CN110119572A - 一种适用于隧道病害的评价系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种适用于隧道病害的评价系统，属于隧道工程领域。该系统包括病害数据获取模块、病害数据提取模块、分析处理模块、力学评价模块、裂缝简化模块、掉块简化模块、渗漏水简化模块和中央处理模块；所述病害数据获取模块、病害数据提取模块、分析处理模块、力学评价模块、裂缝简化模块、掉块简化模块和渗漏水简化模块分别与中央处理模块连接。本发明针对运营隧道结构裂缝、掉块、渗漏水等病害评价问题，充分考虑了病害耦合情况，制定了以定性划分的表观状态为主的评价指标，定量了力学关联；弥补了病害评价数据获取、处理分析人工大量介入，以及自动化、流程化和系统化不足的缺陷。

Description

一种适用于隧道病害的评价系统
技术领域
本发明属于隧道工程领域，涉及一种适用于隧道病害的评价系统。
背景技术
隧道结构具有缩减线路距离、改善线型条件的重要作用。然而，随着运营时间的增长，材料性能退化，设计施工阶段的质量缺陷发展劣化，加之不良地质条件、恶劣气候变化、突发灾害事故的不利影响，裂缝、掉块、渗漏水等运营隧道结构病害广泛发生。
面对普遍存在的运营隧道结构病害问题，人工为主的常规巡检+定检的养护作业方法在时效性、准确性、经济性方面的弊端不断彰显，以智能机器人为主的新型技术手段快速发展，相关标准规范定性为主、人工评测的评价方法存在主观性，难以满足数字化、信息化的应用需求。
通过对现有的技术文献检索发现，针对运营隧道结构裂缝、掉块、渗漏水等病害评价问题，相关研究主要以单病害为主，病害耦合情况考虑不足；评价指标以定性划分的表观状态为主，定量化的力学关联不足；病害评价数据获取、处理分析人工大量介入，自动化、流程化、系统化不足。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种适用于隧道病害的评价系统，针对运营隧道衬砌结构裂缝、掉块、渗漏水病害，从病损衬砌结构的病害数据获取方法、分析处理方法、计算评价方法等方面，提出适用于智能检测装备的快速高效、智能可靠的病害评价系统。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种适用于隧道病害的评价系统，该系统包括病害数据获取模块、病害数据提取模块、分析处理模块、力学评价模块、裂缝简化模块、掉块简化模块、渗漏水简化模块和中央处理模块；
所述病害数据获取模块、病害数据提取模块、分析处理模块、力学评价模块、裂缝简化模块、掉块简化模块和渗漏水简化模块分别与中央处理模块连接；
所述病害数据获取模块，通过智能设备7d/24h不间断地采集隧道衬砌内结构病害信息，从而实现运营隧道病害信息的快速获取、连续观测；
所述病害数据提取模块，通过病损衬砌的图像处理，获取裂缝长度、宽度与形态信息，裂缝长度误差小于5cm、宽度精度误差小于0.2mm；掉块面积与深度，面积识差小于2％，深度误差小于2mm；渗水状态与渗水面积，面积识差小于2％；图识识别无法获取的裂缝深度信息、渗漏水流量信息，通过埋设在线裂缝测深仪与流量计在线监测方式获取；
所述分析处理模块，采用规范方法定性隧道衬砌病害情况，规范方法参考《公路隧道养护技术规范》中裂缝、掉块、渗漏水病害的评价方法与评定标准；对于裂缝、掉块、渗漏水病害评定状况值为3、4时，进行力学方法的定量计算评价；
