基于BS构架的公路隧道施工监测管理分析系统的开发研究.pdf

长沙理工大学 硕士学位论文 基于bs构架的公路隧道施工监测管理分析系统的开发研究 姓名：李亮 申请学位级别：硕士 专业：道路与铁道工程 指导教师：郭云开 20100401 摘要 公路隧道施工现场监测是新奥法施工技术保障的重要组成部分。处理、分析 监测信息并判断闭岩和隧道支护结构的安全状态，对优化设计、保障施工安全和 质量有着重要作用。虽然不同隧道具有不同的特征，但监测数据的共享可以为新 建类似工程提供应用和借鉴的经验库。本文以吉茶高速公路坡头隧道施工现场为 实验应用工程，针对现阶段隧道施工监测中的数掘处理及应用方面存在的问题丌 展了研究。 1 通过对现有隧道施工监测管理系统的调查研究，自主月：发了肇于w e b 的浏 览器服务器架构( b s 架构、的隧道拖工监控数据管理分析系统。本系统j f 发采用 v i s u a ls t u d i o n e t 平台、s q ls e r v e r 为后台数据库系统、通过c o m 组件技术将 m a t l a b 的计算功能引用到n e t 平台：系统集数据输入、增删、查询、分析、报表 和网络发御功能于一体，实现了数据分析图形可视化设计和互联网联机操作的功 能。 2 系统针对围岩的变形规律归纳引用了几种回归模型，并对所引用的复杂模 型的适应性做了详细分析，为研究监控数据的变形规律提供了有效的支持；对隧 道变形的时间效应和空间效应进行了综合，采用样条插值算法生成罔岩变形的时 空效应图。 3 以吉茶高速公路坡头隧道为工程实例，应用所丌发的施工监控管理系统对 典型断面监控数据进行了分析、预测和图形化处理，并对围岩支护结构的稳定性 进行了评价。 通过工程中的实际应用可以看出，本系统能方便、快捷的对隧道监测数据进 行食谢和数i i | e 分析，j 丁以对【啊岩的稳定性做 n 分析，并l l 实现了_ 【| ) 机搽作，证l j 了软件规划和构架的合理性，具有较高的应用价值。 关键词：公路隧道；监测；管理系统；w e b 技术：数据库技术 a b s t r a c t m o n i t o r i n gm e a s u r e m e n tf o rt u n n e lc o n s t r u c t i o ni sa ni m p o r t a n tp a r to fn a t m t h ep r o c e s s i n ga n da n a l y s i so ft h ei n f o r m a t i o no b t a i n e db ym o n i t o r i n gm e a s u r e m e n t ， a n dt h ee s t i m a t i n go ft h es a f e t yo ft h es u r r o u n d i n gr o c ka n dt u n n e ll i n i n gs t r u c t u r e a r ee s s e n t i a lf o ro p t i m a ld e s i g na n dc o n s t r u c t i o ns a f e t y d i f f e r e n tt u n n e l sh a v ed i f f e r e n t f e a t u r e s ，a n dt h es h a r i n go fm o n i t o r i n gd a t ao f f e rm o r ee x p e r i e n c e sf o rn e w l y b u i l t p r o j e c t s i nt h i sp a p e r , b ya p p l y i n gd a t a b a s ea n dw e bt e c h n o l o g ya n da n a l y z i n gt h er e a l s i t u a t i o no ft h eo n - h a n dp r o j e c tj i c h ah i g h w a yp o t o ut u n n e l ，t h ea u t h o rh a sd e v e l o p e da s e to fm o n i t o r i n gm e a s u r e m e n ts y s t e m sw h i c hs h a r ed a t aa n dc o l la b o r a t ew i t he a c h o t h e rt h r o u g hi n t e r n e t t h es e to fs y s t e m sp r o v i d e sac o m m o np l a t f o r m ，d e a l sw i t h e v e r ys e c t i o no fm o n i t o r i n gm e a s u r e m e n td a t aa n di m p r o v e sa i dd e c i s i o nm a k i