CN110927821A - 一种基于bim+gis的隧道施工超前地质预报信息系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于BIM+GIS的隧道施工超前地质预报信息系统，属于公路工程管理信息化与智能化领域，所述BIM+GIS地理信息数据库包括信息采集装置、BIM三维模型仿真装置、GIS地理信息平台、数据分析预测平台和终端；所述信息采集装置安装于隧道内，所述信息采集装置与BIM三维模型仿真装置数据传输连接，所述BIM三维实体模型信息数据库依托所述GIS地理信息平台开发成BIM+GIS地理信息数据库，所述终端用于显示所述数据分析预测平台的超前地质预报自动报告。本发明解决在目前常用的隧道技术中，隧道智能化管理低下效率低、各信息系统繁多且相互独立及无统一标准的问题，建立基于BIM+GIS的一体化隧道施工超前地质预报信息平台，实现高效统一的隧道施工信息化处理。
Description
技术领域
本发明涉及公路工程管理信息化与智能化领域，尤其是一种基于BIM+GIS的隧道施工超前地质预报信息系统。
背景技术
伴随国民经济的快速发展，近些年我国公路交通建设蓬勃发展，高速公路建设规模不断扩大，隧道的修筑规模及数量也有了较大的发展，新时期的隧道建设工程项目呈现出了信息量大、安全风险增加、实施过程复杂的新特点。在这种背景下隧道工程建设的实施要求提高、难度加大，信息化、集成化管理已成为隧道管理的必然趋势。
目前的隧道超前预报信息化管理平台，虽然国内外将GIS技术应用于地质工程、岩土工程领域做了一定研究，并已出现了一些软件系统，但它们当中有些只能实现对地表地形地貌的三维模拟，有些虽然具有地层分析功能，但在几何建模、分析功能和交互功能上并不能很好满足用户的要求。应用在隧道工程中，对隧道实体构建、三维地层建模、不连续面模拟及相关的综合辅助分析的研究则更是滞后，将三维地理信息系统应用于隧道施工超前地质预报领域，更是鲜有报道。
尽管地理信息系统已有长足的发展，但鲜有将三维地理信息系统应用于隧道施工超前地质预报当中，并将施工过程中揭露的节理裂隙、地下水情况纳入其中的工程案例。
目前工程信息化管理已在公路、桥梁等建设项目中得到初步应用，但国内绝大部分隧道的投资、设计、建设和运营仍然处在分割阶段，不同阶段的数据没有实现真正意义上的融合与共享。一些隧道为了建设期服务而埋设的传感器经过数年的运行已经部分失效，传感器的数据也未能为隧道运营养护起到很好的服务作用。
发明内容
本发明的发明目的是，针对上述问题，提供一种基于BIM+GIS的隧道施工超前地质预报信息系统，解决在目前常用的隧道技术中，隧道智能化管理低下效率低、各信息系统繁多且相互独立及无统一标准的问题，建立基于BIM+GIS的一体化隧道施工超前地质预报信息平台，实现高效统一的隧道施工信息化处理。
为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种基于BIM+GIS的隧道施工超前地质预报信息系统，包括信息采集装置、BIM三维模型仿真装置、GIS地理信息平台、数据分析预测平台和终端。
所述信息采集装置安装于隧道内，所述信息采集装置与BIM三维模型仿真装置数据传输连接，所述信息采集装置用于采集隧道地质资料、工程资料以及图形资料信息，所述BIM三维模型仿真装置用于接收所述信息采集装置所采集的信息并生成地层、隧道、钻孔的BIM三维实体模型信息数据库，所述BIM三维实体模型信息数据库依托所述GIS地理信息平台开发成BIM+GIS地理信息数据库，所述数据分析预测平台与所述BIM+GIS地理信息数据库数据传输连接，用于接收隧道内实时监控量测数据、衬砌厚度数据、地质勘察数据的三维化和一体化展示的数据，并对接收到的数据进行分析处理得出三维可视化图形并生成超前地质预报自动报告，所述终端用于显示所述数据分析预测平台的超前地质预报自动报告。
