專利名稱：隧道初級支護(hù)體變形穩(wěn)定性遠(yuǎn)程三維數(shù)字預(yù)警方法與系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于隧道以及地下工程施工領(lǐng)域，用于隧道初級支護(hù)穩(wěn)定性安全預(yù)警；具體涉及隧道初級支護(hù)體變形穩(wěn)定性遠(yuǎn)程三維數(shù)字預(yù)警方法，本發(fā)明還涉及隧道初級支護(hù)體變形穩(wěn)定性遠(yuǎn)程三維數(shù)字預(yù)警系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
鐵路、公路隧道以及地下工程施工安全控制始終是個難題。隧道施工中初級支護(hù)變形破壞時有發(fā)生，對施工人員的生命安全構(gòu)成威脅。因此開展隧道初級支護(hù)穩(wěn)定性安全預(yù)警方面的技術(shù)研究具有十分重要的工程意義。
國內(nèi)外在隧道初級支護(hù)體變形穩(wěn)定性安全預(yù)警研究方面尚少，截至目前，尚未見集隧道開挖支護(hù)體三維應(yīng)變數(shù)值模型、智能位移反分析模型以及三維可視化安全預(yù)警平臺于一體的隧道初級支護(hù)體變形穩(wěn)定性三維數(shù)字安全預(yù)警方面的文獻(xiàn)報道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于提供一種隧道初級支護(hù)體變形穩(wěn)定性遠(yuǎn)程三維數(shù)字預(yù)警方法，本發(fā)明要解決的另一技術(shù)問題在于提供一種隧道初級支護(hù)體變形穩(wěn)定性遠(yuǎn)程三維數(shù)字預(yù)警系統(tǒng)；使用本發(fā)明提供的方法與系統(tǒng)，能夠?qū)崟r連續(xù)監(jiān)測隧道初級支護(hù)穩(wěn)定性，并將隧道初級支護(hù)體變形數(shù)據(jù)實(shí)時連續(xù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程監(jiān)測主機(jī)，遠(yuǎn)程監(jiān)測主機(jī)根據(jù)逐級變形數(shù)據(jù)，完成對隧道初級支護(hù)結(jié)構(gòu)變形穩(wěn)定性的分級預(yù)警。本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所采取的技術(shù)方案如下一種隧道初級支護(hù)體變形穩(wěn)定性遠(yuǎn)程三維數(shù)字預(yù)警方法，包括下述步驟
a.選擇被研究隧道作為遠(yuǎn)程三維數(shù)字安全預(yù)警系統(tǒng)實(shí)施的對象；收集該隧道施工區(qū)域圍巖工程地質(zhì)勘察資料，收集室內(nèi)、外測試數(shù)據(jù)，收集隧道設(shè)計參數(shù)信息資料；
b.以步驟a所得地質(zhì)勘察資料、測試數(shù)據(jù)以及隧道設(shè)計參數(shù)信息資料為依據(jù)，由遠(yuǎn)程計算機(jī)基于連續(xù)介質(zhì)快速拉格朗日分析程序FLAC3d建立隧道開挖支護(hù)體三維應(yīng)變數(shù)值模型；
c.遠(yuǎn)程計算機(jī)基于差異進(jìn)化算法(DifferentialEvolution,簡稱DE)建立隧道初級支護(hù)體智能位移反分析模型；
d.遠(yuǎn)程計算機(jī)基于VTK(VisualizationToolkit)商業(yè)軟件系統(tǒng)建立三維可視化安全
預(yù)警平臺；
e.在試作隧道初期支護(hù)的同時，在隧道相對穩(wěn)定位置安裝全斷面激光掃描儀，用于采集隧道支護(hù)體變形實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)，并將實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸且加載到遠(yuǎn)程計算機(jī)建立的隧道開挖支護(hù)體三維應(yīng)變數(shù)值模型以及隧道初級支護(hù)體智能位移反分析模型；
