吳忠杰, 羅根傳, 劉新喜

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基于MapGIS的隧道監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)

吳忠杰1, 羅根傳1, 劉新喜2

(1.廣西高速公路投資公司, 廣西 南寧, 530021; 2.長(zhǎng)沙理工大學(xué) 土木與建筑學(xué)院, 湖南 長(zhǎng)沙, 410114)

針對(duì)傳統(tǒng)的隧道監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)管理的不足, 在MapGIS (Geographic Information System)平臺(tái)的支持下進(jìn)行二次開(kāi)發(fā), 建立了集數(shù)據(jù)輸入、管理、應(yīng)用等功能于一體的隧道監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng). 實(shí)現(xiàn)了計(jì)算的前臺(tái)可視化界面與監(jiān)測(cè)信息保存的后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)的結(jié)合, 解決了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)量龐大難于及時(shí)處理、分析的問(wèn)題. 通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析, 及時(shí)掌握施工過(guò)程中隧道結(jié)構(gòu)及圍巖的安全狀況, 為隧道支護(hù)設(shè)計(jì)提供參考依據(jù).

隧道; MapGIS; 監(jiān)測(cè)預(yù)警; 信息系統(tǒng)

隨著經(jīng)濟(jì)水平和科學(xué)技術(shù)的不斷提高, 我國(guó)的隧道工程建設(shè)得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展. 與此同時(shí), 對(duì)確保隧道施工及運(yùn)營(yíng)的安全性也提出了更高的要求. 因此, 在工程的施工期, 需要采用一系列高效率、高精度的觀測(cè)與測(cè)試方法, 獲得新的資料信息, 并將其反饋于設(shè)計(jì)和施工, 以修改施工參數(shù)和調(diào)整施工措施及對(duì)施工的變形進(jìn)行分析和預(yù)測(cè). 現(xiàn)今, 隧道監(jiān)測(cè)方法已經(jīng)有很多, 然而, 由于隧道工程監(jiān)測(cè)斷面多、監(jiān)測(cè)周期長(zhǎng), 采集的數(shù)據(jù)量非常多, 這些傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)管理基本處于人工管理階段, 仍停留在數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和簡(jiǎn)單檢索上, 存在數(shù)據(jù)顯示不直觀、信息采集及反饋不及時(shí)、數(shù)據(jù)分析及處理自動(dòng)化程度較低、數(shù)據(jù)不能共享等缺點(diǎn), 難以實(shí)現(xiàn)快速、準(zhǔn)確地獲取變形信息并對(duì)其進(jìn)行分析、判斷及信息化施工的目的[1-5].

地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System, GIS)是在計(jì)算機(jī)軟、硬件平臺(tái)的支持下對(duì)空間數(shù)據(jù)進(jìn)行輸入、存儲(chǔ)、檢索查詢、分析、建模、顯示、輸出的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)[6], 具有數(shù)據(jù)采集、監(jiān)測(cè)與編輯、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與組織、空間分析與查詢、圖形與交互顯示等功能, 尤其在圖形管理、定位查詢和統(tǒng)計(jì)分析方面具有明顯的優(yōu)勢(shì), 可以較好地實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和圖形位置的雙向快速查詢以及空間統(tǒng)計(jì)分析工作, 為用戶提供可視化的決策支持[2]. 為了更好地對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理, 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享及可視化, 提高工作效率及準(zhǔn)確度, 確保施工安全, 建立基于GIS的隧道監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)成為當(dāng)務(wù)之急. 本文以廣西六寨至河池高速公路的瑤寨隧道為研究對(duì)象, 建立基于MapGIS的隧道監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng), 以實(shí)現(xiàn)信息化施工, 確保施工安全.

1 工程概況

瑤寨隧道位于廣西南丹縣八圩鄉(xiāng)瑤寨村西南方向約1.5 km, 為分離式隧道. 上行線長(zhǎng)2 674 m, 下行線長(zhǎng)2 700 m, 軸線坡度-2.05%. 隧道設(shè)計(jì)標(biāo)高分別為744.83～690.40 m和745.17～690.65 m, 且穿越峰叢山嶺, 最大埋深約270 m.

隧道所處地質(zhì)條件復(fù)雜, 巖溶較為發(fā)育, 圍巖類別主要為Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級(jí), 大部分較為破碎, 常夾有軟弱充填物, 整體自穩(wěn)性較差, 對(duì)施工安全造成一定的影響.

