基于互聯網技術的公路隧道圍巖常規位移監測分析平臺

姜錫宸，孟陸波，李天斌，劉家民

(1.成都理工大學地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室，四川成都 610059;2.四川藏區高速公路有限責任公司，四川成都 610041)

0 引言

隨著網絡信息技術的高速發展，信息化建設在各行業的作用越來越重要，公路隧道施工管理的信息化是未來發展趨勢。信息化是以信息資源開發利用為核心，充分開發利用網絡技術、通信技術，促進信息交流和知識共享，并可借助計算機進行智能化處理，形成便于管理者使用的信息資源［1］。針對公路隧道監控量測信息化建設，將隧道監控量測、計算機編程技術與互聯網結合成為目前的發展方向，從而能遠程掌握公路隧道監測數據及平臺分析結果。

目前，仍然有少許技術人員使用Excel進行數據處理，這樣不僅工作效率低，而且不利于不同技術人員之間的交流［2］;另外，部分技術人員采用了Origin等繪圖軟件［3］及數值模擬［4］來處理數據，這樣雖然能提高處理數據的效率，但由于沒有建立監測數據的數據庫，數據處理后沒有查看原始監測數據的功能。有些系統即使建立了數據庫，由于數據是獨立保存于各使用者的電腦中，也不利于不同用戶間的數據共享［5－6］。以上這些情況都使得公路隧道的各參建方難以及時準確地掌握最新的隧道監測數據及分析結果。近年來，也有少數技術人員以 SQL作為數據管理工具，以ASP.NET作為網頁編程工具，實現監測數據的動態操作與顯示，最終反饋到設計與施工［7］。

為了滿足公路隧道監控量測信息化建設要求，本文主要介紹采用PHP編程語言、Mysql數據庫在網絡上實現對公路隧道監控量測必測項目(周邊位移和拱頂下沉)的動態分析平臺。登陸平臺的用戶可以查看監測資料，也可以將每天現場監測的數據當天錄入平臺，進而平臺可對錄入的數據自動更新并分析，生成周邊位移和拱頂下沉的位移時間與速率時間的實際曲線圖及回歸曲線圖，并實現判別圍巖的穩定性、預估隧道最終位移變形量與二次襯砌時間等功能。

由于監測數據與分析結果保存于網絡服務器上，業主、設計、監理、專家等人員可隨時登錄該平臺，查看隧道圍巖穩定的最新監測數據及平臺分析結果，為支護結構的調整和變更提供更加有效率的依據。

1 基于PHP+Mysql監測數據分析平臺設計

1.1 平臺的運行原理

當用戶在瀏覽器中輸入該平臺的網址后，瀏覽器就會對該網頁所在的網站服務器送出一個查看網頁的要求，網站服務器收到后將此要求轉送到網頁所屬的網站應用程序，瀏覽器跳轉至平臺登陸界面，輸入用戶名及密碼即可登陸該平臺。登陸平臺后由公路隧道測量人員錄入公路隧道常規位移監測數據，接著通過PHP使頁面和用戶進行數據交互，最終將數據保存在Mysql數據庫中，滿足計算要求后，PHP從Mysql數據庫中讀取數據至內存，調用由PHP編寫的算法進行計算，接著PHP將計算結果保存至Mysql數據庫中，然后通過PHP使用戶與Mysql數據庫實現交互過程。最后再將執行結果反饋到用戶錄入資料表格下方，各用戶都可查看分析結果。PHP網站應用程序運行原理見圖1［8］。

圖1 PHP網站應用程序運行原理Fig.1 Operation principle of application program of PHP website

1.2 總體設計

本平臺主要根據現場量測公路隧道圍巖變形數據的實際工作情況而設計，同時也針對參建公路隧道各單位實際工作的不同設計了不同功能的用戶及流程(見圖2)。

圖2 平臺用戶功能及流程示意圖Fig.2 Functions and working procedure of the platform

平臺設立了監測單位方、監理方、專家組、業主代表、設計代表5個功能不同的用戶。

1)監測單位方。由測量技術人員首次錄入的監測斷面信息及位移變化數據需通過監理審核后，監測單位技術人員才可每天向該斷面追加位移變化數據。

2)監理方。為保證監測單位錄入資料的正確性，所有資料需監理進行審核，審核通過的數據，平臺將直接存入Mysql。當審核通過的位移變化數據到達7組后，平臺將自動進行分析并把分析結果反饋在錄入數據表格下方，供各單位查看。如果數據審核不通過，將由監測單位重新填寫。