进一步的，所述信息采集装置包括水平钻探装置、地质雷达和监控设备，所述水平钻探装置、地质雷达和监控设备分别与所述BIM+GIS地理信息数据库数据传输连接，所述水平钻探装置用于在隧道前方钻孔并获取岩土数据，所述地质雷达用于探测隧道内地质情况，所述监控设备用于监控隧道周边收敛和拱顶下沉情况，每个装置将采集的信息传送至BIM三维模型仿真装置经数据处理后生成隧道参数、节理数据、钻孔数据和等高线图像。
进一步的，所述数据分析预测平台上设有分析模块和预测模块，所述分析模块与预测模块分别与所述数据分析预测平台数据传输连接，所述分析模块用于分析所述BIM+GIS地理信息数据库生成的数据并得出超前地质预报信息并传输给所述数据分析预测平台，所述预测模块用于检测所述BIM+GIS地理信息数据库生成的数据并将检测报告传输到所述数据分析预测平台。
进一步的，所述分析模块上设有可视化三维分析模块、围岩等级判别模块、属性数据分析模块，所述可视化三维分析模块、围岩等级判别模块、属性数据分析模块分别与所述分析模块数据传输连接，所述可视化三维分析模块用于对所述节理数据和钻孔数据进行数据分析，所述围岩等级判别模块用于对等高线图像进行判别分析，所述属性数据分析模块用于对所述隧道参数进行属性分析；所述预测模块上设有稳定性预测模块和检测数据模块，所述稳定性预测模块和检测数据模块分别与所述预测模块数据传输连接，所述稳定性预测模块用于对所述可视化三维分析模块分析的数据进行预测，所述检测数据模块用于对属性数据分析模块分析的数据进行检测。
进一步的，所述地质雷达监控通过设置不同的阈值，实现监控量测周边收敛和拱顶下沉的自动预警。
一种基于BIM+GIS的隧道施工超前地质预报信息系统进行地质分析预报的方法，包括以下步骤：
(1)通过信息采集装置采集隧道地质资料、工程资料以及图形资料信息，利用BIM三维模型仿真装置将信息采集装置采集到的信息提取隧道参数、节理数据、钻孔数据及等高线相关数据并建立隧道工程地质数据三维模型，在GIS地理信息平台的基础进行开发，进而生成地层、隧道、钻孔的BIM三维实体模型并编辑入库；
(2)根据地质入库的数据，在隧道施工现场进行水平钻探超前探测及地质雷达探测的获取地质数据，并收集施工现场的作业面的监控量测数据，结合已建立的BIM三维实体模型，形成BIM+GIS地理信息数据库，结合数据对围岩RQD进行判别计算；
(3)对BIM+GIS地理信息数据库进行数据挖掘，在空间尺度上，利用可拓学理论与模型进行模拟，对隧道进行稳定性预测，在时间尺度上，对检测数据进行深入分析，利用人工神经网络进行预测；
(4)最后，综合各预测预报结果，建立风险评估预报模型，利用系统三维分析和综合查询功能，对预报结果进行综合分析，得出结论，输出三维可视化图形；
(5)通过BIM三维实体模型与GIS地理信息平台结合，对BIM+GIS地理信息数据库的数据处理，利用神经网络法进行判别，得出超前地质预报分析结果，采用地质雷达监测实现智能化预警，并生成超前地质预报自动报告。
由于采用上述技术方案，本发明具有以下有益效果：
