CN110671128A - 一种矿山法隧道二次衬砌力学状态的评估方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种矿山法隧道二次衬砌力学状态的评估方法，步骤如下：S1测量环向距离变化值和径向净空收敛变化值：△Li＝L1i‑L0i，△Rii＝△R1ii‑△R0ii；S2进行结构内力的反演分析，获取环向距离变化的计算值△i及径向净空收敛变化计算值△ii；S3获取结构目前状态的内力，迭代计算当∑(△Li‑△i)2+K*∑(△Rii‑△ii)2值最小时，计算结束，结束时的结构内力作为当前的结构内力，其计算荷载作为结构当前承受的实际荷载；S4评估结构的受力状态，将当前结构的内力及荷载与设计考虑的极限内力进行对比。本发明的矿山法隧道二次衬砌力学状态的评估方法，只需测量二衬弧长变化以及监测特征点的径向位移，可靠度高，精度高。
Description
技术领域
本发明属于隧道工程技术领域，更具体地，涉及一种矿山法隧道二次衬砌力学状态的评估方法。
背景技术
矿山法隧道一般按新奥法原理设计，大多数都采用复合衬砌，即由锚杆+射混凝土的初期支护体系和混凝土(或钢筋混凝土)的二次衬砌两部分组成。由初期支护承担外部围岩压力，二次衬砌作为安全储备，承担初期支护耐久性部分失效后转移的围岩压力。但在一些软岩大变形隧道和围岩具有显著流变特性的隧道，二次衬砌需要按承担部分围岩压力进行设计。无论是作为安全储备还是作为承担部分围岩压力，二次衬砌都是这个隧道断面上最后的支撑结构，其受力状态都是反映隧道结构安全与否最直接的指标。但是其到底承受了多少围岩压力、如何评价其安全性能、剩余多少安全储备等仍旧是困扰业界的技术难题。
目前的基本做法是：设定典型监测断面，在结构内部预埋受力传感器，后期进行连续监测，进而评价其力学状态。该技术的缺点主要有：
(1)基于成本考虑，仅能选择极少数监测断面上安装传感器，不能表征整座隧道的健康状态，且在单个监测断面上传感器预埋呈点状分布，只能测出少数几个点位的内力，其他点位只能通过推测的方式得到，往往不能获取最大或最不利的内力，所以也不能表征单个隧道断面结构的健康状态。
(2)预埋元器件需要在隧道施工期进行埋设，对施工工序会造成很大的影响；在结构内部预埋传感器，由于混凝土浇筑工艺等，成活率无法保证100％，部分点位传感器会失效，无法获取数据；对于高速铁路隧道，预埋传感器存在数据传输与测试元件，往往位于结构内表面，成为行车安全的隐患。
(3)现有的传感器普遍寿命不高(10-15年左右)，远远低于结构设计使用年限100年，无法实现长久测试。特别是对于二次衬砌作为安全储备的隧道，在初期支护构件劣化前，二次衬砌实际上并不承担围岩压力，当初期支护开始劣化并将部分围岩压力转移至二次衬砌时，传感器往往已经因自身寿命短而失效，也就是说在需要监测时传感器已不能使用。对于软岩大变形隧道和围岩具有显著流变特性的隧道，二次衬砌承担的围岩压力也是随时间而增长，这个增长过程往往会持续数十年，现有的传感器技术也无法实现全过程监测。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供一种矿山法隧道二次衬砌力学状态的评估方法，只需测量二衬弧长变化以及监测特征点的径向位移，数据获取方法简单，可靠度较高，相对于传统预埋元器件监测使用寿命有限的方案，本发明可以做到全生命周期健康监测，且通过弧长变化以及径向位移变化两个指标进行内力反演，精确度可以得到大幅提高，内力反演方法可以得到隧道通长任一断面结构内力分布，可以更为精确的获取隧道的最不利位置，进而采取必要的工程措施。
为了实现上述目的，本发明提供一种矿山法隧道二次衬砌力学状态的评估方法，步骤如下：
