本發(fā)明涉及大直徑盾構(gòu)隧道變形監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種大直徑盾構(gòu)隧道變形監(jiān)測(cè)預(yù)警方法。

背景技術(shù)：

隨著我國(guó)城市現(xiàn)代化水平的提高和人們生活節(jié)奏的加快，大城市交通擁堵現(xiàn)象已日趨引發(fā)各界關(guān)注。由于高架橋嚴(yán)重影響城市景觀，跨江跨海大橋影響航運(yùn)和原址水環(huán)境等弊端，大直徑盾構(gòu)隧道越來(lái)越受到大城市交通建設(shè)的青睞。與此同時(shí)，已建隧道健康服役面臨的問題卻日益突出。隧道大變形是最常見也是最典型的一種隧道結(jié)構(gòu)病害。

變形監(jiān)測(cè)的自動(dòng)化程度決定了預(yù)警過(guò)程的反應(yīng)速度，這對(duì)預(yù)警方法而言是極其重要的。目前用于大直徑盾構(gòu)隧道橫向變形監(jiān)測(cè)的方法如收斂尺、全站儀、Bassett收斂系統(tǒng)及激光測(cè)距等，或無(wú)法完成數(shù)據(jù)的自動(dòng)監(jiān)測(cè)和采集，或易受到隧道內(nèi)車輛和行人的影響。當(dāng)前結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的發(fā)展趨勢(shì)為監(jiān)控種類多、分布分散，安裝空間狹小等，這些為監(jiān)控提出了更高的要求。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有布局靈活、結(jié)構(gòu)易變、生命力較強(qiáng)等特點(diǎn)，具有良好的應(yīng)用前景。

申請(qǐng)公布號(hào)為CN 103968800 A的中國(guó)專利公開了一種盾構(gòu)隧道變形無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及方法，該方法基于襯砌管片傾角的測(cè)量，利用無(wú)線傳感技術(shù)組建網(wǎng)絡(luò)，對(duì)盾構(gòu)隧道的變形狀況實(shí)行大范圍的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并做出預(yù)警。該方法存在的不足是：1、將管片假定為剛體基礎(chǔ)上，建立傾角變化和直徑變化的關(guān)系，未考慮管片的變形帶來(lái)的影響；2、傳感器安裝點(diǎn)的確定未考慮管片變形的影響，未進(jìn)行優(yōu)化。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種大直徑盾構(gòu)隧道變形監(jiān)測(cè)預(yù)警方法，通過(guò)在隧道內(nèi)壁布設(shè)傳感器，利用傳感器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)推算大直徑盾構(gòu)隧道橫向變形。

本發(fā)明的目的可以通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)：

一種大直徑盾構(gòu)隧道變形監(jiān)測(cè)預(yù)警方法，包括以下步驟：

S1，根據(jù)大直徑盾構(gòu)隧道的實(shí)際參數(shù)，采用數(shù)值模擬方法計(jì)算出管片傾角變化最大處，作為傾角傳感器的優(yōu)先安裝位置，若現(xiàn)場(chǎng)該處已有設(shè)備阻礙不便于傾角傳感器安裝，可安設(shè)于其他傾角變化相對(duì)較大位置，僅需重新建立該處傾角和橫向變形關(guān)系參數(shù)即可，根據(jù)實(shí)際情況確定傾角傳感器安裝位置，建立變形推算關(guān)系式，所述的變形推算關(guān)系式表征傾角傳感器安裝位置的傾角變化值與隧道結(jié)構(gòu)任意點(diǎn)橫向變形之間的關(guān)系；

S2，設(shè)置隧道結(jié)構(gòu)水平直徑位置橫向變形的危險(xiǎn)等級(jí)區(qū)間；

S3，安裝傾角傳感器和預(yù)警裝置，傾角傳感器和預(yù)警裝置分別與數(shù)據(jù)處理器連接；

S4，數(shù)據(jù)處理器實(shí)時(shí)采集傾角傳感器數(shù)據(jù)，采用變形推算關(guān)系式推算隧道結(jié)構(gòu)水平直徑位置的橫向變形，水平直徑位置的橫向變形為：過(guò)圓心的水平直徑與隧道內(nèi)弧面相交的兩點(diǎn)間的變化值；

S5，數(shù)據(jù)處理將判斷隧道結(jié)構(gòu)水平直徑位置橫向變形所處的危險(xiǎn)等級(jí)區(qū)間，并控制預(yù)警裝置進(jìn)行對(duì)應(yīng)等級(jí)的預(yù)警。