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1 開(kāi)發(fā)目標(biāo)和原則

基于GIS的隧道施工監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)信息系統(tǒng)是以隧洞工程區(qū)地質(zhì)數(shù)據(jù)和隧道施工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ), 以隧道位移穩(wěn)定性預(yù)報(bào)模型為核心, 以GIS技術(shù)為支撐, 實(shí)現(xiàn)隧道施工未定型分析而建立起來(lái)的軟件系統(tǒng). 系統(tǒng)的主要目標(biāo)是:

a. 能夠?qū)崿F(xiàn)地圖進(jìn)行放大、縮小、漫游、圖層控制、信息標(biāo)注以及全景展示等;

b. 能夠查詢監(jiān)測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)坐標(biāo)、監(jiān)測(cè)點(diǎn)類型、所屬監(jiān)測(cè)斷面以及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表和時(shí)態(tài)圖;

c. 能夠提供監(jiān)測(cè)點(diǎn)預(yù)報(bào)計(jì)算, 并在地圖上以不同的顏色進(jìn)行發(fā)布. 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程需遵循易操作原則、實(shí)用性原則、安全可靠原則、可擴(kuò)展性原則、可移植性原則.

2.2 系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)環(huán)境

系統(tǒng)選擇MapGIS作為基礎(chǔ)平臺(tái)進(jìn)行開(kāi)發(fā). MapGIS系統(tǒng)是中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)開(kāi)發(fā)的一個(gè)工具型GIS, 它不僅是一個(gè)成熟的GIS基礎(chǔ)軟件, 而且是用戶開(kāi)發(fā)面向具體領(lǐng)域的GIS的有力工具. MapGIS提供完整的二次開(kāi)發(fā)函數(shù)庫(kù), 二次開(kāi)發(fā)接口一般稱為API (即Application Program Interface, 應(yīng)用程序界面), 是一組供應(yīng)用程序調(diào)用的函數(shù)命令集, 借助于這組接口函數(shù), 用戶可在BORLAND C++, VISUAL C++, VISUAL BASIC等編程環(huán)境下, 建造面向特定領(lǐng)域的應(yīng)用型GIS. 此外, MapGIS二次開(kāi)發(fā)庫(kù)還為基于MFC 的開(kāi)發(fā)者提供了多個(gè)可重用基類, 將應(yīng)用程序所需的常見(jiàn)基本功能進(jìn)行了封裝, 使得開(kāi)發(fā)更加方便靈活.

表1 監(jiān)測(cè)斷面線屬性數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)是本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研發(fā)的關(guān)鍵點(diǎn)之一, 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)質(zhì)量直接影響到功能模塊的性能和質(zhì)量, 以及日后系統(tǒng)的移植與擴(kuò)展. 按照數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)原則, 對(duì)隧道施工安全監(jiān)測(cè)對(duì)象進(jìn)行分類, 研究數(shù)據(jù)類型和數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系. 系統(tǒng)數(shù)據(jù)分為: 監(jiān)測(cè)管理數(shù)據(jù)和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)2部分. 監(jiān)測(cè)管理數(shù)據(jù)是對(duì)監(jiān)測(cè)斷面、監(jiān)測(cè)點(diǎn)的基本信息進(jìn)行管理的數(shù)據(jù). 隧道施工安全監(jiān)測(cè)過(guò)程中監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為: 地表沉降數(shù)據(jù)、圍巖收斂數(shù)據(jù)、拱頂下沉數(shù)據(jù)、爆破震動(dòng)數(shù)據(jù)、錨桿軸力數(shù)據(jù)、圍巖接觸應(yīng)力數(shù)據(jù)、混凝土應(yīng)力數(shù)據(jù)、鋼筋應(yīng)力數(shù)據(jù)、鋼拱架應(yīng)力數(shù)據(jù)、圍巖壓力數(shù)據(jù)、混凝土應(yīng)變數(shù)據(jù).

根據(jù)上述監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù), 利用MapGIS數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)描述語(yǔ)言, 相應(yīng)地創(chuàng)建監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)所含的各種數(shù)據(jù)表(主要是監(jiān)測(cè)斷面線、監(jiān)測(cè)點(diǎn)的屬性數(shù)據(jù)表), 并在各數(shù)據(jù)表中定義主鍵和插入外鍵, 使各數(shù)據(jù)表之間便于關(guān)聯(lián)查詢和索引. 監(jiān)測(cè)斷面線屬性數(shù)據(jù)庫(kù)如表1所示, 監(jiān)測(cè)點(diǎn)屬性數(shù)據(jù)庫(kù)如表2所示.

