基于GIS的隧道施工超前探测辅助决策系统.pdf

基 于 GI S的隧道施 工超前探测辅助决策系统 孟 良 合肥工业大学 土木与水利工程学院， 安徽 合肥2 3 0 0 0 9 摘要 隧道掘进超前探测辅助决策系统是地理信息系统在工程勘探中的应用实例。该文在介绍隧道掘进特点、 主要超前探测技 术与系统功能的同时， 也对充分发挥地理信息系统在空间探测辅助决策上的技术优势， 拓宽其应用范围， 提高隧道掘进中超前探 测结果决策的应用层次等作了相应的阐述和说明。 关键词 GI S超前探测 ； 决策分析模型 ； 辅助决策评价 系统 中图分类 号 U4 5 5 ． 7 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 3 5 7 8 1 2 0 1 4 0 5 0 6 2 3 0 2 1 概 述 传统的G I s 地理信息系统 是一种建立在被探 测物体的空间位置属性上的数据库管理与应用系统。 近年来的 G I S开发和应用过程中， 随着其功能不断 增加与改进， 其用途的不断发展， 原有的 G I S的基本 概念正在发生着深刻的变化[ 1 ] 。目前 国内外 已开发 出数 以万计 的具有 不同功能特点 的 GI S平 台系统 ， 以及 数量众多的专用 GI S应用 系统。并且 ， 其 采集 的基础数据已经不仅仅限于被探测物体的空间位置 属性了， 而是向着多元化、 综合性的方向发展。本文 探讨 的就是基 于被探测物体 的地学 属性 ， 应用 GI S 技术而建立起来 的综合辅助决策评价系统 。 传统的隧道掘进超前探测是在跟踪地质编录的 基础上 ， 采用钻孔探测 ， 边施工掘进边钻探 ， 无法满足 安全高效隧道掘进施工的要求 [ 2 ] 。 2 隧道超前探测技术 目前 ， 隧道超前探测技术主要有钻探 、 物探 、 化探 等方法， 随着物探技术的不断发展， 越来越多的隧道 工程掘进超前探测都采用物探的方法， 主要的物探技 术有 ， 电磁法超前探测技 术、 TS T超前探测技术 、 地 质雷达超前探测技术等 。 2 ． 1 电磁法超前探测技术 瞬变电磁法 TE M 是 以不接地 回线或接地长导 线供以双极性脉冲电流产生激发电磁场， 在该电磁场 的激励下 ， 导 电地质体受感应而产生涡旋电流[ 3 ] 。由 收稿 日期 2 0 1 4 0 8 - 1 5 ； 修改 日期 2 0 1 4 0 8 2 2 作者简介 孟良 1 9 8 6 一 ， 男， 安徽毫州人， 合肥工业大学硕士生 于导电地质体是非线性的， 所以脉冲电流从峰值跃变 到零 ， 一次磁场立即消失 ， 而涡流并不立即消失 ， 有一 个瞬变过程， 这个过程的快慢与导体的电性参数有 关 。地质体 的导电性愈好 ， 涡流的热耗损愈小 ， 瞬变 过程则愈长 。这种涡流瞬变过程 ， 在空间形成相应的 瞬变磁场， 脉冲电流关断期间在地面观测瞬变磁场， 即观N--次磁场 ， 就可发现地下异 常地质体的存在 ， 从而确定地下导体的电性结构和空间分布形态 。 瞬变电磁法具有 以下特点 ① 由于 TE M 法接 收的是纯二次场 ， 因而不受一次场的影响。② 可以 采用高密度时序采样， 纵向分辨率较高[ ] 。③ 穿透 低阻覆盖能力强 ， 勘探深度大 。④ 发射用不 接地 回 线 ， 不受地表接地条件 限制 。⑤ 一般矿山主要干扰 是 电场 ， 相对 T E M 干扰较小。 2 ． 2 T S T超前探测技术 T S T Tu n n e l S e i s mi c T o mo g r a p h y 隧道超前 预报技术是在反射地震 C T成像技术的基础上结合 隧道的观测条件研发成功 的， 特别是借鉴 了 T S P技 术应用 中出现 的问题[ 5 ] 。TS T 与 TS P相 比在关键 技术上有重大改进。T S T超前预报技术采用地震偏 移成像方法， 运用地震波 的运 动学和动力学双重信 息 ， 通过 2 D或 3 D空间观测系统， 可靠地确定掌子面 前方的围岩波速和地质结构 ； 软件在处理反射波走时 和幅值双重信息的基础上， 通过波速扫描、 构造方向 位扫描、 偏移成像、 走时反演成像等功能， 同时确定围 岩波速结构 、 地质结构与构造成像[ 6 ] 。使岩体工程类 别划分有了可靠依据， 提高了地质界面的地位精度 ， 工程与建设 2 0 1 4 年第 2 8 卷第 5 期 6 2 3 提高了预报的可靠性和准确性 。特别适合复杂构造 地区的超前预报应用。 2 ． 