基于冲击振动的盾构隧道纵向不均匀变形识别方法技术

本发明专利技术公开了一种基于冲击振动的盾构隧道纵向不均匀变形识别方法，属于盾构隧道测试技术领域，包括以下步骤：在隧道内布设加速度传感器；分别对隧道结构的竖向和横向进行主动冲击，采集冲击荷载和结构的响应；通过复模态指数函数方法识别结构的频率

【技术实现步骤摘要】
基于冲击振动的盾构隧道纵向不均匀变形识别方法


[0001]本专利技术属于盾构隧道测试
，尤其涉及一种基于冲击振动的盾构隧道纵向不均匀变形识别方法
。

技术介绍

[0002]目前，我国已经成为世界上隧道工程数量最多的国家
。
盾构隧道作为一种复杂的地下线状结构物，易受围岩条件
、
地下水环境等差异影响产生纵向不均匀变形
。
纵向不均匀变形对隧道结构非常不利，当隧道存在过量的变形量或者纵向曲率达到一定的量值时，将会导致环缝张开过大而引起漏水漏泥，亦会导致管片受拉破坏而引起轨道产生扭曲变形；当隧道纵向不均匀变形量过大时，将会造成轨道产生纵向偏差和高低差，影响列车运营时的舒适性和安全性，进而也会波及到周围各种构筑物的使用；当隧道的纵向偏差和高低差超过标准时，道床开裂
、
轨道与车轮之间的磨损加重，导致日常维护和保养任务加重，造成巨大的经济损失
。
对隧道纵向变形的控制已成为盾构隧道结构管养维护中亟待解决的重要问题
。
[0003]目前在隧道纵向不均匀沉降监测领域，静力水准仪应用广泛
。
静力水准仪是根据“连通器”原理：在大气压和重力作用下，注入
U
型管的液体最终会保持在同一水平面
。
静力水准仪具备测量精度高
、
稳定性强
、
不受低温影响等优点
。
然而，静力水准仪不适合布设在坡度较大环境
。
而在隧道中，动力电缆
、
消防
、
照明
、
通讯覆盖网等设施都是随隧道起伏布设的，这使得监测点布设不大可能处于同一水平面，而采用两水平面共点级联进行高程传递的方法会导致传递误差
。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提供一种基于冲击振动的盾构隧道纵向不均匀变形识别方法，旨在解决现有技术中静力水准仪不适合布设在坡度较大的隧道中来监测隧道纵向不均匀沉降的技术问题
。
[0005]为解决上述技术问题，本专利技术所采取的技术方案是：
[0006]一种基于冲击振动的盾构隧道纵向不均匀变形识别方法，包括以下步骤：
[0007]步骤一
、
确定加速度传感器在隧道内的布设位置，确定参考点位置；
[0008]步骤二
、
对隧道结构进行竖向冲击振动测试，采集隧道结构参考点处的竖向激励荷载与各测点的竖向加速度响应；对隧道结构进行横向冲击振动测试，采集隧道结构参考点处的横向激励荷载与各测点的横向加速度响应；
[0009]步骤三
、
采用频响函数估算方法
H1
法估算隧道结构的二维位移频响函数：基于步骤二采集的竖向激励荷载与竖向加速度响应估算隧道结构竖向位移频响函数基于步骤二采集的横向激励荷载与横向加速度响应估算隧道结构横向位移频响函数其中，
D
表示频响函数，
d
表示位移，
N0表示频响函数的行数；
ω1为竖
向固有频率
、
ω2为横向固有频率；
[0010]步骤四
、
对步骤三得到的竖向位移频响函数进行奇异值分解，求得竖向奇异值对角矩阵竖向左奇异矩阵以竖向固有频率
ω1为横坐标，以主对角线元素的值为纵坐标画出两条奇异值曲线，定义为竖向复模态指示函数图，基于竖向左奇异矩阵的第一列元素画出竖向位移振型图；
[0011]对步骤三得到的横向位移频响函数进行奇异值分解，求得横向奇异值对角矩阵横向左奇异矩阵以横向固有频率
ω2为横坐标，以主对角线元素的值为纵坐标画出两条奇异值曲线，定义为横向复模态指示函数图，基于横向左奇异矩阵的第一列元素画出横向位移振型图；
[0012]步骤五
、
基于步骤四得到的竖向左奇异矩阵其第一列元素所组成的向量为竖向第一左奇异向量
{l
r1
}
，
{l
r1
}
在所有参考点处的系数组成的向量
