CN110671153B - 用于隧道及地下工程突涌水灾害的监测预警系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于隧道及地下工程突涌水灾害的监测预警系统，包括突涌水时间倾向性预警系统、突水破裂通道定位识别系统；突涌水时间倾向性预警系统的前兆信息监测系统与远程无线传输系统进行通讯；信息融合预警系统将多途径获取的突涌水灾害多源异构进行深度融合分析与预测预警；突水破裂通道定位识别系统的前兆信息监测系统采集突水通道形成过程中岩体破裂产生的微震信号以及物理前兆信息；信息融合定位系统以微震信息为主，联合物理前兆信息，来判识防突结构破裂通道的位置；突水位置判识预警系统，根据防突结构破裂通道的位置，结合视频监控中防突结构的揭露情况，确定突涌水灾害的发生位置，为指导施工提供依据。

Description

用于隧道及地下工程突涌水灾害的监测预警系统

技术领域

本发明涉及隧道及地下工程施工过程中突涌水灾害多源异构前兆信息监测预警系统，属于隧道及地下工程建设应用领域。

背景技术

我国的隧道及地下工程建设已经进入了高速发展时期，越来越多的隧道正在或者即将修建在地质条件复杂的岩溶山区，呈现出长洞线、大埋深、高水压、强岩溶等特点。突涌水灾害已经成为隧道修建过程中发生最频繁、危害最大的地质灾害之一。由于其高隐蔽性、强突发性、强破坏性，造成了巨大的人员伤亡与财产损失。因此，建立隧道突涌水灾害有效的监测预警理论与方法，是解决这一难题的有效途径和重要手段。目前，主要是依靠单一或有限参量进行突涌水灾害简单预测预警，且前兆信息监测技术实时性较差，无法准确有效地进行突涌水灾害的预测预警。

发明内容

本发明要解决的技术问题是实现隧道施工过程中突涌水灾害实时监控与预测预警，建立一种隧道突涌水专用的多源前兆信息实时监测装备，提出隧道突涌水多源异构前兆信息深度融合预警系统，实现隧道突涌水灾害的破坏能级、时间倾向性和破裂空间、演化阶段判识的预测预警，克服了依靠单一或有限信息进行预测预警所带来的误警、漏警和虚警。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种用于隧道及地下工程突涌水灾害的监测预警系统，包括突涌水时间倾向性预警系统、突水破裂通道定位识别系统和防突结构灾变演化阶段判识系统；

所述的突涌水时间倾向性预警系统；包括第一前兆信息监测系统、远程无线传输系统、信息融合预警系统三部分；

第一前兆信息监测系统包括传感网络系统、视频监控系统、微震监测系统；所述的远程无线传输系统与传感网络系统、视频监控系统、微震监测系统进行通讯；所述的信息融合预警系统将多途径获取的突涌水灾害多源异构信息进行深度融合分析与预测预警；

突水破裂通道定位识别系统，包括第二前兆信息监测系统、信息融合定位系统、突水位置判识预警系统；

第二前兆信息监测系统采集突水通道形成过程中岩体破裂产生的微震信号以及物理前兆信息；信息融合定位系统以微震信息为主，联合物理前兆信息，来判识防突结构破裂通道的位置；所述的突水位置判识预警系统，根据防突结构破裂通道的位置，结合视频监控中防突结构的揭露情况，确定突涌水灾害的发生位置，为指导施工提供依据。

作为进一步的技术方案，还包括防突结构灾变演化阶段判识系统，所述的防突结构灾变演化阶段判识系统包括灾变演化阶段性划分系统、阶段动态判识系统、实时阶段判识预警系统；

灾变演化阶段性划分系统，是针对突涌水防突结构的灾变演化全过程，划分为平静期、发展期、突变期、灾后期四个明显的阶段；

阶段动态判识系统，建立隧道突涌水防突结构灾变演化过程的阶段判识模型；

实时阶段判识预警系统，基于监测系统获取的前兆信息，采用动态预测方法判识防突结构所处的阶段，为隧道突涌水灾害的过程调控提供理论依据。

作为进一步的技术方案，所述的阶段动态判识系统包括评价指标系统和阶段判识系统；

评价指标系统，选取位移、渗压、应力、温度、视电阻率、微震前兆信息作为评价指标，并提出各评价指标的分级标准；

阶段判识系统，用于防突结构阶段判识。

作为进一步的技术方案，所述的总涌水量估算系统，包括静储量估算系统和动补给量估算系统；

所述的静储量估算系统，建立激发极化二次电场衰减时差与地层储水量的线性关系，根据实际工程的激发极化探测数据，计算突涌水灾害源的静储量初始值；结合隧道开挖过程中所揭露的实测数据进行不断修正线性关系，最终确定静储量的最优解；

