一种基于多元数据的隧道施工动态塌方安全综合预警方法

摘要

多元数据的隧道施工动态塌方安全综合预警方法，它通过收集数据构建隧道施工动态塌方工程数据库，并根据隧道施工动态塌方工程数据库的动态参数，采用多元数据进行施工风险识别并对多元数据中的单元数据分别进行分析，判断其风险等级；再根据多元数据的并列性、关联性进行融合，得到施工动态塌方安全综合预警评价信息，最后通过提示和展示方式将综合预警评价信息告知给施工人员和监测人员，为隧道塌方安全预警提供了完善的预警体系，并实时共享进程，方便工作人员进行施工和监测，可靠性和安全性高，经济实用性强。

权利要求

1.一种基于多元数据的隧道施工动态塌方安全综合预警方法，其特征在于，包括以下步骤：s1、收集数据，构建隧道施工动态塌方工程数据库；

通过施工人员结合勘测仪器进行总体设计、总体勘察，收集隧道施工前的基础信息；在施工过程中，进行区段、断面勘察和实时监测，收集隧道施工中的动态信息；

s2、风险识别；

根据隧道施工动态塌方工程数据库的动态参数，采用多元数据进行施工风险识别，所述多元数据包括地质风险预警、超前预报预警、前兆信息预警及监测信息预警；所述地质风险预警、超前预报预警、前兆信息预警的数据通过区段和断面信息进行管理；监测信息预警数据通过断面信息进行管理和发布；

s3、单元数据分析；

分别对地质风险预警、超前预报预警、前兆信息预警和监测信息预警的信息进行单元数据分析，并判断其风险等级，其中：地质风险预警：风险未处理或忽略取最大值，风险处理后应重新评估，取重新评估后的值一直存在并参与动态监测评估；

超前预报预警：当次评价取最大值，风险不处理将一直存在参与动态监测评估，区段贯通后需要对风险进行重新评估；

前兆信息预警：当次评价取最大值，前兆信息预警项可人为判断最大值，前兆信息预警结果仅保留很短时间段，所述时间段为1 7天或区间段贯通后消除；

~

监测信息预警：当次评价取最大值，下一条数据到来继续评价，当一天多条数据时，取多条数据评价结果最大值参与动态评价；

s4、多元数据融合，得到施工动态塌方安全综合预警评价信息；

根据多元数据的并列性、关联性进行融合，获得隧道施工前的总体风险等级，以及施工中塌方的综合可能性等级和综合概率规模等级，其中多元数据融合时，相同断面评价时用相同断面信息进行融合，区段包含断面评价时用断面寻找区段的包含关系进行融合，信息不全时以独立断面为主，最终以监测断面管理输出综合预警等级；

s5、结果发布，实时共享预警进程；

将施工动态塌方安全综合预警评价信息通过终端设备以提示和展示方式进行预警。

2.根据权利要求1所述的基于多元数据的隧道施工动态塌方安全综合预警方法，其特征在于：步骤s2中，所述地质风险预警包括施工前风险评估、施工前安全评价、施工中安全评价，其中施工前的风险评估包括总体风险和专项风险，其均根据打分法进行评估；施工前安全评价和施工中安全评价均根据层次分析法划定隧道塌方风险影响因子权重，再构建模糊评价矩阵进行评估；

所述超前预报预警为根据所述隧道施工动态塌方工程数据库内的超前地质预报结果，得出可能塌方灾害的规模等级和可能性等级；

所述前兆信息预警为根据监控量测过程中观察的隧道塌方前兆表征，人为的给出塌方等级和塌方结果；

所述监测信息预警包括监控量测预警和专项监测预警，其根据测量仪器监测隧道断面地质信息，输出预警阀值，判断并输出预警等级。

3.根据权利要求1所述的基于多元数据的隧道施工动态塌方安全综合预警方法，其特征在于：步骤s3中，所述单元数据分析包括单元内部监测点数据处理、数据回归分析、数据与阈值比较判断，其中回归分析预测时间点超前，则预测结果不纳入多元数据融合。

