专利名称：隧道初级支护体变形稳定性远程三维数字预警方法与系统的制作方法
技术领域：
本发明属于隧道以及地下工程施工领域，用于隧道初级支护稳定性安全预警；具体涉及隧道初级支护体变形稳定性远程三维数字预警方法，本发明还涉及隧道初级支护体变形稳定性远程三维数字预警系统。
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。隧道施工中初级支护变形破坏时有发生，对施工人员的生命安全构成威胁。因此开展隧道初级支护稳定性安全预警方面的技术研究具有十分重要的工程意义。
国内外在隧道初级支护体变形稳定性安全预警研究方面尚少，截至目前，尚未见集隧道开挖支护体三维应变数值模型、智能位移反分析模型以及三维可视化安全预警平台于一体的隧道初级支护体变形稳定性三维数字安全预警方面的文献报道。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于提供一种隧道初级支护体变形稳定性远程三维数字预警方法，本发明要解决的另一技术问题在于提供一种隧道初级支护体变形稳定性远程三维数字预警系统；使用本发明提供的方法与系统，能够实时连续监测隧道初级支护稳定性，并将隧道初级支护体变形数据实时连续传输到远程监测主机，远程监测主机根据逐级变形数据，完成对隧道初级支护结构变形稳定性的分级预警。本发明解决上述技术问题所采取的技术方案如下一种隧道初级支护体变形稳定性远程三维数字预警方法，包括下述步骤
a.选择被研究隧道作为远程三维数字安全预警系统实施的对象；收集该隧道施工区域围岩工程地质勘察资料，收集室内、外测试数据，收集隧道设计参数信息资料；
b.以步骤a所得地质勘察资料、测试数据以及隧道设计参数信息资料为依据，由远程计算机基于连续介质快速拉格朗日分析程序FLAC3d建立隧道开挖支护体三维应变数值模型；
c.远程计算机基于差异进化算法(DifferentialEvolution,简称DE)建立隧道初级支护体智能位移反分析模型；
d.远程计算机基于VTK(VisualizationToolkit)商业软件系统建立三维可视化安全
预警平台；
e.在试作隧道初期支护的同时，在隧道相对稳定位置安装全断面激光扫描仪，用于采集隧道支护体变形实时监测数据，并将实时监测数据传输且加载到远程计算机建立的隧道开挖支护体三维应变数值模型以及隧道初级支护体智能位移反分析模型；
f.隧道开挖支护体三维应变数值模型以及隧道初级支护体智能位移反分析模型将得到的实测初级支护体变形数据，进行正、反分析，通过三维可视化安全预警平台进行展现；并将实测变形值与正、反分析得到的初级支护体变形阈值进行比较分析后，对隧道支护结构的变形稳定性进行分级预警，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以及地面管理相关人员的手机，从而完成隧道初级支护体变形稳定性远程三维数字预警。本发明解决上述另一技术问题所采取的技术方案如下一种隧道初级支护体变形稳定性远程三维数字预警系统；其特征在于包括全断面激光扫描仪，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、互联网及远程计算机；自动化数据采集仪输入端有线连接全断面激光扫描仪；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、通信接收基站与互联网之间依次无线信号通讯连接，互联网与远程计算机连接，远程计算机连接有F2003GSMDTU短信模块，F2003GSMDTU短信模块与数个手机无线信号通讯连接。施工时，依据隧道施工现场情况，在相对稳定的位置布设全断面激光扫描仪。本发明提供了一种将基于全断面激光扫描仪的隧道初级支护体变形稳定性远程 三维数字预警与隧道施工过程相结合的技术。