所述的大直徑盾構(gòu)隧道的實(shí)際參數(shù)包括大直徑盾構(gòu)隧道的地質(zhì)參數(shù)、埋深參數(shù)、材料參數(shù)和接頭參數(shù)。

所述的步驟S1的數(shù)值模擬方法中，將隧道結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為二階超靜定桿系結(jié)構(gòu)(該結(jié)構(gòu)將管片等效為曲梁，考慮管片變形對(duì)收斂的影響；含兩個(gè)多余約束，可通過(guò)力法或位移法求解)，將管片接頭等效為彈性鉸，通過(guò)力法求得隧道結(jié)構(gòu)任意點(diǎn)的彎矩，對(duì)管片彎矩一階積分得到管片自身的變形，計(jì)算接頭彈性鉸的轉(zhuǎn)動(dòng)得到管片的剛體轉(zhuǎn)動(dòng)，從而獲得隧道結(jié)構(gòu)任意點(diǎn)的傾角變化，通過(guò)管片傾角變化的一階積分和管片的剛體轉(zhuǎn)動(dòng)，獲得隧道結(jié)構(gòu)任意點(diǎn)的橫向變形。對(duì)盾構(gòu)隧道而言，隧道橫向變形主要由管片變形和接頭轉(zhuǎn)動(dòng)引起。

所述的步驟S4中，變形推算式為：

ΔD＝k_θ·Δθ+b_θ

式中，ΔD為橫向變形，k_θ、b_θ為擬合參數(shù)，由數(shù)值模擬得到，Δθ為傾角傳感器安裝位置的傾角變化值。

所述的危險(xiǎn)等級(jí)區(qū)間包括正常區(qū)間、預(yù)警區(qū)間和報(bào)警區(qū)間，三個(gè)區(qū)間的隧道結(jié)構(gòu)水平直徑位置橫向變形數(shù)值由小變大。

所述的預(yù)警或報(bào)警的方式包括聲光、振動(dòng)及遠(yuǎn)程信號(hào)。

利用傳感器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)推算大直徑盾構(gòu)隧道橫向變形，實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道橫向變形的長(zhǎng)期自動(dòng)檢測(cè)。在結(jié)構(gòu)大變形現(xiàn)象出現(xiàn)時(shí)及時(shí)定位和報(bào)警，以便隧道管理人員在第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)和治理隧道變形病害，最大限度減小病害造成的損失，此外還可以長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)已有結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)的發(fā)展，估計(jì)結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)，以幫助隧道管理人員觀察隧道的結(jié)構(gòu)性能演變趨勢(shì)。而且本發(fā)明可以采用無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)作為數(shù)據(jù)傳輸方式，在橫斷面上不會(huì)影響隧道限界，車輛運(yùn)行時(shí)也可照常檢測(cè)。在縱向上，可以節(jié)省大量傳輸電纜，有效控制成本。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)在實(shí)際工程中，隧道結(jié)構(gòu)受力變形一般非常微小，較難監(jiān)測(cè)到，將管片傾角變化最大的位置作為傳感器優(yōu)先安裝位置，有利于提高隧道變形監(jiān)測(cè)效果。

(2)將隧道等效為二階超靜定桿系結(jié)構(gòu)，考慮了管片變形對(duì)隧道結(jié)構(gòu)橫向變形的影響，提高對(duì)隧道結(jié)構(gòu)安全性評(píng)估和預(yù)警的準(zhǔn)確性。

(3)利用傾角間接推算橫向變形，對(duì)隧道運(yùn)營(yíng)無(wú)影響，原理清晰，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。

(4)使用傳感器，無(wú)需人工輔助，即可實(shí)現(xiàn)隧道的長(zhǎng)期自動(dòng)監(jiān)測(cè)，提高隧道運(yùn)營(yíng)管理效率。

附圖說(shuō)明

圖1為本實(shí)施例大直徑盾構(gòu)隧道變形監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本實(shí)施例預(yù)警系統(tǒng)傳感器安裝示意圖；

圖3為本實(shí)施例的收斂閾值計(jì)算過(guò)程圖；

圖4為本實(shí)施例的傳感器安裝位置計(jì)算過(guò)程圖；

圖5為本實(shí)施例的橫向變形推算公式擬合過(guò)程圖；

圖6為本實(shí)施例方法流程圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。本實(shí)施例以本發(fā)明技術(shù)方案為前提進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過(guò)程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。

