一种基于表贴应变元件的隧道结构长期健康监测方法

1.本发明涉及结构健康监测领域，更具体地说，涉及一种基于表贴应变元件的隧道结构长期健康监测方法。


背景技术：

2.盾构法在当今隧道修建方法中占有重要的地位，特别是在城市地铁、综合管廊及大型水下隧道等工程中，随着国内隧道的快速发展，盾构隧道的数量在持续增长，然而根据2000年铁道部对5200余座全长超过2500km以上的运营隧道进行病害调研的结果，全国60％的运营中的铁路隧道存在着不同程度、不同类型的病害，有些隧道的病害已经相当严重，危及行车安全，如何监测隧道结构长期健康及时发现病害是隧道运营养护的关键；
3.随着传感器技术、数据传输技术、计算机软硬件技术，信号分析技术、人工智能技术等的迅速发展，在隧道工程领域中建立基于计算机的能够自动、连续甚至实时监测的、具有高性能价格比的远程监控系统成为可能，近年来，基于应力应变监测的隧道结构健康监测系统由于其显著的优势逐渐被工程中所运用，首先，应力监测传感器直接埋植于结构内或围岩与结构之间，能直接、快速反映围岩、结构的力学变化特征，便于做出准确的安全判别；
4.然而上述现有的结构健康监测方案存在如下缺陷：
5.1、随着运营时间的增长直接与外部围岩接触的水压力、土压力等传感元件容易损坏或者发生数据偏差，此外埋设在结构内的应力应变元件在长时间的使用后也难免出现损坏等问题，在这种情况下，将直接导致监测断面失去作用，也将影响监测系统对隧道段的判别导致更严重的后果，监测稳定性较差；
6.2、现有方法中对隧道断面的监测需埋入大量的监测元件，例如土压力盒、水压力计、结构应力应变计以及钢筋计等，监测一个断面所需的花费较高，对于长大隧道仅布置少量的监测断面，不异于管中窥豹很难全面的监测隧道安全；
7.当发生以上问题时，现阶段还没有合适的方法来解决，本专利提出了一种基于表贴应变元件的隧道结构长期健康监测方法。


