【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及隧道运营养护和盾构隧道结构服役性能评价领域，尤其涉及一种基于支持向量机代理模型的地铁盾构隧道结构受力安全评价方法、装置、系统及存储介质。
技术介绍
1、地铁盾构隧道投入运营后，受施工质量、地层长期沉降和临近施工扰动影响，隧道结构可能会产生了大变形、渗漏水、接缝张开等多种病害，使得隧道的使用功能受到影响，甚至给主体结构的受力安全带来严重威胁，造成重大的人身财产损失。因此，在轨道交通隧道运营过程中，进行日常的巡检、开展定期的系统性监测并定量评价隧道的安全状态极为重要。
2、目前针对盾构隧道主体结构的健康状态评价有《盾构法隧道结构服役性能鉴定规范》(dg/tj08-2123-2013)，其根据结构破损、连接张开、错台、横断面收敛等观测量，根据经验阈值，依次进行构件、连接、区段和隧道整体的状态等级的分层次评定。其状态评估指标的选取、各指标权重的确定以及阈值的选取主要依据经验积累，未涉及到盾构受力状态的分析。类似的，《城市轨道交通隧道结构养护技术标准》(cjj/t289-2018)的定期检查也基于管片裂缝、材料劣化、锈蚀、变形和错台等观测量，根据经验阈值划分为健康度1级至5级。与规范的做法类似的，已存在较多专利，例如“cn116541933a一种多病害指标的盾构隧道单环服役性能评价方法”、“cn106919784a一种基于变权重的盾构隧道服役性能评价”、“cn112036734a一种隧道主体结构健康状态评价及养护对策确定方法”等，均依据盾构隧道服役的观测值直接进行状态评价，并尝试通过分析各因子之间的关系以及权重进
3、针对盾构受力安全更为科学定量的评价方法是了解其内力状况，和材料的承载力情况进行比较，依次为依据进行状态评判。基于这一理念，“cn111428293a一种盾构隧道服役性能健康评价方法”基于荷载结构法和相似模型试验手段，建立隧道椭圆度和螺栓轴力比值、荷载比值的函数关系，可以通过水平和垂直两个收敛位移测量数据计算椭圆度，再定量评价受力安全状态。其不足之处在于，将荷载比值定义隧道承受的荷载与破坏荷载的比值，用于描述隧道的承载力储备，难以度量钢筋混凝土结构的破坏时非线性行为。而椭圆度的计算基于水平收敛位移和垂直收敛位移，这仅在隧道承受对称的荷载时是合理的。但事实上，盾构隧道的大变形更多发生在临近具有施工扰动的情况，隧道通常承受非对称荷载，主要变形方向不沿水平/垂直方向。若仍然采用水平/垂直方向的收敛位移估算椭圆度，会造成极大的偏差。“cn116579220a一种地铁错缝盾构隧道的结构安全评估方法”则通过建立数值计算模型，并进行大量的数值计算。若计算的位移成果与三维激光扫描的成果较为吻合，便采用计算中内力值进行安全评价。该专利技术仍然只考虑了隧道承受对称荷载的情况。此外，该专利需要基于三维激光扫描的成果，仅可在季度或者半年监测中使用，并不适用于日常巡检。“cn11520556b基于数字孪生的既有盾构隧道监测内力全局推演方法”则依托在结构关键断面处设置传感器，在虚拟空间形成既有盾构隧道关键断面数值仿真模型，计算获得内力和位移。其结果较为精准，但依赖于大量监测仪器的布设，处于成本考虑，当前阶段难以在所有的盾构隧道中进行推广应用。
4、因此，针对地铁盾构隧道结构的日常巡检及管养，需要一种简单易于操作、通用于隧道承受对称或非对称荷载工况，且能客观反映结构受力安全状况的定量分析方法。
技术实现思路
1、本专利技术第一个目的在于，为了克服上述现有技术存在的缺陷，本专利技术选取隧道横断面内的三点收敛作为检测对象，依托隧道结构内力-位移响应样本库搭建三点收敛至结构状态评定的支持向量机代理模型，从而提供一种快速、准确的地铁盾构隧道结构受力安全评价方法。
2、为此，本专利技术的上述目的通过如下技术方案实现：
3、s1：根据需要进行状态评判的盾构衬砌足尺加载试验成果，建立盾构隧道精细化有限元计算模型对试验过程进行模拟，并标定计算模型参数，使得计算模型能够反映盾构衬砌加载试验中的结构内力和变形演化规律；
4、s2：根据需要进行状态评判的盾构隧道区段的设计资料、地形测绘和地质勘察资料，采用参数化建模技术，建立地层-结构有限元模型对常规工况、地表超载工况和地表卸载工况进行分析计算，变动隧道埋深、近接施工位置、超载荷载大小、基坑开挖深度等参数，提取地层-结构相互作用力，从而构建盾构隧道结构的荷载特征样本库；
5、s3：根据步骤s2中计算的荷载特征样本库，将地层-结构相互作用力施加于s1中建立的盾构隧道精细化有限元计算模型，逐一计算每个荷载样本下的隧道内力-位移响应，形成多工况下的隧道结构内力-位移响应样本库；
6、s4：根据现行设计规范对步骤s3中所获得的样本库中的结构内力进行判别，自状态由好到差分为四级安全状态：
7、1级-隧道结构内力乘以荷载分项系数符合按材料强度设计值计算的理论承载力；2级-不满足要求1，但隧道结构内力符合按材料强度设计值计算的理论承载力；3级-不满足要求2，但隧道结构内力符合按材料强度标准值计算的理论承载力；4级-不满足要求3；
8、s5：采用步骤s3中所获得的案例的位移成果和步骤s4中的安全状态评级作为训练集，基于非线性支持向量机建立从断面收敛位移至状态评级的分类器作为代理模型；支持向量机的输入量为每一数值计算样本中的水平收敛位移、左斜收敛位移和右斜收敛位移所构成的三维向量，输出值为对该样本所做出的状态评级，取值范围为1级到4级；
