專利名稱：隧道施工塌方遠程三維數字安全預警方法與系統的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于隧道以及地下工程施工領域，用于鐵路客運專線等大斷面隧道施工過程的安全預警；具體涉及ー種隧道施工塌方遠程三維數字安全預警方法，本發(fā)明還涉及隧道施工塌方遠程三維數字安全預警系統。
背景技術：
鉄路、公路隧道以及地下工程施工安全控制始終是個難題。隧道施工中塌方時有發(fā)生，對施工人員的生命安全構成了威脅。因此開發(fā)隧道施工過程安全監(jiān)控預警具有十分 重要的工程意義。
國內外在隧道施工三維數字安全預警研究方面尚少，截至目前尚未見集隧道開挖三維應變數值模型、智能位移反分析模型以及三維可視化安全預警平臺于一體的隧道施工三維數字安全預警的文獻報道。

發(fā)明內容
本發(fā)明要解決的技術問題在于提供ー種隧道施工塌方遠程三維數字安全預警方法，本發(fā)明要解決的另一技術問題在于提供ー種隧道施工塌方遠程三維數字安全預警系統；使用本發(fā)明提供的方法與系統，能夠實時連續(xù)監(jiān)測隧道初級支護圍巖收斂變形情況，并將圍巖收斂變形數據實時連續(xù)傳輸到遠程監(jiān)測主機，根據逐級變形數據，完成對隧道支護結構的變形穩(wěn)定性進行分級預警。本發(fā)明解決上述技術問題所采取的技術方案如下ー種隧道施工塌方遠程三維數字安全預警方法，包括下述步驟
a.選擇被研究隧道作為遠程三維數字安全預警系統實施的對象；收集該隧道施工區(qū)域圍巖工程地質勘察資料，室內、外測試數據，收集隧道設計參數信息資料；
b.以步驟a所得地質勘察資料、測試數據以及隧道設計參數信息資料為依據，由遠程計算機基于連續(xù)介質快速拉格朗日分析程序FLAC3d建立隧道開挖三維應變數值模型；
c.遠程計算機基于差異進化算法(DifferentialEvolution,簡稱DE)建立隧道智能位移反分析模型；
d.遠程計算機基于VTK(VisualizationToolkit)商業(yè)軟件系統建立三維可視可視化
安全預警平臺；
e.在試作隧道初期支護的同時，安裝靜力水準儀于隧道拱頂，安裝多點位移計于隧道拱腰，采集圍巖初始收斂變形實時監(jiān)測數據，將圍巖收斂變形實時監(jiān)測數據傳輸并加載到遠程計算機建立的隧道開挖三維應變數值模型以及隧道智能位移反分析模型；
f.隧道開挖三維應變數值模型以及隧道智能位移反分析模型將得到的實測圍巖收斂變形數據，進行正、反分析，通過三維可視化安全預警平臺進行展現；并將實測變形值與正、反分析得到的圍巖收斂變形閾值進行比較分析后，對隧道支護結構的變形穩(wěn)定性進行分級預警，所有預警信息通過與計算機連接的短信模塊，以手機短信方式發(fā)送至現場施工管理以及地面管理相關人員的手機，從而完成隧道施工塌方遠程三維數字安全預警。ー種隧道施工塌方遠程三維數字安全預警系統，包括數個靜力水準儀、數個多點位移計；其特征在于還包括依次連接的自動化數據采集儀、GPRS靜態(tài)數據采集儀、通信發(fā)射基站、商用衛(wèi)星、通信接收基站、互聯網及遠程計算機；自動化數據采集儀輸入端有線連接靜力水準儀與多點位移計；自動化數據采集儀輸出端無線連接GPRS靜態(tài)數據采集儀，GPRS靜態(tài)數據采集儀、通信發(fā)射基站、商用衛(wèi)星、通信接收基站與互聯網之間依次無線信號通訊連接，互聯網與遠程計算機連接，遠程計算機連接有F2003GSMDTU短信模塊，F2003GSMDTU短信模塊與數個手機無線信號通訊連接。施工時，依據隧道初級支護結構以及圍巖級別，確定靜力水準儀在拱頂的布設斷面間距以及多點位移計的布設。本發(fā)明提供了ー種將基于靜力水準儀以及多點位移計的隧道施工塌方遠程三維數字安全預警與隧道施工過程相結合的技木。使施工管理相關人員與地面管理人員根據預警信息及時采取預防措施，提高施工安全性。