本发明基于隧道施工区域地质勘察资料与FLAC3d技术建立施工区域隧道开挖支护体三维应变数值模型；并基于差异进化法建立智能位移反分析模型以及基于VTK商业软件系统建立三维可视化安全预警平台；由设置在二衬区间固定位置的全断面激光扫描仪采集隧道支护体变形实时监测数据，并将实时监测数据传输到用户远程计算机，由安装在用户远程计算机的隧道开挖支护体三维应变数值模型、智能位移反分析模型将得到的实测位移数据，进行位移正、反分析，通过可视化安全预警平台进行展现；并将实测位移值与正、反分析得到的初级支护体变形阈值进行比较分析后，对隧道支护结构的变形稳定性进行分级预警，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与地面管理相关人员的手机，完成隧道初级支护体变形稳定性远程三维数字预警，使施工管理相关人员根据预警信息及时采取预防措施，提高了施工安全性。
图I是隧道内全断面激光扫描仪以及自动化数据采集仪、GPRS静态数据采集仪布置纵断面图。图2是隧道内全断面激光扫描仪布置横断面图。图3是本发明的结构与数据采集传输示意图。图中I一全断面激光扫描仪，2-自动化数据采集仪，3 — GPRS静态数据采集仪，4一二衬区间，5—掌子面，6—钢拱架，7—隧道围岩临空面，8—商用卫星，9一通信发射基站，10—互联网，11一远程计算机，12一F2003GSMDTU短彳目|旲块，13一手机，14一通彳目接受基站。
具体实施例方式系统实施例如图3所示一种隧道初级支护体变形稳定性远程三维数字预警系统，包括全断面激光扫描仪1，依次连接的自动化数据采集仪2、GPRS静态数据采集仪3、通信发射基站9、商用卫星8、通信接收基站14、互联网10及远程计算机11 ;全断面激光扫描仪I和自动化数据采集仪2输入端有线连接；自动化数据采集仪2输出端无线连接GPRS静态数据采集仪3，GPRS静态数据采集仪3、通信发射基站14、商用卫星8、通信接收基站14与互联网10之间依次无线信号通讯连接，互联网10与远程计算机11连接，远程计算机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。隧道施工过程中，通常包括二衬区间4与掌子面5，隧道围岩临空面7的下面设置钢拱架6。图I与图2分别示出全断面激光扫描仪I在隧道深度区间与隧道横断面的布设方式；在二衬区间4设置全断面激光扫描仪1，二衬区间4还设置有自动化数据采集仪2和GPRS静态数据采集仪3。远程计算机11建立有隧道开挖支护体三维应变数值模型、智能位移反分析模型以及三维可视化安全预警平台。三维应变数值模型的建立是基于FLAC3d软件以及隧道围岩应变参数；智能位移反分析模型基于差异进化算法；三维可视化安全预警平台基于VTK(Visualization Toolkit)商业软件系统。方法实施例·
(1)选择一隧道作为隧道施工三维数字安全预警系统实施的对象；收集该隧道施工区域围岩工程地质勘察资料，收集室内、外测试数据，收集隧道设计参数信息资料；
(2)以步骤(I)所得地质勘察资料、测试数据以及隧道设计参数信息资料为依据，建立预警系统实施对象区域的隧道开挖支护体三维应变数值模型；三维应变数值模型的建立是基于FLAC3d软件以及隧道围岩压缩模量、泊松比、弹性模量、隧道支护体力学参数等参数；
(3)建立隧道初级支护体智能位移反分析模型以及三维可视化安全预警平台；智能位移反分析模型基于差异进化算法；可视化安全预警平台基于VTK(Visualization Toolkit)商业软件系统；
(4)隧道施工中，根据初级支护结构选择适当的断面和初期支护同步安装全断面激光扫描仪1，采集隧道支护体变形实时监测数据，并将实时监测数据通过自动化数据采集仪2发送至GPRS静态数据采集仪2，再通过GPRS静态数据采集仪3附近通信发射基站9发至商用卫星8，之后传输到其他通信接收基站14，并进入互联网10传输到用户计算机11并调用隧道开挖支护体三维应变数值模型、隧道初级支护体智能位移反分析模型；
(5)由隧道开挖支护体三维应变数值模型、智能位移反分析模型将得到的实测变形数据，进行正、反分析，通过三维可视化安全预警平台进行展现；并将实测位移值与正、反分析得到的初级支护体变形阈值进行比较分析后，对隧道支护结构的变形稳定性进行分级预警，预警信息通过和与计算机11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与地面管理相关人员的手机13，从而完成隧道初级支护体变形稳定性远程三维数字预警。