表2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)屬性數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

由于MapGIS軟件提供了強(qiáng)大的輸入和編輯功能, 故本系統(tǒng)主要側(cè)重于數(shù)學(xué)模型在二次開(kāi)發(fā)平臺(tái)上的實(shí)現(xiàn), 以及計(jì)算成果的編圖方面. 二次開(kāi)發(fā)系統(tǒng)提供的主要功能模塊如圖1所示.

圖1 系統(tǒng)功能模塊

5 系統(tǒng)預(yù)警預(yù)報(bào)模型

系統(tǒng)采用Excel表管理預(yù)警預(yù)報(bào)模型. 預(yù)警預(yù)報(bào)模型包括: 最大位移值模型、位移速率模型、位移時(shí)態(tài)曲線模型3種.

表3 規(guī)范規(guī)定的不同埋深下隧道周邊允許相對(duì)位移 /%

1) 根據(jù)最大位移值進(jìn)行預(yù)警(適用于拱頂沉降, 圍巖收斂). 根據(jù)規(guī)范規(guī)定的隧道周邊允許相對(duì)位移, 并結(jié)合該隧道的實(shí)際情況, 本系統(tǒng)采用的判斷標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表3. 相對(duì)收斂是指實(shí)測(cè)收斂(監(jiān)測(cè)值)與2測(cè)點(diǎn)間距離之比, 或拱頂下沉實(shí)測(cè)值與隧道寬度之比.

a. 實(shí)測(cè)相對(duì)位移＜2/3允許相對(duì)位移, III級(jí), 安全(綠色);

b. 2/3允許相對(duì)位移≤實(shí)測(cè)相對(duì)位移＜允許相對(duì)位移, II級(jí), 過(guò)渡(黃色);

c. 實(shí)測(cè)相對(duì)位移≥允許相對(duì)位移, I級(jí), 危險(xiǎn)(紅色).

2) 根據(jù)位移速率進(jìn)行施工管理(適用于拱頂沉降, 圍巖收斂).

a. 當(dāng)位移速率大于l mm/d時(shí), 表明圍巖處于急劇變形階段, 應(yīng)密切關(guān)注圍巖動(dòng)態(tài)(I級(jí), 危險(xiǎn));

b. 當(dāng)位移速率在1～0.2 mm/d之間時(shí), 表明圍巖處于緩慢變形階段(II級(jí), 過(guò)渡);

c. 位移速率小于0.2 mm/d時(shí), 表明圍巖已達(dá)到基本穩(wěn)定, 可以進(jìn)行二次襯砌作業(yè), III級(jí), 安全.

3) 根據(jù)位移時(shí)態(tài)曲線進(jìn)行施工管理(適用于拱頂沉降, 圍巖收斂, 地面沉降).

a. 當(dāng)位移速率逐漸變小, 即d2/d2＜0, 時(shí)態(tài)曲線趨于平緩, 表明圍巖變形趨于穩(wěn)定, 可以正常施工( III級(jí), 安全);

b. 當(dāng)位移速率不變, 即d2/d2= 0, 時(shí)態(tài)曲線直線上升, 表明圍巖變形急劇增長(zhǎng), 無(wú)穩(wěn)定趨勢(shì), 應(yīng)及時(shí)加強(qiáng)支護(hù), 必要時(shí)暫停掘進(jìn)(II級(jí), 過(guò)渡);

c. 當(dāng)位移速率逐漸增大, d2/d2＞0, 時(shí)態(tài)曲線出現(xiàn)反彎點(diǎn), 表明圍巖已處于不穩(wěn)定狀態(tài), 應(yīng)停止掘進(jìn), 及時(shí)采取加固措施(I級(jí), 危險(xiǎn)).

6 系統(tǒng)的應(yīng)用

施工監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)系統(tǒng)所需的全部數(shù)據(jù)存放于一個(gè)專門的文件夾中. 運(yùn)行系統(tǒng), 首先進(jìn)入系統(tǒng)界面, 裝入隧道預(yù)測(cè)工程文件(*.mpj文件), 系統(tǒng)顯示出全隧道除監(jiān)測(cè)點(diǎn)變形數(shù)據(jù)以外的圖形信息, 界面如圖2所示. 通過(guò)GIS接界面輸入方式或Excel導(dǎo)入方式獲取監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù), 進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)態(tài)曲線生成, 曲線包括地表沉降監(jiān)測(cè)、圍巖收斂監(jiān)測(cè)、拱頂下沉監(jiān)測(cè)、爆破震動(dòng)監(jiān)測(cè)、加速度監(jiān)測(cè)曲線等, 圖3為地表沉降時(shí)態(tài)曲線. 打開(kāi)演示數(shù)據(jù)預(yù)警預(yù)報(bào)標(biāo)準(zhǔn).xlsx文件, 進(jìn)入Mirosoft Exc- el 2007, 進(jìn)行預(yù)警預(yù)報(bào)標(biāo)準(zhǔn)的編制, 預(yù)警預(yù)報(bào)標(biāo)準(zhǔn)編制完成后, 可進(jìn)行監(jiān)測(cè)點(diǎn)的預(yù)警等級(jí)劃分及查看結(jié)果. 打開(kāi)監(jiān)測(cè)斷面線的監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置的隧道斷面圖工程文件, 通過(guò)監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)剖面圖模塊, 可以獲得某個(gè)監(jiān)測(cè)斷面的剖面圖.