4.根据权利要求1所述的基于多元数据的隧道施工动态塌方安全综合预警方法，其特征在于：步骤s4中，多元数据融合时，总体风险评估结果不进行融合；

施工前，专项风险评估和施工安全评价结果取较大值作为综合预警结果；

施工中，专项风险评估和施工安全评价结果取较大值参与动态综合监测预警；在超前地质预报、前兆信息、监控量测、专项监测都存在时，前兆信息优先级为最高；当系统不采用前兆信息时，综合等级为多元数据等级比较取大值。

5.根据权利要求4所述的基于多元数据的隧道施工动态塌方安全综合预警方法，其特征在于：施工前评价出塌方风险小于Ⅲ级时，不做专项监测预警，由监控量测预警信息与其它多元数据信息融合进行监测预警。

6.根据权利要求1所述的基于多元数据的隧道施工动态塌方安全综合预警方法，其特征在于：所述单元数据分析和多元数据融合结论均以红、橙、黄、蓝标定，红色代表塌方可能性程度或塌方可能规模性程度等级最高Ⅳ级、橙色代表极高Ⅲ级、黄色代表中Ⅱ级，蓝色代表低Ⅰ级。

说明书

一种基于多元数据的隧道施工动态塌方安全综合预警方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种基于多元数据的隧道施工动态塌方安全综合预警方法，属于隧道施工安全监控技术领域。

背景技术

[0002] 随着隧道建设的飞速发展，隧道施工安全越来越受到关注。在新奥法呈现以前的很长一段时间里，很多隧道都是依仗着以往施工的案例而动工。因为隧道工程的特殊性，塌方灾害情况在未开挖前都是不可能预见的，这就致使了此类工程仅凭以前动工的经验策划或动工必定有着一些盲目性。自从新奥法出现之后，其可以实现及时监控，即在隧道掘进的同时，将所收集的围岩信息放入其一直不断变动的设计和动工的范畴，很大程度上提高了隧道施工安全性。但是，目前还未有一套完全能够考虑多元数据的动态塌方安全综合预警体系，已有体系单一且过于依赖监控量测，导致灾害专项监测预警和监控量测预警工作分界线模糊。实际工程中，通过监控量测发现灾害后，一般继续以监控量测来进行灾害预报警，并未从灾害体客观存在情况去对灾害进行监测预警。

发明内容

[0003] 本发明要解决的技术问题是提供一种基于多元数据的隧道施工动态塌方安全综合预警方法，可以克服现有技术的不足。

[0004] 为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：一种基于多元数据的隧道施工动态塌方安全综合预警方法，其包括以下步骤：

[0005] s1、收集数据，构建隧道施工动态塌方工程数据库；

[0006] 包括通过勘察、设计和施工文件收集隧道施工前的基础信息，以及收集隧道施工中的动态信息；

[0007] s2、风险识别；

[0008] 根据隧道施工动态塌方工程数据库的动态参数，采用多元数据进行施工风险识别，所述多元数据包括施工前的地质风险预警和施工中的地质风险预警、超前预报预警、前兆信息预警及监测信息预警；

[0009] s3、单元数据分析；

[0010] 分别对地质风险预警、超前预报预警、前兆信息预警和监测信息预警的信息进行单元数据分析，并判断其风险等级；

[0011] s4、多元数据融合，得到施工动态塌方安全综合预警评价信息；

[0012] 根据多元数据的并列性、关联性进行融合，获得隧道施工前的总体风险等级，以及施工中塌方的综合可能性等级和综合概率规模等级；

[0013] s5、结果发布，实时共享预警进程；

[0014] 将施工动态塌方安全综合预警评价信息通过终端设备以提示和展示方式进行预警。

[0015] 前述步骤s1中，通过施工人员结合勘测仪器进行总体设计、总体勘察，收集隧道施工前的基础信息；在施工过程中，进行区段、断面勘察和实时监测，收集隧道施工中的动态信息。

[0016] 前述步骤s2中，所述地质风险预警、超前预报预警、前兆信息预警的数据通过区段和断面信息进行管理；监测信息预警数据通过断面信息进行管理和发布。

[0017] 前述地质风险预警包括施工前风险评估、施工前安全评价、施工中安全评价，其中施工前的风险评估包括总体风险和专项风险，其均根据打分法进行评估；施工前安全评价和施工中安全评价均根据层次分析法划定隧道塌方风险影响因子权重，再构建模糊评价矩阵进行评估；