所述动补给量估算系统，建立隧道测区的水文地质概化模型，优选补给水量预测方法计算动补给量最优解。

作为进一步的技术方案，所述传感网络系统，是采用传感器监测突涌水灾变演化过程中的渗压、位移、应力、温度多元前兆信息，实现多元前兆信息的实时、连续获取；

作为进一步的技术方案，所述的视频监控系统，是采用防爆摄像仪对掌子面施工过程中的地层岩性、不良地质的地质信息，以及突涌水的临灾现象进行监控；

作为进一步的技术方案，所述的微震监测系统，是采用隧道突涌水灾害专用的微震监测仪对突水通道形成过程中岩体破裂产生的微震信号进行拾取。

作为进一步的技术方案，所述的信息融合预警系统，包括数据处理系统、数据挖掘系统、数据融合预警系统；

所述的数据处理系统，包括离差标准化法、反正切函数法、对数函数法和零-均值法；利用所述的四种方法对突涌水前兆信息进行处理，剔除干扰信息，保留有效信息。

所述的数据挖掘系统，采用关联准则算法挖掘多源异构前兆信息与突涌水灾害之间的内在逻辑共生关系，进而量化每一个前兆信息参量。

作为进一步的技术方案，所述的数据融合预警系统包括单一参量属性测度模块、突涌水发生概率模块及突涌水态势评估模块；

单一参量属性测度模块，计算单一参量对突涌水灾害发生的支持概率期望值；

突涌水发生概率模块，融合全部前兆信息参量来计算突涌水灾害的发生概率；

突涌水态势评估模块，基于已有的突涌水发生概率态势，预测未来某段时间突涌水灾害的发生概率；同时，根据不断得到的突涌水发生概率，不断修正突涌水灾害的态势，从而提高突涌水时间倾向性预警的精度。

本发明的有益效果：

本发明提出了一种隧道突涌水灾害监测预警理论与方法。突涌水时间倾向性预警系统能够实现突涌水灾害的时间倾向性预测，确定灾害发生的可能时间，为安全施工与人员撤离提供指导；突水破裂通道定位识别系统能够确定突涌水破裂通道的空间位置，为指导灾害靶向处治提供依据；防突结构灾变演化阶段判识系统，能够判识突涌水防突结构灾变演化阶段，为是否采取灾害调控和处治时机提供理论依据；总涌水量估算系统实现突涌水危害量级的估算，并能够为地下水流失规模、生态破坏程度及地表沉陷等次生灾害的判识提供支撑。本理论与方法的提出，有效解决了隧道及地下工程施工过程中突涌水灾害难题。

附图说明

图1隧道突涌水灾害监测预警理论与方法示意图；

图2总涌水量估算方法示意图；

图3突涌水灾害时间倾向性预警示意图；

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；

正如背景技术所介绍的，突涌水灾害是隧道及地下工程修建过程中发生最频繁、危害性最大的地质灾害之一。由于其强突发性、高危险性、难预测性，一旦发生往往会造成重大的人员伤亡和财产损失。因此，在隧道施工过程中，对隧道突涌水灾害进行监测预警，已成为实现突涌水灾害主动防控、避免生命财产损失的有效手段和重要途径。

为解决如上的技术问题，本发明提出了一种隧道突涌水灾害有效的监测预警系统，如图1所示；系统包括总涌水量估算系统、突涌水时间倾向性预警系统，突水破裂通道定位识别系统以及防突结构灾变演化阶段判识系统。

