[发明专利]基于三维数字隧道平台的隧道施工安全预警方法与系统

说明书

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。