3)專家。根據監測資料及系統分析的結果進行綜合分析并針對圍巖是否穩定、圍巖的最終變形量、二次襯砌時間提出意見。

4)業主代表。綜合各方意見，考慮安全和成本等因素后最終確定支護參數及二次襯砌時間。

5)設計代表。根據業主代表最終確定的意見進行變更設計。

1.3 數據庫的設計

平臺設計的公路隧道常規位移監測資料錄入表主要包括監測斷面的信息及測量的位移變化數據。平臺采用Mysql數據庫存儲公路隧道監測資料。公路隧道常規位移監測資料數據見表1。

表1 公路隧道常規位移監測資料數據表Table 1 Data of conventional displacement monitoring of highway tunnel

2 監測數據分析的實現

平臺主要選擇了公路隧道監控量測必測項目的周邊位移與拱頂下沉進行分析，選擇現場取得的監測數據，繪制出位移時間、速率時間變化關系曲線圖;但由于現場取得的原始監測數據受偶然誤差因素的影響，往往具有一定的離散性，使得測試數據隨時間變化的散點圖有較大的波動性。在此，需要對量測數據進行回歸分析，參考文獻［9］，該平臺選擇以下3種函數進行回歸分析(見表2)。

表2函數式中t為時間，u為位移量，a，b為參數，按線性回歸方法求得a，b，再將求出的a，b分別代入其數學表達式，根據回歸函數繪制位移－時間曲線圖、速率－時間曲線圖，進而判別圍巖的穩定性、預估隧道最終位移變形量與二次襯砌時間等。

表2 常見回歸函數列表Table 2 Regression function parameters

2.1判別圍巖穩定性的實現

判斷圍巖的穩定性主要根據《公路隧道施工技術細則》［10］。隧道實測位移值U與極限位移值U0的關系見表3，位移速率判斷標準見表4，位移速率變化趨勢判斷標準見表5。

2.2 預估二次襯砌時間的實現

一般情況下，隧道圍巖基本穩定后就可以進行二次襯砌，據此，該平臺將隧道圍巖基本穩定的時間設定為預估二次襯砌的時間。

表3 位移管理等級Table 3 Displacement management grade

表4 位移速率判斷標準Table 4 Criterion of displacement rate

表5 位移速率變化趨勢判斷標準Table 5 Criterion of displacement rate variation trend

首先需根據表2分別計算拱頂下沉位移時間回歸函數、周邊收斂位移時間回歸函數;再分別計算其對應的3種函數的相關系數，選擇相關系數最接近1的函數分別作為回歸函數;最后分別根據位移時間函數求導得出速率時間函數。

引入臨界變形速度vh［9］作為圍巖基本穩定的判據，將拱頂下沉臨界速率、周邊收斂臨界速率分別代入表6的拱頂下沉速率時間函數、周邊收斂速率時間函數，求出拱頂下沉穩定時間與周邊位移穩定時間，兩者選擇較大值作為二次襯砌的時間t。

2.3 預估圍巖穩定變形量的實現

預估圍巖最終穩定變形量時，平臺首先會根據表2分別計算拱頂下沉位移時間回歸函數、周邊收斂位移時間回歸函數;再分別計算其對應的3種函數的相關系數，選擇相關系數最接近1的函數分別作為回歸函數。其次將表6計算出的拱頂穩定時間t拱頂、周邊穩定時間t周邊，分別代入相關系數最接近1的拱頂下沉位移時間函數與周邊收斂位移時間函數，分別求出變形量u拱頂，u周邊，最后選擇較大值作為隧道圍巖最終變形量u最(見表7)。

3 工程應用

本平臺以某公路某隧道K038+620斷面的資料進行測試，監測單位登錄平臺錄入常規位移監測資料并提交(見圖3)，監理對監測單位提交的數據進行審核，確定資料無誤后，平臺將自動進行數據分析并繪制時間－周邊收斂位移曲線圖、時間－周邊收斂位移速率曲線圖、時間－拱頂下沉位移曲線圖(見圖4)及時間－拱頂下沉位移速率曲線圖(見圖5)。

表6 二次襯砌時間計算式Table 6 Calculation formulas for secondary lining time

表7 預估圍巖最終穩定變形量計算式Table 7 Calculation formulas for estimation of final displacement of surrounding rock

圖3 提交資料的界面Fig.3 Interface of data submitting

圖4 系統繪制拱頂下沉累計位移－時間曲線圖Fig.4 Time-dependent curves of crown settlement drawn by the system

平臺根據判別圍巖穩定性的算法、預估二次襯砌時間的算法及預估圍巖穩定變形量的算法分析當前平臺錄入的監測數據得出以下結果。

1)2013－10－25時位移速率大于1 mm/d，圍巖處于急劇變形階段，應加強觀測。

2)2013－10－25時位移速率不斷下降，應加強觀測，圍巖向趨于穩定狀態發展。

3)根據回歸分析預估公路隧道圍巖最終變形量為193.12 mm，二次襯砌時間為2013－12－15。

圖5 系統繪制拱頂下沉速率－時間曲線圖Fig.5 Time-dependent curves of crown settlement rate drawn by the system