圖I是隧道內靜力水準儀、多點位移計以及自動化數據采集儀、GPRS靜態(tài)數據采集儀布置縱斷面圖。圖2是隧道內靜力水準儀、多點位移計布置橫斷面圖。圖3是本發(fā)明的結構與數據采集傳輸示意圖。圖中I ー靜力水準儀，2 —自動化數據采集儀，3 — GPRS靜態(tài)數據采集儀，4 一一襯區(qū)間，5—掌子面，6—鋼拱架，7—隧道圍巖臨空面，8—商用衛(wèi)星，9一通信發(fā)射基站，10—互聯網，11一遠程計算機，12一F2003GSMDTU短彳目ホ旲塊，13一手機，14一通彳目接受基站，15一多點位移計。
具體實施例方式 系統實施例如圖I、圖2與圖3所示ー種隧道施工塌方遠程三維數字安全預警系統，包括數個靜力水準儀I、多點位移計15,還包括依次連接的自動化數據采集儀2、GPRS靜態(tài)數據采集儀3、通信發(fā)射基站9、商用衛(wèi)星8、通信接收基站14、互聯網10及遠程計算機
11;數個靜力水準儀I和多點位移計15連接在一根主連接線上，主連接線與自動化數據采集儀2輸入端相連接；自動化數據采集儀2輸出端無線連接GPRS靜態(tài)數據采集儀3，GPRS靜態(tài)數據采集儀3、通信發(fā)射基站14、商用衛(wèi)星8、通信接收基站14與互聯網10之間依次無線信號通訊連接，互聯網10與遠程計算機11連接，遠程計算機11連接有F2003GSMDTU短信模塊12，F2003GSMDTU短信模塊12與數個手機13無線信號通訊連接。隧道施工過程中，通常包括一襯區(qū)間4與掌子面5，隧道圍巖臨空面7的下面設置鋼拱架6。圖I示出靜力水準儀I布設情況；在一襯區(qū)間4設置多個靜力水準儀I、多點位移計15，一襯區(qū)間4還設置有自動化數據采集儀2和GPRS靜態(tài)數據采集儀3。圖2示出靜力水準儀I與多點位移計15在隧道橫斷面的布設方式，靜力水準儀I設置在隧道拱頂，多點位移計15設置在拱腰。遠程計算機11建立有隧道開挖三維應變數值模型、智能位移反分析模型以及三維可視可視化安全預警平臺。三維應變數值模型的建立是基于FLAC3d軟件以及隧道圍巖應變參數。智能位移反分析模型基于差異進化算法。三維可視可視化安全預警平臺基于VTK(Visualization Toolkit)商業(yè)軟件系統。方法實施例
(1)選擇ー隧道作為隧道施工三維數字安全預警系統實施的對象；收集該隧道施工區(qū)域圍巖工程地質勘察資料，室內、外測試數據，收集隧道設計參數信息資料；
(2)以步驟(I)所得地質勘察資料、測試數據以及隧道設計參數信息資料為依據，建立預警系統實施對象區(qū)域隧道開挖三維應變數值模型；三維應變數值模型的建立是基于FLAC3d軟件以及隧道圍巖壓縮模量、泊松比、彈性模量等參數；
(3)建立智能位移反分析模型以及三維可視化安全預警平臺；智能位移反分析模型基于差異進化算法；可視化安全預警平臺基于VTK (Visualization Toolkit)商業(yè)軟件系統；
(4)隧道施工中，根據初級支護結構選擇適當的斷面和初期支護同步安裝靜力水準儀
I、多點位移計15，采集隧道初始收斂位移實時監(jiān)測數據，并將實時監(jiān)測數據通過自動化數據采集儀2發(fā)送至GPRS靜態(tài)數據采集儀2，再通過GPRS靜態(tài)數據采集儀3附近通信發(fā)射基站9發(fā)至商用衛(wèi)星8，之后傳輸到其他通信接收基站14，并進入互聯網10傳輸到用戶計算機11并調用道開挖三維應變數值模型、智能位移反分析模型；
(5 )由隧道開挖三維應變數值模型、智能位移反分析模型將得到的實測變形數據，進行正、反分析，通過三維可視化安全預警平臺進行展現；并將實測位移值與正、反分析得到的圍巖收斂變形閾值進行比較分析后，對隧道支護結構的變形穩(wěn)定性進行分級預警，預警信息通過和與計算機11連接的F2003GSMDTU短信模塊12，以手機短信方式發(fā)送至現場施工管理與地面管理相關人員的手機13，從而完成隧道施工塌方遠程三維數字安全預警。
權利要求