f.隧道開挖支護(hù)體三維應(yīng)變數(shù)值模型以及隧道初級支護(hù)體智能位移反分析模型將得到的實(shí)測初級支護(hù)體變形數(shù)據(jù)，進(jìn)行正、反分析，通過三維可視化安全預(yù)警平臺進(jìn)行展現(xiàn)；并將實(shí)測變形值與正、反分析得到的初級支護(hù)體變形閾值進(jìn)行比較分析后，對隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形穩(wěn)定性進(jìn)行分級預(yù)警，所有預(yù)警信息通過與計算機(jī)連接的短信模塊，以手機(jī)短信方式發(fā)送至現(xiàn)場施工管理以及地面管理相關(guān)人員的手機(jī)，從而完成隧道初級支護(hù)體變形穩(wěn)定性遠(yuǎn)程三維數(shù)字預(yù)警。本發(fā)明解決上述另一技術(shù)問題所采取的技術(shù)方案如下一種隧道初級支護(hù)體變形穩(wěn)定性遠(yuǎn)程三維數(shù)字預(yù)警系統(tǒng)；其特征在于包括全斷面激光掃描儀，依次連接的自動化數(shù)據(jù)采集儀、GPRS靜態(tài)數(shù)據(jù)采集儀、通信發(fā)射基站、商用衛(wèi)星、通信接收基站、互聯(lián)網(wǎng)及遠(yuǎn)程計算機(jī)；自動化數(shù)據(jù)采集儀輸入端有線連接全斷面激光掃描儀；自動化數(shù)據(jù)采集儀輸出端無線連接GPRS靜態(tài)數(shù)據(jù)采集儀，GPRS靜態(tài)數(shù)據(jù)采集儀、通信發(fā)射基站、商用衛(wèi)星、通信接收基站與互聯(lián)網(wǎng)之間依次無線信號通訊連接，互聯(lián)網(wǎng)與遠(yuǎn)程計算機(jī)連接，遠(yuǎn)程計算機(jī)連接有F2003GSMDTU短信模塊，F(xiàn)2003GSMDTU短信模塊與數(shù)個手機(jī)無線信號通訊連接。施工時，依據(jù)隧道施工現(xiàn)場情況，在相對穩(wěn)定的位置布設(shè)全斷面激光掃描儀。本發(fā)明提供了一種將基于全斷面激光掃描儀的隧道初級支護(hù)體變形穩(wěn)定性遠(yuǎn)程 三維數(shù)字預(yù)警與隧道施工過程相結(jié)合的技術(shù)。本發(fā)明基于隧道施工區(qū)域地質(zhì)勘察資料與FLAC3d技術(shù)建立施工區(qū)域隧道開挖支護(hù)體三維應(yīng)變數(shù)值模型；并基于差異進(jìn)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(tǒng)建立三維可視化安全預(yù)警平臺；由設(shè)置在二襯區(qū)間固定位置的全斷面激光掃描儀采集隧道支護(hù)體變形實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)，并將實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸?shù)接脩暨h(yuǎn)程計算機(jī)，由安裝在用戶遠(yuǎn)程計算機(jī)的隧道開挖支護(hù)體三維應(yīng)變數(shù)值模型、智能位移反分析模型將得到的實(shí)測位移數(shù)據(jù)，進(jìn)行位移正、反分析，通過可視化安全預(yù)警平臺進(jìn)行展現(xiàn)；并將實(shí)測位移值與正、反分析得到的初級支護(hù)體變形閾值進(jìn)行比較分析后，對隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形穩(wěn)定性進(jìn)行分級預(yù)警，預(yù)警信息通過與計算機(jī)連接的短信模塊，以手機(jī)短信方式發(fā)送至現(xiàn)場施工與地面管理相關(guān)人員的手機(jī)，完成隧道初級支護(hù)體變形穩(wěn)定性遠(yuǎn)程三維數(shù)字預(yù)警，使施工管理相關(guān)人員根據(jù)預(yù)警信息及時采取預(yù)防措施，提高了施工安全性。