[0018] 所述超前预报预警为根据所述隧道施工动态塌方工程数据库内的超前地质预报结果，得出可能塌方灾害的规模等级和可能性等级；

[0019] 所述前兆信息预警为根据监控量测过程中观察的隧道塌方前兆表征，人为的给出塌方等级和塌方结果；

[0020] 所述监测信息预警包括监控量测预警和专项监测预警，其根据测量仪器监测隧道断面地质信息，输出预警阀值，判断并输出预警等级。

[0021] 前述步骤s3中，所述单元数据分析包括单元内部监测点数据处理、数据回归分析、数据与阈值比较判断，其中回归分析预测时间点超前，则预测结果不纳入多元数据融合。

[0022] 前述单元数据分析中，

[0023] 地质风险预警：风险未处理或忽略取最大值，风险处理后应重新评估，取重新评估后的值一直存在并参与动态监测评估；

[0024] 超前预报预警：当次评价取最大值，风险不处理将一直存在参与动态监测评估，区段贯通后需要对风险进行重新评估；

[0025] 前兆信息预警：当次评价取最大值，前兆信息预警项可人为判断最大值，前兆信息预警结果仅保留很短时间段，所述时间段为1～7天或区间段贯通后消除；

[0026] 监控量测预警、专项监测预警：当次评价取最大值，下一条数据到来继续评价，当一天多条数据时，取多条数据评价结果最大值参与动态评价。

[0027] 前述步骤s4中，多元数据融合时，相同断面评价时用相同断面信息进行融合，区段包含断面评价时用断面寻找区段的包含关系进行融合，信息不全时以独立断面为主，最终以监测断面管理输出综合预警等级。

[0028] 前述多元数据融合时，总体风险评估结果不进行融合；

[0029] 施工前，专项风险评估和施工安全评价结果取较大值作为综合预警结果；

[0030] 施工中，专项风险评估和施工安全评价结果取较大值参与动态综合监测预警；在超前地质预报、前兆信息、监控量测、专项监测都存在时，前兆信息优先级为最高；当系统不采用前兆信息时，综合等级为多元数据等级比较取大值。

[0031] 施工前评价出塌方风险小于Ⅲ级时，不做专项监测预警，由监控量测预警信息与其它多元数据信息融合进行监测预警。

[0032] 前述单元数据分析和多元数据融合结论均以红、橙、黄、蓝标定，红色代表塌方可能性程度或塌方可能规模性程度等级最高Ⅳ级、橙色代表极高Ⅲ级、黄色代表中Ⅱ级，蓝色代表低Ⅰ级。

[0033] 与现有技术比较，本发明公开了一种基于多元数据的隧道施工动态塌方安全综合预警方法，其通过收集数据构建隧道施工动态塌方工程数据库，并根据隧道施工动态塌方工程数据库的动态参数，采用多元数据进行施工风险识别并对多元数据中的单元数据分别进行分析，判断其风险等级；再根据多元数据的并列性、关联性进行融合，得到施工动态塌方安全综合预警评价信息，最后通过提示和展示方式将综合预警评价信息告知给施工人员和监测人员，为隧道塌方安全预警提供了完善的预警体系。

[0034] 本发明使得隧道施工监测预警数字化，其对隧道施工前的总体风险、专项风险预警信息和施工中的各种预警信息及监测信息进行融合，得到完善的施工动态塌方安全综合预警评价信息，并实时共享进程，方便工作人员进行施工和监测，施工效率高、可靠性和安全性高。

[0035] 另外，采用多元数据进行施工风险识别，克服了现有隧道施工中仅使用监控量测带来的不足，其根据多元数据进行分析，可以选择隧道施工中采用监控量测预警或专项监测预警或同时进行两种监测预警，可以合理分配监测资源，节省大量人力和物力，便捷性和灵活性高，经济实用性强。

