基于MapGIS的隧道监测预警系统

吴忠杰, 罗根传, 刘新喜



基于MapGIS的隧道监测预警系统

吴忠杰1, 罗根传1, 刘新喜2

(1.广西高速公路投资公司, 广西 南宁, 530021; 2.长沙理工大学 土木与建筑学院, 湖南 长沙, 410114)

针对传统的隧道监测数据管理的不足, 在MapGIS (Geographic Information System)平台的支持下进行二次开发, 建立了集数据输入、管理、应用等功能于一体的隧道监测预警系统. 实现了计算的前台可视化界面与监测信息保存的后台数据库的结合, 解决了监测数据量庞大难于及时处理、分析的问题. 通过对监测数据的分析, 及时掌握施工过程中隧道结构及围岩的安全状况, 为隧道支护设计提供参考依据.

隧道; MapGIS; 监测预警; 信息系统

随着经济水平和科学技术的不断提高, 我国的隧道工程建设得到了突飞猛进的发展. 与此同时, 对确保隧道施工及运营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、高精度的观测与测试方法, 获得新的资料信息, 并将其反馈于设计和施工, 以修改施工参数和调整施工措施及对施工的变形进行分析和预测. 现今, 隧道监测方法已经有很多, 然而, 由于隧道工程监测断面多、监测周期长, 采集的数据量非常多, 这些传统的监测数据管理基本处于人工管理阶段, 仍停留在数据的存储和简单检索上, 存在数据显示不直观、信息采集及反馈不及时、数据分析及处理自动化程度较低、数据不能共享等缺点, 难以实现快速、准确地获取变形信息并对其进行分析、判断及信息化施工的目的[1-5].

地理信息系统(Geographic Information System, GIS)是在计算机软、硬件平台的支持下对空间数据进行输入、存储、检索查询、分析、建模、显示、输出的计算机系统[6], 具有数据采集、监测与编辑、数据处理、数据存储与组织、空间分析与查询、图形与交互显示等功能, 尤其在图形管理、定位查询和统计分析方面具有明显的优势, 可以较好地实现监测数据和图形位置的双向快速查询以及空间统计分析工作, 为用户提供可视化的决策支持[2]. 为了更好地对数据进行管理, 实现数据的共享及可视化, 提高工作效率及准确度, 确保施工安全, 建立基于GIS的隧道监测预警系统成为当务之急. 本文以广西六寨至河池高速公路的瑶寨隧道为研究对象, 建立基于MapGIS的隧道监测预警系统, 以实现信息化施工, 确保施工安全.

1 工程概况

瑶寨隧道位于广西南丹县八圩乡瑶寨村西南方向约1.5 km, 为分离式隧道. 上行线长2 674 m, 下行线长2 700 m, 轴线坡度-2.05%. 隧道设计标高分别为744.83～690.40 m和745.17～690.65 m, 且穿越峰丛山岭, 最大埋深约270 m.

隧道所处地质条件复杂, 岩溶较为发育, 围岩类别主要为Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级, 大部分较为破碎, 常夹有软弱充填物, 整体自稳性较差, 对施工安全造成一定的影响.

2 系统总体设计

2.1 开发目标和原则

基于GIS的隧道施工监测预报信息系统是以隧洞工程区地质数据和隧道施工监测数据为基础, 以隧道位移稳定性预报模型为核心, 以GIS技术为支撑, 实现隧道施工未定型分析而建立起来的软件系统. 系统的主要目标是:

a. 能够实现地图进行放大、缩小、漫游、图层控制、信息标注以及全景展示等;

b. 能够查询监测点的监测坐标、监测点类型、所属监测断面以及监测数据表和时态图;

c. 能够提供监测点预报计算, 并在地图上以不同的颜色进行发布. 系统开发过程需遵循易操作原则、实用性原则、安全可靠原则、可扩展性原则、可移植性原则.

2.2 系统的开发环境

系统选择MapGIS作为基础平台进行开发. MapGIS系统是中国地质大学(武汉)开发的一个工具型GIS, 它不仅是一个成熟的GIS基础软件, 而且是用户开发面向具体领域的GIS的有力工具. MapGIS提供完整的二次开发函数库, 二次开发接口一般称为API (即Application Program Interface, 应用程序界面), 是一组供应用程序调用的函数命令集, 借助于这组接口函数, 用户可在BORLAND C++, VISUAL C++, VISUAL BASIC等编程环境下, 建造面向特定领域的应用型GIS. 此外, MapGIS二次开发库还为基于MFC 的开发者提供了多个可重用基类, 将应用程序所需的常见基本功能进行了封装, 使得开发更加方便灵活.

表1 监测断面线属性数据库结构设计

3 系统数据库设计

数据库设计是本监测系统研发的关键点之一, 数据库设计质量直接影响到功能模块的性能和质量, 以及日后系统的移植与扩展. 按照数据库的设计原则, 对隧道施工安全监测对象进行分类, 研究数据类型和数据之间的联系. 系统数据分为: 监测管理数据和监测数据2部分. 监测管理数据是对监测断面、监测点的基本信息进行管理的数据. 隧道施工安全监测过程中监测数据为: 地表沉降数据、围岩收敛数据、拱顶下沉数据、爆破震动数据、锚杆轴力数据、围岩接触应力数据、混凝土应力数据、钢筋应力数据、钢拱架应力数据、围岩压力数据、混凝土应变数据.