所述力学评价模块，采用荷载-结构有限元等效模型进行方法定量计算，计算过程中，衬砌结构裂缝以刚度折减+极限弯矩的形式等效计算，衬砌结构掉块以减小衬砌厚度的形式等效计算，衬砌结构渗漏水以静水压力的形式等效计算，若遇实际情况中同时出现多种病害，则在计算模型中同时进行三者的计算等效，以实现结构病害的耦合作用；
所述裂缝简化模块，对于衬砌结构裂缝，采用刚度折减的方法进行模型简化，计算过程中，切向刚度与法向刚度中用裂损衬砌有效面积A′替代断面面积，A′＝(H-h)b，H为衬砌厚度，h为裂缝最大深度；若为素混凝土转向刚度折减为K/K0＝0.197+0.803e-20.426h/H，若为钢筋混凝土，转向刚度折减为其中K为裂缝折减后转向刚度，K0为无裂缝衬砌结构刚度；
所述掉块简化模块，对于衬砌结构掉块，力学简化时，以掉块部位最大深度hm的2/3与掉块部位的平均深度ha二者的最值作用简化计算掉块深度，即hm＝min(2hm/3，ha)，掉块部位模型计算厚度hc＝原衬砌厚度hl-hm；
所述渗漏水简化模块，对于衬砌结构渗漏水，通过裂缝渗漏水实验系统获取不同衬砌厚度、不同裂缝宽度条件下，单位长度渗漏水流量与衬砌结构后渗漏水压力曲线关系；渗漏水简化计算时，已知衬砌厚度与渗漏水流量，对应此曲线变系，获得衬砌后静水压力大小P0，通过衬砌结构表现渗漏水分布判定衬砌结构后渗漏水分布部位，将静水压力作为法向荷载作用于渗漏水区域。
进一步，所述渗漏水分布部位包括拱顶、拱腰、拱墙、边墙和仰拱；
所述拱顶为起拱线上，中心线30°区域；
所述拱腰为起拱线上，中心线30°～60°区域；
所述拱墙为起拱线上，中心线60°～90°区域；
所述边墙为超拱线下、路面上部区域；
所述仰拱为路面下部区域。
进一步，在所述系统中，针对裂缝、掉块、渗漏水病害评定状况值为3、4时的部位，通过连续长时间的检测分析，得出裂损衬砌安全系数k1变化规律，若k1无法趋于稳定，处于快速下降状态，则此部位结构技术状况直接评定为4，并需对此部位进行安全预警。
本发明的有益效果在于：
本发明针对运营隧道结构裂缝、掉块、渗漏水等病害评价问题，充分考虑了病害耦合情况，制定了以定性划分的表观状态为主的评价指标，定量了力学关联；弥补了病害评价数据获取、处理分析人工大量介入，以及自动化、流程化和系统化不足的缺陷。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为计算模型示意图；
图2为渗漏水等效示意图；
图3为掉块等效示意图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”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，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
请参阅图1～图3，为一种适用于隧道病害的评价系统，该系统包括病害数据获取模块、病害数据提取模块、分析处理模块、力学评价模块、裂缝简化模块、掉块简化模块、渗漏水简化模块和中央处理模块；
所述病害数据获取模块、病害数据提取模块、分析处理模块、力学评价模块、裂缝简化模块、掉块简化模块和渗漏水简化模块分别与中央处理模块连接。
(1)病害数据获取：传统运营隧道结构病害评价的数据来源为定期检查或专项检查，定期检查频率低，一般为一年一检，专项检查多在病害发生后。传统数据获取方法在时效性、预见性方面缺陷明显。一种适用于运营隧道结构病害评价的系统方法数据获取来源为智能巡检装备或隧道监测装备，通过智能设备7d/24h不间断地采集隧道衬砌内结构病害信息，从而实现运营隧道病害信息的快速获取、连续观测。
