一种大直径盾构隧道变形监测预警方法技术

本发明专利技术涉及一种大直径盾构隧道变形监测预警方法，其特征在于，包括以下步骤：S1，根据大直径盾构隧道的实际参数，采用数值模拟方法获取变形推算关系式，并计算出管片倾角变化最大的位置，作为倾角传感器优先安装位置；S2，设置横向变形控制值；S3，安装倾角传感器和预警装置，所述的倾角传感器和预警装置分别与数据处理器连接；S4，根据倾角传感器数据，推算隧道水平直径位置的横向变形；S5，数据处理器将横向变形与横向变形控制值进行比较，若横向变形大于横向变形控制值，则预警装置进行预警。与现有技术相比，本发明专利技术具有检测效果好、能实现长期监测等优点。

Large diameter shield tunnel deformation monitoring and early warning method

The present invention relates to a method for monitoring deformation of large diameter shield tunnel, which is characterized in that the method comprises the following steps: S1, according to the actual parameters of large diameter shield tunnel, numerical simulation method is used to obtain the deformation calculation formula, and calculate the maximum segment angle changes in position, as the tilt sensor installation position S2, set the priority; the transverse deformation control value; S3, installation of tilt sensor and tilt sensor and warning warning device, the device is respectively connected with the data processor; S4, according to the sensor data, calculate the transverse deformation of tunnel horizontal diameter position; the data processor S5, lateral deformation and lateral deformation of the control value, if the lateral deformation is greater than the lateral deformation of the control value, warning device for warning. Compared with the prior art, the present invention has the advantages of good detection effect and long term monitoring.

