楊志強，王興猛

(1.北京建工集團 土木工程有限公司，北京 100015;2.中鐵西南科學研究院有限公司，四川 成都 611731)

山嶺隧道監(jiān)控量測信息系統(tǒng)應用研究

楊志強1，王興猛2

(1.北京建工集團 土木工程有限公司，北京 100015;2.中鐵西南科學研究院有限公司，四川 成都 611731)

針對山嶺隧道網(wǎng)絡通信能力欠佳甚至不通，一般的隧道監(jiān)控量測系統(tǒng)需要安裝專用數(shù)據(jù)庫的特點，基于XML可擴展標記語言的數(shù)據(jù)存儲方法，研究開發(fā)了山嶺隧道監(jiān)控量測信息系統(tǒng)，實現(xiàn)了對山嶺隧道監(jiān)控量測斷面配置、數(shù)據(jù)錄入、自動預警、數(shù)據(jù)預測，并給出應對措施。該系統(tǒng)無需安裝數(shù)據(jù)庫即可對隧道監(jiān)控量測數(shù)據(jù)進行輸入、分析和存儲。工程應用實踐表明，該系統(tǒng)能夠方便地應用于山嶺隧道的監(jiān)控量測數(shù)據(jù)處理和自動分析。

山嶺隧道 監(jiān)控量測 信息系統(tǒng)

在隧道修建過程中，為了掌握隧道的安全狀態(tài)，隧道相關參與單位對信息化要求不斷增多，促使我國隧道建設的信息化水平正在逐年提高。一些基于 Web的隧道監(jiān)控量測信息網(wǎng)絡管理系統(tǒng)應運而生，用戶通過IE瀏覽器實時訪問和查看隧道監(jiān)控量測的具體情況和分析結果，方便了隧道施工相關單位對隧道監(jiān)控量測數(shù)據(jù)的查看和對隧道及周邊建(構)筑物安全狀態(tài)的掌握與控制。

盡管如此，在一些偏遠山區(qū)，網(wǎng)絡通信能力欠佳甚至完全不通，這限制了基于Web的隧道監(jiān)控量測系統(tǒng)的使用。另一方面，施工現(xiàn)場的監(jiān)測系統(tǒng)的使用人員通常并不熟悉如何對系統(tǒng)相關聯(lián)的 Access，SQL Server，Oracle等數(shù)據(jù)庫進行安裝配置，必須由專人操作。一旦數(shù)據(jù)庫出現(xiàn)問題，處理起來十分麻煩。

因此，有必要對非專用數(shù)據(jù)庫的隧道監(jiān)控量測信息系統(tǒng)進行研究，使其可以像安裝單機軟件一樣，只要安裝完成即可使用，無須單獨安裝數(shù)據(jù)庫。同時，也考慮到不同工點監(jiān)測數(shù)據(jù)的合并要求。使系統(tǒng)的安裝、操作、數(shù)據(jù)合并變得十分簡單。這將具有較好的工程應用價值。

1 系統(tǒng)總體設計

在隧道施工過程中，監(jiān)控量測對象包括圍巖、支護結構體系、周邊建(構)筑物等。監(jiān)測內(nèi)容包括位移、應力、應變、壓力等。目前，我國山嶺隧道監(jiān)控量測項目中，拱頂沉降和圍巖收斂是隧道施工中最重要的兩項必測項目。對這兩項監(jiān)測項目的數(shù)據(jù)輸入、分析將是系統(tǒng)設計的重點。

監(jiān)控量測的目的主要有4個方面:①確保施工安全;②為調整支護參數(shù)和施工方法提供科學依據(jù);③確定合理二襯施作時機;④積累經(jīng)驗，為類似工程提供參考。本監(jiān)控量測信息系統(tǒng)可快速提供分析結果，確保監(jiān)測分析結果的及時反饋，也可作為支護參數(shù)調整、施工方法調整、確定二襯合理施作時機的參考依據(jù)。其不同工點原始數(shù)據(jù)的匯總及分析結果可作為電子資料存儲，便于資料積累、調取，積累經(jīng)驗。

1.1 需求分析

考慮到山嶺隧道往往地勢偏僻，網(wǎng)絡信號較差甚至無信號，因此要考慮監(jiān)控量測數(shù)據(jù)的單機操作;同時，也要考慮單機操作存儲的數(shù)據(jù)在某些情況下進行合并的可能，如網(wǎng)絡變暢通了，或者相關人員將各工點系統(tǒng)存儲數(shù)據(jù)直接拷貝后進行匯總，將匯總結果在系統(tǒng)中進行統(tǒng)一分析和展示。