(2)病害数据提取：采用传统定期检查或专项检查方法获取病害数据时，病害数据提取多需人工介入，数据质量受人员专业素质差异影响。一种适用于运营隧道结构病害评价的系统方法其病害数据来源为病损衬砌结构图像的分析处理，通过病损衬砌的图像处理，获取裂缝长度、宽度与形态信息，裂缝长度误差小于5cm、宽度精度误差小于0.2mm；掉块面积与深度，面积识差小于2％，深度误差小于2mm；渗水状态与渗水面积，面积识差小于2％。图识识别无法获取的裂缝深度信息、渗漏水流量信息，通过埋设在线裂缝测深仪与流量计在线监测方式获取。
(4)分析处理方法：本系统综合采用规范方法与力学方法，规范方法为快速定性了解隧道衬砌病害情况，规范方法参考《公路隧道养护技术规范》(JTG H 12-2015)4.5.3中裂缝、掉块、渗漏水病害的评价方法与评定标准。对于裂缝、掉块、渗漏水病害评定状况值为3、4时，进行力学方法的定量计算评价。规范方法定性分析与力学方法定量评价的综合采用，有利于提高分析效率，聚焦核心问题。
(5)力学评价方法：采用荷载-结构有限元等效模型进行方法定量计算，计算过程中，衬砌结构裂缝以刚度折减+极限弯矩的形式等效计算，衬砌结构掉块以减小衬砌厚度的形式等效计算，衬砌结构渗漏水以静水压力的形式等效计算，若遇实际情况中同时出现多种病害，则在计算模型中同时进行三者的计算等效，以实现结构病害的耦合作用。
(6)裂缝简化算法：对于衬砌结构裂缝，采用刚度折减的方法进行模型简化。计算过程中，切向刚度与法向刚度中用裂损衬砌有效面积A′替代断面面积，A′＝(H-h)b，H为衬砌厚度，h为裂缝最大深度。若为素混凝土转向刚度折减为K/K0＝0.197+0.803e-20.426h/H，若为钢筋混凝土，转向刚度折减为其中K为裂缝折减后转向刚度，K0为无裂缝衬砌结构刚度。
(7)掉块简化算法：对于衬砌结构掉块，力学简化时，以掉块部位最大深度hm的2/3与掉块部位的平均深度ha二者的最值作用简化计算掉块深度，即hm＝min(2hm/3，ha)，掉块部位模型计算厚度hc＝原衬砌厚度hl-hm。
(8)渗漏水简化算法：对于衬砌结构渗漏水，通过裂缝渗漏水实验系统获取不同衬砌厚度、不同裂缝宽度条件下，单位长度渗漏水流量与衬砌结构后渗漏水压力曲线关系。渗漏水简化计算时，已知衬砌厚度与渗漏水流量，对应此曲线变系，获得衬砌后静水压力大小P0，通过衬砌结构表现渗漏水分布判定衬砌结构后渗漏水分布部位，如拱顶(起拱线上，中心线30°区域)、拱腰(起拱线上，中心线30°～60°区域)、拱墙(起拱线上，中心线60°～90°区域)、边墙(超拱线下、路面上部区域)、仰拱(路面下部区域)。将静水压力作为法向荷载作用于渗漏水区域。
(9)荷载结构模型其它参考取值如弹性抗力系数、衬砌厚度、水平荷载、竖向荷载、自重与完整衬砌相同，均参考相关规范取值，如公路隧道参考《公路隧道设计规范》，铁路隧道参考《铁路隧道设计规范》。计算完成求得结构关键部位轴力、弯矩、剪力，并分别计算得出完好衬砌安全系数k0、裂损衬砌安全系数k1。若裂损衬砌安全系数k1小于规范要求值或k1<0.6k0，则结构技术状态等级为4，其余情况结构技术状况为3。
(10)针对裂缝、掉块、渗漏水病害评定状况值为3、4时的部位，通过连续长时间的检测分析，可得出裂损衬砌安全系数k1变化规律，若k1无法趋于稳定，处于快速下降状态，则此部位结构技术状况直接评定为4，并需对此部位进行安全预警。