n g t h i s p a p e ri n c l u d e st h ef o l l o w i n gi s s u e s 1 b ys t u d y i n gt h er e c e n td a t am a n a g e m e n to ft h et u n n e lm o n i t o r i n gs y s t e m ，t h e a u t h o rd e v e l o p e daw e b b a s e dd a t am a n a g e m e n ts y s t e mw h o s ef r a m e w o r ki sb a s e do n t h eb r o w s e r s e r v e rf r a m e w o r k t h es y s t e md e v e l o p so nt h eb a s i so fv i s u a ls t u d i o ，n e t a n du s e ss q ls e r v e ra st h eb a c k e n dd a t a b a s es y s t e m t h ec o mc o m p o n e n tt e c h n o l o g y o f f e r sr e f e r e n c e sf o rd o t n e tf r a m e w o r kb yi n t r o d u c i n gt h em a t l a bc o m p u t i n gf u n c t i o n s t h es e to fs y s t e m sc o v e r ss e v e r a ls u b m o d e l ss u c ha sd a t aq u e r y , d a t am o d i f y i n g ，d a t a a n a l y z i n g ，d a t af o r e c a s t i n g ，d a t am a p p i n ga n dd a t ar e p o r t i n g t h es y s t e mi m p l e m e n t s v i s u a ld e s i g na n do n l i n eo p e r a t i o nv i ai n t e m e t 2 s e v e r a lr e g r e s s i o na n a l y s i sm o d e l sa r ec l a s s i f i e df o rt h ed e f o r m a t i o no ft h e s u r r o u n d i n gr o c ka n ds o m ec o m p l e xm o d e l sa r ea n a l y z e di nd e t a i l t i m ee f f o r ta n d s p a t i a le f f e c t sa r ei n t e g r a t e d ，a n db yu s i n gt h es p l i n ei n t e r p o l a t i o na l g o r i t h m ，t h es y s t e m g e n e r a t e st h es p a c e - t i m ee f f e c tm a p o ft h ed e f o r m a t i o no ft h es u r r o u n d i n gr o c k 3 t a k i n gt h ej i c h ah i g h w a yp o t o ut u n n e lf o ri n s t a n c e ，t h ea u t h o ru s e st h es y s t e m t op r o c e s sd a t a ，p r e d i c t ，g e n e r a t eg r a p h i c sa n de v a l u a t et h es t a b i l i t yo ft h es u r r o u n d i n g r o c k b yp r a c t i c a la p p l i c a t i o n ，i tc a nb en o t e dt h a tt h i ss y s t e mc a r le a s i l ya n dq u i c k l y q u e r yt h et u n n e lm o n i t o r i n gd a t a , a n dd a t aa n a l y s i so ft h es t a b i l i t yo ft h es u r r o u n d i n g r o c kc a r lb em a d eb yn e t w o r ko p e r a t i o nv i ai n t e m e t t h u st h es o f t w a r eb e i n gr e a s o n a b l y p l a n e da n dd e s i g n e di so fh i g hv a l u e k e yw o r d s ：r o a dt u n n e l ；m o n i t o r i n gm e a s u r e m e n t ；m a n a g e m e n ts y s t e m ；w e b t e c h n o l o g y ；d a t a b a s et e c h n o l o g y n 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究 所取得的研究成果。