本发明通过以BIM+GIS技术为基础，通过布设信息采集装置实现对隧道周边位移和拱顶下沉的自动检测，提高数据采集频率，通过地质雷达监控设置不同的阈值，实现监控量测周边收敛和拱顶下沉的自动预警，利用数据分析预测平台接收隧道实时监控量测数据、衬砌厚度数据、地质勘察数据的三维化和一体化展示，该系统采用云平台模式提供服务，指挥部无须购买服务器设备，账号和数据运维由系统实施方提供运维服务。指挥部和相关施工单位只需下载数据分析预测平台并输入相关账号即可在手机上和PC浏览器上使用实现围岩级别自动判定，监控量测收敛分析，最终在终端上完成超前地质预报数据管理。
本发明通过BIM+GIS地质预报信息系统对隧道施工超前地质预报，及时发现异常情况，预报掌子面前方不良地质体的位置、产状及其围岩结构的完整性与含水的可能性，为正确选择开挖断面、支护设计参数和优化施工方案提供依据，并为预防隧洞涌水、突泥、突气等可能形成的灾害性事故及时提供信息，使工程单位提前做好施工准备，保证施工安全，同时还可节约大量资金。该系统能更直观呈现隧道地质情况并进行预报建立隧道施工超前钻探数据库，形成隧道地质数据库，数据预报预警集成平台，方便快捷出模型，提高工作效率。
附图说明
图1是本发明系统结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对发明的具体实施进一步说明。
如图1所示，一种基于BIM+GIS的隧道施工超前地质预报信息系统，包括信息采集装置、BIM三维模型仿真装置、GIS地理信息平台、数据分析预测平台和终端，所述信息采集装置安装于隧道内，所述信息采集装置与BIM三维模型仿真装置数据传输连接，所述信息采集装置用于采集隧道地质资料、工程资料以及图形资料信息；所述信息采集装置包括水平钻探装置、地质雷达和监控设备，所述水平钻探装置、地质雷达和监控设备分别与所述BIM+GIS地理信息数据库数据传输连接，所述地质雷达监控通过设置不同的阈值，实现监控量测周边收敛和拱顶下沉的自动预警。所述水平钻探装置用于在隧道前方钻孔并获取岩土数据，所述地质雷达用于探测隧道内地质情况，所述监控设备用于监控隧道周边收敛和拱顶下沉情况，每个装置将采集的信息传送至BIM三维模型仿真装置经数据处理后生成隧道参数、节理数据、钻孔数据和等高线图像。所述数据分析预测平台上设有分析模块和预测模块，所述分析模块与预测模块分别与所述数据分析预测平台数据传输连接，所述分析模块用于分析所述BIM+GIS地理信息数据库生成的数据并得出超前地质预报信息并传输给所述数据分析预测平台，所述预测模块用于检测所述BIM+GIS地理信息数据库生成的数据并将检测报告传输到所述数据分析预测平台。
在本实施例中，所述分析模块上设有可视化三维分析模块、围岩等级判别模块、属性数据分析模块，所述可视化三维分析模块、围岩等级判别模块、属性数据分析模块分别与所述分析模块数据传输连接，所述可视化三维分析模块用于对所述节理数据和钻孔数据进行数据分析，所述围岩等级判别模块用于对等高线图像进行判别分析，所述属性数据分析模块用于对所述隧道参数进行属性分析；所述预测模块上设有稳定性预测模块和检测数据模块，所述稳定性预测模块和检测数据模块分别与所述预测模块数据传输连接，所述稳定性预测模块用于对所述可视化三维分析模块分析的数据进行预测，所述检测数据模块用于对属性数据分析模块分析的数据进行检测。
在本实施例中，所述BIM三维模型仿真装置用于接收所述信息采集装置所采集的信息并生成地层、隧道、钻孔的BIM三维实体模型信息数据库，所述BIM三维实体模型信息数据库依托所述GIS地理信息平台开发成BIM+GIS地理信息数据库，所述数据分析预测平台与所述BIM+GIS地理信息数据库数据传输连接，用于接收隧道内实时监控量测数据、衬砌厚度数据、地质勘察数据的三维化和一体化展示的数据，并对接收到的数据进行分析处理得出三维可视化图形并生成超前地质预报自动报告，所述终端用于显示所述数据分析预测平台的超前地质预报自动报告。