由此可知，即使設計人員或專家不在施工現場，仍可以通過網絡登陸該平臺，并根據當前量測數據與系統分析結果進行綜合分析，及時給出公路隧道圍巖的穩定性情況;這樣，業主就可以綜合考慮對圍巖設計是否進行變更，最終實現動態設計、信息化施工，從而提高了施工管理的效率。

4 結論與討論

1)本文采用最小二乘法及回歸模型的分析原理，結合PHP編程語言、Mysql數據、Web技術實現了在網絡上對公路隧道監測斷面數據的錄入存儲、回歸分析、判斷圍巖的穩定性、預估隧道最終位移變形量與二次襯砌時間等功能。

2)目前監控量測信息化施工的體系正處于發展階段，本平臺包含了信息采集和管理、數據分析2個模塊，但由于技術不成熟缺少了信息化動態設計模塊。

3)公路隧道各參建方可利用網絡登陸該平臺，及時掌握隧道監測數據及分析結果，進而為支護結構的調整和變更提供更有效率的依據，從而提高隧道信息化管理效率。

［1］ 劉一.隧道監控量測信息化管理實踐［J］.高速鐵路技術，2011(S):415 －419.(LIU Yi.Information-based management practice in tunnel monitoring and measurement［J］.Highspeed Railway Technology，2011(S):415 －419.(in Chinese))

［2］ 王復明，劉東坤，李曉龍，等.高速公路隧道施工監控量測及穩定分析［J］.鐵道建筑，2007(4):49－51.(WANG Fuming，LIU Dongkun，LIXiaolong，etal. Monitoring measurement over expressway tunnel construction and its stability analysis［J］.Railway Engineering，2007(4):49 －51.(in Chinese))

［3］ 常彬彬，劉山洪，韓健.Origin軟件在隧道監控量測數據處理中的應用［J］.重慶交通大學學報:自然科學版，2008，27(2):221 － 224.(CHANG Binbin，LIU Shanhong，HAN Jian.Application of Origin software to analyzing deformation monitoring data during the construction of tunnel［J］.Journal of Chongqing Jiaotong University:Natural Sciences，2008，27(2):221 －224.(in Chinese))

［4］ 曹江敏.高速公路長大隧道施工動態監測與數值模擬研究［J］.鐵道建筑，2007(12):56 －59.(CAO Jiangmin.Dynamic monitoring and numerical simulation study for construction of long tunnel with large-cross section on expressway［J］.Railway Engineering，2007(12):56 － 59.(in Chinese))

［5］ 方昱，劉開云.隧道監控量測數據分析與管理系統的設計與開發［J］.隧道建設，2010，30(3):231 －234.(FANG Yu，LIU Kaiyun.Design and development of analysis and management system of tunnel monitoring date［J］.Tunnel Construction，2010，30(3):231 －234.(in Chinese))

［6］ 楊紹戰，陳建勛，趙超志，等.隧道監控量測數據管理系統研究［J］.公路隧道，2010(4):10 －14.(YANG Shaozhan，CHEN Jianxun，ZHAO Chaozhi，et al.Study on the monitoring and measurement data management system of tunnel［J］.Highway Tunnel，2010(4):10 －14.(in Chinese))

［7］ 周建春，喬志超，魏琴.隧道監控量測信息網絡化管理系統的開發及應用［J］.中外公路，2013，33(2):214 －217.(ZHOU Jianchun，QIAO Zhichao，WEI Qin.Development and application of tunnel monitoring measurement information network management system［J］.Journal of China ＆ Foreign Highway，2013，33(2):214 －217.(in Chinese))

［8］ 牛文林，張廣洋，熊國斌，等.基于ASP.NET技術的圍巖分級系統開發［J］.現代隧道技術，2011，48(1):12 －16.(NIU Wenlin，ZHANG Guangyang，XIONG Guobin，et al.Rock mass classification system based on ASP.NET［J］.Modern Tunnelling Technology，2011，48(1):12 － 16.(in Chinese))

［9］ 李曉紅.隧道新奧法及其量測技術［M］.北京:科學出版社，2001:125 －126.(LI Xiaohong.The NATM and mornitoring technology［M］.Beijing:Science Press，2001:125 － 126.(in Chinese))

［10］ JTG/F60—2009公路隧道施工技術細則［S］.北京:人民交通出版社，2009:138 －139.(JTG/F60—2009，The technical rules for construction of highway tunnel［S］.Beijing:China Communication Press，2009:138 －139.(in Chinese ))