除了文中特别加以标注弓i 用的内容外，本论文不包 含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出 重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意。谚 到 本声明的法律后果由本入承担。 作者繇李钐 日期帅年月衫日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权长沙理工大学可以将本学位论文的全部或 部分内容编入有关数掘库进行榆索，可以采j 1 3 影印、缩印或上_ l 捕等复制 手段保存和 - ：编本学位论文。同h 、f 授权中国科学技术信息研究所将本论 文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信 息服务。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) ，p ! 作者签名：老缓夕 日搬，幻年眵月，日 导师签名： 簖研 i1 日期砂厂d 年垆月歹妒日 i ! i 第1 章绪论1 1 选题的背景、目的和意义1 1 1 选题的背景 如果说19世纪是桥梁发展的世纪，20世纪是高层建筑发展的世纪，那么21 世纪则是隧道( 或隧洞) 等地下工程丌发的世纪。在山岭地区，隧道。u r 以克服地膨、 地貌的限制，降低路面高程，缩短彳亍车罩程，减少对植被的破坏，抵御恶劣的自 然气候影响：在拥挤的城市地区，隧道可减少交通占地，缓解交通阻塞；在水 彩茎j 噎睽莲羹瞍抬陴蠢锚型萎幽鲜轧班鼋啡；些藩型匮誊垫苗禹，熙蟹疆催夔 冀；霉粪壁藩；翼瞻镰滋踅唾氍霪一羹蓁强蠢翻副差并籀；胤戮彰刮螽羹。羹晶 盈一氆商羟； ：j 鱼聋嚣懦淄竺鬻一薹堡薹珊瓠邵羹萋蕈隆i 瓢斡薹撂雾霉噬；规驰 辔磬溲重些犁蠹熏奄荟 。邂冀鬻弘e 上章蟪糊岛萋耋张i 搁刚蠹趔荫耋睢冀髀墅露 邋；性萋罕羹；鬟掣竖些塾鬟。墼盛囊相葫静霞韵霎荆姚黔薹蓊0 1 ) ：断裂带 西至隆林、经田林、百色、平果，至南宁西北 部隐于第四系覆盖层之下。旧州以东段走向3 10 3 2 0 。，旧州以西段受东西构造 带影响急转呈北西西向，右江断裂带是沿线区域性主导断裂构造，带宽数公里至 十多公里，总体走向3 1 5 。，由众多的大小不同的压性、压扭性断层所组成，具 分支复合特征，各断层走向与断裂带走向近平行，倾向南西或北东，倾角6 0 。 8 0 。，断层挤压破碎带从几米至几十米，最宽处超过l o o m ，带内压扭性劈理异常 发育，且伴随有硅化和方解石化。 右江复式向斜：走向3 1 5 3 2 0 。，主要由中、下三叠统组成。轴部遭受右江 断裂带破坏，次级褶皱强烈、地层陡倾或倒转。西北部在田林旧州一带与东西构 造带联合，走向逐渐向西偏转，构成一向北东突出的弧形弯头。复式向斜内有永 乐、百色、隆安等三个第三纪盆地分布。 2 2 3 水文地质条件 路段地表水系较发育，沟谷纵横，水量较丰富。但由于区域内碳酸盐岩分布 少，仅以夹层形式出现，岩溶不发育，没有发现连通性溶洞、暗河等，地下水多 赋存在孔隙、裂隙中，地下水活动通道不畅，故地下水活动不强烈，对公路工程 影响较小。按地下水的赋存形式及岩性，沿线地下水主要有碎屑岩裂隙水、松散 岩土孔隙水和碎屑岩类孔隙裂隙水等三种类型。 碎屑岩裂隙水：主要分布在中、低山及低山丘陵区，主要为碎屑岩组中所储 存的构造裂隙水、风化裂隙水，含水岩体是由砂岩、泥岩与页岩互层展布，以构 造裂隙为主要储水空间，根据地下水的枯期迳流模数值划分，汪甸澄碧湖段属 水量中等区，澄碧湖四塘附近为水量贫乏区，裂隙水水质类型主要为h c 0 3 c a 工方法。因此在隧道信息化设计中，隧道的监测就显得尤为突出，它直接影响到 隧道的结构形式、支护参数、施工方法、工期、造价等。 根据监测收集的信息实施对隧道的动态管理，对监测的数据进行处理后和施 工前的预设计、开挖方式、丌挖顺序进行比较，判断围岩一支护体系是否稳定， 设计是否经济、合理，丌挖方式、开挖顺序是否得当，再根据判断结果及时提出 是否进行设计变更、修改支护类型、丌挖方式、丌挖顺序等。监测在其中起到了 关键的一环，有时直接关系到工程的成败，决定了隧道各个方面，因而应引起人 们足够重视。 监测的另外一个很重要的方面就是如何处理现场得到信息，并如何有效的利 用这些信息反馈到设计、施工中去，有效的指导现场施工。