{l
r1
，
drv
}
，利用位移振型的正交性，构造竖向增强位移频响函数
ZH(
ω1)
r1
；基于步骤四得到的横向左奇异矩阵其第一列元素所组成的向量为横向第一左奇异向量
{l
r2
}
，
{l
r2
}
在所有参考点处的系数组成的向量
{l
r2
，
drv
}
，利用位移振型的正交性，构造横向增强位移频响函数
ZH(
ω2)
r2
；
[0013]步骤六
、
基于步骤五得到的
ZH(
ω1)
r1
，利用复模态指示函数算法识别隧道结构竖向系统极点
p
r1
、
竖向振型缩放系数
s
r1
、
竖向固有频率
ω
r1
、
竖向阻尼比
ξ
r1
；基于步骤五得到的
ZH(
ω2)
r2
，利用复模态指示函数算法识别隧道结构横向系统极点
p
r2
、
横向振型缩放系数
s
r2
、
横向固有频率
ω
r2
、
横向阻尼比
ξ
r2
；
[0014]步骤七
、
基于步骤四中识别的竖向位移振型和步骤六中识别的竖向系统极点
p
r1
、
竖向振型缩放系数
s
r1
求解隧道结构竖向位移柔度矩阵
[f
1d
]；基于步骤四中识别的横向位移振型和步骤六中识别的横向系统极点
p
r2
、
横向振型缩放系数
S
r2
求解隧道结构横向位移柔度矩阵
[f
2d
]；
[0015]步骤八
、
利用步骤七求得的竖向位移柔度矩阵
[f
1d
]识别隧道结构纵向不均匀沉降；利用步骤七求得的横向位移柔度矩阵
[f
2d
]识别隧道结构横向变形
。
[0016]优选的，步骤一中，确定参考点位置的过程如下：参考点指的是载荷激励位置，参考点的选取遵循参考点处的振型值不能为零或过小的原则
。
[0017]优选的，步骤二的内容如下：
[0018]竖向冲击振动测试一：对参考点一施加竖向冲击力，采集参考点一处的时变载荷和各测点的时变竖向加速度响应；
[0019]竖向本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种基于冲击振动的盾构隧道纵向不均匀变形识别方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一
、
确定加速度传感器在隧道内的布设位置，确定参考点位置；步骤二
、
对隧道结构进行竖向冲击振动测试，采集隧道结构参考点处的竖向激励荷载与各测点的竖向加速度响应；对隧道结构进行横向冲击振动测试，采集隧道结构参考点处的横向激励荷载与各测点的横向加速度响应；步骤三
、
采用频响函数估算方法
H1
法估算隧道结构的二维位移频响函数：基于步骤二采集的竖向激励荷载与竖向加速度响应估算隧道结构竖向位移频响函数基于步骤二采集的横向激励荷载与横向加速度响应估算隧道结构横向位移频响函数其中，
D
表示频响函数，
d
表示位移，
N0表示频响函数的行数；
ω1为竖向固有频率
、
ω2为横向固有频率；步骤四
、
对步骤三得到的竖向位移频响函数进行奇异值分解，求得竖向奇异值对角矩阵竖向左奇异矩阵以竖向固有频率
ω1为横坐标，以主对角线元素的值为纵坐标画出两条奇异值曲线，定义为竖向复模态指示函数图，基于竖向左奇异矩阵的第一列元素画出竖向位移振型图；对步骤三得到的横向位移频响函数进行奇异值分解，求得横向奇异值对角矩阵横向左奇异矩阵以横向固有频率
ω2为横坐标，以主对角线元素的值为纵坐标画出两条奇异值曲线，定义为横向复模态指示函数图，基于横向左奇异矩阵的第一列元素画出横向位移振型图；步骤五
、
基于步骤四得到的竖向左奇异矩阵其第一列元素所组成的向量为竖向第一左奇异向量
{l
r1
}
，
{l
r1
}
在所有参考点处的系数组成的向量
{l
r1
，
drv
}
，利用位移振型的正交性，构造竖向增强位移频响函数
ZH(
ω1)
r1
；基于步骤四得到的横向左奇异矩阵其第一列元素所组成的向量为横向第一左奇异向量
{l
r2
}
，
{l
r2
}
在所有参考点处的系数组成的向量
{l
r2
，
drv