权利要求
1.一种隧道初级支护体变形稳定性远程三维数字预警方法，其特征在于包括下述步骤 a.选择被研究隧道作为远程三维数字安全预警系统实施的对象；收集该隧道施工区域围岩工程地质勘察资料，收集室内、外测试数据，收集隧道设计参数信息资料； b.以步骤a所得地质勘察资料、测试数据以及隧道设计参数信息资料为依据，由远程计算机基于连续介质快速拉格朗日分析程序FLAC3d建立隧道开挖支护体三维应变数值模型； c.远程计算机基于差异进化算法(DifferentialEvolution,简称DE)建立隧道初级支护体智能位移反分析模型； d.远程计算机基于VTK(VisualizationToolkit)商业软件系统建立三维可视化安全预警平台； e.在试作隧道初期支护的同时，安装全断面激光扫描仪，采集隧道初级支护体变形实时监测数据，将初级支护体变形实时监测数据传输并加载到远程计算机建立的隧道开挖支护体三维应变数值模型以及隧道初级支护体智能位移反分析模型； f.隧道开挖支护体三维应变数值模型以及隧道初级支护体智能位移反分析模型将得到的实测初级支护体变形数据，进行正、反分析，通过三维可视化安全预警平台进行展现；并将实测变形值与正、反分析得到的初级支护体变形阈值进行比较分析后，对隧道支护结构的变形稳定性进行分级预警得到预警信息，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以及地面管理相关人员的手机，从而完成隧道初级支护体变形稳定性远程三维数字预警。
2.如权利要求I所述的一种隧道初级支护体变形稳定性远程三维数字预警方法，其特征在于步骤e采集的隧道初级支护体变形实时监测数据，通过自动化数据采集仪发送至GPRS静态数据采集仪，再通过GPRS静态数据采集仪附近的通信发射基站发至商用卫星，之后传输到通信接收基站，进入互联网传输到用户远程计算机，并调用隧道开挖支护体三维应变数值模型与隧道初级支护体智能位移反分析模型。
3.—种隧道初级支护体变形稳定性远程三维数字预警系统，其特征在于包括全断面激光扫描仪，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、互联网及远程计算机；自动化数据采集仪输入端有线连接全断面激光扫描仪；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、通信接收基站与互联网之间依次无线信号通讯连接，互联网与远程计算机连接，远程计算机连接有F2003GSMDTU短信模块，F2003GSMDTU短信模块与数个手机无线信号通讯连接。
4.如权利要求3所述的一种隧道初级支护体变形稳定性远程三维数字预警系统，其特征在于全断面激光扫描仪设置在隧道二衬区间相对稳定位置；自动化数据采集仪和GPRS静态数据采集仪设置在隧道二衬区间。
全文摘要
本发明基于隧道施工区域地质勘察资料与FLAC3D技术建立施工区域隧道开挖支护体三维应变数值模型；并基于差异进化法建立智能位移反分析模型以及基于VTK商业软件系统建立三维可视化安全预警平台；由设置在二衬区间的全断面激光扫描仪采集隧道支护体变形实时监测数据，传输到用户远程计算机，由隧道开挖支护体三维应变数值模型、智能位移反分析模型将得到的实测位移数据，进行差异进化法位移正、反分析，通过可视化安全预警平台展现；并将实测位移值与正、反分析得到的初级支护体变形阈值分析，对隧道支护结构的变形稳定性分级预警，预警信息以手机短信方式发送至相关人员的手机，完成隧道初级支护体变形稳定性预警，提高了施工安全性。
文档编号E21F17/18GK102797503SQ20121031606
公开日2012年11月28日 申请日期2012年8月31日 优先权日2012年8月31日
发明者唐述林 申请人:中铁二十一局集团有限公司