圖I是隧道內(nèi)全斷面激光掃描儀以及自動化數(shù)據(jù)采集儀、GPRS靜態(tài)數(shù)據(jù)采集儀布置縱斷面圖。圖2是隧道內(nèi)全斷面激光掃描儀布置橫斷面圖。圖3是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)與數(shù)據(jù)采集傳輸示意圖。圖中I一全斷面激光掃描儀，2-自動化數(shù)據(jù)采集儀，3 — GPRS靜態(tài)數(shù)據(jù)采集儀，4一二襯區(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(lián)網(wǎng)，11一遠(yuǎn)程計算機(jī)，12一F2003GSMDTU短彳目|旲塊，13一手機(jī)，14一通彳目接受基站。
具體實(shí)施例方式系統(tǒng)實(shí)施例如圖3所示一種隧道初級支護(hù)體變形穩(wěn)定性遠(yuǎn)程三維數(shù)字預(yù)警系統(tǒng)，包括全斷面激光掃描儀1，依次連接的自動化數(shù)據(jù)采集儀2、GPRS靜態(tài)數(shù)據(jù)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(lián)網(wǎng)10及遠(yuǎn)程計算機(jī)11 ;全斷面激光掃描儀I和自動化數(shù)據(jù)采集儀2輸入端有線連接；自動化數(shù)據(jù)采集儀2輸出端無線連接GPRS靜態(tài)數(shù)據(jù)采集儀3，GPRS靜態(tài)數(shù)據(jù)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(lián)網(wǎng)10之間依次無線信號通訊連接，互聯(lián)網(wǎng)10與遠(yuǎn)程計算機(jī)11連接，遠(yuǎn)程計算機(jī)11連接有F2003GSMDTU短信模塊12，F(xiàn)2003GSMDTU短信模塊12與數(shù)個手機(jī)13無線信號通訊連接。隧道施工過程中，通常包括二襯區(qū)間4與掌子面5，隧道圍巖臨空面7的下面設(shè)置鋼拱架6。圖I與圖2分別示出全斷面激光掃描儀I在隧道深度區(qū)間與隧道橫斷面的布設(shè)方式；在二襯區(qū)間4設(shè)置全斷面激光掃描儀1，二襯區(qū)間4還設(shè)置有自動化數(shù)據(jù)采集儀2和GPRS靜態(tài)數(shù)據(jù)采集儀3。遠(yuǎn)程計算機(jī)11建立有隧道開挖支護(hù)體三維應(yīng)變數(shù)值模型、智能位移反分析模型以及三維可視化安全預(yù)警平臺。三維應(yīng)變數(shù)值模型的建立是基于FLAC3d軟件以及隧道圍巖應(yīng)變參數(shù)；智能位移反分析模型基于差異進(jìn)化算法；三維可視化安全預(yù)警平臺基于VTK(Visualization Toolkit)商業(yè)軟件系統(tǒng)。方法實(shí)施例·
(1)選擇一隧道作為隧道施工三維數(shù)字安全預(yù)警系統(tǒng)實(shí)施的對象；收集該隧道施工區(qū)域圍巖工程地質(zhì)勘察資料，收集室內(nèi)、外測試數(shù)據(jù)，收集隧道設(shè)計參數(shù)信息資料；
(2)以步驟(I)所得地質(zhì)勘察資料、測試數(shù)據(jù)以及隧道設(shè)計參數(shù)信息資料為依據(jù)，建立預(yù)警系統(tǒng)實(shí)施對象區(qū)域的隧道開挖支護(hù)體三維應(yīng)變數(shù)值模型；三維應(yīng)變數(shù)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、隧道支護(hù)體力學(xué)參數(shù)等參數(shù)；
(3)建立隧道初級支護(hù)體智能位移反分析模型以及三維可視化安全預(yù)警平臺；智能位移反分析模型基于差異進(jìn)化算法；可視化安全預(yù)警平臺基于VTK(Visualization Toolkit)商業(yè)軟件系統(tǒng)；