当自订监测所得数据不 能很好的收集、分析、反馈、归档，很多施工单位不重视该项工程，对此只进行 简单的处理，报告中的图表也是血花八门，不能形成统一的格式，这给后来指导 动态施工也带来困难。施工单位对监测的资料的管理也没有系统的软件，一般只 采用o m c e 办公软件，对监测的数据分析也采用o 衔c e 办公软件，冈而不能充分 展现监测信息的内涵，因此，在这种背景下，很有必要丌发一套用于监测数据管 理、分析、反馈的系统，用于指导施工。 1 _ 1 2 选题的目的和意义 现场监测使得目前采用的设计方法有了很大的改变，将过去截然分开的施工 和设计两个阶段融为一体，构成一个完整的设计过程。它不仅仅包括施工前的没 计，还包括施工过程中的设计p 1 。信息化设计就是通过对隧道丌挖过程中所采集到 的反映围岩和支护结构力学行为的信息，对围岩的稳定状态和支护系统的可靠性 进行判断和预测用于论证和调整预设计所确定的支护参数和施工方法一1 。它的关键 环节，是在确保精度的日订提下对施工数据的观测与分析，以及如何迅速地对测量 数据进行处理并对施工管理进行反馈。 国内对公路隧道量测管理信息系统的研究主要还停留在单机版的量测成果数 据的分析和管理上，即应用s u a lb a s i c 或s u a lc 作为平台，以a c c e s s 或e x c d 作为数据库编制程序对围岩位移量测值进行回归分析，再将分析结果与规范对比， 以判断隧道的稳定性和安全性v 1 。这种方法的缺点是全部的数据处理在一台电脑上 操作，需要隧道监控人员精通所有的隧道专业知识或者由各专业人员轮流进行数 据处理。无论哪种方式，都会影响工作效率；单机系统是局部使用的，监控数据 也有限，不适合研究隧道变形规律；数据表的结构设计不太合理，导致查询功能 也做的不尽如人意。 现场监测数据作为新建隧道工程的宝贵的经验库，是仅仅作为一份竣工存档 资料，还是将所有资料集成到一个联网的管理系统，作为知识储备? 随着w 曲技术发展，专业化分工、集中式管理已被越来越多的人所接受。量 2 测数据管理系统从单机操作走向协同作业已经成为量测技术发展的一种新趋势和 方向。隧道监测是隧道监控的“先遣部队5 ；锋健萋蕊瑚笺蚕霉 矗删积謦雕塑贡 智孙薄鹩醛# 蠹旨荡能耀耀。苍给接鳓羹弼咏谢稻割副餐些蠢丽隆疽蒂稍型爱 蠢刁甜1 谨洎塔磁儇酾f l _ 笮幽烈烈薹蟛i 雾蟹；黝恻吼不囊箭彝- f - 勘鞘基 爱鋈磊；冀蚕鳃塑雾满麓私畦裂般孤墅霎孺猫溜；恙鍪目震筛碰矽和活性、自由膨胀率( 见表2 4 ) ；物理化学性质及粘土矿物指标有c a c 0 3 含量、有效蒙脱石含量、比表面积、粘土矿物相对含量、混层比、阳离子交换量、 交换阳离子成分和盐基总量( 见表2 5 ) 。 表2 2 四塘下第三系膨胀性风化泥岩基本性质测试结果 土 样 位 置 m 含 水 率 容 重 干 容 重 g c m 3 空 隙 度 孔 隙 比 饱 和 度 1 3 研究思路和内容 1 3 1 研究思路 由目前研究现状可知，国内的数据分析系统已经有较为完善的开发，本系统 主要针对目前系统需要且可以改善的地方做了研究，主要有： ( 1 ) 国内的软件基本上都是开发的单机使用的软件。这种系统需要在每个使用 者的电脑上安装软件，也即是说”一机一系统”。对于一个大规模的隧道监控项目来 说，往往会涉及到多条隧道的监控，如果由一个工作人员做全部的数据分析工作 不太现实；单机的数据量有限，也不利于进行经验的总结；单机软件升级维护也 比较麻烦。 ( 2 ) 数据的组织方式不合理。由国内研究现状可知，目前丌发使用的数据库分 为两类：e x c e l 表和a c c e s s 数据库。 e x c e l 表的数据查洵功能非常有限，并且单个e x c e l 的w 6 r k s h e e t s 数目也有上 限要求，存储量极为有限。 a c c e s s 作为数据库是合适的，主要问题是数据表设计不合理。国内许多丌发 系统是将一个隧道监控项目作为一个独立结构，其中包括各个试验项目数据。然 每个隧道的监测各个试验方法和数据存储结构是相同，完全可以把数据结构调整 为按试验项目来划分，这样有利于总结各个试验数据。 ( 3 ) 数据分析模型有限。目前大多数系统开发在回归分析模型上没太多改进， 主要表现在：回归模型均为可转化为线性回归的非线性回归模型。对于复杂的变 形，研究采用灵活性更强的非线性模型是有必要的。 本文将从隧道监测理沦出发，楸扔：监测数据的海量特点，借鉴围内外有关研 究成果，结合计算机软件工程技术，运用数据库技术和n e t 技术，对监测数据进 行分析，设计了一套基于互联网的开放式隧道施工监测数据管理与分析系统。该 系统以隧道现场监测数据为基础，依据公路隧道相关设计、施工技术规范、设计 了回归分析模型，对实测数据分析和预测，获得监测的预警值和变形预测，并将 分析结果通过互联网实时对业主、施工方以及其它标段的隧道监测人员发布p 川。 1 3 2 主要研究内容 本研究主要对公路隧道量测情况进行数据采集和整理，以隧道施工过程中各 种量测项目数据的预警方法和分析方法为基础，建立隧道监测管理和分析系统。 本系统构建以下几个子模块：登陆模块、系统功能模块和数据维护模块。