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 (3)

1.一种适用于隧道病害的评价系统，其特征在于：该系统包括病害数据获取模块、病害数据提取模块、分析处理模块、力学评价模块、裂缝简化模块、掉块简化模块、渗漏水简化模块和中央处理模块；
所述病害数据获取模块、病害数据提取模块、分析处理模块、力学评价模块、裂缝简化模块、掉块简化模块和渗漏水简化模块分别与中央处理模块连接；
所述病害数据获取模块，通过智能设备7d/24h不间断地采集隧道衬砌内结构病害信息，从而实现运营隧道病害信息的快速获取、连续观测；
所述病害数据提取模块，通过病损衬砌的图像处理，获取裂缝长度、宽度与形态信息，裂缝长度误差小于5cm、宽度精度误差小于0.2mm；掉块面积与深度，面积识差小于2％，深度误差小于2mm；渗水状态与渗水面积，面积识差小于2％；图识识别无法获取的裂缝深度信息、渗漏水流量信息，通过埋设在线裂缝测深仪与流量计在线监测方式获取；
所述分析处理模块，采用规范方法定性隧道衬砌病害情况，规范方法参考《公路隧道养护技术规范》中裂缝、掉块、渗漏水病害的评价方法与评定标准；对于裂缝、掉块、渗漏水病害评定状况值为3、4时，进行力学方法的定量计算评价；
所述力学评价模块，采用荷载-结构有限元等效模型进行方法定量计算，计算过程中，衬砌结构裂缝以刚度折减+极限弯矩的形式等效计算，衬砌结构掉块以减小衬砌厚度的形式等效计算，衬砌结构渗漏水以静水压力的形式等效计算，若遇实际情况中同时出现多种病害，则在计算模型中同时进行三者的计算等效，以实现结构病害的耦合作用；
所述裂缝简化模块，对于衬砌结构裂缝，采用刚度折减的方法进行模型简化，计算过程中，切向刚度与法向刚度中用裂损衬砌有效面积A′替代断面面积，A′＝(H-h)b，H为衬砌厚度，h为裂缝最大深度；若为素混凝土转向刚度折减为K/K0＝0.197+0.803e-20.426h/H，若为钢筋混凝土，转向刚度折减为其中K为裂缝折减后转向刚度，K0为无裂缝衬砌结构刚度；
所述掉块简化模块，对于衬砌结构掉块，力学简化时，以掉块部位最大深度hm的2/3与掉块部位的平均深度ha二者的最值作用简化计算掉块深度，即hm＝min(2hm/3，ha)，掉块部位模型计算厚度hc＝原衬砌厚度hl-hm；
所述渗漏水简化模块，对于衬砌结构渗漏水，通过裂缝渗漏水实验系统获取不同衬砌厚度、不同裂缝宽度条件下，单位长度渗漏水流量与衬砌结构后渗漏水压力曲线关系；渗漏水简化计算时，已知衬砌厚度与渗漏水流量，对应此曲线变系，获得衬砌后静水压力大小P0，通过衬砌结构表现渗漏水分布判定衬砌结构后渗漏水分布部位，将静水压力作为法向荷载作用于渗漏水区域。
2.根据权利要求1所述的一种适用于隧道病害的评价系统，其特征在于：所述渗漏水分布部位包括拱顶、拱腰、拱墙、边墙和仰拱；
所述拱顶为起拱线上，中心线30°区域；
所述拱腰为起拱线上，中心线30°～60°区域；
所述拱墙为起拱线上，中心线60°～90°区域；
所述边墙为超拱线下、路面上部区域；
所述仰拱为路面下部区域。
3.根据权利要求1所述的一种适用于隧道病害的评价系统，其特征在于：在所述系统中，针对裂缝、掉块、渗漏水病害评定状况值为3、4时的部位，通过连续长时间的检测分析，得出裂损衬砌安全系数k1变化规律，若k1无法趋于稳定，处于快速下降状态，则此部位结构技术状况直接评定为4，并需对此部位进行安全预警。
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