地铁隧道结构变形监测的特殊性、周期性和长期性,使其信息量非常庞大。信息管理是地铁隧道结构变形监测中一项重要的工作,现有的管理方式效率很低。为了高效、准确地管理监测信息,及时分析预报地铁隧道结构的稳定状况,本文结合南京地铁运营期隧道结构变形监测实例,开发了一套具有变形监测资料存储、预处理、管理分析、可视化分析、预测预报及限值预警等功能的信息管理系统,保证了准确及时快速的数据处理和信息反馈,具有良好的运用和推广前景。
关键词 地铁隧道 变形监测 信息管理系统
 1 引 言
  随着经济的发展,越来越多的城市开始兴建地铁工程。地铁隧道建造在地质复杂、道路狭窄、地下管线密集、交通繁忙的闹市中心,其安全问题不容忽视。无论在施工期还是在运营期都要对其结构进行变形监测,以确保主体结构和周边环境安全。
  地铁隧道是一狭长的线状地下建构筑物,监测点数量比较大,其周期性和长期性,使数据量非常庞大。面对这些繁杂而又庞大的数据能否管理利用好,关系到监测隧道结构变形和预测预报结构变形工作能否实现和实现的质量。为此,如何有效地管理原始信息,并进行相应的处理显得尤为重要。目前多数监测信息的管理和应用存在不直观、不及时、自动化程度较低等缺点[1,2],根据地铁隧道结构自身特点研制一套高效率的、使用方便的监测信息管理系统是必要的,它与变形监测一样具有重要的实用意义和科学意义。
2 系统设计思想
  以地铁隧道结构变形监测信息为管理对象,根据地铁隧道结构变形监测的实际情况,综合运用监测数据处理分析技术、数据库技术和信息管理技术,实现对地铁隧道结构变形信息的存储、预处理、管理分析、可视化分析监测信息、预测预报及限值预警,为结构分析提供数据资源,以及时反馈地铁隧道结构安全状况,使安全监测管理人员更为方便和高效的管理监测信息,为确保地铁隧道结构的安全运行提供有效的决策支持。地铁隧道结构变形监测数据管理系统主要应满足如下要求:
  1.1 提高地铁隧道结构变形监测数据处理分析与
  管理的科学化和自动化水平,满足辅助决策需求
  1.2 构建地铁隧道结构变形监测信息管理基础平台
  1.3 为后期自动化监测的开展及安全监测专家系统的建立提供基础。
  3 系统功能
  地铁隧道结构变形监测信息管理系统包括文档管理、数据预处理、数据库管理、监测数据分析、信息预警预报和系统管理六大模块,内容不仅涵盖了相关技术规范的所有要求,而且具有地铁隧道自身的特点,全面、标准、专业,有良好的应用前景。
  3.1 文档管理模块
  3.1.1 变形监测资料
  地铁隧道结构变形监测根据地铁隧道结构设计、国家相关规范和类似工程的变形监测以及当前地铁所处阶段来确定,主要内容包括[3]:垂直位移监测(区间隧道沉降监测和隧道与地下车站沉降差异监测);水平位移监测(区间隧道水平位移监测和隧道相对地下车站水平位移监测);隧道断面收敛变形监测等。
  对于不同的地铁隧道结构变形监测项目内容,所用监测方法和仪器也不相同。通常,对于隧道垂直位移和水平位移监测,可通过大地测量或者自动化测量的方法利用精密水准仪、精密全站仪或智能全站仪进行;而对于隧道断面收敛变形监测,则要通过物理量测的方法利用收敛仪(计)进行。
  变形监测资料包括历次变形监测的原始数据,监测报告及鉴定报告等。
  3.1.2 工程概况资料
  工程概况资料主要有工程概况、工程特性参数、重要技术资料和安全监测系统档案等。
  (1)工程概况:包括地铁地理位置,车站布置,沿线主要建筑物概况,工程地质与水文地质条件,结构特性、施工情况等。
  (2)重要技术资料:主要结构设计文件、图纸,运行设计报告,竣工验收报告,隧道加固改建或观测更新改造专题报告,重要工程图形和图像。
  (3)变形监测系统档案:主要包括监测仪器运行、维护和历次检查、鉴定记录及报告。
  (4)其他资料:主要包括水文、气象和地震资料等。
  3.1.3 巡检资料
  包括对隧道结构的各个部位和断面的渗漏、变形和裂缝等的日常巡查记录表,隧道安全情况和隧道重大事故报告等。
  3.2 数据预处理模块