(4)隧道施工中，根據(jù)初級支護(hù)結(jié)構(gòu)選擇適當(dāng)?shù)臄嗝婧统跗谥ёo(hù)同步安裝全斷面激光掃描儀1，采集隧道支護(hù)體變形實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)，并將實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)通過自動化數(shù)據(jù)采集儀2發(fā)送至GPRS靜態(tài)數(shù)據(jù)采集儀2，再通過GPRS靜態(tài)數(shù)據(jù)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?shù)狡渌ㄐ沤邮栈?4，并進(jìn)入互聯(lián)網(wǎng)10傳輸?shù)接脩粲嬎銠C(jī)11并調(diào)用隧道開挖支護(hù)體三維應(yīng)變數(shù)值模型、隧道初級支護(hù)體智能位移反分析模型；
(5)由隧道開挖支護(hù)體三維應(yīng)變數(shù)值模型、智能位移反分析模型將得到的實(shí)測變形數(shù)據(jù)，進(jìn)行正、反分析，通過三維可視化安全預(yù)警平臺進(jìn)行展現(xiàn)；并將實(shí)測位移值與正、反分析得到的初級支護(hù)體變形閾值進(jìn)行比較分析后，對隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形穩(wěn)定性進(jìn)行分級預(yù)警，預(yù)警信息通過和與計算機(jī)11連接的F2003GSMDTU短信模塊12，以手機(jī)短信方式發(fā)送至現(xiàn)場施工管理與地面管理相關(guān)人員的手機(jī)13，從而完成隧道初級支護(hù)體變形穩(wěn)定性遠(yuǎn)程三維數(shù)字預(yù)警。
權(quán)利要求
1.一種隧道初級支護(hù)體變形穩(wěn)定性遠(yuǎn)程三維數(shù)字預(yù)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(yuǎn)程三維數(shù)字安全預(yù)警系統(tǒng)實(shí)施的對象；收集該隧道施工區(qū)域圍巖工程地質(zhì)勘察資料，收集室內(nèi)、外測試數(shù)據(jù)，收集隧道設(shè)計參數(shù)信息資料； b.以步驟a所得地質(zhì)勘察資料、測試數(shù)據(jù)以及隧道設(shè)計參數(shù)信息資料為依據(jù)，由遠(yuǎn)程計算機(jī)基于連續(xù)介質(zhì)快速拉格朗日分析程序FLAC3d建立隧道開挖支護(hù)體三維應(yīng)變數(shù)值模型； c.遠(yuǎn)程計算機(jī)基于差異進(jìn)化算法(DifferentialEvolution,簡稱DE)建立隧道初級支護(hù)體智能位移反分析模型； d.遠(yuǎn)程計算機(jī)基于VTK(VisualizationToolkit)商業(yè)軟件系統(tǒng)建立三維可視化安全預(yù)警平臺； e.在試作隧道初期支護(hù)的同時，安裝全斷面激光掃描儀，采集隧道初級支護(hù)體變形實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)，將初級支護(hù)體變形實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸并加載到遠(yuǎn)程計算機(jī)建立的隧道開挖支護(hù)體三維應(yīng)變數(shù)值模型以及隧道初級支護(hù)體智能位移反分析模型； f.隧道開挖支護(hù)體三維應(yīng)變數(shù)值模型以及隧道初級支護(hù)體智能位移反分析模型將得到的實(shí)測初級支護(hù)體變形數(shù)據(jù)，進(jìn)行正、反分析，通過三維可視化安全預(yù)警平臺進(jìn)行展現(xiàn)；并將實(shí)測變形值與正、反分析得到的初級支護(hù)體變形閾值進(jìn)行比較分析后，對隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形穩(wěn)定性進(jìn)行分級預(yù)警得到預(yù)警信息，所有預(yù)警信息通過與計算機(jī)連接的短信模塊，以手機(jī)短信方式發(fā)送至現(xiàn)場施工管理以及地面管理相關(guān)人員的手機(jī)，從而完成隧道初級支護(hù)體變形穩(wěn)定性遠(yuǎn)程三維數(shù)字預(yù)警。