1.ー種隧道施工塌方遠程三維數字安全預警方法，其特征在于包括下述步驟 a.選擇被研究隧道作為遠程三維數字安全預警系統實施的對象；收集該隧道施工區(qū)域圍巖工程地質勘察資料，室內、外測試數據，收集隧道設計參數信息資料； b.以步驟a所得地質勘察資料、測試數據以及隧道設計參數信息資料為依據，由遠程計算機基于連續(xù)介質快速拉格朗日分析程序FLAC3d建立隧道開挖三維應變數值模型； c.遠程計算機基于差異進化算法即DifferentialEvolution建立隧道智能位移反分析模型； d.遠程計算機基于VTK即VisualizationToolkit商業(yè)軟件系統建立三維可視可視化安全預警平臺； e.在試作隧道初期支護的同時，安裝靜力水準儀于隧道拱頂，安裝多點位移計于隧道拱腰，采集圍巖初始收斂變形實時監(jiān)測數據，將圍巖收斂變形實時監(jiān)測數據傳輸并加載到遠程計算機建立的隧道開挖三維應變數值模型以及隧道智能位移反分析模型； f.隧道開挖三維應變數值模型以及隧道智能位移反分析模型將得到的實測圍巖收斂變形數據，進行正、反分析，通過三維可視可視化安全預警平臺進行展現；并將實測變形值與正、反分析得到的圍巖收斂變形閾值進行比較分析后，對隧道支護結構的變形穩(wěn)定性進行分級預警得到預警信息，所有預警信息通過與計算機連接的短信模塊，以手機短信方式發(fā)送至現場施工管理以及地面管理相關人員的手機，從而完成隧道施工塌方遠程三維數字安全預警。
2.如權利要求I所述的ー種隧道施工塌方遠程三維數字安全預警方法，其特征在于步驟e采集的圍巖初始收斂變形實時監(jiān)測數據，通過自動化數據采集儀發(fā)送至GPRS靜態(tài)數據采集儀，再通過GPRS靜態(tài)數據采集儀附近的通信發(fā)射基站發(fā)至商用衛(wèi)星，之后傳輸到通信接收基站，進入互聯網傳輸到用戶遠程計算機并調用隧道智能位移反分析模型。
3.—種隧道施工塌方遠程三維數字安全預警系統，包括數個靜力水準儀、數個多點位移計；其特征在于還包括依次連接的自動化數據采集儀、GPRS靜態(tài)數據采集儀、通信發(fā)射基站、商用衛(wèi)星、通信接收基站、互聯網及遠程計算機；自動化數據采集儀輸入端有線連接靜力水準儀與多點位移計；自動化數據采集儀輸出端無線連接GPRS靜態(tài)數據采集儀，GPRS靜態(tài)數據采集儀、通信發(fā)射基站、商用衛(wèi)星、通信接收基站與互聯網之間依次無線信號通訊連接，互聯網與遠程計算機連接，遠程計算機連接有F2003GSMDTU短信模塊，F2003GSMDTU短信模塊與數個手機無線信號通訊連接。
4.如權利要求3所述的ー種隧道施工塌方遠程三維數字安全預警系統，其特征在于數個靜力水準儀和多點位移計連接在一根主連接線上，主連接線與自動化數據采集儀輸入端相連接。
5.如權利要求3或4所述的ー種隧道施工塌方遠程三維數字安全預警系統，其特征在于靜力水準儀設置在隧道拱頂，多點位移計設置在拱腰。
6.如權利要求5所述的ー種隧道施工塌方遠程三維數字安全預警系統，其特征在于自動化數據采集儀和GPRS靜態(tài)數據采集儀設置在隧道一村區(qū)間。
全文摘要
本發(fā)明基于隧道施工區(qū)域地質勘察資料與FLAC3D技術建立施工區(qū)域隧道開挖三維應變數值模型；并基于差異進化法建立智能位移反分析模型以及基于VTK商業(yè)軟件系統建立三維可視化安全預警平臺。采集隧道初始收斂位移實時監(jiān)測數據，并將實時監(jiān)測數據傳輸到用戶計算機，由隧道開挖三維應變數值模型、智能位移反分析模型將得到的實測位移數據，進行差異進化法位移正、反分析，通過可視化安全預警平臺進行展現；并將實測位移值與正、反分析得到的圍巖收斂變形閾值進行比較分析后，對隧道支護結構的變形穩(wěn)定性進行分級預警，預警信息通過與計算機連接的短信模塊，以手機短信方式發(fā)送至現場施工與地面管理相關人員的手機，完成隧道施工塌方遠程三維數字安全預警。
文檔編號E21F17/18GK102691525SQ20121020649
公開日2012年9月26日 申請日期2012年6月21日 優(yōu)先權日2012年6月21日
發(fā)明者唐述林 申請人:中鐵二十一局集團有限公司