}
，利用位移振型的正交性，构造横向增强位移频响函数
ZH(
ω2)
r2
；步骤六
、
基于步骤五得到的
ZH(
ω1)
r1
，利用复模态指示函数算法识别隧道结构竖向系统极点
p
r1
、
竖向振型缩放系数
s
r1
、
竖向固有频率
ω
r1
、
竖向阻尼比
ξ
r1
；基于步骤五得到的
ZH(
ω2)
r2
，利用复模态指示函数算法识别隧道结构横向系统极点
p
r2
、
横向振型缩放系数
s
r2
、
横向固有频率
ω
r2
、
横向阻尼比
ξ
r2
；步骤七
、
基于步骤四中识别的竖向位移振型和步骤六中识别的竖向系统极点
p
r1
、
竖向振型缩放系数
s
r1
求解隧道结构竖向位移柔度矩阵
[f
1d
]
；基于步骤四中识别的横向
位移振型和步骤六中识别的横向系统极点
p
r2
、
横向振型缩放系数
S
r2
求解隧道结构横向位移柔度矩阵
[f
2d
]
；步骤八
、
利用步骤七求得的竖向位移柔度矩阵
[f
1d
]
识别隧道结构纵向不均匀沉降；利用步骤七求得的横向位移柔度矩阵
[f
2d
]
识别隧道结构横向变形
。2.
根据权利要求1所述的基于冲击振动的盾构隧道纵向不均匀变形识别方法，其特征在于：步骤一中，确定参考点位置的过程如下：参考点指的是载荷激励位置，参考点的选取遵循参考点处的振型值不能为零或过小的原则
。3.
根据权利要求1所述的基于冲击振动的盾构隧道纵向不均匀变形识别方法，其特征在于：步骤二的内容如下：竖向冲击振动测试一：对参考点一施加竖向冲击力，采集参考点一处的时变载荷和各测点的时变竖向加速度响应；竖向冲击振动测试二：对参考点二施加竖向冲击力，采集参考点二处的时变载荷和各测点的时变竖向加速度响应；横向冲击振动测试一：对参考点三施加横向冲击力，采集参考点三处的时变载荷和各测点的时变横向加速度响应；横向冲击振动测试二：对参考点四施加横向冲击力，采集参考点四处的时变载荷和各测点的时变横向加速度响应；其中，参考点一
、
参考点二
、
参考点三
、
参考点四靠近隧道首端间隔设置，且参考点一
、
参考点二均设置于隧道横截面左侧竖板顶端所在纵线上，参考点三
、
参考点四均设置于隧道横截面最左端所在纵线上
。4.
根据权利要求1所述的基于冲击振动的盾构隧道纵向不均匀变形识别方法，其特征在于：步骤三中，采用频响函数估算方法
H1
法估算和的过程如下：采用公式
(1)
估算竖向位移频响函数估算竖向位移频响函数式中，
[GIO(
ω1)]
为竖向输入输出的互功率谱密度函数矩阵；
[GII(
ω1)]
为竖向输入力向量的自功率谱密度函数矩阵；
GOI
11
(
ω1)
为竖向参考点一输入，节点1输出的互功率谱密度函数；
GOI
12
(
ω1)
为竖向参考点二输入，节点1输出的互功率谱密度函数；
GOI
N1
(
ω1)
为竖向参考点一输入，节点
N
输出的互功率谱密度函数；
COI
N2
(
ω1)
为竖向参考点二输入，节点
N
输出的互功率谱密度函数；
CII
11
(
ω1)
为竖向参考点一输入力向量的自功率谱密度函数；
GII
12
(
ω1)
为竖向参考点二输入，竖向参考点一输出的的自功率谱密度函数；
GII
21
(
ω1)
为竖向参考点一输入，竖向参考点二输出的的自功率谱密度函数；
GII
22
(
ω1)
为竖向参考点二输入力向量的自功率谱密度函数；采用公式
(2)
估算横向位移频响函数估算横向位移频响函数式中，
[GOI(
ω2)]
为横向输入输出的互功率谱密度函数矩阵；
[GII(
ω2)]
为横向输入力向量的自功率谱密度函数矩阵；
GOI
11
(
ω2)
为横向参考点一输入，节点1输出的互功率谱密度函数；
GII
12
(
ω2)
为横向...

【专利技术属性】
技术研发人员：周立明，王代利，张立平，徐飞，刘新宇，贾浩文，陈吴迪，赵雄磊，唐浩，张梦辉，姜雨秋，马哲成，
申请(专利权)人：石家庄铁道大学，
类型：发明
国别省市：