总涌水量估算系统，包括静储量估算系统、动补给量估算系统。

如图2所示，所述的静储量估算系统，采用山东大学自主研发的激发极化仪(已经申请多个美国与中国专利，如隧道聚焦测深型三维激发极化超前探测仪器系统、Three-dimensional focusing induced polarization equipment for advanced geologicalprediction of water inrush disaster source in underground engineering等等)对隧道进行全程超前地质探测，提取探测范围内的低电阻率体，根据建立的激发极化二次电场衰减时差与地层储水量的线性关系来计算灾害源静储量的体积，并随着隧道开挖过程中的现场实测数据进行不断地修正，从而确定静储量的估算值。

如图2所示，所述动补给量估算系统，首先借助观测的水文地质资料建立水文地质概化模型，确定动水补给的边界条件，然后根据隧道洞身段所处的岩溶水动力分带优选补给水量预测系统，计算动储量最优解。

进一步的，所述的动补给量估算系统包括洼地入渗法、均衡法结合地下水动力学、均衡法、地下径流模数法与圈定集水面积、地下水动力学方法等。其中，洼地入渗法适用于处于包气带的岩溶隧道，均衡法结合地下水动力学适用于处于季节变化带的岩溶隧道，均衡法适用于浅饱水带的岩溶隧道，地下径流模数法与圈定集水面积适用于弱岩溶或弱透水岩层地段的岩溶隧道，地下水动力学方法适用于处于断层或碎屑岩层附近的岩溶隧道。

进一步的，将通过静储量估算系统确定的静储量估算值与通过动补给量估算系统得出的动储量最优解相结合，得出总涌水量估算值。

如图3所示，所述的突涌水时间倾向性预警系统，包括前兆信息监测系统、远程无线传输系统、多元异构信息融合预警系统三部分。

进一步的，所述的前兆信息获取系统，是以微震、视频监控仪、传感网络构成的前兆信息监测系统。首先根据超前地质探测、地质勘察、风险评估等内容，合理选择隧道突涌水灾害的监测断面，宜选择突涌水危险性较大的断面进行监测。然后根据开挖揭露情况，合理设计监测元件的布设方法。元件布设完成后，实时连续采集微震信息、渗压、位移、应力、温度、视电阻率及施工揭露地质信息、突涌水情况等多元前兆信息。

进一步的，所述的远程无线传输系统，分为局域网无线传输系统、全域网无线传输系统两部分。由于监控中心与隧道施工现场的距离较远，且隧道内部没有移动网络信号覆盖，呈现盲区状态，无法直接利用移动网络进行信号无线传输。同时，考虑到隧道复杂的施工环境，有线传输方式施工与维护较为困难。因此，提出了局域网与全域网相结合的无线传输方式。

局域网无线传输系统，包括无线采集节点、无线中继网桥两部分。为适应隧道施工过程中强干扰的复杂环境，提出了一种避绕式的ZigBee无线传输协议。

上述的无线采集节点，是通过四芯屏蔽线缆将监测传感器、视频监控摄像仪与之相连接，无线采集节点将采集到的模拟信号转化为数字信号，然后以无线形式发送出去。

上述的无线中继网桥，是起中继作用，能够对信息进行接收并转发。当无线采集节点的极限传输距离小于隧道实际传输距离或无线采集节点无法满足隧道洞内传输的时候，需要设置中继网桥对无线信号进行传递。中继网桥的布设数量可根据隧道现场的实际传输情况来具体确定。

进一步，所述的全域网无线传输系统，是在有GPRS移动网络覆盖的位置建立微基站，接收洞内局域网传来的信号，并以GPRS移动网络上传至远程监控中心的服务器中。

进一步，多源异构信息融合系统，包括数据处理系统、数据挖掘系统、数据融合预警系统等内容。

上述的数据处理系统，利用离差标准化法、反正切函数法、对数函数法和零-均值法，四种方法对突涌水前兆信息进行处理，剔除干扰信息，保留有效信息。

上述的数据挖掘系统，由于隧道突涌水灾害的多源异构前兆信息以数据、文字、图像、视频等形式存在，涵盖了结构化、半结构化、非结构化等多结构数据。采用关联准则算法挖掘多源异构前兆信息与突涌水灾害之间的内在逻辑共生关系，进而量化每一个前兆信息参量。

