基于互联网技术的公路隧道围岩常规位移监测分析平台

姜锡宸，孟陆波，李天斌，刘家民

(1.成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，四川成都 610059;2.四川藏区高速公路有限责任公司，四川成都 610041)

0 引言

随着网络信息技术的高速发展，信息化建设在各行业的作用越来越重要，公路隧道施工管理的信息化是未来发展趋势。信息化是以信息资源开发利用为核心，充分开发利用网络技术、通信技术，促进信息交流和知识共享，并可借助计算机进行智能化处理，形成便于管理者使用的信息资源［1］。针对公路隧道监控量测信息化建设，将隧道监控量测、计算机编程技术与互联网结合成为目前的发展方向，从而能远程掌握公路隧道监测数据及平台分析结果。

目前，仍然有少许技术人员使用Excel进行数据处理，这样不仅工作效率低，而且不利于不同技术人员之间的交流［2］;另外，部分技术人员采用了Origin等绘图软件［3］及数值模拟［4］来处理数据，这样虽然能提高处理数据的效率，但由于没有建立监测数据的数据库，数据处理后没有查看原始监测数据的功能。有些系统即使建立了数据库，由于数据是独立保存于各使用者的电脑中，也不利于不同用户间的数据共享［5－6］。以上这些情况都使得公路隧道的各参建方难以及时准确地掌握最新的隧道监测数据及分析结果。近年来，也有少数技术人员以 SQL作为数据管理工具，以ASP.NET作为网页编程工具，实现监测数据的动态操作与显示，最终反馈到设计与施工［7］。

为了满足公路隧道监控量测信息化建设要求，本文主要介绍采用PHP编程语言、Mysql数据库在网络上实现对公路隧道监控量测必测项目(周边位移和拱顶下沉)的动态分析平台。登陆平台的用户可以查看监测资料，也可以将每天现场监测的数据当天录入平台，进而平台可对录入的数据自动更新并分析，生成周边位移和拱顶下沉的位移时间与速率时间的实际曲线图及回归曲线图，并实现判别围岩的稳定性、预估隧道最终位移变形量与二次衬砌时间等功能。

由于监测数据与分析结果保存于网络服务器上，业主、设计、监理、专家等人员可随时登录该平台，查看隧道围岩稳定的最新监测数据及平台分析结果，为支护结构的调整和变更提供更加有效率的依据。

1 基于PHP+Mysql监测数据分析平台设计

1.1 平台的运行原理

当用户在浏览器中输入该平台的网址后，浏览器就会对该网页所在的网站服务器送出一个查看网页的要求，网站服务器收到后将此要求转送到网页所属的网站应用程序，浏览器跳转至平台登陆界面，输入用户名及密码即可登陆该平台。登陆平台后由公路隧道测量人员录入公路隧道常规位移监测数据，接着通过PHP使页面和用户进行数据交互，最终将数据保存在Mysql数据库中，满足计算要求后，PHP从Mysql数据库中读取数据至内存，调用由PHP编写的算法进行计算，接着PHP将计算结果保存至Mysql数据库中，然后通过PHP使用户与Mysql数据库实现交互过程。最后再将执行结果反馈到用户录入资料表格下方，各用户都可查看分析结果。PHP网站应用程序运行原理见图1［8］。

图1 PHP网站应用程序运行原理Fig.1 Operation principle of application program of PHP website

1.2 总体设计

本平台主要根据现场量测公路隧道围岩变形数据的实际工作情况而设计，同时也针对参建公路隧道各单位实际工作的不同设计了不同功能的用户及流程(见图2)。

图2 平台用户功能及流程示意图Fig.2 Functions and working procedure of the platform

平台设立了监测单位方、监理方、专家组、业主代表、设计代表5个功能不同的用户。

1)监测单位方。由测量技术人员首次录入的监测断面信息及位移变化数据需通过监理审核后，监测单位技术人员才可每天向该断面追加位移变化数据。

2)监理方。为保证监测单位录入资料的正确性，所有资料需监理进行审核，审核通过的数据，平台将直接存入Mysql。当审核通过的位移变化数据到达7组后，平台将自动进行分析并把分析结果反馈在录入数据表格下方，供各单位查看。如果数据审核不通过，将由监测单位重新填写。

3)专家。根据监测资料及系统分析的结果进行综合分析并针对围岩是否稳定、围岩的最终变形量、二次衬砌时间提出意见。

4)业主代表。综合各方意见，考虑安全和成本等因素后最终确定支护参数及二次衬砌时间。

5)设计代表。根据业主代表最终确定的意见进行变更设计。

1.3 数据库的设计

平台设计的公路隧道常规位移监测资料录入表主要包括监测断面的信息及测量的位移变化数据。平台采用Mysql数据库存储公路隧道监测资料。公路隧道常规位移监测资料数据见表1。

表1 公路隧道常规位移监测资料数据表Table 1 Data of conventional displacement monitoring of highway tunnel