另外，系統(tǒng)需要實現(xiàn)新增測點、測點數(shù)據(jù)上傳、測點數(shù)據(jù)自動曲線擬合、最新狀態(tài)處理措施分析等。

1.2 總體結構(圖1)

本隧道監(jiān)控量測系統(tǒng)基于Visual C#.net平臺進行開發(fā)，實現(xiàn)了圍巖收斂、拱頂沉降等監(jiān)測數(shù)據(jù)的輸入、查詢、存儲、分析、自動預警和生成報表功能。數(shù)據(jù)存儲采用XML可擴展標記語言，它提供了一種描述結構數(shù)據(jù)的格式，使得代碼、數(shù)據(jù)和表示分離，通常被稱為智能數(shù)據(jù)文檔。

系統(tǒng)根據(jù)對監(jiān)測數(shù)據(jù)的操作流程，將系統(tǒng)功能細分如工點設置、工程概況、監(jiān)測數(shù)據(jù)上傳、監(jiān)測數(shù)據(jù)展

圖1 系統(tǒng)總體結構

示、監(jiān)測數(shù)據(jù)打印、用戶管理等多個功能模塊(圖2)。在系統(tǒng)中考慮兩種用戶:系統(tǒng)用戶和普通用戶。普通用戶只能通過登陸查看對應工點的相關信息，針對該工點，可查看工程概況，新建測點和上傳監(jiān)測數(shù)據(jù)，查看監(jiān)測數(shù)據(jù)分析展示結果以及打印監(jiān)測數(shù)據(jù)。系統(tǒng)用戶用于對各工點監(jiān)控量測信息進行全面管理，除了可以實現(xiàn)普通用戶的全部操作，還可以添加不同的工點以及針對不同工點設置不同的用戶名。系統(tǒng)功能模塊中，“工點設置”和“用戶管理”模塊僅系統(tǒng)用戶可見。同時，如果普通用戶上傳的監(jiān)測數(shù)據(jù)存在問題，系統(tǒng)用戶可以作出修改。

圖2 功能模塊劃分

由于系統(tǒng)考慮的是網(wǎng)絡環(huán)境不通暢的情況，不考慮專用數(shù)據(jù)庫，因此作為管理方的系統(tǒng)用戶須將所有工點設置完畢，然后對不同工點設置不同的普通用戶。再將設置形成的數(shù)據(jù)文件夾及各工點的用戶名分發(fā)給工點技術人員。當工點技術人員登陸時，只能看到本工點信息和對本工點的監(jiān)測信息進行操作。

1.3 界面設計及功能

按照功能模塊的劃分，分別設置了工點設置、工程概況、監(jiān)測數(shù)據(jù)上傳、監(jiān)測數(shù)據(jù)展示、監(jiān)測數(shù)據(jù)打印、用戶管理等操作界面。

1)工點設置(圖3)

圖3 總體界面展示及“工點設置”細目

工點設置模塊僅供系統(tǒng)用戶使用，用于添加、編輯、刪除隧道工程下屬的工點。當添加完成后，在窗口左側子窗口中將顯示出相應的隧道、隧道下屬工點、工點內(nèi)的監(jiān)控量測項目。

2)工程概況

系統(tǒng)用戶和普通用戶均可查看工程概況模塊內(nèi)容，但只有系統(tǒng)用戶可以導入和編輯工程概況內(nèi)容。

3)監(jiān)測數(shù)據(jù)上傳

用于新增監(jiān)測點和上傳每次測得的數(shù)據(jù)，每次上傳數(shù)據(jù)時，會自動判定在最新數(shù)據(jù)出現(xiàn)位置是否出現(xiàn)拐點。

4)監(jiān)測數(shù)據(jù)展示

包括基本信息和詳細信息展示，主要包含測點數(shù)據(jù)及其回歸分析曲線、累積變化值、最終值預測分析、管理等級分析、量測結果的建議處理措施等。

回歸分析中，選擇對數(shù)函數(shù)和指數(shù)函數(shù)對監(jiān)測結果進行回歸計算。自動計算所有回歸方程，且通過比較后，自動選擇相關系數(shù)大且剩余標準差小的回歸方程使用。