3 地质雷达探测技术 地质雷达是以超高频电磁波作为探测场源， 由一 个发射天线向地下发射一定 中心频率 的无载波电磁 脉冲波， 另一天线接收由地下不同介质界面产生的反 射回波， 电磁波在介质中传播时， 其传播时间、 电磁场 强度与波形将 随所通过介质 的电性质 如介 电常数 E T 及测试 目标体的几何形态 的差异而产生变化 ， 根 据接收的回波旅行时间、 幅度和波形等信息， 可探测 地下目的体的结构和位置信息[ 7] 。 3 隧道施工超前探测辅助决策系统 3 ． 1 GI S的发展 1 模型库。建立 G I S的基础模型库和应用模 型库是 GI S中的 预测、 预 报、 推 断等 功能 的基 础。 G I S 的应用模型大多为数学模型， 一般具有空间性、 动态性、 多元性、 复杂性， 这些模型主要包括增长模 型 、 预测模型等[ 8 ] 。基础模型库主要建立需要多次使 用的部分模型； 专用模型库主要建立用户自己开发的 专业模型。为了更加有效地建立、 生成、 使用和管理 模型， 使用“ 模型库” 技术， 逐步向模型的自动和半 自 动生成方 向发展。 2 评价标准库。将所进行的工作的相关规范、 标准、 条件和目标， 用数量关系加以表达， 作为各种评 价中比较运算的基础。 3 模型分析 。与计算分析不同的是， “ 模 型分 析” 是借助于一定的包含一定客观规律的“ 模型” 基础 上的知识发现过程 ， 是针对一定条件下的必然原因或 结果的推断。 影响分析 如高速公路 的交通噪声与尾气污染的 分析预测， 土石方数量预测； 水利设施修建对经济发 展影响预测等 。某种建设规划或行动方案拟定后， 根 据一定的物理或社会模型， 对 实施后果的预测 、 分析 和评价。 预测预报 增长和变化的预测 ， 一种影 响因素不 明确的影响分析。 推测 含有推断 对历史 或设计 对未来 条件的 分析， 均可称为“ 虚拟分析” 。 4 方案生成。对现状或未来的评价， 当不能满 足 目 标或标准时， 需要提出具体的措施或方案， 这一 过程属于传统的“ 决策” 或“ 设计” 的过程。辅助决策 6 2 4 工程与建设 2 0 1 4 年第 2 8 卷第 5 期 是指根据一定的目标条件和约束条件。在一定的空 间区域中， 自动生成方案， 如公路铁路选线、 城市交通 的路径选择 、 土地利用方案 的生成、 满足一定要求 的 建筑方案的空间辅助设计等[ 9 ] 。 上述生成的方案又重新形成一种虚拟条件 ， 在此 条件下又可以进行分析、 预测与评价， 如此往复可以 形成最终方案。这一过程是 G I S与决策分析系统相 融合的具体体现[ 1 。 。 。图 1 说明了 GI S下的行动方案 的生成原理 。 图 1 G I S的决策分析功能原理 3 ． 2 基于 GI S的隧道掘进超前探测辅助决策系统 隧道掘进超前探测辅助决策系统就是根据隧道 掘进中地质编录、 地质钻探 、 地质探测综合记 录数据 库 的构建和应用而建立的一种空 间探测辅助决策系 统， 其采用 G I S决策分析功能原理， 与探测成果数据 库、 专家评测辅助决策数据库有机融合而成 ， 对 隧道 掘进超前探测具有辅助和指导意义。 [ 参考文献] [ 1 ] 胡鹏， 黄杏元， 华一新， 等． 地理信息系统教程[ M] ． 武汉 武汉 大学 出版社 ， 2 0 0 2 ． [ 2 ] 王锦山， 王力， 张延新， 等． 隧道施工超前地质预报理论基础与 方法[ M] ． 北京 中国地质大学 出版社 ， 2 0 1 2 ． [ 3 ] 王华胜， 王清亚． 瞬变电磁超前探测技术的研究与应用[ J ] ． 煤炭 与化工 ， 2 0 1 3 6 2 1 2 3 ， 2 6 ． [ 4 ] 杨振威， 严加永， 刘彦， 等． 高密度电阻率法研究进展[ J ] ． 地质 与勘探 ， 2 0 1 2 5 9 6 9 9 7 8 ． [ 5 ] 罗宗帆． 隧道地质超前预报在沪昆高铁岩溶地区的应用分析 口] ． 公路隧道， 2 0 1 3 1 2 4 2 7 ， 2 O ． [ 6 ] 马宗晋 ， 莫宣学． 地球韵 律 的时 空表 现及动 力 问题 [ J ] ． 地学前 缘 ， 1 9 9 7 2 2 1 5 --2 2 5 ． [ 7 ] 郑维忠． 地质雷达原理及其在隧道超前预报中的应用 口] ． 山西 建筑 ， 2 0 0 7 2 4 3 0 8 --3 0 9 ． [ 8 ] 郑佳荣， 李青元， 王强， 等． 面向三维地矿 G I S 辅助决策系统的 几点思考[ J ] ． 北京工业职业技术学 院学报 ， 2 0 1 2 2 1 4 1 7 ． [ 9 ] 史军． 帽儿山地区森林资源信息管理及共享的 G I S 研究[ J ] ． 东北林业大学学报 ， 2 0 0 3 5 3 5 3 8 ． [ 1 O ] 郑茂辉， 罗奇峰， 翟永梅． 基于G I S的城市抗震防灾规划信息管 理系统口] ． 灾害学， 2 0 1 0 1 3 4 3 --3 4 5 ．