  通过不同的方式导入原始监测资料,并对其进行粗差检验,若有粗差则提示警告,以便查找原因返工重测,然后再进行初步处理分析。对基准点和工作基点的稳定性进行检验,不同的稳定性检验结果决定平差方法的选取。最后对所得监测结果进行整理,存储至相关数据库。
  3.2.1 数据导入
  目前嵌入式操作系统发展特别迅速,根据监测手段和方式不同,用户可以通过系统的接口程序实现系统和观测电子手簿直接相连,自动导入或手工导入。
  3.2.2 粗差检验
  依据相关规范规程应用相应检验粗差的方法对其进行检验,若有粗差则给出提示警告和可能原因,以便查找原因返工重测;若没有粗差则提示检验通过,可进行下一步处理计算。
  3.2.3 稳定性检验
  通过对监测资料的计算分析,应用统计方法(F检验和t检验)对基准点和工作基点的稳定性状况进行分析,为平差计算采用何种平差方法提供依据。
  3.2.4 平差计算
  根据基准点及工作基点稳定性检验结果,对变形监测网相应的选用经典平差、拟稳平差或自由网平差;如果监测资料(如隧道收敛变形监测资料等) 无需平差计算的则直接进行相关成果计算。
3.2.5 资料整理入库
  根据前述各部分处理计算所得结果,对所得监测成果以及检验结果进行整理和存储入库。此外,可根据需要对相关监测属性信息进行相关编辑、修改,然后再整理入库。
  3.3 数据库管理模块
  对数据库相关数据进行查询、添加录入、修改和删除,同时可根据需要进行数据报表生成输出。
  3.3.1 数据查询
  根据不同监测项目特点,采用不同的查询方式对测点的属性信息和监测成果进行条件查询和遍历查询,并可根据需要将查询结果以不同的方式输出。
  3.3.2 数据录入添加
  根据实际需要对测点属性数据和监测单位所提供的直接成果数据进行录入添加,同时可对属性数据信息进行编辑、修改添加。
  3.3.3 数据修改
  考虑到操作的规范性,系统只允许对监测点属性进行修改。通过查询所要修改的监测点,对其属性信息进行修改,同时可以动态显示数据库中的监测点属性信息,方便用户及时看到修改结果。
  3.3.4 数据删除
  与数据修改功能相似,通过对数据信息查询后再进行删除,删除前须经确认,然后才能操作,确保准确无误。
  3.3.5 报表生成
  可根据用户需要,查询相关监测信息,然后以相关的报表形式输出监测信息。
  3.4 监测数据分析模块
  通过应用不同的数据分析方法和方式对各种监测数据进行处理分析,分析过程和方式采用表格和曲线图形方式进行。
  3.4.1 监测点稳定性分析
  应用相关稳定性分析方法及指标,结合监测现场实际,对不同类型监测点稳定性进行分析评判。
  3.4.2 可视化分析
  针对监测信息反馈分析的需要,提供可视化的变形监测图形报表,辅助测点稳定性分析评判,以便使用者更直观具体地了解隧道结构整体变形趋势。
  以南京地铁西延线垂直位移监测为例,除提供每期沉降量曲线图、沉降速率曲线图、挠度曲线图、相对挠度曲线图外,还可提供任意两期累积沉降量、累积沉降速率、挠度及相对挠度的对比曲线图。
  3.5 信息预警预报模块
  仅仅将监测的信息录入系统中是不够的,还要根据稳定性分析以及前n期的监测成果模拟监测点的变形曲线,并结合相关资料预报今后的变化趋势。由于影响变形体的因素错综复杂,考虑到系统的通用性,模块提供了回归分析、灰色系统、kalman滤波等传统的模型供选择。
  根据系统给出的限值进行预警,提供相关区间段的工程图纸及地质、水文气象资料,便于隧道结构变形情况的进一步分析。
  3.6 系统管理模块
  为保证系统的安全,系统运行和数据操作过程中都不能出现任何差错,必须对系统进行有效的管理,这主要是指对系统用户的管理及日常使用日志的管理。
  3.6.1 系统用户管理
  为保证监测信息的完整性、正确性和安全性,必须对系统的用户进行有效的管理。用户登录系统的过程必须在系统日志中进行登记,包括用户名、登录时间、对系统的操作过程以及在系统中滞留的时间等。系统管理员定期将系统的用户使用情况向主管领导汇报。在征得主管领导的同意后,系统管理员可以根据实际情况添加用户或提升、降低某些用户的用户使用级别,必要时可以禁止某些用户的使用权力。系统用户管理包括系统用户登录管理和用户权限管理两个部分。