附图说明

[0036] 图1是本发明的总流程图。

[0037] 图2是本发明多元数据分析的流程图。

[0038] 图3是本发明多元数据融合的流程图。

[0039] 图4是本发明所述地质风险预警分析的流程图。

[0040] 图5是本发明所述监测信息预警分析的流程图。

具体实施方式

[0041] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述：

[0042] 如图1～图5所示，一种基于多元数据的隧道施工动态塌方安全综合预警方法，它包括以下步骤：

[0043] s1、收集数据，构建隧道施工动态塌方工程数据库；

[0044] 包括通过勘察、设计和施工文件收集隧道施工前的基础信息，以及收集隧道施工中的动态信息；

[0045] s2、风险识别，所述风险识别包括施工前评估和施工中评价；

[0046] 根据隧道施工动态塌方工程数据库的动态参数，采用多元数据进行施工风险识别，所述多元数据包括施工前的地质风险预警；施工中评价包括地质风险预警、超前预报预警、前兆信息预警和监测信息预警；

[0047] s3、单元数据分析；

[0048] 分别对地质风险预警、超前预报预警、前兆信息预警和监测信息预警的信息进行单元数据分析，判断其风险等级；

[0049] s4、多元数据融合，得到施工动态塌方安全综合预警评价信息；

[0050] 根据多元数据的并列性、关联性进行融合，获得隧道施工前的总体风险等级，以及施工中塌方的综合可能性等级和综合概率规模等级；

[0051] s5、结果发布，实时共享预警进程；

[0052] 将施工动态塌方安全综合预警评价信息通过终端设备展示给施工人员、管理人员和监测人员。

[0053] 步骤s1中，通过施工人员结合勘测仪器进行总体设计、总体勘察，收集隧道施工前的基础信息；在施工过程中，进行区段、断面勘察和实时监测，收集隧道施工中的动态信息。

[0054] 步骤s2中，结合隧道施工前的基础信息，进行施工前风险识别；结合隧道施工中的动态信息，进行施工中风险识别。

[0055] 所述风险识别中，地质风险预警、超前预报预警、前兆信息预警的数据通过区段和断面信息进行管理，监测信息预警结果通过断面信息进行管理和发布。

[0056] 所述地质风险预警包括施工前风险评估、施工前安全评价、施工中安全评价。所述地质风险预警的数据来源于勘察、设计、施工文件，其中勘察为详勘文件、设计为施工图设计文件、施工为施工组织设计文件。

[0057] 所述地质风险预警施工前的风险评估包括总体风险和专项风险，二者均根据打分法进行评估；施工前风险评估获得隧道施工的总体风险等级(Ⅰ～Ⅳ)和塌方专项风险等级(Ⅰ～Ⅳ)。

[0058] 所示总体风险的评估数据指标具体如下表所示：

[0059]

[0060] 所述总体风险大小计算公式为：

[0061] R＝G(A+L+S+C)，

[0062] 其中，G指隧道、竖井、斜井路线周围的地质所赋分值；A指标准的开挖断面所赋分值；L指隧道人口到出口的长度所赋分值(计算隧道长度时将隧道竖井、斜井长度计算在内)；S指成为通道的隧道出人口的形式所赋分值；C指隧道洞口地形条件所赋分值。

[0063] 所述施工前的总体风险评估根据《公路桥梁和隧道工程施工安全风险评估指南(试行)》中的打分标准进行评估，并根据评估结果的范围隶属的区间概率值划分评价等级(Ⅰ～Ⅳ)，最后根据评价等级表得出评估结果，评估结果均以红、橙、黄、蓝标定，总体风险等级为：红色代表极高风险(Ⅳ)、橙色代表高度风险(Ⅲ)、黄色代表中度风险(Ⅱ)，蓝色代表低度风险(Ⅰ)，如下表所示：

[0064]

[0065] 所述专项风险的评估数据包括坍塌事故可能性评估指标和安全管理评估指标；所述坍塌事故可能性评估指标具体如下表所示：

[0066] 坍塌事故可能性评估指标

[0067]

[0068] 所述安全管理评估指标具体如下表所示：

[0069]

[0070] 所述专项风险的计算公式为：

[0071] P＝γ·(C×A+B+D+E+F)，

[0072] 其中，γ为折减系数，将评估指标分值通过公式M＝a+b+c+d+e+f+g+h进行计算，并根据折减系数对照表，即可得出γ值。

[0073] 折减系数对照表

[0074] 计算分值M 折减系数γM＞12 1.2
9≤M≤12 1.1
6≤M≤8 1
3≤M≤5 0.9
0≤M≤2 0.8

[0075] 评估方法：采用所述专项风险的计算分值P来评估塌方事故的可能性等级、严重性等级和专项风险等级，划分评价等级均根据严重程度从高到低为IV～I级，并以红、橙、黄、蓝标定，如下表所示：