技术实现要素：

8.1.要解决的技术问题
9.针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于表贴应变元件的隧道结构长期健康监测方法，它可以实现，通过采用局部应变监测结果，带入理论模型构建起了岩层环境管片外荷载与内力响应之间的相关关系，减少监测元件的使用，理论计算对比其他数据处理方式更便捷，同时反演结果也更加稳定。
10.2.技术方案
11.为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案。
12.一种基于表贴应变元件的隧道结构长期健康监测方法，包括以下步骤：
13.s1：建立简化的论荷载-结构分析模型，采用理论解析方法构建岩层环境隧道外荷载与结构内部响应之间的关系。
14.s2：获取水压、地层侧压力系数和结构参数；
15.s3：在隧道结构内部布设应变监测元件，实行结构长期监测；
16.s4：通过理论方法反演结构外荷载、内力响应以及位移变化信息。
17.进一步的，所述结构参数包括有工程地质条件、衬砌结构的设计参数、隧道断面尺寸和施工水平场地因素等内容。
18.进一步的，所述s1中荷载-结构分析模型的建立方法包括有以下步骤：
19.a1：假设管片结构为匀质圆环，考虑纵向接缝对结构刚度的折减，取刚度折减之后的结构弹性模量为e'＝ηe；
20.a2：假设隧道在纵向上无限长；
21.a3：假设隧道所处环境被岩土体包裹不存在空洞，隧道外部压力短期内不随时间变化；
22.a4：不考虑管片内部受到的设备荷载，仅考虑管片外部荷载。
23.进一步的，所述结构外荷载分为两组；
24.其中一组结构外荷载的计算公式为：t
θ
'＝0；
25.另一组结构外荷载的计算公式为：
26.进一步的，所述内力响应的计算公式为：
[0027][0028]
进一步的，所述位移变化的计算公式为：
[0029][0030]
3.有益效果
[0031]
相比于现有技术，本发明的优点在于：
[0032]
(1)本方案通过采用局部应变监测结果，代入理论模型构建起了岩层环境管片外荷载与内力响应之间的相关关系，理论计算对比其他数据处理方式更便捷，同时反演结果也更加稳定。
[0033]
(2)本方案通过增添结构内部应变监测元件增加监测断面，取代失效元件反演结构内力变化以及外荷载变化，实现长期监测管片结构健康状态的目的。
[0034]
(3)本方案可有效的减少监测元件的使用，监测的资金投入可大大减少。
[0035]
(4)相对于传统的监测方法，本方案提出的监测方法所用的元器件更少。通过监测结构内侧应变可以反演外部荷载、结构收敛变形以及结构内力状态等多种结构信息，信息
获取简单，信息量丰富。
附图说明
[0036]
图1为本发明未简化的受力模型示意图；
[0037]
图2为本发明简化后的受力模型示意图；
[0038]
图3为本发明外载荷的受力图；
[0039]
图4为本发明隧道结构的局部应力图。
具体实施方式
[0040]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0041]
本技术方案基于岩石环境，运用理论方法建立了隧道外荷载与应力应变响应之间的映射关系，通过对隧道内弧面应变监测即可反演隧道整体的受力变形状态，具体请参阅以下实施例；
[0042]
实施例：
[0043]
请参阅图1-4，一种基于表贴应变元件的隧道结构长期健康监测方法，包括以下步骤：
[0044]
步骤1：建立简化的论荷载-结构分析模型，采用理论解析方法构建岩层环境隧道外荷载与结构内部响应之间的关系。
[0045]
步骤2：获取水压、地层侧压力系数、结构参数等必要参数；
[0046]
所述结构参数包括有工程地质条件、衬砌结构的设计参数、隧道断面尺寸和施工水平场地因素等内容；
[0047]
在此，所述必要参数的获取方法为查阅区域内各隧道的地勘报告和设计说明。
[0048]
步骤3：在隧道结构内部布设应变监测元件，实行结构长期监测；
[0049]
步骤4：通过理论方法反演结构外荷载、内力响应以及位移变化等结构安全控制信息。
[0050]
其中，所述步骤1中荷载-结构分析模型的建立方法包括有以下步骤：
[0051]
a1：假设管片结构为匀质圆环，考虑纵向接缝对结构刚度的折减，取刚度折减之后的结构弹性模量为e'＝ηe(其中η为刚度折减系数)；
[0052]
a2：假设隧道在纵向(z方向)上无限长，不考虑长度方向的影响；
[0053]
a3：假设隧道所处环境被岩土体包裹不存在空洞，隧道外部压力短期内不随时间变化。根据实际工程设计判断，结构在监测期间处于弹性状态；
[0054]
a4：不考虑管片内部受到的设备荷载，仅考虑管片外部荷载。
[0055]
具体的，根据假设建立结构受力模型，模型示意图如下图1所示，结构受到上部覆土的土压力、侧向土压力，结构自重力以及在有水环境中还将受到周围地层中孔隙水压力作用。为便于模型的受力分析，首先将结构所受水压力qw拆解为环向水压力q
rw
以及水浮力q
fw
两部分，而后将水浮力与结构自重简化为管片外部受到的均布力，最后将结构自重与水
浮力合并简化为等效力，简化后的受力模型示意图可见图2所示。
[0056]
等效力q的计算公式如下：
[0057]
q＝πb2ρwg-π(b
2-a2)ρcg
ꢀꢀꢀ
式(1)
[0058]
其中等效力q为单位长度自重与水浮力的等效简化力；b为隧道外径；a为隧道内径；ρc为结构密度；ρw为水密度，g为重力加速度。
[0059]
根据现有的岩层荷载理论，埋深较大时可将围岩的侧向力按均布力简化考虑，侧向土压力q2与上部土压力q1的关系如下：
[0060]
q2＝λq1ꢀꢀꢀ
式(2)
[0061]
其中λ为侧压力系数。
[0062]
环向水压σ
rw
取管片顶部水头压力，计算公式如下：
[0063]
σ
rw
＝-ρwgh
t
ꢀꢀꢀ
式(3)
[0064]
其中h
t
为管片上部水头高度。
[0065]
简化后的模型为双轴对称，根据模型构建平面柱坐标系下的模型本构方程、几何方程、平衡方程以及变形相容方程如下eq.(4-7)所示：
[0066]
本构方程：
[0067]
几何方程：
[0068]
平衡方程：
[0069]
变形相容方程：
[0070]
利用上述公式进行求解，其具体如下：
[0071]
结构内表面不受外力，外表面上有σ
x
＝-q2＝-ξp；σy＝-(q1+q)＝-p；τ
xy
＝0以及环向水压力σ
rw
，(其中ξ＝λq1/(q1+q))由应力坐标变换公式可得边界上极坐标下的应力分量：
[0072][0073]
现在原问题转化为如下新问题：在外边界受径向面力和切向面力作用，其大小分别为和
[0074]
由此将外载荷分为两组，如图3所示：
[0075]
组(1)t'
θ
＝0
[0076]
组(2)
[0077]
由此可得两组载荷下的边界条件如下：
[0078][0079]
第一组面力对应的是边界上受均匀压力的问题，与角度参数θ无关，此问题的应力函数与应力分量的关系可表示为：
[0080][0081]
将式(9)中的边界条件带入式(11)式中求解，求解得到：
[0082][0083]
第二组面力应力函数与应力分量的关系为：
[0084][0085]
从式(10)的边界条件中可以判断，应力函数中含有cos2θ因子，且为r的函数，由此可假设应力函数的表达式为：
[0086][0087]
应力函数应满足相容方程，带入可得：
[0088][0089]
求解欧拉型常微分方程可得应力函数的表达式：
[0090][0091]
将应力函数式(16)带入式(13)式中联立可得：
[0092][0093]
带入边界条件求解得：
[0094][0095]
将两组受力结果相加即可以得到结构所受外力与应力之间的关系，如下式(19)所示。
[0096][0097]
式中a1、c1、a2、b2、c2、d2等参数可见eq.12and eq.18。
[0098]
结构应变可以通过将应力结果引入模型本构方程(4)来求解。结构应变和外部载荷之间的关系如方程(20)所示：
[0099][0100]
此时，建立了结构的外部载荷与内部应力和应变之间的分析关系。
[0101]
在结构中布置应变监测仪是最常见的健康监测手段。将应变测量值作为已知量，并使用等式(20)来反演未知量(是的函数)；然后得到整个结构的应力状态，结构的局部应力分布如图4所示。
[0102]
当r取为b时，σr为隧道的外部荷载。隧道截面弯矩和轴向力可以通过对周向应力σ
θ
进行积分来求解，计算公式如下：
[0103][0104]
式中m为反向计算的弯矩。n是反向计算的轴向力值，h是隧道段宽度。
[0105]
隧道截面剪力fs可以通过积分公式(19)中τ
rθ
进行求解，管片径向位移ur可根据应力计算结果带入本构方程式(4)与几何方程式(5)联立求解，计算得到的剪力、结构径向位移计算公式如下：
[0106][0107][0108]
综上，本技术方案采用局部应变监测结果，带入理论模型构建起了岩层环境管片外荷载与内力响应之间的相关关系，理论计算对比其他数据处理方式更便捷，同时反演结果也更加稳定，其提出的监测可以通过增添结构内部应变监测元件增加监测断面，取代失效元件反演结构内力变化以及外荷载变化，实现长期监测管片结构健康状态的目的，可有效的减少监测元件的使用，监测的资金投入可大大减少，相对于传统的监测方法，专利提出的监测方法所用的元器件更少，通过监测结构内侧应变可以反演外部荷载、结构收敛变形
以及结构内力状态等多种结构信息，信息获取简单，信息量丰富，其可适用于已经投入运用且未预埋监测元件的隧道。
[0109]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式；但本发明的保护范围并不局限于此。任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其改进构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围内。

