CN106767515A - 一种隧道病害快速诊断防治方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种隧道病害快速诊断防治方法，包括隧道信息快速获取、隧道病害快速诊断和隧道病害防治三个步骤，其中，隧道信息快速获取包括衬砌结构变形快速量测和三维空间模型建立步骤，隧道病害快速诊断包括ANSYS位移反分析、ANSYS应力反演和隧道衬砌超声波缺陷无损诊断步骤。因此，本发明能够对隧道衬砌的变形实行快速量测，即通过量测隧道衬砌的变形，并结合可靠的诊断技术和优化设计方法，可以快速诊断隧道病害，准确得到衬砌结构具体的病害情况，并根据隧道病害问题采取相应的隧道病害预防及治理措施。

Description

一种隧道病害快速诊断防治方法
技术领域
本发明涉及隧道病害诊断技术领域，具体涉及一种隧道病害快速诊断防治方法。
背景技术
隧道病害主要有渗漏水、初砌裂损、隧道冻害、初砌腐蚀、震害、隧道内空气污染和火灾等方面。我国已成为拥有隧道数量最多的国家，特长隧道的数量也居于世界首位，同时也是隧道病害最严重的国家之一，隧道病害防治的工作任重道远。
隧道病害中，衬砌病害首当其冲，难免由于设计上的缺陷增加了隧道病害出现的可能性。由于岩石内部裂隙的存在，使得取样分析过程中同一类岩性的岩石强度参数出现较大差异；或者忽略了特殊岩体后期遇水软化而强度降低或腐蚀衬砌结构等问题，导致隧道围岩地质特性分析不够准确，支护结构设计强度特别是衬砌结构设计强度不够，隧道施工过程中未能对相应部位进行加强支护，进而导致投入使用后出现病害。
随着公路设计线形标准的提高和建设里程数量的增加，公路隧道特别是山岭高速公路隧道也越来越多，高等级的公路隧道，部分使用年限已长达十余年，且大部分都出现了隧道衬砌病害，这都是由于隧道设计施工过程中围岩强度参数不够准确，并忽略对隧道病害进行诊断分析且未进行针对性设计造成的，因而一直使得隧道病害问题悬而未决。此类问题使得部分隧道运营后病害维修已有两次以上，整治资金高且病害仍未完全根治，养护维修的问题依然迫切，这就需要一种有效实用的技术和明确的质量标准作为保障，来对隧道衬砌病害进行诊断。
发明内容
本发明的发明人经过研究发现，虽然隧道病害各式各样，但是衬砌病害具有举足轻重的地位，且归根结底隧道的大部分病害(除火灾外)基本都要通过隧道衬砌的变形或破坏表现出来，从而影响到隧道的运营；并且病害的初期主要是隧道衬砌的变形，按照变形的不同位置分为顶压、偏压、帮鼓和底鼓等不同类型。同时，发明人经过现场测试还发现，对于隧道衬砌的变形量测是隧道病害快速诊断的至关重要的一步。因此本发明提出通过检测隧道衬砌的变形，并结合可靠的诊断技术和优化设计的方法，来快速诊断隧道病害。
为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：
一种隧道病害快速诊断防治方法，包括以下步骤：
S1、隧道信息快速获取：
S11、衬砌结构变形快速量测：采用三维激光扫描仪，基于激光发射点到目标点的飞行时间测量原理，采用非接触式测量方式，得到隧道轮廓图，通过对隧道进行快速且实时的测量，得到隧道从开挖到支护结构建立好直至稳定后的完整隧道变形情况，并得到隧道各个部位衬砌结构的变形情况；
S12、三维空间模型建立：基于三维激光扫描技术得到的隧道变形监测数据，采用虚拟仿真软件基于虚拟现实技术建立隧道模型，将隧道的整个开挖过程以具体模型的形式直观表现出来；
S2、隧道病害快速诊断：
S21、ANSYS位移反分析：以步骤S11中得到的衬砌变形情况为目标函数，通过ANSYS软件优化反分析得出隧道承受的围岩载荷，得到包括体积模量、剪切模量、泊松比、粘聚力、内摩擦角在内的围岩强度参数，再由所述围岩强度参数得出衬砌结构的变形情况进行判别验证，以保证模拟结果与实际工程监测值吻合；
S22、ANSYS应力反演：根据步骤S21中得出的隧道结构中衬砌结构的变形结果，通过ANSYS软件自带的应力反演操作，得出衬砌结构各个部位的受力情况，初步得到病害发生的部位；