[0076]

[0077]

[0078]

[0079] 所述地质风险预警施工前和施工中的安全评价的安全评价均根据层次分析法划定隧道塌方风险影响因子权重，再构建模糊评价矩阵进行评估；施工前和施工中的安全评价采用划分断层破碎带塌方和非断层破碎带塌方进行评价；施工前和施工中安全评价获得隧道施工可能发生塌方的可能性风险等级(Ⅰ～Ⅳ)和概率规模等级(Ⅰ～Ⅳ)。

[0080] 评价步骤如下：(其为现有技术，在此不详细赘述。)

[0081] 第一步、确定指标体系，如下表所示：

[0082] 断层破碎带塌方--总体评价指标及等级划分

[0083]

[0084] 非断层破碎带塌方--总体评价指标及等级划分

[0085]

[0086] 第二步、根据步骤一中的指标体系确定一、二级指标体系的权重，参考如下：

[0087] 断层破碎带塌方--总体评价指标权重

[0088]

[0089] 非断层破碎带塌方--总体评价指标权重

[0090]

[0091] 第三步、确定指标的隶属度及隶属度矩阵，

[0092] 根据步骤二中的评价指标，参考评价指标与评价等级关系表，结合隶属度函数，得出评价因素指标：

[0093] 评价指标与评价等级关系

[0094]

[0095] 最后根据塌方总体评价隶属函数计算公式，分别计算出评价因素μ1，μ2，μ3，μ4的分值。

[0096] 所述塌方总体评价隶属函数计算公式如下所示：

[0097]

[0098]

[0099]

[0100]

[0101] ①当ak，1＜ak，3时：

[0102] ②当ak，1＞ak，3时：

[0103] 第四步、计算模糊向量

[0104] 根据上述隶属度函数分别给评价因素μ1，μ2，μ3，μ4赋以分值1，2，3，4，得到模糊向量F：

[0105]

[0106] 第五步、定级

[0107] 通过计算出的模糊向量F与下表相比，得到塌方的可能性等级(规模等级评定的步骤与此相同)。

[0108] 根据评价值F得到隧道灾害的概率等级

[0109]

[0110] 划分所述地质风险预警施工前和施工中的安全评价的塌方可能性等级和塌方规模性等级，并以红、橙、黄、蓝标定：

[0111] 隧道塌方安全预警等级标准

[0112]

[0113] 所述超前预报预警的评估信息指标为超前地质预报结果，其结合相关规范规程和相关资料，采用工程类比法、经验判断法、定量分析法等给出可能塌方灾害的规模等级和可能性等级，如下表所示：

[0114] 评价等级

[0115]

[0116] 所述前兆信息预警的评估信息指标如下表：

[0117] 塌方前兆

[0118] 1.拱顶沉降或洞周收敛监测数值超限或变形曲线出现了加速突变现象。

[0119] 2.喷射混凝突表面出现横向、纵向或者不均匀的裂缝。

[0120] 3.围岩的层理、节理缝、裂隙等变大或张开。

[0121] 4.裂缝旁有岩数喷出或洞内无故尘土飞扬。

[0122] 5.拱顶或拱肩出现掉块、掉渣，仰拱出现开裂等。

[0123] 6.支护结构发生扭曲变形或侵限，锁脚错杆切断。

[0124] 7.隧洞渗水、滴水突然加剧或变浑。

[0125] 注：若通过其它现象判断塌方等级，可以在评价依据中注明。

[0126] 评价建议：根据采集的前兆信息、结合相关规范规程，以及相关资料，采用工程类比法、经验判断法、定量分析法等评价塌方灾害的可能性等级和规模等级。

[0127] 根据隧道监控量测过程中观察的隧道塌方前兆表征，结合相关规范规程及相关资料，采用工程类比法、经验判断法、定量分析法等，人为的给出塌方等级和塌方结果。

[0128] 前兆信息为监测专业人员或相关专业技术人员通过经验以及事先厘定隧道塌方的前兆信息准则进行判断。前兆信息的最终等级判定等同于专业人员对整套评价方法的认同情况判定，其用于弥补评价体系的过失或不足。

