基于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的公路隧道圍巖常規(guī)位移監(jiān)測分析平臺

姜錫宸，孟陸波，李天斌，劉家民

(1.成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室，四川成都 610059;2.四川藏區(qū)高速公路有限責(zé)任公司，四川成都 610041)

0 引言

隨著網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)的高速發(fā)展，信息化建設(shè)在各行業(yè)的作用越來越重要，公路隧道施工管理的信息化是未來發(fā)展趨勢。信息化是以信息資源開發(fā)利用為核心，充分開發(fā)利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)，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(jiān)控量測信息化建設(shè)，將隧道監(jiān)控量測、計算機編程技術(shù)與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合成為目前的發(fā)展方向，從而能遠程掌握公路隧道監(jiān)測數(shù)據(jù)及平臺分析結(jié)果。

目前，仍然有少許技術(shù)人員使用Excel進行數(shù)據(jù)處理，這樣不僅工作效率低，而且不利于不同技術(shù)人員之間的交流［2］;另外，部分技術(shù)人員采用了Origin等繪圖軟件［3］及數(shù)值模擬［4］來處理數(shù)據(jù)，這樣雖然能提高處理數(shù)據(jù)的效率，但由于沒有建立監(jiān)測數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)處理后沒有查看原始監(jiān)測數(shù)據(jù)的功能。有些系統(tǒng)即使建立了數(shù)據(jù)庫，由于數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(jiān)測數(shù)據(jù)及分析結(jié)果。近年來，也有少數(shù)技術(shù)人員以 SQL作為數(shù)據(jù)管理工具，以ASP.NET作為網(wǎng)頁編程工具，實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的動態(tài)操作與顯示，最終反饋到設(shè)計與施工［7］。

為了滿足公路隧道監(jiān)控量測信息化建設(shè)要求，本文主要介紹采用PHP編程語言、Mysql數(shù)據(jù)庫在網(wǎng)絡(luò)上實現(xiàn)對公路隧道監(jiān)控量測必測項目(周邊位移和拱頂下沉)的動態(tài)分析平臺。登陸平臺的用戶可以查看監(jiān)測資料，也可以將每天現(xiàn)場監(jiān)測的數(shù)據(jù)當(dāng)天錄入平臺，進而平臺可對錄入的數(shù)據(jù)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(xiàn)判別圍巖的穩(wěn)定性、預(yù)估隧道最終位移變形量與二次襯砌時間等功能。

由于監(jiān)測數(shù)據(jù)與分析結(jié)果保存于網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器上，業(yè)主、設(shè)計、監(jiān)理、專家等人員可隨時登錄該平臺，查看隧道圍巖穩(wěn)定的最新監(jiān)測數(shù)據(jù)及平臺分析結(jié)果，為支護結(jié)構(gòu)的調(diào)整和變更提供更加有效率的依據(jù)。

1 基于PHP+Mysql監(jiān)測數(shù)據(jù)分析平臺設(shè)計

1.1 平臺的運行原理

當(dāng)用戶在瀏覽器中輸入該平臺的網(wǎng)址后，瀏覽器就會對該網(wǎng)頁所在的網(wǎng)站服務(wù)器送出一個查看網(wǎng)頁的要求，網(wǎng)站服務(wù)器收到后將此要求轉(zhuǎn)送到網(wǎng)頁所屬的網(wǎng)站應(yīng)用程序，瀏覽器跳轉(zhuǎn)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(guī)位移監(jiān)測數(shù)據(jù)，接著通過PHP使頁面和用戶進行數(shù)據(jù)交互，最終將數(shù)據(jù)保存在Mysql數(shù)據(jù)庫中，滿足計算要求后，PHP從Mysql數(shù)據(jù)庫中讀取數(shù)據(jù)至內(nèi)存，調(diào)用由PHP編寫的算法進行計算，接著PHP將計算結(jié)果保存至Mysql數(shù)據(jù)庫中，然后通過PHP使用戶與Mysql數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)交互過程。最后再將執(zhí)行結(jié)果反饋到用戶錄入資料表格下方，各用戶都可查看分析結(jié)果。PHP網(wǎng)站應(yīng)用程序運行原理見圖1［8］。

圖1 PHP網(wǎng)站應(yīng)用程序運行原理Fig.1 Operation principle of application program of PHP website

1.2 總體設(shè)計

本平臺主要根據(jù)現(xiàn)場量測公路隧道圍巖變形數(shù)據(jù)的實際工作情況而設(shè)計，同時也針對參建公路隧道各單位實際工作的不同設(shè)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(shè)立了監(jiān)測單位方、監(jiān)理方、專家組、業(yè)主代表、設(shè)計代表5個功能不同的用戶。

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

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

3)專家。根據(jù)監(jiān)測資料及系統(tǒng)分析的結(jié)果進行綜合分析并針對圍巖是否穩(wěn)定、圍巖的最終變形量、二次襯砌時間提出意見。

4)業(yè)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(shù)及二次襯砌時間。

5)設(shè)計代表。根據(jù)業(yè)主代表最終確定的意見進行變更設(shè)計。

1.3 數(shù)據(jù)庫的設(shè)計

平臺設(shè)計的公路隧道常規(guī)位移監(jiān)測資料錄入表主要包括監(jiān)測斷面的信息及測量的位移變化數(shù)據(jù)。平臺采用Mysql數(shù)據(jù)庫存儲公路隧道監(jiān)測資料。公路隧道常規(guī)位移監(jiān)測資料數(shù)據(jù)見表1。