9、s6：在隧道巡检过程中，可采用常规的手持激光测距仪，测定水平收敛位移、左斜收敛位移和右斜收敛位移，并利用步骤s5中训练完成的分类器做出快速准确的判断。
10、采用上述技术方案的同时，本专利技术还可以采用或者组合采用如下技术方案：
11、作为本专利技术的一种优选技术方案：步骤s1中，盾构隧道精细化有限元计算模型应选用实体单元，根据足尺试验的实际情况按照错缝或者通缝拼装建立几何模型并划分有限元网格，按照实际试验中的加载步骤在计算模型中的施加荷载，并通过参数标定，使得计算所获得位移、接缝张开以及弯矩、剪力和轴力演化规律与试验基本符合。
12、作为本专利技术的一种优选技术方案：步骤s1中，需要标定的模型参数为管片接头处的接触面模型参数，用于描述接缝处张开或压紧过程中的传力变化，其法向模型选用指数接触，适用于模拟管片密封垫、拼装误差引起的非线性接触变形；
13、步骤s1中，需要标定的参数为初始接触压力p0和初始间隙c0。
14、作为本专利技术的一种优选技术方案：步骤s2中，以参数化的形式建立所对应工况的地层-结构有限元模型，并完成相应工况的数值分析以及地层-结构作用力提取；常规工况的几何参数为隧道埋深、管片内径、管片外径和管片幅宽，地表超载的几何参数在常规工况的基础上还包括超载的位置、长度、宽度和超载大小，地表卸载的几何参数在常规工况基础上本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于支持向量机代理模型的地铁盾构隧道结构受力安全评价方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的基于支持向量机代理模型的地铁盾构隧道结构受力安全评价方法，其特征在于：步骤S1中，盾构隧道精细化有限元计算模型应选用实体单元，根据足尺试验的实际情况按照错缝或者通缝拼装建立几何模型并划分有限元网格，按照实际试验中的加载步骤在计算模型中的施加荷载，并通过计算模型参数标定，使得计算所获得位移、接缝张开以及弯矩、剪力和轴力演化规律与试验基本符合。
3.根据权利要求2所述的基于支持向量机代理模型的地铁盾构隧道结构受力安全评价方法，其特征在于：步骤S1中，需要标定的模型参数为管片接头处的接触面模型参数，用于描述接缝处张开或压紧过程中的传力变化，其法向模型选用指数接触，适用于模拟管片密封垫、拼装误差引起的非线性接触变形；
4.根据权利要求1所述的基于支持向量机代理模型的地铁盾构隧道结构受力安全评价方法，其特征在于：步骤S2中，以参数化的形式建立所对应工况的地层-结构有限元模型，并完成相应工况的数值分析以及地层-结构作用力提取；常规工
5.根据权利要求1所述的基于支持向量机代理模型的地铁盾构隧道结构受力安全评价方法，其特征在于：步骤S4中，利用现行设计规范中的材料物理力学参数以及钢筋混凝土构件的承载力计算方法，并考虑现行设计规范中的荷载分项系数，对隧道结构内力进行客观定量的判别。
6.根据权利要求1所述的基于支持向量机代理模型的地铁盾构隧道结构受力安全评价方法，其特征在于：步骤S5和S6中，
7.一种基于支持向量机代理模型的地铁盾构隧道结构受力安全评价装置，其特征在于：所述装置包括如下模块：
8.一种基于支持向量机代理模型的地铁盾构隧道结构受力安全评价系统，所述系统包括：处理器、通信接口、存储器和通信总线，所述处理器、通信接口、存储器之间通过通信总线完成相互间的通信，其特征在于：
9.一种计算机可读存储介质，其特征在于：所述计算机可读存储介质内存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-6中任意一项所述的基于支持向量机代理模型的地铁盾构隧道结构受力安全评价方法步骤。
...【技术特征摘要】
1.一种基于支持向量机代理模型的地铁盾构隧道结构受力安全评价方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的基于支持向量机代理模型的地铁盾构隧道结构受力安全评价方法，其特征在于：步骤s1中，盾构隧道精细化有限元计算模型应选用实体单元，根据足尺试验的实际情况按照错缝或者通缝拼装建立几何模型并划分有限元网格，按照实际试验中的加载步骤在计算模型中的施加荷载，并通过计算模型参数标定，使得计算所获得位移、接缝张开以及弯矩、剪力和轴力演化规律与试验基本符合。
3.根据权利要求2所述的基于支持向量机代理模型的地铁盾构隧道结构受力安全评价方法，其特征在于：步骤s1中，需要标定的模型参数为管片接头处的接触面模型参数，用于描述接缝处张开或压紧过程中的传力变化，其法向模型选用指数接触，适用于模拟管片密封垫、拼装误差引起的非线性接触变形；
4.根据权利要求1所述的基于支持向量机代理模型的地铁盾构隧道结构受力安全评价方法，其特征在于：步骤s2中，以参数化的形式建立所对应工况的地层-结构有限元模型，并完成相应工况的数值分析以及地层-结构作用力提取；常规工况的几何参数为隧道埋深、管片内径、管片外径和管片幅宽，地表超载的几何参数...
【专利技术属性】
技术研发人员：康恒一，严佳佳，刘长宝，臧延伟，余朔，
申请(专利权)人：中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：
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