[0129] 所示监测信息预警包括监控量测预警和专项监测预警。

[0130] 所述监测信息预警的监测指标为隧道断面地质信息，结合相关规范规程及相关资料，采用工程类比法、经验判断法、定量分析法等，获得预警结果。

[0131] 所述专项监测预警为采用收敛计、水平仪、全站仪、测量机器人、土压力盒、钢筋计、应变计、三角堰、矩形堰等测量仪器监测隧道断面应力、变形等信息，根据输入的预警阀值判断并输出预警等级，获得预警结果如下表所示：

[0132]

[0133] 监控量测和专项监测预警评价均以其测量值达到阈值的百分数进行评价，所述百分数预警为：实测值达到阈值80％以上为红色预警(Ⅳ)、实测值达到阈值60％以上为橙色预警(Ⅲ)、实测值达到阈值40％以上为黄色预警(Ⅱ)，实测值达到阈值0～40％内为蓝色预警(Ⅰ)。其中预警方式有累计阈值预警、速率阈值预警、变化值阈值预警，当实测值超过累计阈值时只能选择速率或变化值预警。

[0134] 步骤s3中，所述单元数据分析包括单元内部监测点数据处理、数据回归分析、数据与阈值比较判断，其中回归分析预测时间点超前，则预测结果不纳入多元数据融合。

[0135] 所述单元数据分析中，

[0136] 地质风险预警：风险未处理或忽略取最大值，风险处理后应重新评估，取重新评估后的值一直存在并参与动态监测评估；

[0137] 超前预报预警：当次评价取最大值，风险不处理将一直存在参与动态监测评估，区段贯通后需要对风险进行重新评估；

[0138] 前兆信息预警：当次评价取最大值，前兆信息预警项可人为判断最大值，前兆信息预警结果仅保留很短时间段，所述时间段为1～7天或区间段贯通后消除；

[0139] 监控量测预警、专项监测预警：当次评价取最大值，下一条数据到来继续评价，当一天多条数据时，取多条数据评价结果最大值参与动态评价。

[0140] 步骤s4中，多元数据融合时，多元数据使用统一的断面和区段进行管理，监测信息均为断面管理，相同断面评价时用相同断面信息进行融合，区段包含断面评价时用断面寻找区段的包含关系进行融合，信息不全时以独立断面为主，最终以监测断面管理输出综合预警等级。

[0141] 所述多元数据融合时，根据单元数据分析预警的结果，再参考下表进行多元数据融合，最终获得多元数据下隧道施工动态塌方安全综合预警的可能性等级和规模性等级”，如下表所示：

[0142]

[0143] 多元数据融合时，总体风险评估结果不进行融合；施工前，专项风险评估和施工安全评价结果取较大值作为综合预警结果；施工中，忽略施工前安全评估，专项风险评估和施工安全评价结果取较大值参与动态综合监测预警。

[0144] 在超前地质预报、前兆信息、监控量测、专项监测都存在时，前兆信息优先级为最高，当系统不采用前兆信息时，综合等级为多元数据等级比较取大值。

[0145] 当施工前评价出塌方风险小于Ⅲ级时，可不做专项监测预警，体系由监控量测信息融合其它信息进行监测预警。所述监控量测执行标准为《公路隧道施工技术规范》(JTG F60-2009)、《铁路隧道监控量测技术规程》(Q/CR9218-2015)中的监控量测控制标准，以及《公路隧道设计规范》(JTG_D70-2004)中的预留变形量标准，周边位移和拱顶下沉均以设计预留变形量或规范中预留变形量选取。

[0146] 单元数据分析和多元数据分析结论均以红、橙、黄、蓝标定，红色代表塌方可能性程度或塌方可能规模性程度等级最高(Ⅳ)、橙色代表极高(Ⅲ)、黄色代表中(Ⅱ)，蓝色代表低(Ⅰ)。

[0147] 步骤s5中，结果发布由提示和展示两个部分，其中终端设备为电脑、手机、及其他展示设备，提示方式为短信、邮箱和公众号；展示方式为分为室内和现场情报展示。