【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及隧道损伤监测，具体为一种高地应力大变形隧道二次衬砌损伤监测方法。
技术介绍
1、当前隧道普遍采用复合式衬砌结构，主要由初期支护、防水层和二次衬砌组成，其中二次衬砌主要起到永久稳定、保持净空、防渗防蚀作用，其服役状态对于隧道的安全和耐久影响甚大。高地应力大变形隧道开挖后，在地应力作用下，围岩发生长时间且量值大的变形。若二次衬砌施作时围岩变形仍未停止，则其在变形压力的作用下容易产生损伤，导致服役性能降低。
2、压电材料能够在电场作用下发生变形，在发生变形时出现放电效应，如图2所示。目前所采用的二次衬砌监测手段主要包括钢筋计、混凝土应变计、裂缝计等，这些传感器可靠性较好，但是体积较大、造价较高，难以布置较多测点，容易造成漏检，并且无法直接识别衬砌损伤。
技术实现思路
1、为了解决上述问题，本专利技术提供一种高地应力大变形隧道二次衬砌损伤监测方法，包括以下步骤：s1.确定所用压电片规格参数和监测布置方案，并建立有限元模型，获取不同工况下的压电阻抗信号及二次衬砌损伤状态；s2.量化二次衬砌的损伤状态，并划分阻抗信号中的电导信号为多个子频段，计算各子频段的损伤指标；s3.将数值模拟得到的损伤指标作为输入、衬砌损伤特征值作为输出，输入到pso-bpnn模型进行训练；s4.输入现场实测压电信号各子频段的损伤指标，得到现场监测截面抗弯刚度退化率。
2、进一步地，所述s1步骤中监测布置方案具体为：选用圆形压电片作为监测用压电片，嵌入在隧道二次衬砌表面预留的圆槽内，
3、进一步地，所述s1步骤中有限元模型具体为：根据监测工程岩土体材料参数、衬砌结构材料参数和衬砌构造尺寸建立的三维模型。
4、进一步地，所述s2步骤中主要为通过截面抗弯刚度退化率对数值模拟中压电片所处位置二次衬砌的损伤状态进行量化；所述截面抗弯刚度退化率的计算公式为：式中，为截面曲率，为受拉钢筋平均应变；为受压钢筋平均应变；h0为有效截面高度；as′为受压钢筋到受压边缘的距离；α为截面抗弯刚度退化率；m为截面弯矩；b0为截面初始刚度。
5、进一步地，所述各子频段的损伤指标通过rmsd值表示：式中，g为电导，i为第i个采频点，n为电导频谱各子频段的数据点个数，0代表基线信号。
6、进一步地，所述s3步骤中pso-bpnn模型的训练流程具体包括以下子步骤：a1.确定bpnn网络结构和基本参数，并初始化粒子群；a2.计算个体最优和全局最优；a3.计算粒子适应度；a4.判断是否满足终止条件；a5.将最优粒子映射为初始权值与阈值；a6.信号正向传播计算各层输入和输出值，并计算输出层误差；a7.判断误差是否满足要求；a8.获取最优权值和阈值。
7、进一步地，所述a4步骤包括以下子步骤：当不满足终止条件时，更新个体最优和全局最优，并更新粒子速度与位置后，重新执行a3步骤；当满足终止条件时，执行a5步骤。
8、进一步地，所述a7步骤包括以下子步骤：当误差不满足要求时，将误差信号反向传播，并修正权值和阈值后重复执行a6步骤；当误差满足要求时，执行a8步骤。
9、进一步地，所述s4步骤具体包括以下子步骤：s41.获取现场监测得到的电导信号，重复执行s2步骤，并生成输入矩阵；s42.将生成的输入矩阵输入训练好的pso-bpnn模型，输出得到监测截面抗弯刚度退化率。
10、本专利技术提供了一种高地应力大变形隧道二次衬砌损伤监测方法，具有以下有益效果：
11、本专利技术针对现有高地应力大变形隧道二次衬砌监测手段成本高、测点少、易漏检、无法直接识别损伤等问题，提供了一种高地应力大变形隧道二次衬砌损伤监测方法，其成本较低，可以布置较多测点，同时能够对衬砌损伤进行识别，并利用压电片具有体积小、重量轻、成本低等优点，及其独特的机电耦合特性可对结构的损伤状态进行识别监测。
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1.一种高地应力大变形隧道二次衬砌损伤监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的高地应力大变形隧道二次衬砌损伤监测方法，其特征在于，所述S1步骤中监测布置方案具体为：选用圆形压电片(1)作为监测用压电片，嵌入在隧道二次衬砌表面预留的圆槽(2)内，导线置于集线槽(3)内。