上述的数据融合预警系统，包括单一参量属性测度系统、突涌水发生概率系统及突涌水态势评估系统。

进一步，上述的单一参量属性测度系统，根据获取的多源前兆信息，采用日志审计算法分别计算单一参量对隧道突涌水灾害的支持概率，其取值范围为[0,1]。

进一步，上述的突涌水发生概率系统，建立隧道突涌水灾害多源异构前兆信息深度融合方法，将全部前兆信息参量进行融合，计算突涌水灾害发生的支持概率，其取值范围为[0,1]。

进一步，上述的突涌水态势评估系统，是以ΔT时间段为滑动窗口，基于实测数据计算得到的突涌水发生概率态势，采用GM(1,1)、ARMA或Holt-Winters模型预测未来ΔT时间段突涌水灾害的发生概率。同时，根据监测系统不断获取的前兆信息数据，不断对突涌水灾害发生概率进行修正，从而提高预测突涌水灾害的发生概率及时间倾向性预警的准确性。

所述的突水破裂通道定位识别系统，是通过监测突水通道形成过程中岩体破裂产生的微震信号，联合位移、渗压、应力等物理前兆信息，综合判识突水的优势通道位置，进而确定突涌水灾害的发生位置。包括前兆信息监测系统、信息融合定位系统、突水位置判识预警系统。

进一步，所述的前兆信息监测系统，是建立以突涌水专用微震监测装备为载体的多源前兆信息实时获取系统，长时、稳定、连续地采集通道形成过程中产生的微震信号，以及视电阻率、应力、位移、渗压等物理前兆信息。

进一步，所述的信息融合定位系统，建立以微震信号为主的隧道突涌水灾害多元异构前兆信息融合定位方法。基于此方法，融合以微震信号为主体的多元前兆信息来判识防突结构破裂通道位置。

进一步，所述的突水位置判识预警系统，根据融合定位方法所得到的突水优势通道，结合视频监控中防突结构的渗漏水、变形等实际揭露情况，进一步修正突涌水灾害的发生位置，为指导突涌水灾害的主动防控施工提供理论依据。

所述的防突结构灾变演化阶段判识系统，当防突结构处于不同演化阶段时，其失稳的可能性是不同的，处治措施也应该存在差异。为此，本发明建立了防突结构灾变演化的阶段判识方法，可分为灾变演化阶段性划分、阶段动态判识方法、实时阶段判识预警三部分。

进一步的，所述的灾变演化阶段性划分，收集隧道突涌水灾害的大量文献资料，分析隧道突涌水防突结构的灾变演化全过程，划分为平静期、发展期、突变期、灾后期四个明显的阶段。

进一步的，所述的阶段动态判识系统，提出一种适用于防突结构阶段判识的数学评价模型，选取位移、渗压、应力、温度、视电阻率、微震等前兆信息作为评价指标，并提出各评价指标的分级标准，建立隧道突涌水防突结构灾变演化过程的阶段判识模型。

进一步的，所述的实时阶段判识预警系统，根据监测系统获取的前兆信息，基于上述的防突结构阶段动态判识方法实时评判防突结构所处的阶段，为隧道突涌水灾害的过程调控提供理论依据。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种用于隧道及地下工程突涌水灾害的监测预警系统，其特征在于：包括突涌水时间倾向性预警系统、突水破裂通道定位识别系统；还包括总涌水量估算系统；还包括防突结构灾变演化阶段判识系统；

所述总涌水量估算系统包括静储量估算系统和动补给量估算系统；所述动补给量估算系统，建立隧道测区的水文地质概化模型，补给水量预测方法计算动补给量最优解；

所述防突结构灾变演化阶段判识系统包括灾变演化阶段性划分系统、阶段动态判识系统、实时阶段判识预警系统；

所述阶段动态判识系统，提出一种适用于防突结构阶段判识的数学评价模型，选取位移、渗压、应力、温度、视电阻率、微震前兆信息作为评价指标，并提出各评价指标的分级标准，建立隧道突涌水防突结构灾变演化过程的阶段判识模型；