2.如權(quán)利要求I所述的一種隧道初級支護(hù)體變形穩(wěn)定性遠(yuǎn)程三維數(shù)字預(yù)警方法，其特征在于步驟e采集的隧道初級支護(hù)體變形實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過自動化數(shù)據(jù)采集儀發(fā)送至GPRS靜態(tài)數(shù)據(jù)采集儀，再通過GPRS靜態(tài)數(shù)據(jù)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?shù)酵ㄐ沤邮栈?，進(jìn)入互聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)接脩暨h(yuǎn)程計算機(jī)，并調(diào)用隧道開挖支護(hù)體三維應(yīng)變數(shù)值模型與隧道初級支護(hù)體智能位移反分析模型。
3.—種隧道初級支護(hù)體變形穩(wěn)定性遠(yuǎn)程三維數(shù)字預(yù)警系統(tǒng)，其特征在于包括全斷面激光掃描儀，依次連接的自動化數(shù)據(jù)采集儀、GPRS靜態(tài)數(shù)據(jù)采集儀、通信發(fā)射基站、商用衛(wèi)星、通信接收基站、互聯(lián)網(wǎng)及遠(yuǎn)程計算機(jī)；自動化數(shù)據(jù)采集儀輸入端有線連接全斷面激光掃描儀；自動化數(shù)據(jù)采集儀輸出端無線連接GPRS靜態(tài)數(shù)據(jù)采集儀，GPRS靜態(tài)數(shù)據(jù)采集儀、通信發(fā)射基站、商用衛(wèi)星、通信接收基站與互聯(lián)網(wǎng)之間依次無線信號通訊連接，互聯(lián)網(wǎng)與遠(yuǎn)程計算機(jī)連接，遠(yuǎn)程計算機(jī)連接有F2003GSMDTU短信模塊，F(xiàn)2003GSMDTU短信模塊與數(shù)個手機(jī)無線信號通訊連接。
4.如權(quán)利要求3所述的一種隧道初級支護(hù)體變形穩(wěn)定性遠(yuǎn)程三維數(shù)字預(yù)警系統(tǒng)，其特征在于全斷面激光掃描儀設(shè)置在隧道二襯區(qū)間相對穩(wěn)定位置；自動化數(shù)據(jù)采集儀和GPRS靜態(tài)數(shù)據(jù)采集儀設(shè)置在隧道二襯區(qū)間。
全文摘要
本發(fā)明基于隧道施工區(qū)域地質(zhì)勘察資料與FLAC3D技術(shù)建立施工區(qū)域隧道開挖支護(hù)體三維應(yīng)變數(shù)值模型；并基于差異進(jìn)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(tǒng)建立三維可視化安全預(yù)警平臺；由設(shè)置在二襯區(qū)間的全斷面激光掃描儀采集隧道支護(hù)體變形實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)，傳輸?shù)接脩暨h(yuǎn)程計算機(jī)，由隧道開挖支護(hù)體三維應(yīng)變數(shù)值模型、智能位移反分析模型將得到的實(shí)測位移數(shù)據(jù)，進(jìn)行差異進(jìn)化法位移正、反分析，通過可視化安全預(yù)警平臺展現(xiàn)；并將實(shí)測位移值與正、反分析得到的初級支護(hù)體變形閾值分析，對隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形穩(wěn)定性分級預(yù)警，預(yù)警信息以手機(jī)短信方式發(fā)送至相關(guān)人員的手機(jī)，完成隧道初級支護(hù)體變形穩(wěn)定性預(yù)警，提高了施工安全性。
文檔編號E21F17/18GK102797503SQ20121031606
公開日2012年11月28日 申請日期2012年8月31日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月31日
發(fā)明者唐述林 申請人:中鐵二十一局集團(tuán)有限公司