圖3 地表沉降時(shí)態(tài)曲線的生成

7 結(jié)論

系統(tǒng)利用MapGIS技術(shù)和Excel數(shù)據(jù)庫(kù), 開(kāi)發(fā)了監(jiān)測(cè)人員便于應(yīng)用、操作性強(qiáng)的隧道監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)管理及分析軟件, 集數(shù)據(jù)輸入、管理、應(yīng)用等功能于一體, 實(shí)現(xiàn)了計(jì)算的前臺(tái)可視化界面與監(jiān)測(cè)信息存儲(chǔ)的后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)的結(jié)合, 解決了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)量龐大難于及時(shí)處理、分析的問(wèn)題.

隧道監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量大, 軟件可移植性好, 再開(kāi)發(fā)能力強(qiáng), 充分發(fā)揮了人機(jī)一體的優(yōu)勢(shì), 計(jì)算速度快, 繪圖能力強(qiáng), 降低了量測(cè)數(shù)據(jù)處理的勞動(dòng)強(qiáng)度, 提高了工作效率.

[1] 王浩, 葛修潤(rùn), 鄧建輝, 等. 隧道施工期監(jiān)測(cè)信息管理系統(tǒng)的研制[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2001, 20(增): 1684-1686.

[2] 謝偉, 孟巖. 基于GIS的地鐵隧道安全監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 鐵路計(jì)算機(jī)應(yīng)用, 2006, 15(3): 15-17.

[3] 陳翔. 變形監(jiān)測(cè)信息管理及施工安全預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用[D]. 長(zhǎng)沙: 中南大學(xué), 2007.

[4] 林志, 李元海, 劉慶方. 公路隧道施工安全監(jiān)測(cè)可視化信息系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)[A]. 2008年全國(guó)隧道監(jiān)控量測(cè)與反分析專題研討會(huì)論文集[C]. 重慶: 重慶大學(xué)出版社, 2008: 231-235.

[5] 李元海, 靖洪文, 王文龍. 隧道工程施工監(jiān)測(cè)信息管理系統(tǒng)研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J]. 中國(guó)科技論文在線, 2011, 6(11): 863-870.

[6] 邊馥荃. 地理信息系統(tǒng)原理與方法[M]. 北京: 測(cè)繪出版社, 1996.

Monitoring and early-warning system of tunnel based on MapGIS

WU Zhong-jie1, LUO Gen-chuan1, LIU Xin-xi2

(1. Guangxi Highway Investment Co. Ltd, Nanning 530021, China; 2. School of Civil Engineering and Architecture, Changsha University of Science Technology, Changsha 410114, China)

Aiming at the deficiencies of the traditional tunnel monitoring and data management, in the support of secondary development of MapGIS platform, monitoring and early-warning system of tunnel is established, which has functions such as data entry, data management, data application. The system not only enables the foreground visual interface of data calculation combined with the back-end database where monitoring information is stored, but also solves the problem that the huge amount of monitoring data is difficult to handle and analyze in a timely manner. Through analysis of monitoring data, to grasp the security situation of the tunnel structure and the surrounding rock in the construction process ,which provides a reference for tunnel support design.

tunnel; MapGIS; monitoring and early-warning; information system

U456.3

1672-6146(2012)04-0061-04

10.3969/j.issn.1672-6146.2012.04.013

2012-09-25

國(guó)家自然科學(xué)基金(50974024); 交通部西部科技項(xiàng)目(2009318000048); 廣西交通科技項(xiàng)目(200995).

吳忠杰(1969-), 男, 碩士, 高級(jí)工程師, 主要研究方向?yàn)榻煌ㄟ\(yùn)輸規(guī)劃與管理.E-mail: WYHRABB@163.com.

劉新喜(1963-), 男, 博士, 教授, 主要研究方向: 巖土體穩(wěn)定性及路基工程. E-mail: liuxinxi1963@126.com

(責(zé)任編校:江 河)