等包含诸多工程地质环境信息的区域工程环境体数据，并基于FLAC3D软件以及三维地理信息系统（GIS）技术，建立预警系统实施对象区域隧道开挖三维力学模型，并加载隧道支护结构受力与变形的正、反分析模型，完成如图1所示的该区域地层的“三维数字隧道”初期构建；该区域地层自上而下依次为砂质黄土Q3层A，砂质黄土Q2层B，砂岩夹砾层C。

（3）隧道施工中，根据围岩级别选择适当的断面和初期支护下同步安装静力水准仪、压力盒、孔隙水压力计、多点位移计等数据采集传感器，采集隧道初始受力、变形、空隙水压力等实时监测数据，并将实时监测数据通过自动化数据采集仪5发送至GPRSGPRS静态数据采集仪6， GPRSGPRS静态数据采集仪6发送数据到附近通信发射基站7，通信发射基站7发送数据至商用卫星8，之后传输到通信接收基站9，并进入互联网10传输到“三维数字隧道”模型所在用户计算机11；

（4）“三维数字隧道”模型将得到的实测隧道变形数据，进行正、反分析，通过三维可视化系统进行展现；并将实测应力、变形值与正、反分析得到的应力、变形阈值进行比较分析后，对隧道支护结构的力学稳定性进行分级预警，根据空隙水压力实测值并结合地下水动力学等水力学理论对施工区域突水可能性进行预测，预警信息通过“三维数字隧道”模块和与计算机连接的F2003GSMDTU短信模块12，以手机短信方式发送至现场施工管理相关人员的手机13从而完成隧道施工安全预警。

Claims (1)

1.一种基于“三维数字隧道”平台的隧道施工安全预警方法，包括下述步骤：

（1）收集施工区域工程地质环境信息资料，包括地层岩性、断层分布、滑坡、地下水、有害气体分布，收集隧道设计文件信息资料；

（2）基于隧道施工区域地质勘察资料以及三维地理信息系统原理，在windows操作平台下建立施工及影响区域范围内的包含诸多所述工程地质环境信息的区域工程环境体数据库，并基于FLAC3D软件以及岩土力学正、反分析理论构建该施工区域的“三维数字隧道”模型；

（3）在隧道掘进中初期支护下同步安装数据采集传感器，数据采集传感器包括静力水准仪、压力盒、孔隙水压力计、多点位移计，采集隧道初始受力、变形、空隙水压力变形实时监测数据，并将实时监测数据传输并加载到用户计算机 “三维数字隧道”模型；

（4）“三维数字隧道”模型将得到的实测隧道变形数据，进行正、反分析，通过三维可视化系统进行展现；并将实测应力、变形值与正、反分析得到的应力、变形阈值进行比较分析后，对隧道支护结构的力学稳定性进行分级预警，根据空隙水压力实测值并结合地下水动力学水力学理论对施工区域突水可能性进行预测，所有预警信息通过“三维数字隧道”模块和与计算机连接的短信模块，以手机短信方式发送至现场施工管理相关人员的手机，从而完成隧道施工安全预警。