2 监测数据分析的实现

平台主要选择了公路隧道监控量测必测项目的周边位移与拱顶下沉进行分析，选择现场取得的监测数据，绘制出位移时间、速率时间变化关系曲线图;但由于现场取得的原始监测数据受偶然误差因素的影响，往往具有一定的离散性，使得测试数据随时间变化的散点图有较大的波动性。在此，需要对量测数据进行回归分析，参考文献［9］，该平台选择以下3种函数进行回归分析(见表2)。

表2函数式中t为时间，u为位移量，a，b为参数，按线性回归方法求得a，b，再将求出的a，b分别代入其数学表达式，根据回归函数绘制位移－时间曲线图、速率－时间曲线图，进而判别围岩的稳定性、预估隧道最终位移变形量与二次衬砌时间等。

表2 常见回归函数列表Table 2 Regression function parameters

2.1判别围岩稳定性的实现

判断围岩的稳定性主要根据《公路隧道施工技术细则》［10］。隧道实测位移值U与极限位移值U0的关系见表3，位移速率判断标准见表4，位移速率变化趋势判断标准见表5。

2.2 预估二次衬砌时间的实现

一般情况下，隧道围岩基本稳定后就可以进行二次衬砌，据此，该平台将隧道围岩基本稳定的时间设定为预估二次衬砌的时间。

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

表4 位移速率判断标准Table 4 Criterion of displacement rate

表5 位移速率变化趋势判断标准Table 5 Criterion of displacement rate variation trend

首先需根据表2分别计算拱顶下沉位移时间回归函数、周边收敛位移时间回归函数;再分别计算其对应的3种函数的相关系数，选择相关系数最接近1的函数分别作为回归函数;最后分别根据位移时间函数求导得出速率时间函数。

引入临界变形速度vh［9］作为围岩基本稳定的判据，将拱顶下沉临界速率、周边收敛临界速率分别代入表6的拱顶下沉速率时间函数、周边收敛速率时间函数，求出拱顶下沉稳定时间与周边位移稳定时间，两者选择较大值作为二次衬砌的时间t。

2.3 预估围岩稳定变形量的实现

预估围岩最终稳定变形量时，平台首先会根据表2分别计算拱顶下沉位移时间回归函数、周边收敛位移时间回归函数;再分别计算其对应的3种函数的相关系数，选择相关系数最接近1的函数分别作为回归函数。其次将表6计算出的拱顶稳定时间t拱顶、周边稳定时间t周边，分别代入相关系数最接近1的拱顶下沉位移时间函数与周边收敛位移时间函数，分别求出变形量u拱顶，u周边，最后选择较大值作为隧道围岩最终变形量u最(见表7)。

3 工程应用

本平台以某公路某隧道K038+620断面的资料进行测试，监测单位登录平台录入常规位移监测资料并提交(见图3)，监理对监测单位提交的数据进行审核，确定资料无误后，平台将自动进行数据分析并绘制时间－周边收敛位移曲线图、时间－周边收敛位移速率曲线图、时间－拱顶下沉位移曲线图(见图4)及时间－拱顶下沉位移速率曲线图(见图5)。

表6 二次衬砌时间计算式Table 6 Calculation formulas for secondary lining time

表7 预估围岩最终稳定变形量计算式Table 7 Calculation formulas for estimation of final displacement of surrounding rock

图3 提交资料的界面Fig.3 Interface of data submitting

图4 系统绘制拱顶下沉累计位移－时间曲线图Fig.4 Time-dependent curves of crown settlement drawn by the system

平台根据判别围岩稳定性的算法、预估二次衬砌时间的算法及预估围岩稳定变形量的算法分析当前平台录入的监测数据得出以下结果。

1)2013－10－25时位移速率大于1 mm/d，围岩处于急剧变形阶段，应加强观测。

2)2013－10－25时位移速率不断下降，应加强观测，围岩向趋于稳定状态发展。

3)根据回归分析预估公路隧道围岩最终变形量为193.12 mm，二次衬砌时间为2013－12－15。

图5 系统绘制拱顶下沉速率－时间曲线图Fig.5 Time-dependent curves of crown settlement rate drawn by the system

由此可知，即使设计人员或专家不在施工现场，仍可以通过网络登陆该平台，并根据当前量测数据与系统分析结果进行综合分析，及时给出公路隧道围岩的稳定性情况;这样，业主就可以综合考虑对围岩设计是否进行变更，最终实现动态设计、信息化施工，从而提高了施工管理的效率。

4 结论与讨论

1)本文采用最小二乘法及回归模型的分析原理，结合PHP编程语言、Mysql数据、Web技术实现了在网络上对公路隧道监测断面数据的录入存储、回归分析、判断围岩的稳定性、预估隧道最终位移变形量与二次衬砌时间等功能。

2)目前监控量测信息化施工的体系正处于发展阶段，本平台包含了信息采集和管理、数据分析2个模块，但由于技术不成熟缺少了信息化动态设计模块。

3)公路隧道各参建方可利用网络登陆该平台，及时掌握隧道监测数据及分析结果，进而为支护结构的调整和变更提供更有效率的依据，从而提高隧道信息化管理效率。

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