CN110173305A - 断层处隧道结构全寿命监测预警方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种断层处隧道结构全寿命监测预警方法，属于隧道监测领域。系统包括传感器、监控中心平台、数据存储和报警器；所述传感器与监控中心平台连接；所述监控中心平台分别与数据存储和报警器连接；采用数值极限分析的方法获得监测指标的极限值；再分析以断层处隧道断面数值模拟结果；通过比较所得结果的数值大小得出变截面断面处监测点位置及监测点的布置；根据断层处隧道结构受力分布规律拟定隧道结构稳定性评价标准，建立断层处隧道结构监测控制指标，指标包括：地层变形监测指标和断层处隧道结构变形和应力监测指标。
Description
技术领域
本发明属于隧道监测领域，涉及断层处隧道结构全寿命监测预警方法。
背景技术
断层是指地壳受力发生断裂，沿破裂面两侧岩块发生显著相对位移的构造。山岭地区修建隧道可能会穿越断层结构，断层由于构造运动而发育的构造形态，大小不一，规模不等，但都破坏了岩层的连续性和完整性，断层带上往往岩石破碎，易被风化侵蚀。隧道穿越断层处，围岩破碎，稳定性差，断层处的围岩摩擦力减小，围岩变形和受力大，易发生坍塌、掉块等事故，而且活动断层所引起的错动破坏会造成隧道结构毁灭性破坏；断层处围岩松散，孔隙率大，地下水发育地区隧道开挖可能大面积涌水，从而加剧了围岩变形。隧道运维阶段，断层处衬砌背后水压力过大，会造成衬砌结构变形，开裂，腐蚀结构内钢筋。隧道结构施工阶段和运营阶段往往是通过人工监测，很难及时发现和预测断层处隧道施工引起的地表沉降及结构变形过程，导致对于即将发生的结构损害不能及时的加固处理，传统的监测预警往往单一的，不能系统的对隧道结构全寿命周期进行监测和预警。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种断层处隧道结构全寿命监测预警方法。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
断层处隧道结构全寿命监测预警方法，该方法包括以下步骤：
根据设计文件、实际工程地质情况、实际水文地质情况以及实际的围岩力学参数进行数值建模；
采用数值极限分析的方法获得监测指标的极限值；再分析以断层处隧道断面数值模拟结果；
数值极限分析法是通过对隧道围岩岩体的强度进行不断折减，直到计算结果不收敛，提取前一次计算结果作为极限值，其中强度取决于粘聚力和内摩擦角，强度折减系数ω定义为：
c′，--折减到破坏时的粘聚力与内摩擦系数；
c，-岩土的实际粘聚力与内摩擦系数；
通过比较所得结果的数值大小得出断层处隧道监测断面位置及监测点的布置；
根据断层处隧道结构受力分布规律拟定隧道围岩与结构稳定性评价标准，建立断层处隧道结构监测控制指标，指标包括：地层变形监测指标和断层处隧道结构变形和应力监测指标；
说明：取所有指标中的最不稳定分级作为的最终分级。
进一步，所述变截面的交岔隧道施工引起的弯矩、轴力、位移和应力分布规律，根据受力情况不同，分为受拉区、受压区、正弯矩区和负弯矩区区域；
根据位移变形情况不同，分为下沉和隆起。
本发明的有益效果在于：
1)监测手段的多样性、先进性及严密性
(1)采用高精度激光测距仪并采用合理逻辑算法获得准确初期支护结构表面位移(拱顶沉降和周边收敛)
(2)采用高精度振弦式土压力盒对隧道围岩与初支接触面、初支与二衬接触面的压力变化进行监测；
(3)采用振弦埋入式混凝土应变计对初支喷砼应力、二次衬砌应力进行监测；
(4)采用振弦式表面应变计对钢支撑的受力情况进行监测。
(5)采用振弦式多点位移计对围岩内部位移变化情况进行监测。
(6)采用振弦式钢筋应力计对锚杆轴力受力情况进行监测。
(7)采用多通道振弦式采集仪对隧道内各监测断面埋设的各种传感器进行全自动数据采集。
2)数据传输的实时性
由于隧道环境的特殊性，隧道内使用低功耗、易组网的扩频无线网路通讯技术自建局域网络进行数据传输工作，隧道外采用光纤通讯进行数据远传至终端服务器。
3)数据分析的专业性
采用具有独立知识产权的基于监测数据的安全分析预警软件对隧道内各监测断面进行数据处理及预警。
4)预警制度的合理性
采用双重预警模式：预警基于现场采集监测数据，根据相关规范的监测指标、隧道安全监测的相关经验设置预警值，进行单指标或多指标的预警；预警信息在通过现场无线网络发送至相关巡检人员的终端设备上，同时还可以通过GSM网络以短信形式发送给相关负责人的手机上。
5)软件操作的便捷性
监测数据管理系统采用B/S架构，接入公网即可实现数据的实时查询，设置高、中、低三重数据查询权限，并可实时生成相关曲线、报表、报警信息等，更可远程修改监测设备的采集发射频率。