5)監(jiān)測數(shù)據(jù)打印

設置需要打印測點的查詢功能，同時設置測點需要打印的時間范圍，然后生成打印報表。

6)人員管理

用于系統(tǒng)用戶設置各隧道下面的工點的登陸用戶。系統(tǒng)用戶不能在此設置，只能通過系統(tǒng)開發(fā)人員專門設置。

2 工程應用

2.1 工程概況

新復村隧道位于云南省嵩明—昆明南區(qū)間，為單洞雙線隧道，左右線線間距為5.0 m，全長890 m，起訖里程為DK1155+695—DK1156+585，全隧位于半徑9 000 m的左偏曲線上。全隧全部為Ⅳ，Ⅴ級圍巖，隧區(qū)處于云貴高原侵蝕構造中低山區(qū)，區(qū)內(nèi)地形總體為東高西低，基巖多裸露?，F(xiàn)階段掌子面施工至DK1155 +825，圍巖為玄武巖，弱風化帶 W2，節(jié)理發(fā)育，巖體完整性較好。經(jīng)超前地質預報TSP及加深炮孔探測，圍巖具有一定自穩(wěn)能力，洞身埋深約為32 m。從掌子面至隧道進口明暗交界處DK1155+745洞身埋深逐漸變小，最小埋深約為 5 m，其中 DK1155+745—DK1155+794段洞身處于玄武巖強風化帶(W4)，節(jié)理發(fā)育巖體破碎，為坍塌高風險段落。

2.2 測點及監(jiān)測

新復村隧道出口位置采用臺階法施工，在D1K1156+345里程斷面上臺階設置有一對水平收斂測點。其初始量測值為13.83 m，極限位移為初始量測值的0.30%。根據(jù)每天對該測點量測的水平收斂值、當前掌子面里程，得到如圖 4—圖 6變形收斂曲線。

圖4 時間—位移曲線和回歸曲線

圖5 時間—位移曲線和管理等級曲線

圖6 測點距掌子面距離—測點位移曲線和管理等級曲線

最后幾次的監(jiān)測數(shù)據(jù)及分析結果提示界面如圖7所示。

圖7 監(jiān)測數(shù)據(jù)及分析結果提示界面

根據(jù)實測水平收斂測點監(jiān)測時間—位移關系曲線、測點距掌子面距離—測點位移的變化曲線，可以實時地分析和掌握隧道的凈空收斂變化規(guī)律，指導隧道施工，以提高施工效率，保障隧道施工安全。

3 結語

隧道監(jiān)控量測在隧道施工過程中必不可少，成功的監(jiān)測對于施工安全預測、施工及支護參數(shù)確定、二襯時間確定等是極其有效的。本隧道監(jiān)控量測信息系統(tǒng)則是山嶺隧道監(jiān)測數(shù)據(jù)良好的輔助分析工具，提高了分析效率，大大降低了相關人員的數(shù)據(jù)處理工作強度，對于隧道施工安全、施工支護等能起到較好的反饋指導作用。同時也便于系統(tǒng)用戶收集、匯總、管理各隧道工點的監(jiān)測信息。

然而，由于隧道監(jiān)測結果容易受到多種因素的影響，在監(jiān)測數(shù)據(jù)上傳至系統(tǒng)前，必須把握信息運動的規(guī)律，明確哪些數(shù)據(jù)有誤，哪些數(shù)據(jù)不完全是真實情況的反映，剔除錯誤數(shù)據(jù)，調整不真實數(shù)據(jù)，使原始數(shù)據(jù)在系統(tǒng)中得到較好應用，取得更好的分析效果。

［1］楊紹戰(zhàn)，陳建勛，趙超志，等.隧道監(jiān)控量測數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)的研發(fā)與應用［J］.公路隧道，2011(11):55-58.

［2］武勝林，鄧洪亮，陳凱江，等.隧道監(jiān)控量測自動預警管理系統(tǒng)及其應用［J］.測繪通報，2013(6):68-70.

［3］李寶平，高詩明，王睿，等.基于現(xiàn)場監(jiān)控量測數(shù)據(jù)的反分析法確定隧道二襯支護時機［J］.鐵道建筑，2014(8):49-51.

［4］王麗華，仇玉良，姚紅志，等.隧道監(jiān)測信息管理與預警系統(tǒng)的研發(fā)及應用［J］.地下空間與工程學報，2012，8(6):1287-1291.

［5］林勇.公路隧道監(jiān)控量測數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的開發(fā)［J］.公路交通技術，2003，2(1):54-57.

［6］余夢科.基于Web技術的隧道施工監(jiān)控及圍巖變形預測分析系統(tǒng)的研究與實踐［D］.長沙:中南大學，2012.

［7］沈宏濤，孫玉昆，李瑞芳.基于Delphi的地下工程施工監(jiān)測軟件開發(fā)［J］.地下空間，2004，24(4):475-478.

(責任審編 孟慶伶)

U456.3+1

:ADOI:10.3969/j.issn.1003-1995.2015.11.16

2015-08-06;

:2015-08-25

楊志強(1977— )，男，高級工程師，碩士。

1003-1995(2015)11-0051-04