李星平 蒋树屏 秦之富
摘 要 本文论述了开发隧道施工监控量测信息管理软件的基本原理，介绍了系统的总体功能结构和总技术路线及各模块的数据结构及界面设计，阐述了围岩分级与预警模块的技术路线；最后将系统应用于工程实践。
关键词 隧道 施工监控 信息管理 软件开发
1 引 言
隧道施工监控量测是新奥法施工的重要组成部分，如何对监测到的大量数据进行及时快速的处理和分析以及进行自动化管理，是隧道信息化施工研究领域的一个重要方面。因而国内外的一些研究组织和大学对监测信息系统进行了研究。如重庆交通科研设计院开发的公路隧道围岩与支护系统量测数据管理系统［1］，同济大学开发的监测数据库管理系统［2］。上述管理系统都是针对当时工程需要开发的，仅是一简单数据处理系统，功能相对较弱，有一定的局限性，并没有被广大工程技术人员接受。
研制结合围岩分级与预警、岩石反分析技术的施工监控量测智能型信息管理与分析软件，符合隧道建设的实际需要，也是隧道信息化施工的发展方向。
2 系统开发
2．1 系统总体结构及界面
施工监控量测信息管理系统由量测数据库管理模块、有限元分析模块、围岩分级与预警模块和图形可视化模块4大部分组成。量测数据处理模块在整个软件中处在中心位置，起承上启下的作用，主要完成量测数据的输入输出、查询、修改、出图、打印等功能。图形可视化模块提供了基本图形类库，它是一个具有图形功能的软件开发平台，其他模块都直接或间接地以图形可视化模块为基础。基于软件开发的需要和自主版权等方面的考虑，我们自主开发了图形可视化模块。有限元分析模块包括有限元正分析模块和有限元非确定性位移反分析模块。有限元正分析模块可完成简单的有限元正分析计算。非确定性位移反分析模块采用了考虑松动圈的卡尔曼滤波与有限元耦合反分析理论，非确定性位移反分析模块从量测数据处理模块中读取周边收敛和拱顶下沉等数据用于反演分析，得出初始地应力和弹性模量。围岩分级模块根据初始地应力和量测的围岩信息计算出围岩级别。围岩预警模块并不单独存在，它嵌入到量测数据处理模块，软件会自动根据围岩变形值的大小，决定是否报警。总体结构图如图1所示。系统功能模块选择界面如图2所示。数据处理功能模块界面如图3所示。本文仅对数据处理功能模块的子模块量测数据库管理模块、围岩分级与预警模块进行论述。
图1 总体结构图
图2 系统功能模块选择界面
图3 数据处理模块界面
图4 总技术路线图
2．2 总技术路线
首先搜集隧道的地勘、设计、施工等资料，并把这些资料输入到数据库管理系统中，将日常量测到的监控数据输入数据库中。数据库管理系统可实现量测数据的输入、修改、查询等功能，并图形化显示数据。非确定性反分析模块从数据库管理系统中读取周边收敛和拱顶下沉等数据用于反演分析，得出初始地应力和弹性模量。围岩分级模块系统根据初始地应力和量测的围岩信息得出围岩级别。有限元正分析系统根据初始地应力、弹性模量和其他围岩信息计算出围岩真实的受力和变形。预警模块会根据量测值的大小自动决定是否进行报警。最后对围岩稳定性进行评价。总技术路线图如图4所示。
2．3 量测数据库管理模块及界面
本系统主要划分为4个子模块，即隧道项目和断面桩号信息管理、标定参数和初始数据管理、量测数据管理、数据后处理。
（1）隧道项目和断面桩号信息管理
此模块用来管理隧道项目信息和断面桩号信息，提供了数据的浏览、查询、添加、修改和删除等功能。每一工程项目就是一个数据库文件，一个工程项目可含多条隧道的数据。项目表格有名称、描述和图片等字段，断面表格主要有隧道名称、断面桩号、工法、喷混凝土弹模、图片、围岩名称与级别、埋深、开挖隧道断面宽度与高度等字段，后5项字段可用于围岩的预警。
（2）标定参数和初始数据管理
用户通过此模块来管理各量测类型的标定参数和初始数据信息，包括浏览、查询、添加、修改和删除功能。此模块包括量测种类有围岩与喷射混凝土接触压力、喷射混凝土内部应力、钢支撑内力、围岩内部位移、锚杆轴力、喷射混凝土与二衬接触压力、二衬内部应力、周边收敛、地表下沉等。表格主要包含断面桩号、标定初值、系数、修正数值等字段。
（3）量测数据管理
用户通过此模块来管理各监控量测类型的日常量测数据，包括浏览、查询、添加、修改和删除功能。此模块包括量测种类与标定参数，初始数据管理子模块基本相同。表格主要包含量测日期、掌子面距量测断面的距离、量测频率值、计算值等字段。
（4）数据后处理
用户通过此模块来实现各监控量测数据图形化显示和报表打印功能，并提供了多种智能化和人性化的辅助功能，为用户决策提拱有力的支持。图形显示功能可使用户查看并打印由监测得到的数据绘制而成的各种时空变化曲线图，报表打印功能可对监测数据进行整理，选取所需的表格，定制生成Excel表格，进而生成各种季度报表。在周边收敛和拱顶下沉两项监控量测类型中，同时提供围岩预警功能。此模块包括量测种类与标定参数，初始数据管理子模块基本相同。