實(shí)施例

圖1～圖4示出了本發(fā)明一種大直徑盾構(gòu)隧道變形監(jiān)測(cè)預(yù)警方法及系統(tǒng)應(yīng)用的一個(gè)實(shí)施例，其中，圖1為預(yù)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，圖2為傳感器安裝示意圖，圖3為收斂閾值計(jì)算過(guò)程圖，圖4為傳感器安裝位置計(jì)算過(guò)程圖，圖5為橫向變形推算公式擬合過(guò)程圖。

如圖1所示，一種大直徑盾構(gòu)隧道變形監(jiān)測(cè)預(yù)警方法及系統(tǒng)，包括輸入模塊1，計(jì)算模塊2，橫向變形控制值設(shè)置模塊3和監(jiān)測(cè)及預(yù)警模塊4。

輸入模塊1為系統(tǒng)的輸入部分，輸入信息包括地層埋深、土質(zhì)參數(shù)、材料屬性參數(shù)、管片構(gòu)造形式、結(jié)構(gòu)構(gòu)造形式、接頭剛度系數(shù)。輸入后用于計(jì)算與監(jiān)測(cè)預(yù)警相關(guān)的參數(shù)。

計(jì)算模塊2計(jì)算傳感器的安裝位置和變形推算公式。計(jì)算模塊2將隧道結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為超靜定桿系結(jié)構(gòu)，以彈性鉸的形式考慮管片接頭，通過(guò)力法求得隧道結(jié)構(gòu)任意點(diǎn)的彎矩值；通過(guò)對(duì)管片彎矩的一階積分考慮管片自身的變形，通過(guò)計(jì)算接頭彈性鉸的轉(zhuǎn)動(dòng)考慮管片的剛體轉(zhuǎn)動(dòng)，獲得隧道結(jié)構(gòu)任意點(diǎn)的傾角變化量；通過(guò)對(duì)傾角的一階積分和管片的剛體轉(zhuǎn)動(dòng)，獲得隧道結(jié)構(gòu)任意點(diǎn)的橫向位移量。

橫向變形控制值設(shè)置模塊3用于設(shè)定監(jiān)測(cè)及預(yù)警系統(tǒng)的閾值。所設(shè)定的閾值存儲(chǔ)在ROM中，與傳感器推算所得的變形結(jié)果進(jìn)行比較，發(fā)出相應(yīng)的指令控制預(yù)警模塊和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊。橫向變形控制值設(shè)置模塊可以用于閾值的設(shè)置和更改。

本實(shí)施例選取混凝土應(yīng)力、螺栓應(yīng)力和接縫張開作為隧道風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的控制因素，利用模糊綜合評(píng)價(jià)并主要考慮盾構(gòu)隧道的運(yùn)營(yíng)安全，認(rèn)為混凝土因素、螺栓因素和接縫張開量對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的安全性具有同樣的影響，因此采用相同的權(quán)重，即A＝[1/3,1/3,1/3]。

本實(shí)施例中混凝土因素的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)閾值取其設(shè)計(jì)強(qiáng)度23.1MPa和標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度32.4MPa；螺栓因素的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)閾值取其設(shè)計(jì)強(qiáng)度240Mpa和屈服強(qiáng)度400MPa，接縫張開因素的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)閾值取為4mm和6mm。

建立某隧道結(jié)構(gòu)對(duì)三個(gè)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)隸屬度之間的關(guān)系隨橫向收斂變形的發(fā)展規(guī)律，如圖3所示。

對(duì)圖3分析可見，當(dāng)隧道結(jié)構(gòu)橫向收斂變形<100mm時(shí)，隧道結(jié)構(gòu)對(duì)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)三的隸屬度較大，可以認(rèn)為隧道結(jié)構(gòu)是安全的；當(dāng)隧道結(jié)構(gòu)橫向收斂變形>100mm 且<142mm時(shí)，對(duì)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)二和風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)三的隸屬度較大，認(rèn)為隧道結(jié)構(gòu)已經(jīng)漸漸偏離安全狀態(tài)；當(dāng)隧道結(jié)構(gòu)橫向收斂變形>142mm且<240mm時(shí)，隧道結(jié)構(gòu)對(duì)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)一的隸屬度迅速增加，認(rèn)為隧道結(jié)構(gòu)發(fā)生病害的可能性也逐漸增大；當(dāng)隧道結(jié)構(gòu)橫向收斂變形>240mm時(shí)，對(duì)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)一的隸屬度較為穩(wěn)定，且已經(jīng)處于85％以上，此時(shí)認(rèn)為隧道結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)較大。