表1 公路隧道常規(guī)位移監(jiān)測資料數(shù)據(jù)表Table 1 Data of conventional displacement monitoring of highway tunnel

2 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析的實現(xiàn)

平臺主要選擇了公路隧道監(jiān)控量測必測項目的周邊位移與拱頂下沉進行分析，選擇現(xiàn)場取得的監(jiān)測數(shù)據(jù)，繪制出位移時間、速率時間變化關(guān)系曲線圖;但由于現(xiàn)場取得的原始監(jiān)測數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)隨時間變化的散點圖有較大的波動性。在此，需要對量測數(shù)據(jù)進行回歸分析，參考文獻［9］，該平臺選擇以下3種函數(shù)進行回歸分析(見表2)。

表2函數(shù)式中t為時間，u為位移量，a，b為參數(shù)，按線性回歸方法求得a，b，再將求出的a，b分別代入其數(shù)學(xué)表達式，根據(jù)回歸函數(shù)繪制位移－時間曲線圖、速率－時間曲線圖，進而判別圍巖的穩(wěn)定性、預(yù)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(shù)列表Table 2 Regression function parameters

2.1判別圍巖穩(wěn)定性的實現(xiàn)

判斷圍巖的穩(wěn)定性主要根據(jù)《公路隧道施工技術(shù)細則》［10］。隧道實測位移值U與極限位移值U0的關(guān)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(yù)估二次襯砌時間的實現(xiàn)

一般情況下，隧道圍巖基本穩(wěn)定后就可以進行二次襯砌，據(jù)此，該平臺將隧道圍巖基本穩(wěn)定的時間設(shè)定為預(yù)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(jù)表2分別計算拱頂下沉位移時間回歸函數(shù)、周邊收斂位移時間回歸函數(shù);再分別計算其對應(yīng)的3種函數(shù)的相關(guān)系數(shù)，選擇相關(guān)系數(shù)最接近1的函數(shù)分別作為回歸函數(shù);最后分別根據(jù)位移時間函數(shù)求導(dǎo)得出速率時間函數(shù)。

引入臨界變形速度vh［9］作為圍巖基本穩(wěn)定的判據(jù)，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(shù)、周邊收斂速率時間函數(shù)，求出拱頂下沉穩(wěn)定時間與周邊位移穩(wěn)定時間，兩者選擇較大值作為二次襯砌的時間t。

2.3 預(yù)估圍巖穩(wěn)定變形量的實現(xiàn)

預(yù)估圍巖最終穩(wěn)定變形量時，平臺首先會根據(jù)表2分別計算拱頂下沉位移時間回歸函數(shù)、周邊收斂位移時間回歸函數(shù);再分別計算其對應(yīng)的3種函數(shù)的相關(guān)系數(shù)，選擇相關(guān)系數(shù)最接近1的函數(shù)分別作為回歸函數(shù)。其次將表6計算出的拱頂穩(wěn)定時間t拱頂、周邊穩(wěn)定時間t周邊，分別代入相關(guān)系數(shù)最接近1的拱頂下沉位移時間函數(shù)與周邊收斂位移時間函數(shù)，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(yīng)用

本平臺以某公路某隧道K038+620斷面的資料進行測試，監(jiān)測單位登錄平臺錄入常規(guī)位移監(jiān)測資料并提交(見圖3)，監(jiān)理對監(jiān)測單位提交的數(shù)據(jù)進行審核，確定資料無誤后，平臺將自動進行數(shù)據(jù)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(yù)估圍巖最終穩(wěn)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(tǒng)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(jù)判別圍巖穩(wěn)定性的算法、預(yù)估二次襯砌時間的算法及預(yù)估圍巖穩(wěn)定變形量的算法分析當(dāng)前平臺錄入的監(jiān)測數(shù)據(jù)得出以下結(jié)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(yīng)加強觀測。

2)2013－10－25時位移速率不斷下降，應(yīng)加強觀測，圍巖向趨于穩(wěn)定狀態(tài)發(fā)展。

3)根據(jù)回歸分析預(yù)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(tǒng)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(shè)計人員或?qū)＜也辉谑┕がF(xiàn)場，仍可以通過網(wǎng)絡(luò)登陸該平臺，并根據(jù)當(dāng)前量測數(shù)據(jù)與系統(tǒng)分析結(jié)果進行綜合分析，及時給出公路隧道圍巖的穩(wěn)定性情況;這樣，業(yè)主就可以綜合考慮對圍巖設(shè)計是否進行變更，最終實現(xiàn)動態(tài)設(shè)計、信息化施工，從而提高了施工管理的效率。

4 結(jié)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(jié)合PHP編程語言、Mysql數(shù)據(jù)、Web技術(shù)實現(xiàn)了在網(wǎng)絡(luò)上對公路隧道監(jiān)測斷面數(shù)據(jù)的錄入存儲、回歸分析、判斷圍巖的穩(wěn)定性、預(yù)估隧道最終位移變形量與二次襯砌時間等功能。

2)目前監(jiān)控量測信息化施工的體系正處于發(fā)展階段，本平臺包含了信息采集和管理、數(shù)據(jù)分析2個模塊，但由于技術(shù)不成熟缺少了信息化動態(tài)設(shè)計模塊。

3)公路隧道各參建方可利用網(wǎng)絡(luò)登陸該平臺，及時掌握隧道監(jiān)測數(shù)據(jù)及分析結(jié)果，進而為支護結(jié)構(gòu)的調(diào)整和變更提供更有效率的依據(jù)，從而提高隧道信息化管理效率。

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