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为整体计算模型；
图2为断层处隧道最大弯矩曲线；
图3为最大主应力云图；
图4为最小主应力云图；
图5为监测断面布置；
图6为隧道监测点布置；
图7为图测逻辑架构；
图8为系统组成拓扑图；
图9为技术路线原理图。
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。
根据设计文件、实际工程地质情况、实际水文地质情况以及实际的围岩力学参数进行数值建模，如图1所示。
采用数值极限分析的方法获得各个监测指标的极限值再分析以上洞口处断面数值模拟结果，详见图2-图4，通过比较所得结果的数值大小得出洞口断面处监测点位置及监测点的布置，详见图5、图6。超浅埋偏压隧道施工引起的弯矩和轴力分布规律，根据断面位置不同，分为受拉区、受压区、正弯矩区和负弯矩区等区域。据位移变形情况不同，分为下沉和隆起。
图2为断层处隧道最大弯矩曲线；根据计算结果提取关键典型断面的弯矩图，分析弯矩较大点进行进行重点监测。
图3为最大主应力云图；根据计算结果提取关键典型断面最大主应力云图，分析大主应力较大点进行进行重点监测。
图4为最小主应力云图；根据计算结果提取关键典型断面最小主应力云图，分析小主应力较小点进行进行重点监测。
图5为监测断面布置；对断层前后大于20m范围内的围岩和结构布设监测断面进行监测，断面间距宜为2～5m。
图6为隧道监测点布置；结构监测的测点分布依次为隧道支护结构的左边墙、左拱腰、拱顶、右拱腰和右边墙。
为了客观地评价隧道洞口处围岩的安全性，根据洞口处隧道结构受力分布规律拟定隧道结构稳定性评价标准，建立超浅埋偏压隧道结构监测控制指标，其指标包括：地层变形监测指标和洞口处隧道结构变形和应力监测指标。
隧道施工安全便携式预警设备按照“感、传、知、用”四个层次，构架监测系统，系统主要由隧道内前端传感器数据采集与发送、隧道内数据传输网络与数据远传搭建、主监控中心监测数据管理软件平台、智能终端预警四大部分组成(见图7)。图8为系统组成拓扑图。
整套系统通过多通道振弦数据采集仪对隧道内各断面布设的传感器进行数据采集，然后通过隧道内自组网络将数据传送至现场数据远传设备终端设备，由数据远传终端设备将数据远程发送至监控中心服务器。当巡检人员手持智能预警终端手持设备进行巡检时，手持终端具有隧道内定位功能，当巡检人员到达某一断面时，终端设备会主动显示当前监测断面的预警级别，达到隧道内预警功能。
监测系统遵循安全、有效、可靠、系统便于维护为设计原则，本监测系统主要由前端数据采集、扩频无线数据传输、监测预警主软件组成。
为了保障预警系统的稳定及可靠性，在本监测系统中采用软件预警和硬件预警双重预警机制，整套监测系统为实时在线设计，如果通过软件预警的方式向报警器发送预警信息没有成功预警时，现场数据采集仪启动硬件预警模式，采集仪根据监测断面传感器数据与硬件预警判定，将预警信息通过扩频网络发送至该断面的报警器上，同时通过扩频网络、GPRS无线数据终端将监测数据、预警信息、定位信息远程发送至监控中心服务器上，系统组成示意如图8所示。技术路线示意图如图9所示。
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 (2)
1.断层处隧道结构全寿命监测预警方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
根据设计文件、实际工程地质情况、实际水文地质情况以及实际的围岩力学参数进行数值建模；
采用数值极限分析的方法获得监测指标的极限值；再分析以断层处隧道断面数值模拟结果；
数值极限分析法是通过对隧道围岩岩体的强度进行不断折减，直到计算结果不收敛，提取前一次计算结果作为极限值，其中强度取决于粘聚力和内摩擦角，强度折减系数ω定义为：
c′＝c/ω
c′，--折减到破坏时的粘聚力与内摩擦系数；
c，-岩土的实际粘聚力与内摩擦系数；
通过比较所得结果的数值大小得出断层处隧道监测断面位置及监测点的布置；
根据断层处隧道结构受力分布规律拟定隧道围岩与结构稳定性评价标准，建立断层处隧道结构监测控制指标，指标包括：地层变形监测指标和断层处隧道结构变形和应力监测指标；
说明：取所有指标中的最不稳定分级作为的最终分级。
2.根据权利要求1所述的断层处隧道结构全寿命监测预警方法，其特征在于：所述变截面的交岔隧道施工引起的弯矩、轴力、位移和应力分布规律，根据受力情况不同，分为受拉区、受压区、正弯矩区和负弯矩区区域；
根据位移变形情况不同，分为下沉和隆起。
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