監(jiān)測(cè)和預(yù)警模塊4根據(jù)實(shí)測(cè)值與預(yù)設(shè)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)閾值的比較，判斷工程結(jié)構(gòu)所處風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，自動(dòng)智能地改變預(yù)警模塊的預(yù)警信號(hào)。預(yù)警模塊的預(yù)警方式為色光、振動(dòng)和蜂鳴。

如圖2所示為傳感器安裝示意圖，其中5為大直徑盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)，6為變形監(jiān)測(cè)及預(yù)警裝置。變形監(jiān)測(cè)及預(yù)警裝置6設(shè)置在大直徑盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)壁上，進(jìn)行盾構(gòu)隧道的變形監(jiān)測(cè)和預(yù)警。對(duì)于暫不處置且需長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)的變形，管理控制單元接收到數(shù)據(jù)后及時(shí)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中，并由檢測(cè)軟件繪制出長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)曲線，供隧道管理人員參考。

如圖4所示為計(jì)算模塊2計(jì)算所得的傳感器安裝位置。解析推導(dǎo)方法下，以襯砌管片的左邊半環(huán)為例，襯砌轉(zhuǎn)角以逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)為正，順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)為負(fù)。與之對(duì)應(yīng)，管片接頭則以外側(cè)張開為正，內(nèi)側(cè)張開為負(fù)。接頭位置：以拱頂中心為0°，逆時(shí)針方向增大，則接頭分別位于22.5°，67.5°，112.5°，157.5°。頂部接頭指22.5°處接頭；腰部接頭有兩個(gè)，位于67.5°，112.5°；底部接頭位于157.5°。從圖中可以看到，從隧道拱頂位置到腰部63°位置范圍內(nèi)，管片發(fā)生順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，從腰部63°位置到拱底位置范圍內(nèi)，管片發(fā)生逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。管片的最大順時(shí)針轉(zhuǎn)角為0.35°，最大逆時(shí)針轉(zhuǎn)角為0.84°。

如圖4所示在數(shù)值模擬方法下，以襯砌管片左邊半環(huán)為例，從圖中可以看到，從隧道拱頂?shù)窖?0°位置范圍內(nèi)，管片發(fā)生順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，從腰部90°位置到拱底范圍內(nèi)，管片發(fā)生逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。管片的最大順時(shí)針轉(zhuǎn)角為0.58°，最大逆時(shí)針轉(zhuǎn)角為0.75°。在接頭位置處，管片的轉(zhuǎn)角發(fā)生突變：頂部和底部接頭內(nèi)側(cè)張開，引起管片順時(shí)針轉(zhuǎn)角增大；腰部?jī)蓚€(gè)接頭外側(cè)張開，引起管片逆時(shí)針轉(zhuǎn)角增大。

內(nèi)側(cè)張開指：接頭迎土面?zhèn)乳]合，臨空面?zhèn)葟堥_。外側(cè)張開指：接頭迎土面?zhèn)葟堥_，臨空面?zhèn)乳]合。

在實(shí)際工程中，隧道結(jié)構(gòu)受力變形一般非常微小，較難監(jiān)測(cè)到。因此在傳感器布設(shè)的過(guò)程中應(yīng)當(dāng)選擇傾角變化量較大的位置，能在一定程度上提高隧道變形監(jiān)測(cè)的效果，因此將監(jiān)測(cè)點(diǎn)選擇為圓心角φ＝35°位置。

如圖5為計(jì)算模塊2計(jì)算所得的變形推算公式，通過(guò)擬合得到φ＝35°位置的傾角變化量和隧道橫向收斂變形之間的線性關(guān)系為ΔD＝-43.411×Δθ+3.109，該關(guān)系可用于傳感器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)到橫向變形的推算之中。

唯以上所述者，僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，舉凡熟悉此項(xiàng)技藝的專業(yè)人士，并非用來(lái)限定本發(fā)明實(shí)施的范圍。在了解本發(fā)明的技術(shù)手段之后，自然能依據(jù)實(shí)際的需要，在本發(fā)明的教導(dǎo)下加以變化。因此凡依本發(fā)明申請(qǐng)專利范圍所作的同等變化與修飾，曾應(yīng)仍屬本發(fā)明專利涵蓋的范圍內(nèi)。