技术特征：
1.一种基于表贴应变元件的隧道结构长期健康监测方法，其特征在于：包括以下步骤：s1：建立简化的论荷载-结构分析模型，采用理论解析方法构建岩层环境隧道外荷载与结构内部响应之间的关系。s2：获取水压、地层侧压力系数和结构参数；s3：在隧道结构内部布设应变监测元件，实行结构长期监测；s4：通过理论方法反演结构外荷载、内力响应以及位移变化信息。2.根据权利要求1所述的一种基于表贴应变元件的隧道结构长期健康监测方法，其特征在于：所述结构参数包括有工程地质条件、衬砌结构的设计参数、隧道断面尺寸和施工水平场地因素等内容。3.根据权利要求1所述的一种基于表贴应变元件的隧道结构长期健康监测方法，其特征在于：所述s1中荷载-结构分析模型的建立方法包括有以下步骤：a1：假设管片结构为匀质圆环，考虑纵向接缝对结构刚度的折减，取刚度折减之后的结构弹性模量为e'＝ηe；a2：假设隧道在纵向上无限长；a3：假设隧道所处环境被岩土体包裹不存在空洞，隧道外部压力短期内不随时间变化；a4：不考虑管片内部受到的设备荷载，仅考虑管片外部荷载。4.根据权利要求3所述的一种基于表贴应变元件的隧道结构长期健康监测方法，其特征在于：所述结构外荷载分为两组；其中一组结构外荷载的计算公式为：t
θ
'＝0；另一组结构外荷载的计算公式为：5.根据权利要求4所述的一种基于表贴应变元件的隧道结构长期健康监测方法，其特征在于：所述内力响应的计算公式为：6.根据权利要求5所述的一种基于表贴应变元件的隧道结构长期健康监测方法，其特征在于：所述位移变化的计算公式为：

技术总结
本发明公开了一种基于表贴应变元件的隧道结构长期健康监测方法，属于结构健康监测领域，一种基于表贴应变元件的隧道结构长期健康监测方法，包括以下步骤：建立简化的论荷载-结构分析模型，采用理论解析方法构建岩层环境隧道外荷载与结构内部响应之间的关系；获取水压、地层侧压力系数和结构参数；在隧道结构内部布设应变监测元件，实行结构长期监测；通过理论方法反演结构外荷载、内力响应以及位移变化等结构安全控制信息；它可以实现，通过采用局部应变监测结果，代入理论模型构建起了岩层环境管片外荷载与内力响应之间的相关关系，减少监测元件的使用，理论计算对比其他数据处理方式更便捷，同时反演结果也更加稳定


技术研发人员：周子扬 刘议文 封坤 闫宁浩 何川 吴林 陶伟明 甄文战 梁晓明
受保护的技术使用者：西南交通大学
技术研发日：2023.05.23
技术公布日：2023/8/28