【技术实现步骤摘要】
一种大直径盾构隧道变形监测预警方法
本专利技术涉及大直径盾构隧道变形监测预警
，尤其是涉及一种大直径盾构隧道变形监测预警方法。
技术介绍
随着我国城市现代化水平的提高和人们生活节奏的加快，大城市交通拥堵现象已日趋引发各界关注。由于高架桥严重影响城市景观，跨江跨海大桥影响航运和原址水环境等弊端，大直径盾构隧道越来越受到大城市交通建设的青睐。与此同时，已建隧道健康服役面临的问题却日益突出。隧道大变形是最常见也是最典型的一种隧道结构病害。变形监测的自动化程度决定了预警过程的反应速度，这对预警方法而言是极其重要的。目前用于大直径盾构隧道横向变形监测的方法如收敛尺、全站仪、Bassett收敛系统及激光测距等，或无法完成数据的自动监测和采集，或易受到隧道内车辆和行人的影响。当前结构健康监测的发展趋势为监控种类多、分布分散，安装空间狭小等，这些为监控提出了更高的要求。无线传感器网络具有布局灵活、结构易变、生命力较强等特点，具有良好的应用前景。申请公布号为CN103968800A的中国专利公开了一种盾构隧道变形无线监测系统及方法，该方法基于衬砌管片倾角的测量，利用无线传感技术组建网络，对盾构隧道的变形状况实行大范围的实时监测并做出预警。该方法存在的不足是：1、将管片假定为刚体基础上，建立倾角变化和直径变化的关系，未考虑管片的变形带来的影响；2、传感器安装点的确定未考虑管片变形的影响，未进行优化。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种大直径盾构隧道变形监测预警方法，通过在隧道内壁布设传感器，利用传感器监测数据推算大直径盾构隧道横向变形。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种大直径盾构隧道变形监测预警方法，包括以下步骤：S1，根据大直径盾构隧道的实际参数，采用数值模拟方法计算出管片倾角变化最大处，作为倾角传感器的优先安装位置，若现场该处已有设备阻碍不便于倾角传感器安装，可安设于其他倾角变化相对较大位置，仅需重新建立该处倾角和横向变形关系参数即可，根据实际情况确定倾角传感器安装位置，建立变形推算关系式，所述的变形推算关系式表征倾角传感器安装位置的倾角变化值与隧道结构任意点横向变形之间的关系；S2，设置隧道结构水平直径位置横向变形的危险等级区间；S3，安装倾角传感器和预警装置，倾角传感器和预警装置分别与数据处理器连接；S4，数据处理器实时采集倾角传感器数据，采用变形推算关系式推算隧道结构水平直径位置的横向变形，水平直径位置的横向变形为：过圆心的水平直径与隧道内弧面相交的两点间的变化值；S5，数据处理将判断隧道结构水平直径位置横向变形所处的危险等级区间，并控制预警装置进行对应等级的预警。所述的大直径盾构隧道的实际参数包括大直径盾构隧道的地质参数、埋深参数、材料参数和接头参数。所述的步骤S1的数值模拟方法中，将隧道结构简化为二阶超静定杆系结构(该结构将管片等效为曲梁，考虑管片变形对收敛的影响；含两个多余约束，可通过力法或位移法求解)，将管片接头等效为弹性铰，通过力法求得隧道结构任意点的弯矩，对管片弯矩一阶积分得到管片自身的变形，计算接头弹性铰的转动得到管片的刚体转动，从而获得隧道结构任意点的倾角变化，通过管片倾角变化的一阶积分和管片的刚体转动，获得隧道结构任意点的横向变形。对盾构隧道而言，隧道横向变形主要由管片变形和接头转动引起。所述的步骤S4中，变形推算式为：ΔD＝kθ·Δθ+bθ式中，ΔD为横向变形，kθ、bθ为拟合参数，由数值模拟得到，Δθ为倾角传感器安装位置的倾角变化值。所述的危险等级区间包括正常区间、预警区间和报警区间，三个区间的隧道结构水平直径位置横向变形数值由小变大。所述的预警或报警的方式包括声光、振动及远程信号。利用传感器监测数据推算大直径盾构隧道横向变形，实现对隧道横向变形的长期自动检测。在结构大变形现象出现时及时定位和报警，以便隧道管理人员在第一时间发现和治理隧道变形病害，最大限度减小病害造成的损失，此外还可以长期监测已有结构健康状态的发展，估计结构风险，以帮助隧道管理人员观察隧道的结构性能演变趋势。而且本专利技术可以采用无线传感网络作为数据传输方式，在横断面上不会影响隧道限界，车辆运行时也可照常检测。在纵向上，可以节省大量传输电缆，有效控制成本。与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：(1)在实际工程中，隧道结构受力变形一般非常微小，较难监测到，将管片倾角变化最大的位置作为传感器优先安装位置，有利于提高隧道变形监测效果。(2)将隧道等效为二阶超静定杆系结构，考虑了管片变形对隧道结构横向变形的影响，提高对隧道结构安全性评估和预警的准确性。(3)利用倾角间接推算横向变形，对隧道运营无影响，原理清晰，结构简单。(4)使用传感器，无需人工辅助，即可实现隧道的长期自动监测，提高隧道运营管理效率。附图说明图1为本实施例大直径盾构隧道变形监测预警系统的结构示意图；图2为本实施例预警系统传感器安装示意图；图3为本实施例的收敛阈值计算过程图；图4为本实施例的传感器安装位置计算过程图；图5为本实施例的横向变形推算公式拟合过程图；图6为本实施例方法流程图。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术进行详细说明。本实施例以本专利技术技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本专利技术的保护范围不限于下述的实施例。实施例图1～图4示出了本专利技术一种大直径盾构隧道变形监测预警方法及系统应用的一个实施例，其中，图1为预警系统结构示意图，图2为传感器安装示意图，图3为收敛阈值计算过程图，图4为传感器安装位置计算过程图，图5为横向变形推算公式拟合过程图。如图1所示，一种大直径盾构隧道变形监测预警方法及系统，包括输入模块1，计算模块2，横向变形控制值设置模块3和监测及预警模块4。输入模块1为系统的输入部分，输入信息包括地层埋深、土质参数、材料属性参数、管片构造形式、结构构造形式、接头刚度系数。输入后用于计算与监测预警相关的参数。计算模块2计算传感器的安装位置和变形推算公式。计算模块2将隧道结构简化为超静定杆系结构，以弹性铰的形式考虑管片接头，通过力法求得隧道结构任意点的弯矩值；通过对管片弯矩的一阶积分考虑管片自身的变形，通过计算接头弹性铰的转动考虑管片的刚体转动，获得隧道结构任意点的倾角变化量；通过对倾角的一阶积分和管片的刚体转动，获得隧道结构任意点的横向位移量。横向变形控制值设置模块3用于设定监测及预警系统的阈值。所设定的阈值存储在ROM中，与传感器推算所得的变形结果进行比较，发出相应的指令控制预警模块和数据存储模块。横向变形控制值设置模块可以用于阈值的设置和更改。本实施例选取混凝土应力、螺栓应力和接缝张开作为隧道风险等级的控制因素，利用模糊综合评价并主要考虑盾构隧道的运营安全，认为混凝土因素、螺栓因素和接缝张开量对隧道结构的安全性具有同样的影响，因此采用相同的权重，即A＝[1/3,1/3,1/3]。本实施例中混凝土因素的风险等级阈值取其设计强度23.1MPa和标准强度32.4MPa；螺栓因素的风险等级阈值取其设计强度240Mpa和屈服强度400MPa，接缝张开因素的风险等级阈值取为4mm和6mm。建立某隧道结构对三个风险等级隶属度之间的关系随横向收敛变形的发展规律，如图3所示。对图本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种大直径盾构隧道变形监测预警方法，其特征在于，包括以下步骤：S1，根据大直径盾构隧道的实际参数，采用数值模拟方法计算出管片倾角变化最大处，作为倾角传感器的优先安装位置，根据实际情况确定倾角传感器安装位置，建立变形推算关系式，所述的变形推算关系式表征倾角传感器安装位置的倾角变化值与隧道结构任意点横向变形之间的关系；S2，设置隧道结构水平直径位置横向变形的危险等级区间；S3，安装倾角传感器和预警装置，倾角传感器和预警装置分别与数据处理器连接；S4，数据处理器实时采集倾角传感器数据，采用变形推算关系式推算隧道结构水平直径位置的横向变形；S5，数据处理将判断隧道结构水平直径位置横向变形所处的危险等级区间，并控制预警装置进行对应等级的预警或报警。

【技术特征摘要】
1.一种大直径盾构隧道变形监测预警方法，其特征在于，包括以下步骤：S1，根据大直径盾构隧道的实际参数，采用数值模拟方法计算出管片倾角变化最大处，作为倾角传感器的优先安装位置，根据实际情况确定倾角传感器安装位置，建立变形推算关系式，所述的变形推算关系式表征倾角传感器安装位置的倾角变化值与隧道结构任意点横向变形之间的关系；S2，设置隧道结构水平直径位置横向变形的危险等级区间；S3，安装倾角传感器和预警装置，倾角传感器和预警装置分别与数据处理器连接；S4，数据处理器实时采集倾角传感器数据，采用变形推算关系式推算隧道结构水平直径位置的横向变形；S5，数据处理将判断隧道结构水平直径位置横向变形所处的危险等级区间，并控制预警装置进行对应等级的预警或报警。2.根据权利要求1所述的一种大直径盾构隧道变形监测预警方法，其特征在于，所述的大直径盾构隧道的实际...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄宏伟，王飞，吴惠明，施永泉，李磊，薛哲敏，翟五洲，
申请(专利权)人：同济大学，上海隧道工程有限公司，
类型：发明
国别省市：上海,31