论文系 统地研究了各种量测项目的数据组织方式，利用n e t 技术，设计和实现数据库r 常管理、数据访问和安全设计，运用w 曲技术对量测数据库进行管理和分析，实 。现数据共享，使量测信息能够及时分析和反馈给有关各方。主要研究内容包括： 6 ( 1 ) 隧道监测系统的架构设计。 针对当6 订隧道监控软件基本上都是丌发的单机版软件现状，本文采用 b s ( b r o w 州s e r v e r ) 丌发架构，研究种可以通过互联网连接的分御式管理系统， 将各监控段的量测数据统一到平台下，为新建隧道工程研究变形规律提供更丰富 的类比经验。 ( 2 ) 隧道监测数据特征分析及其数据库的设计。 本文将对各种试验数据进行了分析，设计通用性较好的数掘裹。数据表的设 计力求满足监测人员的习惯，并且尽量不遗漏监控信息、在关联查询时不存在冗 余数据项。 3 ) 隧道监控的交形预警模块、回归分析、预测研究分析并进行模块设计。 本文将结合隧道施工监控需要分析研究监测数据统计分析方法，根据公路 隧道施工技术规范口引，设计二级预警模块，对隧道危险程度定量分析并向业主、 施工单位犷报，为隧道施t 安全保驾护航。 f ，l 归分析模块结合f 1i 讨通j 】的非线性模璎，增加2 种曲率变化敏感的非线性 模型，设计了自动模式和交互模式模块来选择最优化拟合模型，进行最终沉降时 问和累计沉降量的预测。 3 个月 l 净空收敛 l 2 次大l 玖大l 一2 次周l 2 次月 2同岩压力卜2 次人1 次大l 2 次周卜2 次月 3钢支撑内力l 2 次大1 次大1 2 次周l 一2 次月 4 锚朴繇l 力1 2 次人 次f 人l 2 次，躅 2 次玛 5一一：于 芘凝f 越力1 一一2 次人1 次犬l 2 次川卜2 次，j 6二衬j 昆凝十应变l 2 次大1 次犬1 2 次周卜2 次月 7 二衬钢支撑内力 1 2 次大1 次大l 2 次剧卜2 次月 现场数掘采集 表格记录 纸质档案存档 图2 3 数据处理流程幽 1 2 2 2 系统实现技术 2 21 开发模式 奉系统玎发采j 日b s 结构模式进行丌发。所诮b s 结构，丑b r o w s e “s e “e r ( 浏 览器删k 务器) 结构，是随着i m e m e t 技术的必起，对c s 结构的一种变化或者拽进 的结构。在这种结构下，用户界面完全通过w w w 浏览器蛮现，一部分事务逻辑 在前端实现，但是主要事务逻辑在服务器端实现，形成所谓3 - t i e r 结构。b s 结构， ：要是利川了小断成熟的w w w 浏览器技术，结台浏览器的多种s c r i p t 语占 r v b s c r i p t 、j a v a s c r i p t ) 和a c t i v e x 技术，用通h l 浏览器就实现了原来需耍复杂专斤j 软件爿能实现的强大功能，并节约了丌发j 垃奉，是种全新的软件系统构造技术。 随着w i n d o w s9 8 a v i n d o w sx p 将浏览器技术植八操作系统内部，这种结构更成为 当成用软件的首选体系结构。显然b s 站构应片j 程序相对于传统的c s 结构应 j i j 程序将址臣大的进步。 b s 结构采j j 星形拓扑结构建立企业内部通信网络或利片ji n t e m e t 虚拟专刚 ( v p n ) 。前者的特点是安全、快捷、准确。后者则具有节省投资、跨地域广的优 点。须视企业规模和地理分巾确定。企业内部通过胁火墙接入i n t e r n e t ，再整个h 络采用t c p i p 协议。网络结构如卜图所示： 盈| 轳m 瘟 客户栅 i 口 q ：i 筹器 凰 岛喜户” 菩p # u 吲2 4 典删的b s 结构的系统 与传统的c s 相比，b s 结构的系统有明显的优辫 1 数据安全性比较。由于c s 结构软件的数据分砸，特性，客户端所发生的火 灾、盗抢、地震、病毒、黑客等部成了r 怕的数据杀手。另外，对千集团级的异 地软件应用，c s 结构的软件必须在各地安装多个服务器并在多个服务器之间进 行数据同步。如此一束，每个数据点上的数据安全都影响了整个应用的数掘安全。 所以，对于集团级的大型应用来讲，c s 结构软件的安全性是令人无法接受的。对 于b s 结构的软件来讲，由于其数据集中存放于总部的数据库服务器，客户端不 保存任何业务数掘和数据库连接信息，也无需进行什么数据同步，所以这些安全 问题也就自然不存在了。 2 数据一致性比较。在c s 结构软件的解决方案罩，对于异地经营的大型集 团都采用各地安装区域级服务器，然后再进行数据同步的模式。这些服务器每天 必须同步完毕之后，总部才可得到最终的数据。出于局部网络故障造成个别数据 库不能同步不说，即使同步上来，各服务器也不是一个时点上的数据，数掘永远 无法一致，不能用于决策。对于b s 结构的软件来讲，其数据是集中存放的，客 户端发生的每一笔业务单据都直接进入到中央数据库，不存在数据一致性的问题。 3 数据实时性比较。在集团级应用罩，c s 结构不可能随时随地看到当前业 务的发生情况，看到的都是事后数据；而b s 结构则不同，它可以实时看到当f i i 发生的所有业务，方便了快速决策，有效地避免了企业损失。 4 数据溯源性比较。