根据上述监测数据, 利用MapGIS数据库管理系统提供的数据描述语言, 相应地创建监测数据库所含的各种数据表(主要是监测断面线、监测点的属性数据表), 并在各数据表中定义主键和插入外键, 使各数据表之间便于关联查询和索引. 监测断面线属性数据库如表1所示, 监测点属性数据库如表2所示.

表2 监测点属性数据库结构设计

4 系统功能设计

由于MapGIS软件提供了强大的输入和编辑功能, 故本系统主要侧重于数学模型在二次开发平台上的实现, 以及计算成果的编图方面. 二次开发系统提供的主要功能模块如图1所示.

图1 系统功能模块

5 系统预警预报模型

系统采用Excel表管理预警预报模型. 预警预报模型包括: 最大位移值模型、位移速率模型、位移时态曲线模型3种.

表3 规范规定的不同埋深下隧道周边允许相对位移 /%

1) 根据最大位移值进行预警(适用于拱顶沉降, 围岩收敛). 根据规范规定的隧道周边允许相对位移, 并结合该隧道的实际情况, 本系统采用的判断标准见表3. 相对收敛是指实测收敛(监测值)与2测点间距离之比, 或拱顶下沉实测值与隧道宽度之比.

a. 实测相对位移＜2/3允许相对位移, III级, 安全(绿色);

b. 2/3允许相对位移≤实测相对位移＜允许相对位移, II级, 过渡(黄色);

c. 实测相对位移≥允许相对位移, I级, 危险(红色).

2) 根据位移速率进行施工管理(适用于拱顶沉降, 围岩收敛).

a. 当位移速率大于l mm/d时, 表明围岩处于急剧变形阶段, 应密切关注围岩动态(I级, 危险);

b. 当位移速率在1～0.2 mm/d之间时, 表明围岩处于缓慢变形阶段(II级, 过渡);

c. 位移速率小于0.2 mm/d时, 表明围岩已达到基本稳定, 可以进行二次衬砌作业, III级, 安全.

3) 根据位移时态曲线进行施工管理(适用于拱顶沉降, 围岩收敛, 地面沉降).

a. 当位移速率逐渐变小, 即d2/d2＜0, 时态曲线趋于平缓, 表明围岩变形趋于稳定, 可以正常施工( III级, 安全);

b. 当位移速率不变, 即d2/d2= 0, 时态曲线直线上升, 表明围岩变形急剧增长, 无稳定趋势, 应及时加强支护, 必要时暂停掘进(II级, 过渡);

c. 当位移速率逐渐增大, d2/d2＞0, 时态曲线出现反弯点, 表明围岩已处于不稳定状态, 应停止掘进, 及时采取加固措施(I级, 危险).

6 系统的应用

施工监测预报系统所需的全部数据存放于一个专门的文件夹中. 运行系统, 首先进入系统界面, 装入隧道预测工程文件(*.mpj文件), 系统显示出全隧道除监测点变形数据以外的图形信息, 界面如图2所示. 通过GIS接界面输入方式或Excel导入方式获取监测数据, 进行监测时态曲线生成, 曲线包括地表沉降监测、围岩收敛监测、拱顶下沉监测、爆破震动监测、加速度监测曲线等, 图3为地表沉降时态曲线. 打开演示数据预警预报标准.xlsx文件, 进入Mirosoft Exc- el 2007, 进行预警预报标准的编制, 预警预报标准编制完成后, 可进行监测点的预警等级划分及查看结果. 打开监测断面线的监测点布置的隧道断面图工程文件, 通过监测标准剖面图模块, 可以获得某个监测断面的剖面图.

图3 地表沉降时态曲线的生成

7 结论

系统利用MapGIS技术和Excel数据库, 开发了监测人员便于应用、操作性强的隧道监控量测数据管理及分析软件, 集数据输入、管理、应用等功能于一体, 实现了计算的前台可视化界面与监测信息存储的后台数据库的结合, 解决了监测数据量庞大难于及时处理、分析的问题.

隧道监控量测数据分析处理系统数据存储量大, 软件可移植性好, 再开发能力强, 充分发挥了人机一体的优势, 计算速度快, 绘图能力强, 降低了量测数据处理的劳动强度, 提高了工作效率.

[1] 王浩, 葛修润, 邓建辉, 等. 隧道施工期监测信息管理系统的研制[J]. 岩石力学与工程学报, 2001, 20(增): 1684-1686.

[2] 谢伟, 孟岩. 基于GIS的地铁隧道安全监测信息系统设计[J]. 铁路计算机应用, 2006, 15(3): 15-17.

[3] 陈翔. 变形监测信息管理及施工安全预警系统的设计和应用[D]. 长沙: 中南大学, 2007.

[4] 林志, 李元海, 刘庆方. 公路隧道施工安全监测可视化信息系统分析与设计[A]. 2008年全国隧道监控量测与反分析专题研讨会论文集[C]. 重庆: 重庆大学出版社, 2008: 231-235.

[5] 李元海, 靖洪文, 王文龙. 隧道工程施工监测信息管理系统研究现状与发展趋势[J]. 中国科技论文在线, 2011, 6(11): 863-870.

[6] 边馥荃. 地理信息系统原理与方法[M]. 北京: 测绘出版社, 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

国家自然科学基金(50974024); 交通部西部科技项目(2009318000048); 广西交通科技项目(200995).

吴忠杰(1969-), 男, 硕士, 高级工程师, 主要研究方向为交通运输规划与管理.E-mail: WYHRABB@163.com.

刘新喜(1963-), 男, 博士, 教授, 主要研究方向: 岩土体稳定性及路基工程. E-mail: liuxinxi1963@126.com

(责任编校:江 河)