3.根据权利要求1所述的高地应力大变形隧道二次衬砌损伤监测方法，其特征在于，所述S1步骤中有限元模型具体为：根据监测工程岩土体材料参数、衬砌结构材料参数和衬砌构造尺寸建立的三维模型。
4.根据权利要求1所述的高地应力大变形隧道二次衬砌损伤监测方法，其特征在于，所述S2步骤中主要为通过截面抗弯刚度退化率对数值模拟中压电片所处位置二次衬砌的损伤状态进行量化；所述截面抗弯刚度退化率的计算公式为：式中，为截面曲率，为受拉钢筋平均应变；为受压钢筋平均应变；h0为有效截面高度；as′为受压钢筋到受压边缘的距离；α为截面抗弯刚度退化率；M为截面弯矩；B0为截面初始刚度。
5.根据权利要求1所述的高地应力大变形隧道二次衬砌损伤监测方法，其特征在于，所述各子频段的
6.根据权利要求1所述的高地应力大变形隧道二次衬砌损伤监测方法，其特征在于，所述S3步骤中PSO-BPNN模型的训练流程具体包括以下子步骤：A1.确定BPNN网络结构和基本参数，并初始化粒子群；A2.计算个体最优和全局最优；A3.计算粒子适应度；A4.判断是否满足终止条件；A5.将最优粒子映射为初始权值与阈值；A6.信号正向传播计算各层输入和输出值，并计算输出层误差；A7.判断误差是否满足要求；A8.获取最优权值和阈值。
7.根据权利要求6所述的高地应力大变形隧道二次衬砌损伤监测方法，其特征在于，所述A4步骤包括以下子步骤：当不满足终止条件时，更新个体最优和全局最优，并更新粒子速度与位置后，重新执行A3步骤；当满足终止条件时，执行A5步骤。
8.根据权利要求6所述的高地应力大变形隧道二次衬砌损伤监测方法，其特征在于，所述A7步骤包括以下子步骤：当误差不满足要求时，将误差信号反向传播，并修正权值和阈值后重复执行A6步骤；当误差满足要求时，执行A8步骤。
9.根据权利要求1所述的高地应力大变形隧道二次衬砌损伤监测方法，其特征在于，所述S4步骤具体包括以下子步骤：S41.获取现场监测得到的电导信号，重复执行S2步骤，并生成输入矩阵；S42.将生成的输入矩阵输入训练好的PSO-BPNN模型，输出得到监测截面抗弯刚度退化率。
...【技术特征摘要】
1.一种高地应力大变形隧道二次衬砌损伤监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的高地应力大变形隧道二次衬砌损伤监测方法，其特征在于，所述s1步骤中监测布置方案具体为：选用圆形压电片(1)作为监测用压电片，嵌入在隧道二次衬砌表面预留的圆槽(2)内，导线置于集线槽(3)内。
3.根据权利要求1所述的高地应力大变形隧道二次衬砌损伤监测方法，其特征在于，所述s1步骤中有限元模型具体为：根据监测工程岩土体材料参数、衬砌结构材料参数和衬砌构造尺寸建立的三维模型。
4.根据权利要求1所述的高地应力大变形隧道二次衬砌损伤监测方法，其特征在于，所述s2步骤中主要为通过截面抗弯刚度退化率对数值模拟中压电片所处位置二次衬砌的损伤状态进行量化；所述截面抗弯刚度退化率的计算公式为：式中，为截面曲率，为受拉钢筋平均应变；为受压钢筋平均应变；h0为有效截面高度；as′为受压钢筋到受压边缘的距离；α为截面抗弯刚度退化率；m为截面弯矩；b0为截面初始刚度。
5.根据权利要求1所述的高地应力大变形隧道二次衬砌损伤监测方法，其特征在于，所述各子频段的损伤指标通过rmsd值表示：式中，g为电导，i为第i个采频点，n为电导频谱各子频段的数据点个数，0代表基线信号。
6.根据权利要求1所述的...
【专利技术属性】
技术研发人员：李彬嘉，彭涛，李艳，任东兴，高晓峰，陈龙飞，邓安，何蕃民，李佳龙，杨宗耀，龚文俊，
申请(专利权)人：中冶成都勘察研究总院有限公司，
类型：发明
国别省市：
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