由于b s 结构的数据是集中存放的，所以总公司可以直 接追溯到各级分支机构( 分公司、门店) 的原始业务单据，也就是说看到的结果 可溯源。火部分c s 结卡勾的软件则不同，为了减少数据通信量，仅仅上传中1 1 日j 报 表数据，在总部不可能查到各分支机构( 分公司、门店) 的原始单据。 5 服务响应及时性比较。企业的业务流程、业务模式不是一成不变的，随着 企业不断发展，必然会不断调整。软件供应商提供的软件也不是完美无缺的，所 以，对已经部署的软件产品进行维护、升级是正常的。c s 结构软件，由于其应用 是分布的，需要对每一个使用节点进行程序安装，所以，即使非常小的程序缺陷 都需要很长的重新部署时问，重新部署时，为了保证各程序版本的一致性，必须 暂停一切业务进行更新( 即“休克更新”) ，其服务响应时问基本不可忍受。而b s 结构的软件不同，其应用都集中于总部服务器e ，各应用结点并没有任何程序， 一个地力史新则全部应片j 稚序巫新，j 以做剑快速服务响应。 6 刚络应用限制比较。c s 结构软件仅适用于局域纠内部用户或宽带用，- ( 1 兆以上) ；而我们的b s 结构软件可以适用于任何网络结构( 包括3 3 6 k 拨号入网 方式) ，特别适于宽带不能到达的地方( 例如迪信通集团的某些分公司，仅靠电话 上网即可正常使用软件系统) 。 2 2 2 开发平台 本系统设计采用了m i c r o s o f tv i s u a ls t u d i o n e t ( 简称v s n e t ) 软件平台。 v s n e t 是美国微软公司的丌发工具套件系列产品，它是一个基本完整的开发工具 集，它包括了整个软件生命周期中所需要的大部分工具，如u m l 工具、代码管控 工具、集成丌发环境等等。v i s u a ls t u d i o 包含基于组件的丌发工具( 如v i s u a lc 撑、 v i s u a lj 群、v i s u a lb a s i c 和v i s u a lc + 十) ，以及许多用于简化基于小组的解决方案的 设计、开发和部署的其他技术。v s n e t 是用于快速生成企业级a s p n e tw e b 应 用程序和高性能桌面应用程序的工具。同时，v s n e t 能够通过a d o n e t 将数据 1 4 库纳入到解决方案，与a s p n e t 一起做到b s 架构的无缝连接。 业 施 aa 【e 机s隧道施d | 正式预报) 1 0 0 2 0 0 0 0 5 0 9 l 0 0 7 6 3 l0 1 0 9 2 l 0 1 6 3 8 l 2 0 0 3 0 00 0 7 0 9 l 0 1 0 6 3 lo 1 2 4 9 l o 1 8 7 3 l 3 0 0 - 5 0 00 1 1 1 5 l 0 1 6 7 3 l 0 1 8 9 7 l0 2 8 4 5 l 5 00 0 2 3 2 lo 0 3 4 8 l0 0 7 4 9 l0 ，1 1 2 4 l 5 0 v l o o0 0 3 5 l lo 0 5 2 7 lo 1 1 2 0 lo 1 6 8 l 1 0 0 2 0 00 0 9 3 8 l0 1 4 0 7 l0 2 4 3 5 l0 3 6 5 3 l 2 0 0 3 0 00 13 2 4 l0 ，1 9 8 6 l0 3 9 5 7 l0 5 9 3 5 l 3 0 0 5 0 00 1 9 4 7 l0 2 9 2 lo 7 1 5 3 ll 。0 7 2 9 l 5 0o 0 4 5 7 l0 0 6 8 5 l0 1 0 4 9 l0 1 5 7 3 l 5 0 - 1 0 0o 0 7 6 9 l0 1 1 5 3 l0 1 5 0 0 l0 2 2 5 l v 1 0 0 2 0 00 1 6 6 7 l0 2 5 0 l l0 3 2 3 3 l0 4 8 4 9 l 2 0 0 3 0 00 2 5 6 8 l0 3 8 5 2 l0 5 2 8 3 lo 7 9 2 4 l 3 0 0 5 0 00 3 4 7 2 lo 5 2 0 8 l1 0 0 4 6 l1 5 0 6 9 l ( l3 j i j l 脚洲线艮度，单f 移：m m ) 表3 4 两乍道公路隧道隔岩拱顶沉衔臻准值控制表( m m ) 围岩 硬岩软岩 级别 埋深( m )警戒值危险值警戒值危险值 ( 初步预报)( 正式预报)( 初步预报)正式预报) 5 00 0 0 4 l h0 0 0 6 l h0 0 0 6 1 h0 0 0 9 2 h 5 0 - 1 0 00 0 0 8 5 ho 0 1 2 8 ho 0 1 3 l ho ，0 1 9 6 h i i1 0 0 2 0 0o 0 1 7 5 h0 0 2 6 3 h0 0 2 6 8 h0 0 4 0 2 h 2 0 0 - 3 0 00 0 2 6 3 ho 0 3 9 4 h0 0 4 0 9 h0 0 6 1 4 h 3 0 0 - 5 0 00 0 3 6 8 h0 0 5 5 2 h0 0 8 0 3 h0 1 2 0 5 h 5 00 0 0 5 4 h0 0 0 8 l h0 0 7 5 l h0 0 8 7 2 h 5 0 l o oo 。