一种基于BIM+GIS的隧道施工超前地质预报信息系统进行地质分析预报的方法，包括以下步骤：
(1)通过信息采集装置采集隧道地质资料、工程资料以及图形资料信息，利用BIM三维模型仿真装置将信息采集装置采集到的信息提取隧道参数、节理数据、钻孔数据及等高线相关数据并建立隧道工程地质数据三维模型，在GIS地理信息平台的基础进行开发，进而生成地层、隧道、钻孔的BIM三维实体模型并编辑入库。
(2)根据地质入库的数据，在隧道施工现场进行水平钻探超前探测及地质雷达探测的获取地质数据，并收集施工现场的作业面的监控量测数据，结合已建立的BIM三维实体模型，形成BIM+GIS地理信息数据库，结合数据对围岩RQD进行判别计算。
(3)对BIM+GIS地理信息数据库进行数据挖掘，在空间尺度上，利用可拓学理论与模型进行模拟，对隧道进行稳定性预测，在时间尺度上，对检测数据进行深入分析，利用人工神经网络进行预测。
(4)最后，综合各预测预报结果，建立风险评估预报模型，利用系统三维分析和综合查询功能，对预报结果进行综合分析，得出结论，输出三维可视化图形。
(5)通过BIM三维实体模型与GIS地理信息平台结合，对BIM+GIS地理信息数据库的数据处理，利用神经网络法进行判别，得出超前地质预报分析结果，采用地质雷达监测实现智能化预警，并生成超前地质预报自动报告。
其中，可拓学理论用于研究事物拓展的可能性和开拓创新的规律与方法，并用以解决矛盾问题，可拓论以基元为逻辑细胞，建立解决矛盾问题的可拓模型，研究基元的基本性质以及解决矛盾问题的集合论基础和推理形式，它有基元理论、可拓集理论和可拓逻辑3个支柱，可拓工程是可拓论和可拓方法在各个领域的应用。
本发明采用信息采集装置与BIM三维模型仿真装置相结合并依托GIS地理信息平台形成BIM+GIS地理信息数据库，对隧道内的地质情况作出详细记录和分析，然后通过数据分析预测平台对BIM+GIS地理信息数据库所采集的数据进行检测、预测，最终在终端上输出超前地质预报自动报告。该系统通过以BIM+GIS技术为基础，通过布设信息采集装置实现对隧道周边位移和拱顶下沉的自动检测，提高数据采集频率，通过地质雷达监控设置不同的阈值，实现监控量测周边收敛和拱顶下沉的自动预警，利用数据分析预测平台接收隧道实时监控量测数据、衬砌厚度数据、地质勘察数据的三维化和一体化展示。
上述说明是针对本发明较佳可行实施例的详细说明，但实施例并非用以限定本发明的专利申请范围，凡本发明所提示的技术精神下所完成的同等变化或修饰变更，均应属于本发明所涵盖专利范围。
Claims (6)
1.一种基于BIM+GIS的隧道施工超前地质预报信息系统，其特征在于：包括信息采集装置、BIM三维模型仿真装置、GIS地理信息平台、数据分析预测平台和终端；
所述信息采集装置安装于隧道内，所述信息采集装置与BIM三维模型仿真装置数据传输连接，所述信息采集装置用于采集隧道地质资料、工程资料以及图形资料信息，所述BIM三维模型仿真装置用于接收所述信息采集装置所采集的信息并生成地层、隧道、钻孔的BIM三维实体模型信息数据库，所述BIM三维实体模型信息数据库依托所述GIS地理信息平台开发成BIM+GIS地理信息数据库，所述数据分析预测平台与所述BIM+GIS地理信息数据库数据传输连接，用于接收隧道内实时监控量测数据、衬砌厚度数据、地质勘察数据的三维化和一体化展示的数据，并对接收到的数据进行分析处理得出三维可视化图形并生成超前地质预报自动报告，所述终端用于显示所述数据分析预测平台的超前地质预报自动报告。