S23、隧道衬砌超声波缺陷无损诊断：利用超声波检测系统进行隧道衬砌超声波无损检测，结合所述衬砌结构各个部位的应力反演结果，准确得到衬砌结构具体的病害情况；
S3、隧道病害防治：采用包括嵌缝补强、回填注浆、局部断面补强、锚喷加固、内表面补强、钢筋混凝土拱架加固和钢纤维混凝土补强在内的病害防治措施，对隧道出现的病害问题进行预防及治理。
与现有技术相比，本发明提供的隧道病害快速诊断防治方法，包括隧道信息快速获取、隧道病害快速诊断和隧道病害防治三个步骤，其中，隧道信息快速获取包括衬砌结构变形快速量测和三维空间模型建立步骤，隧道病害快速诊断包括ANSYS位移反分析、ANSYS应力反演和隧道衬砌超声波缺陷无损诊断步骤，因而能够对隧道衬砌的变形实行快速量测，即通过量测隧道衬砌的变形，并结合可靠的诊断技术和优化设计方法，可以快速诊断隧道病害，准确得到衬砌结构具体的病害情况，并根据隧道病害问题采取相应的隧道病害预防及治理措施。
进一步，所述步骤S12中采用虚拟仿真软件3DMAX基于虚拟现实技术建立隧道模型。
进一步，所述步骤S21中通过ANSYS软件优化反分析包括如下步骤：首先假设一个待求参数的值，然后采用正分析方法计算系统响应，利用系统响应计算值与实测值建立目标函数，并按照设定的收敛准则使用优化方法对参数值进行优化，直到目标函数值满足收敛准则，此时的参数值即为所求的参数解。
进一步，所述步骤S22中超声波检测系统的检测步骤为：首先用发射换能器激发脉冲声波通过混凝土后利用接收换能器进行数据接收，接着对接收的数据进行放大处理后送入数据采集系统，所述数据采集系统中的数据经计算机处理后通过显示器显示出包括波形在内的数据。
附图说明
图1是本发明提供的隧道病害快速诊断防治方法流程示意图。
图2是本发明提供的位移反分析基本进程示意图。
图3是本发明提供的超声波检测系统缺陷测损原理示意图。
图4是本发明实施例提供的五心拱形隧道轮廓结构示意图。
图5是本发明实施例提供的隧道几何模型图。
图6是本发明实施例提供的顶压隧道拱顶衬砌位移示意图。
图7a是本发明实施例提供的顶压隧道衬砌第一主应力云图。
图7b是本发明实施例提供的顶压隧道衬砌第三主应力云图。
图7c是本发明实施例提供的顶压隧道衬砌Von Mises应力云图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“径向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
请参考图1所示，本发明提供一种隧道病害快速诊断防治方法，包括以下步骤：
S1、隧道信息快速获取：
S11、衬砌结构变形快速量测：采用三维激光扫描仪，基于激光发射点到目标点的飞行时间测量原理，采用非接触式测量方式，得到隧道轮廓图，通过对隧道进行快速且实时的测量，得到隧道从开挖到支护结构建立好直至稳定后的完整隧道变形情况，并得到隧道各个部位衬砌结构的变形情况；
S12、三维空间模型建立：基于三维激光扫描技术得到的隧道变形监测数据，采用虚拟仿真软件如3DMAX基于虚拟现实(VR)技术建立隧道模型，将隧道的整个开挖过程以具体模型的形式直观表现出来；
S2、隧道病害快速诊断：
S21、ANSYS位移反分析：以步骤S11中得到的衬砌变形情况为目标函数，通过ANSYS软件优化反分析得出隧道承受的围岩载荷，得到包括体积模量、剪切模量、泊松比、粘聚力、内摩擦角在内的围岩强度参数，再由所述围岩强度参数得出衬砌结构的变形情况进行判别验证，以保证模拟结果与实际工程监测值吻合；
S22、ANSYS应力反演：根据步骤S21中得出的隧道结构中衬砌结构的变形结果，通过ANSYS软件自带的应力反演操作，得出衬砌结构各个部位的受力情况，初步得到病害发生的部位；
S23、隧道衬砌超声波缺陷无损诊断：利用超声波检测系统进行隧道衬砌超声波无损检测，结合所述衬砌结构各个部位的应力反演结果，准确得到衬砌结构具体的病害情况；