0 2 1 9 ho ，0 3 8 4 h0 0 4 4 3 ho 1 7 3 9 h i1 0 0 2 0 00 0 4 3 5 h0 0 6 4 9 h0 0 9 0 6 ho 2 1 2 0 h 2 0 0 3 0 00 d 5 9 4 h0 0 8 3 2 h0 1 3 8 l h0 2 4 8 6 h 3 0 0 - - 5 0 00 ，0 8 3 5 h0 1 2 5 2 h0 2 4 0 l h 0 3 6 0 l h 5 0 0 0 1 0 2 h o 0 1 5 3 h 0 0 8 1 5 h0 1 2 2 3 h 5 0 1 0 00 0 4 2 9 h0 0 6 4 4 ho 1 5 5 0 h0 2 3 2 5 h 1 0 0 ，2 0 00 1 0 3 5 h0 1 5 5 2 h0 3 1 6 9 h0 4 7 5 4 h 2 0 0 3 0 0o 1 2 9 5 ho 1 9 4 3 h0 4 8 4 0 h0 7 2 6 0 h 3 0 0 - 5 0 0o 1 8 1 8 h0 2 7 2 7 h0 ，7 4 3 2 h1 1 1 4 8 h 5 00 0 4 4 5 h0 0 6 6 8 h0 1 2 8 0 h o 1 9 2 0 h 5 0 l o o0 ，0 7 8 7 h0 “8 l ho 1 5 l7 l0 2 2 7 6 h v 1 0 0 2 0 0o 1 6 1 5 h0 2 4 2 2 ho 3 2 1 5 h0 4 8 2 2 h 2 0 0 3 0 00 ，2 4 7 l h0 3 7 0 7 h0 5 3 8 3 h0 8 0 7 4 h 3 0 0 一5 0 00 3 3 3 l h0 4 9 9 7 ho 9 1 5 9 hi 3 7 3 8 h ( h 为隧道高度初衬状态下- 拱项至仰拱的距离，单位：l l l n l ) 3 5 回归分析和预测模块设计 由于量测误差所造成的离散性，按实测数据所绘制的位移等物理量随时间或 空间变化的散点图上下波动，很不规则，难以用来分析。需要采用数学处理的方 法，将实测数据整理成试验曲线或经验公式。以确认量测结果的可靠程度，获得 围岩变形、支护受力等随时间、空问变化的规律，以及在工程中信息化指导设计 施工，本文拟采用回归分析处理数据，通过对量测数据回归分析预测变形最终值 和各阶段的位移速率的趋势。从3 年的隧道监控数据分析中，归纳了4 种常见的 变形规律。借用m a t l a b 工具箱，对一些常用的回归模型进行了测试，针对这四种 形式的变形规律设计了多类非线性回归模型。 3 5 1 常规分析模型 逐渐平缓型的模型是目前隧道监测最常用的回归模型，主要有：y = 、 a + o x y = a xe 一、y = a + b l n ( 1 + 神等，变化趋势都类似如图3 3 所示。这三种非线性模 型都能线性化，无需赋初值就可以用线性最d x - “ 乘法获得回归系数。本系统回归 分析采用残差平方和最小为条件选择最佳拟合曲线，编制自动优选模式，流程如 图3 4 所示。 图3 3 逐渐平缓刑模型样图 输入数据 y = x ( a + b x ) y = a + b 1 n ( 1 + x ) y = a e x p ( 一b x ) 确定模型 3 。5 2 “厂“ 字型模型 图3 4 自动选择模删方式流群幽 在两年多的监测数掂处理中发现，“厂”字犁变形趋势f 现频率较高。这个模型参 考了o n 酉0 软件的凹归内置涵数y = 口x ( 1 一p 咏) ，该模型的系数a 、b 能控制x ，y 的缩放，x y 对应了监测的变形稳定时i 日j 和累计变形量。可以这样定性的描述a ，b - a 是对累计下沉量的缩放，影响下沉速率和累计下沉量；b 是对天数的缩放，可以 影响累计下沉天数。用高等数学方法可以证明这是一个收敛函数，在实际处理数 据也发现，该函数前期变化激烈，后期变化平缓，很适合做“厂”字型变化趋势 的处理。 图3 5 “厂”字帮模慢样图 现在以监控断面z k l 5 + 5 2 0 正中拱顶下沉数掘为例比较该模型与前述模型的 差异。其原始监控数据表3 5 所示。 表3 5 原始监控数制 天数l23 幕计值( m 神l 006 lo 5 天数l i 1 2 13 累计值( 珊) l23 【27 25 天数2 4 2 7 3 i 累计值( 衄) f28 303 1 天数 5 7 6 26 5 累计值h m ) 34 】36 3 8 使用牛顿一高斯迭代法【! i 归计算 ，= 口x ( 1 一口一“) ! ：! i ! ! 也! l ! ：i i ! ! i ：! l 获得时盎变化曲线如吲36 所示 幽36 _ 二种曲线棋刑的比较 丧3 6 _ 二种拟台方式比较 1 衷叫见，j 线r 摸哩y 圳( i 一“) m 处耻“j 一口数州 韭一： 。“ m 匹i 归哒代次数方向，如杖胃十u 用的终i i 条件为棚邻凡数内下沉齄小j 。o0 7 i i f ， y = a x f l 一七1 在1 0 0 次内就能终止，与实际需要监控时日j 比较敛：而后阿种线 性模型均在4 0 0 次以上，周期较眭，并且在实际监控停止的时间区削 j 4 还出现明 显的增长趋势。