基于3DGIS的山岭隧道动态智能安全预警机制研究

Dinamic and intelligent warning mechanism for tunnels based on 3DGIS will be put forward due to the safety problem in mountain tunnels construction in our country.First of all,the seamless combination method between GIS and numerical simulation will be researched,two-dimensional numerical simulation module will be added to the existing 3DGIS software and new data structure will be designed on the basis of Quad-Edge structure;Secondly,the efficient modelling method of mountain tunnels for safety warning will be researched and the safety situation will be evaluated before tunnels excavation considering GIS、neural network and numerical analysis;Thirdly,based on field monitoring displacement of surrounding rocks in tunnels construction,lots of deformation forecasting methods will be studied,such as grey theory and intelligent methods.Therefore,the displacement prediction method of excavated section can be found considering the construction factors;Then,after the research of dislacement back analysis in 3DGIS model,the deformation can be predicted behind the tunnel face;At last,the waring mechanism and 3DGIS platform will be verified in Gu Zhu Highway Tunnels field monitoring project..The research results can applied not only in mountain tunnels,but also in the safety waring of hydropower development,resource exploitation,metro and other underground engineering.

本项目针对我国山岭隧道掘进所导致的安全问题，拟提出基于3DGIS的隧道施工动态、智能安全预警机制。首先，研究GIS平台与数值模拟分析的无缝耦合方法，在已有3DGIS平台中增加二维数值计算模块，在Quad-Edge基础上提出新的数据结构；其次，在隧道三维地质建模方法研究基础上，结合GIS评价方法、神经网络及数值计算手段，实现隧道开挖前安全稳定状态的预判；然后，以隧道施工现场监测数据为核心，对灰色理论、人工智能等变形预测方法进行研究，考虑现场施工因素影响，提出已开挖断面变形预测方法；接着，利用现场监测围岩变形数据，在3DGIS系统中植入位移反分析计算功能，实现对后续开挖洞段变形情况的自动化、智能化预测；最后，以谷竹高速公路目前在测的几十条隧道为背景，对提出的方法、模型以及平台等进行验证。. 项目研究成果不仅适用于山岭隧道，而且也可应用于水电开发、资源开采、地铁等地下工程施工的安全预警中。

本项目针对我国山岭隧道掘进所导致的安全问题，对基于3DGIS的隧道施工动态、智能安全预警机制进行了研究。建立了山岭隧道安全预警平台，开发了有限元隧道开挖二维数值计算模块，实现了隧道施工中动态智能安全预警的目的。本项目研究成果为地下工程施工安全预警提供理论支撑与信息平台，主要工作有：.（1）以Python语言作为粘合剂的复合框架为开发平台，选择BRep为三维建模主要手段，基于AQE(AUGMENTED QUAD-EDGE)数据结构，借助开源GRASS GIS平台，在综合设计系统总体结构与数据库的基础上，开发了基于3DGIS的山岭隧道安全预警平台；.（2）通过Ruppert's Delaunay、Chew’s Delaunay以及Jonathan Richard Shewchuk优化算法与对应的Triangle函数接口，采用3DGIS中的数据结构实现了平面三角形有限元网格剖分，并开发了对应的隧道开挖有限元模拟程序；.（3）针对洞口段事故频发的现象与倾斜地表沉降预测方法研究的不足，通过随机介质理论推导了采用洞内变形数据预测地表沉降的方法；结合灰色理论GM(1,1)模型、线性回归等预测方法，实现了山岭隧道施工安全预警；.（4）对拱顶沉降监测装置与方法进行改进；提出了一种基于手机摄影测量的裂缝宽度扩展监测方法，并在实际工程中得到应用。