2．4 围岩分级与预警模块
（1）围岩分级
该方法是根据现行公路隧道设计规范［3］对围岩定量分级的要求，对传统隧道监控量测内容进行拓展，并通过非确定性位移反分析的方法，共同获取定量分级中所需各参数，最终建立在施工现场快速、定量确定（修正）围岩分级［4］的方法，并用于指导现场施工。表格主要包含项目名称、断面桩号、岩石单轴饱和抗压强度、岩体完整性指数、岩体基本质量指标、地下水影响修正系数、结构面产状修正系统、初始地应力影响修正系统、岩石基本质量指标修正值、围岩级别等字段。围岩分级界面如图5所示。围岩分级模块技术路线如图6所示。
（2）围岩预警
该模块并不单独存在，它嵌套在量测数据库管理模块时空变化曲线功能中。利用必测项目拱顶下沉和周边收敛来进行预警。当某一个量测值大于警戒值时，软件会自动报警并闪烁显示，并不需用户过多干预。预警线分为警戒值（初步预报）与危险值（正式预报），软件是根据围岩的级别、埋深和日常监测变形值进行预警。该数据库表格主要有围岩级别、埋深范围下限（上限）、硬（软）岩初步（正式）预警值等字段。围岩预警模块技术路线如图7所示。
图5 围岩分级模块界面
图6 围岩分级技术路线图
图7 围岩预警技术路线图
3 工程应用
3．1 工程概况
猫儿岭隧道经过丘陵地貌区，为小净距、短隧道，采用左右线设置，左线隧道里程为LK91＋907～LK92＋331，长424 m；右线隧道里程为LK91＋901～LK92＋298，长397 m。洞口设计高程为106．771～110．175 m，隧道最大埋深约66 m。隧道穿过丘陵地貌区，山体走向总体呈近南北向，隧道线路经过最大高程约183．67 m。山体植被茂密，隧址地面标高102．89～183．67 m，最大相对高差约81 m。地层岩性主要为寒武系下统牛角河组变质砂岩、炭质板岩及风化层，裂隙发育，稳定性差。隧道围岩主要为Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ级。
3．2 实际应用
猫儿岭隧道有4种类型的监测断面，即必测项目、Ⅰ型选测项目、Ⅱ型选测项目、地表下沉。必测项目共31个断面，Ⅰ型选测项目共7个断面，Ⅱ型选测项目共3个断面，地表沉降断面9个。下面以RK91＋925断面拱顶下沉必测项目为例说明，该断面是一偏压隧道。
图8 拱顶下沉时空曲线图
本系统生成的第一种图形为应力、变形随时间空间的变化曲线图。此类图形可用于分析支护结构受力和围岩变形随开挖面推进和时间流失的变化情况，即隧道施工中的时间效应和空间效应，从而对围岩和支护结构的稳定性进行判断。现以图8为例加以分析，图中红、绿、蓝（分别对应菱形、方形、三角形）三条实线分别表示三个顶点下沉的测线，虚线分别为其下沉速率曲线。当鼠标移至测点值位置时会显示测点的量测时间和值，点击右上角拱圈上的测点，其相应的测线会闪烁显示，本图为猫儿岭隧道隧道RK91＋925量测断面的拱顶下沉时间空间变化曲线图。从图8进行分析可知，本断面埋设的3个拱顶下沉测点的变化趋势基本相同，埋设后即快速增加。当中台阶通过本断面时，下沉速率明显加快，然后慢慢变缓；当下台阶通过本断面时，下沉速率又有小幅加快，表现出了非常明显的空间效应，表明各台阶的开挖对围岩的扰动较大，其中又以中台阶通过时最为明显。因此应及时采取措施保证围岩的稳定，尽快施作抑拱形成闭合环，同时在后面的开挖中应调整施工方法和工序；其后随着下台阶开挖面离开本量测断面达到15 m以上，以及时间的向前推移，拱顶下沉的时间空间曲线基本呈水平发展，变形速率基本为零，下沉值增加很小，拱顶下沉已经稳定，如果测值超出警戒值，软件将自动报警。
4 结束语
本文首先对国内外隧道施工监控信息管理类软件做了调研，进行了需求分析，自主开发了图形可视化平台，同时密切联系工程实践，定义了数据结构，开发了系统界面，并编程实现了信息管理系统。该软件系统界面友好，运行稳定，功能完善，通过综合利用系统各功能模块，可实现隧道围岩定量分级与自动预警，判断围岩和支护结构的稳定性等功能，从而优化和改进隧道的设计及施工工法。
［1］林勇．公路隧道监控量测数据管理系统的开发［J］．公路交通技术，2003（2）：54-57．
［2］李志刚，丁文其，李晓军，刘凤华．隧道工程监测数据库管理系统的开发［J］．地下空间，2004（12）：755-758．
［3］重庆交通科研设计院．公路隧道设计规范（JTG D70—2004）［S］．北京：人民交通出版社，2004．
［4］中华人民共和国水利部．工程岩体分级标准（GB 50218—1994）［S］．北京：中国计划出版社，1995．
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