说明y = 。( 1 一p 由) 在“厂”字型变形规律预测上能搬好的与实际 情况吻合。 353 “s ”型模型 在试验数据处理中，偶尔会出现呈现“s ”型增长的曲线，这一类型曲线的特 征是：在刚丌始围岩速度较小，不过很快田岩变形速率加快，后来随着时口j 的推 移，围岩变形速率逐渐减慢摄后趋于稳定。此类一般为受地表水或地下水影响的 破碎围岩或角砾岩地段，在隧道jr 挖扔期，由于支护采用了强支护，变形较小， 但当受雨季雨水量影响，变形量迅速增加，当与设计强度够大，变形在一段快速 瓣 增长后由于支护提供强有力的支护抗力而趋缓直至稳定而形成“s ”，但是如果此 时没有即使采取有力措施，会呈现出“j ”型增长。本系统的“s ”型模型采用了 物种学上常用的l o g i s t i c 模型，该模型具有“s ”型和“j ，型变形趋势两种特征。 物种学对该回归模型做了如下描述： 虽然物种具有巨大的增长潜力，但在自然界中，种群却不能无限制地增长。 因为随着种群数量的增长，环境的制约因素的作用也在增大，环境中制约种群增 长的因素称为环境阻力。它包括同种个体之问对食物和空问的竞争加剧、疾病蔓 延、捕食者因捕食对象的增多而增多等，从而导致残废率增长、出生率降低，最 终趋向平衡。因此，在自然环境中，种群的增长曲线是一个“s ”型曲线( 也称为 逻辑斯蒂曲线) t a 3 l 。 种群数量 环境阻力 种 群 数 量 时间 时间 圈a嚣b 图3 7l o g i s t i c 曲线原始定义 物种学认为种群达到环境所能负担的最大值，称为环境的满载量或负载能力， 用“k ”表示( 如图3 7 a ) 。那么，种群为什么不能无限增长丽保持在相对稳定的 水平? 根据对很多生物种群在有限食物和有限空| 日j 条件下数量动态的研究，种群 神：丌始h 于增长比较缓慢，以后逐渐加快，当种掰数嚣达剑环境所允诈：的最人数请 的一半时，增长速度最快，但是种群所需要的资增长曲线源( 食物、空i u j 等) 是 有限的，随着资源的桔竭，环境阻力将随着种群的增长向成j e 比例增加，利，群增 长速度逐渐缓慢下来，直到停止增长，此外，种群内部的相互关系和其他一些环 境因素，如气候、食物、空问、营巢地、天敌、疾病、种问竞争等环境阻力都会 抑制种群数量无限增长。当种群增加到“k ”值，会因为食物不足、空间有限、天 敌增加等因素而使种群数量逐渐降低，降到基准线以下，又会因空白j 、食物的充 裕而数量上升，所以，种群的数量会在一定范围内( 基准线上下) 波动，保持在 个相对恒定的水平上( 如图3 7 b ) 。 模型形式为：y ( 力= - ；( a ，b ，c 待定) ( 3 1 ) j + d p 在研究地表下沉时往往也会遇到类似情况。地表下沉般规定在地表4 5 。延 伸到隧道底部属于监控的区间范围。起初一段时间空间范围内，对地表所在断面 的扰动往往较弱，下沉变形缓慢；随着距离掌子面越来越近，围岩的扰动也会慢 慢变强，到地表下沉正下方掌子面围岩的扰动往往会达到最激烈，表现出来的就 是地表下沉曲线有激增趋势，此后，随着距离增大，扰动变小，直至回到围岩自 稳状态，沉降完_ 全山幽岩本身状态控制。如果把叫、境的满找量或负载能力0 片j 过 柬那么可以认为岩本身的由自稳能力导敛的变形视为“a ”值：学r 面位置视 为最激烈变形特征点，即b 值；将影响隧道r 挖速度系数作为c 值，u 】作为模拟 隧道时空变形的参考。 l o g i s t i c 州归曲线古柏3 个待求系数，采用非线性回归需要首先确定例始值，如粜 初值选择不当r q 能导致无法收敛。因此，需要确定一个合理的初值耿值区洲。其 中a = 1 i m _ ；j ，根据隧道监控其他断面鬃| 十变形最大值取值，例如坡头隧道 拱顶f 沉般累讣沉降值在f 1 0 m m 5 0 r a m ：6 2 看苦h c o n 354 似台阶型数据处理 这类型线cj l 始叫7 变彤速率较快，扁术随哲【忖川的推移措娈肜逑 车逐渐减陛，超r 稳定，受f 台阶”挖的影响，刚岩，史形述率重新加快，最后碴 着时间的推移，刚岩变形逐渐减慢1 目岩变形趋向稳定，此类曲线般为受施上 方法而产生的曲线形状，均速度较大者。般发生在v 绒围岩地段，均速度较小者 发乍在i v 、i i l 围岩地段般监测1 5 天就可判断其稳定程度艘趋势r 对某一个施工 过程而言) ，如图38 所示。 拱砸下沉+ 木平收敛记录表 墟头麓遘z k l 5 + 4 3 6 变化趋势图 扯一二：耥 酗3 8 似台阶小数据 山于导致隧道丌挖后变形的偶然因素很多，这种曲线出现拐点的位置比较随 机，而且散台阶数目多余2 个，用个模型束描述全阶段变化不会有很好的拟 合效果，系统在处理本类数据时，一般按各拐点为分界点，组成独立的时问区问 柬拟台局部曲线。 3 55 回归模型的选择 本文在回归模型的选择上使用娃差平方和作为比选标准，在回归数据序列内 残差平方和最小的回归模型即为是优化回归模型。 残差平方和概念：为了明确解释变量和随机误差各产生的效应是多少，统计 学上把数据点与它在回归直线上相应位置的差异称残差，把每个残差的平方后加 起来称