S3、隧道病害防治：采用包括嵌缝补强、回填注浆、局部断面补强、锚喷加固、内表面补强、钢筋混凝土拱架加固和钢纤维混凝土补强在内的病害防治措施，对隧道出现的病害问题进行预防及治理。
与现有技术相比，本发明提供的隧道病害快速诊断防治方法，包括隧道信息快速获取、隧道病害快速诊断和隧道病害防治三个步骤，其中，隧道信息快速获取包括衬砌结构变形快速量测和三维空间模型建立步骤，隧道病害快速诊断包括ANSYS位移反分析、ANSYS应力反演和隧道衬砌超声波缺陷无损诊断步骤，因而能够对隧道衬砌的变形实行快速量测，即通过量测隧道衬砌的变形，并结合可靠的诊断技术和优化设计方法，可以快速诊断隧道病害，准确得到衬砌结构具体的病害情况，并根据隧道病害问题采取相应的隧道病害预防及治理措施。
作为具体实施例，请参考图2所示，所述步骤S21中通过ANSYS软件优化反分析包括如下步骤：首先假设一个待求参数的值，然后采用正分析方法计算系统响应，利用系统响应计算值与实测值建立目标函数，并按照设定的收敛准则使用优化方法对参数值进行优化，直到目标函数值满足收敛准则，此时的参数值即为所求的参数解，据此可以得到包括体积模量、剪切模量、泊松比、粘聚力、内摩擦角在内的围岩强度参数。其中，所述位移反分析为本领域技术人员熟知的技术方法，在前述反分析步骤的基础上，其本领域技术人员还可以采用其他的反分析步骤进行优化计算，得到相关参数的最优化解。
作为具体实施例，请参考图3所示，所述步骤S22中超声波检测系统的原理检测步骤为：首先用发射换能器激发脉冲声波通过混凝土后利用接收换能器进行数据接收，接着对接收的数据进行放大处理后送入数据采集系统，所述数据采集系统中的数据经计算机处理后通过显示器显示出数据，所述数据包括有波形在内的其他数据，通过波形数据可以对隧道衬砌的缺陷进行直观判断，以了解衬砌结构各个部位的缺陷情况。同时，所述超声波检测系统中还包括有对计算机处理后的数据进行存储的数据存储器，以及对所述发射换能器进行控制的发射系统等。其中，所述超声波检测为本领域技术人员熟知的技术方法，在前述超声波检测原理的基础上，其本领域技术人员还可以采用其他的超声波检测步骤进行缺陷检测，以得到衬砌结构各个部位的缺陷情况。
为了更好地理解本发明提供的隧道病害快速诊断防治方法，以下将结合具体的工程示例进行详细说明：
请参考图4所示，隧道的断面形状采用五心拱形，围岩以西南地区常见的泥质砂岩为例建立模型，岩土体本构关系采用ANSYS自带的工程中普遍使用的DP模型，围岩计算参数(初始)详见下表1，并以顶压隧道(隧道拱顶衬砌变形最大)反演模型为例。
表1：
岩土名称 摩擦角(°) 粘聚力(KPa) 体积模量(MPa)
泥质砂岩 32.90 744 1661
一、衬砌结构变形现场测试分析：
在隧道施工段左右洞各选取2个断面进行拱顶衬砌结构变形测试，具体对比结果如下表2。通过现场测试，得出4个断面拱顶衬砌结构变形，并得出其平均值为14.905mm。
表2：
二、衬砌位移反分析：
根据监测得出的衬砌结构变形数据，对围岩参数进行位移反分析，并根据实际地层情况建立如图5所示的模型进行计算，并对顶部施加2.68MPa竖直应力模拟其上覆岩层荷载；并结合支护材料参数，反分析得出围岩力学参数如下表3所示，并采用该围岩力学参数进行判别验证，在该围岩力学参数下衬砌结构变形如图6所示，且模拟结果显示，顶压隧道衬砌结构拱顶变形模拟数值(图中MX＝14.905mm)与现场测试数据基本吻合。
表3：
围岩 锚杆 初衬 二衬
弹性模量/Gpa 4 170 21 33.5
泊松比 0.28 0.30 0.20 0.20
密度/g.cm-1 2.31 7.80 2.50 2.45
内摩擦角/° 36.02 - 50 54.9
粘聚力/MPa 2.65 - 0.20 3.18
三、衬砌应力反演分析：
利用ANSYS软件中的＂PLNSOL,S(应力stress选项)＂命令经过反演分析计算，得到衬砌的受力状况如图7a-图7c所示，在图中，正值表示衬砌所受拉力，负值表示衬砌所受压力。图中应力结果显示，在出现顶压时，虽然隧道的顶部下沉较大，但是受力较大的部位却主要在衬砌拱脚和拱底部位。