2.根据权利要求1所述的一种基于BIM+GIS的隧道施工超前地质预报信息系统，其特征在于：所述信息采集装置包括水平钻探装置、地质雷达和监控设备，所述水平钻探装置、地质雷达和监控设备分别与所述BIM+GIS地理信息数据库数据传输连接，所述水平钻探装置用于在隧道前方钻孔并获取岩土数据，所述地质雷达用于探测隧道内地质情况，所述监控设备用于监控隧道周边收敛和拱顶下沉情况；每个装置将采集的信息传送至BIM三维模型仿真装置经数据处理后生成隧道参数、节理数据、钻孔数据和等高线图像。
3.根据权利要求1所述的一种基于BIM+GIS的隧道施工超前地质预报信息系统，其特征在于：所述数据分析预测平台上设有分析模块和预测模块，所述分析模块与预测模块分别与所述数据分析预测平台数据传输连接，所述分析模块用于分析所述BIM+GIS地理信息数据库生成的数据并得出超前地质预报信息并传输给所述数据分析预测平台，所述预测模块用于检测所述BIM+GIS地理信息数据库生成的数据并将检测报告传输到所述数据分析预测平台。
4.根据权利要求3所述的一种基于BIM+GIS的隧道施工超前地质预报信息系统，其特征在于：所述分析模块上设有可视化三维分析模块、围岩等级判别模块、属性数据分析模块，所述可视化三维分析模块、围岩等级判别模块、属性数据分析模块分别与所述分析模块数据传输连接，所述可视化三维分析模块用于对所述节理数据和钻孔数据进行数据分析，所述围岩等级判别模块用于对等高线图像进行判别分析，所述属性数据分析模块用于对所述隧道参数进行属性分析；
所述预测模块上设有稳定性预测模块和检测数据模块，所述稳定性预测模块和检测数据模块分别与所述预测模块数据传输连接，所述稳定性预测模块用于对所述可视化三维分析模块分析的数据进行预测，所述检测数据模块用于对属性数据分析模块分析的数据进行检测。
5.根据权利要求2所述的一种基于BIM+GIS的隧道施工超前地质预报信息系统，其特征在于：所述地质雷达监控通过设置不同的阈值，实现监控量测周边收敛和拱顶下沉的自动预警。
6.一种使用如权利要求1所述的一种基于BIM+GIS的隧道施工超前地质预报信息系统进行地质分析预报的方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)通过信息采集装置采集隧道地质资料、工程资料以及图形资料信息，利用BIM三维模型仿真装置将信息采集装置采集到的信息提取隧道参数、节理数据、钻孔数据及等高线相关数据并建立隧道工程地质数据三维模型，在GIS地理信息平台的基础进行开发，进而生成地层、隧道、钻孔的BIM三维实体模型并编辑入库；
(2)根据地质入库的数据，在隧道施工现场进行水平钻探超前探测及地质雷达探测的获取地质数据，并收集施工现场的作业面的监控量测数据，结合已建立的BIM三维实体模型，形成BIM+GIS地理信息数据库，结合数据对围岩RQD进行判别计算；
(3)对BIM+GIS地理信息数据库进行数据挖掘，在空间尺度上，利用可拓学理论与模型进行模拟，对隧道进行稳定性预测，在时间尺度上，对检测数据进行深入分析，利用人工神经网络进行预测；
(4)最后，综合各预测预报结果，建立风险评估预报模型，利用系统三维分析和综合查询功能，对预报结果进行综合分析，得出结论，输出三维可视化图形。
(5)通过BIM三维实体模型与GIS地理信息平台结合，对BIM+GIS地理信息数据库的数据处理，利用神经网络法进行判别，得出超前地质预报分析结果，采用地质雷达监测实现智能化预警，并生成超前地质预报自动报告。
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