所述突涌水时间倾向性预警系统；包括第一前兆信息监测系统、远程无线传输系统、信息融合预警系统三部分；

第一前兆信息监测系统包括传感网络系统、视频监控系统、微震监测系统；所述的远程无线传输系统与传感网络系统、视频监控系统、微震监测系统进行通讯；所述的信息融合预警系统将多途径获取的突涌水灾害多源异构进行深度融合分析与预测预警；

突水破裂通道定位识别系统，包括第二前兆信息监测系统、信息融合定位系统、突水位置判识预警系统；

第二前兆信息监测系统采集突水通道形成过程中岩体破裂产生的微震信号以及物理前兆信息；信息融合定位系统以微震信息为主，联合物理前兆信息，来判识防突结构破裂通道的位置；所述突水位置判识预警系统，根据防突结构破裂通道的位置，结合视频监控中防突结构的揭露情况，确定突涌水灾害的发生位置，为指导施工提供依据。

2.如权利要求1所述的用于隧道及地下工程突涌水灾害的监测预警系统，其特征在于：

灾变演化阶段性划分系统，是针对突涌水防突结构的灾变演化全过程，划分为平静期、发展期、突变期、灾后期四个明显的阶段；

阶段动态判识系统，建立隧道突涌水防突结构灾变演化过程的阶段判识模型；

实时阶段判识预警系统，基于监测系统获取的前兆信息，采用动态预测方法判识防突结构所处的阶段，隧道突涌水灾害的过程调控提供理论依据。

3.如权利要求2所述的用于隧道及地下工程突涌水灾害的监测预警系统，其特征在于：所述的阶段动态判识系统包括评价指标系统和阶段判识系统；

评价指标系统，选取位移、渗压、应力、温度、视电阻率、微震前兆信息作为评价指标，并提出各评价指标的分级标准；

阶段判识系统，用于防突结构阶段判识。

4.如权利要求1所述的用于隧道及地下工程突涌水灾害的监测预警系统，其特征在于：

所述的静储量估算系统，建立激发极化二次电场衰减时差与地层储水量的线性关系，根据实际工程的激发极化探测数据，计算突涌水灾害源的静储量初始值；结合隧道开挖过程中所揭露的实测数据进行不断修正线性关系，最终确定静储量的最优解。

5.如权利要求1所述的用于隧道及地下工程突涌水灾害的监测预警系统，其特征在于：所述传感网络系统，是采用传感器监测突涌水灾变演化过程中的渗压、位移、应力、温度多元前兆信息，实现多元前兆信息的实时、连续获取。

6.如权利要求1所述的用于隧道及地下工程突涌水灾害的监测预警系统，其特征在于：视频监控系统，是采用防爆摄像仪对掌子面施工过程中的地层岩性、不良地质的地质信息，以及突涌水的临灾现象进行监控。

7.如权利要求1所述的用于隧道及地下工程突涌水灾害的监测预警系统，其特征在于：微震监测系统，是采用隧道突涌水灾害专用的微震监测仪对突水通道形成过程中岩体破裂产生的微震信号进行拾取。

8.如权利要求1所述的用于隧道及地下工程突涌水灾害的监测预警系统，其特征在于：所述的信息融合预警系统，包括数据处理系统、数据挖掘系统、数据融合预警系统；

所述的数据处理系统，包括离差标准化法、反正切函数法、对数函数法和零-均值法；利用上述四种方法对突涌水前兆信息进行处理，剔除干扰信息，保留有效信息；

所述的数据挖掘系统，采用关联准则算法挖掘多源异构前兆信息与突涌水灾害之间的内在逻辑共生关系，进而量化每一个前兆信息参量。

9.如权利要求8所述的用于隧道及地下工程突涌水灾害的监测预警系统，其特征在于：所述的数据融合预警系统包括单一参量属性测度模块、突涌水发生概率模块及突涌水态势评估模块；

单一参量属性测度模块，计算单一参量对突涌水灾害发生的支持概率期望值；

突涌水发生概率模块，融合全部前兆信息参量来计算突涌水灾害的发生概率；

突涌水态势评估模块，基于已有的突涌水发生概率态势，预测未来某段时间突涌水灾害的发生概率；同时，根据不断得到的突涌水发生概率，不断修正突涌水灾害的态势，从而提高突涌水时间倾向性预警的精度。

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