四、衬砌病害预防治理分析：
根据顶压隧道应力反演得出的衬砌受力结果显示，隧道施工后衬砌结构受力正常，尚未发生病害，考虑到隧道运营后围岩稳定性可能发生变化，因此提出如下隧道病害预防治理措施：
1)对隧道拱脚进行嵌缝补强：采用高强度砂浆对拱脚进行补强，沿拱脚延伸范围凿成楔形槽，槽宽不小于5cm，并且把槽做成外窄内宽，用水冲洗干净后，用高强度水泥浆、膨胀性水泥浆、环氧树脂砂浆或者环氧树脂混凝土嵌补；
2)对隧道拱底采用先回填后注浆：回填可使围岩和衬砌密贴，甚至使作用在衬砌上的地层压力大小和分布图形产生有利转化；注浆可以加固围岩，疏散地下水对围岩的浸泡，防止地下水的浸入，形成一个有一定厚度的人工固结圈，有效地稳固岩体。
通过对五心拱形隧道的衬砌在发生顶压的常见特征反演分析，为反演分析做了示例，并且表明在某些情况下的应变和变性特征与受力特征不是十分＂常规＂的。另外，隧道由于其所处地质环境的特殊性和自身断面的形状差异性，隧道的变形不可能完全相同，因此当隧道发生病害时，还应当及时结合地质资料和断面特征，将隧道变形特征进行反演分析，尽早找到隧道的病害所在。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种隧道病害快速诊断防治方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、隧道信息快速获取：
S11、衬砌结构变形快速量测：采用三维激光扫描仪，基于激光发射点到目标点的飞行时间测量原理，采用非接触式测量方式，得到隧道轮廓图，通过对隧道进行快速且实时的测量，得到隧道从开挖到支护结构建立好直至稳定后的完整隧道变形情况，并得到隧道各个部位衬砌结构的变形情况；
S12、三维空间模型建立：基于三维激光扫描技术得到的隧道变形监测数据，采用虚拟仿真软件基于虚拟现实技术建立隧道模型，将隧道的整个开挖过程以具体模型的形式直观表现出来；
S2、隧道病害快速诊断：
S21、ANSYS位移反分析：以步骤S11中得到的衬砌变形情况为目标函数，通过ANSYS软件优化反分析得出隧道承受的围岩载荷，得到包括体积模量、剪切模量、泊松比、粘聚力、内摩擦角在内的围岩强度参数，再由所述围岩强度参数得出衬砌结构的变形情况进行判别验证，以保证模拟结果与实际工程监测值吻合；
S22、ANSYS应力反演：根据步骤S21中得出的隧道结构中衬砌结构的变形结果，通过ANSYS软件自带的应力反演操作，得出衬砌结构各个部位的受力情况，初步得到病害发生的部位；
S23、隧道衬砌超声波缺陷无损诊断：利用超声波检测系统进行隧道衬砌超声波无损检测，结合所述衬砌结构各个部位的应力反演结果，准确得到衬砌结构具体的病害情况；
S3、隧道病害防治：采用包括嵌缝补强、回填注浆、局部断面补强、锚喷加固、内表面补强、钢筋混凝土拱架加固和钢纤维混凝土补强在内的病害防治措施，对隧道出现的病害问题进行预防及治理。
2.根据权利要求1所述的隧道病害快速诊断防治方法，其特征在于，所述步骤S12中采用虚拟仿真软件3DMAX基于虚拟现实技术建立隧道模型。
3.根据权利要求1所述的隧道病害快速诊断防治方法，其特征在于，所述步骤S21中通过ANSYS软件优化反分析包括如下步骤：首先假设一个待求参数的值，然后采用正分析方法计算系统响应，利用系统响应计算值与实测值建立目标函数，并按照设定的收敛准则使用优化方法对参数值进行优化，直到目标函数值满足收敛准则，此时的参数值即为所求的参数解。
4.根据权利要求1所述的隧道病害快速诊断防治方法，其特征在于，所述步骤S22中超声波检测系统的检测步骤为：首先用发射换能器激发脉冲声波通过混凝土后利用接收换能器进行数据接收，接着对接收的数据进行放大处理后送入数据采集系统，所述数据采集系统中的数据经计算机处理后通过显示器显示出包括波形在内的数据。
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