S1测量环向距离变化值和径向净空收敛变化值
在二次衬砌浇筑的内表面沿环向布设n个测量基点，取二次衬砌刚刚施做时的测量值作为零应力初值测量值，获取环向测点距离测量值初始测量值L0i，净空方向收敛值的测量初值R0ii；运营期或后续施工期某个时间节点再次进行测量，获取此时衬砌的上述两个数值L1i和R1ii，并计算得到环向测点距离变化量△Li和净空方向收敛值变化量△Rii；
△Li＝L1i-L0i
△Rii＝△R1ii-△R0ii
其中，i为其中一个测量区段的编号，L1i为运营期或后续施工期某个时间节点对应的环向测线测量基点之间距离的测量值，△R1ii为运营期或后续施工期某个时间节点对应的净空方向收敛值；
S2进行结构内力的反演分析
采用二次衬砌结构常用的荷载结构模型作为结构内力反演分析的计算模型，获取环向距离变化的计算值△i
△Zi＝Zi*L0i/E/S
△Wi＝0.5*Wi*H*L0i/E/I
△i＝△Zi+△Wi
其中，△Zi为相邻测点之间因轴力产生的弧长变化值，Zi为测量区段i 的平均轴力，L0i为测量区段初始状态下的长度，E为二次衬砌混凝土弹性模量，S为二次衬砌结构截面面积，△Wi为相邻测点因弯矩产生的弧长变化， Wi为测量区段i的平均弯矩，H为二次衬砌的厚度，I为二衬截面刚度；
采用计算△i的方法计算获得净空方向收敛值的变化值△ii；
S3获取结构目前状态的内力
通过所述步骤S2建立的计算模型，不断调整弹簧刚度与荷载，迭代计算得到对应的各测量区段环向距离变化的计算值与测量点净空方向收敛的计算值，并实时与S1中测量数据进行对比，当∑(△Li-△i)2+K*∑(△Rii- △ii)2的值最小时，迭代计算结束，K为调节系数，迭代计算结束时的结构内力作为当前的结构内力，其计算荷载可作为结构当前承受的实际荷载；
S4评估结构的受力状态
将当前结构的内力及荷载与设计考虑的极限内力进行对比，判断二次衬砌的受力情况，通过反演得出荷载，得到初期支护传递过来的荷载，进行判别二次衬砌作为受力构件的储备余量，判断隧道的整体安全富余量。
进一步地，同时以净空方向收敛值的变化值和环向距离变化值为目标函数，以矿山法隧道力学计算的地层弹簧与外部荷载为未知模糊变量
进一步地，步骤S1中，每个断面设置至少3条测线，并取各区段测量值的平均值作为最终值。
进一步地，每条测线布置至少5个测点。
进一步地，所述测量基点为满足测量要求的凹凸点/反射光标/预埋基点/粘贴软基点中的一种或几种混合。
进一步地，测量基点之间的测量采用激光测距仪、三维激光扫描成像技术、粘贴线状应变、位移传感器或高精度摄像进行测量。
进一步地，测量精度小于等于0.1mm。
进一步地，步骤S2中，二次衬砌采用梁单元模拟，拱墙区域结构与地层相互作用采用无拉径向弹簧模拟，仰拱区域采用无拉径向弹簧与切向弹簧模拟。
进一步地，步骤S3中，K根据环向距离变化与测量点净空方向收敛两个判别参数对结构重要性权重和计算偏差综合确定。
通过反演得出荷载，得到初期支护传递过来的荷载，进行判别二次衬砌作为受力构件的储备余量，判断隧道的整体安全富余量。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
(1)本发明的矿山法隧道二次衬砌力学状态的评估方法，只需测量二衬弧长变化以及监测特征点的径向位移，数据获取方法简单，可靠度较高，相对于传统预埋元器件监测使用寿命有限的方案，本发明可以做到全生命周期健康监测；内力反演方法可以得到隧道通长任一断面结构内力分布，可以更为精确的获取隧道的最不利位置，进而采取必要的工程措施；且通过弧长变化以及径向位移变化两个不同方向的参数进行内力反演，精确度得到大幅提高。
(2)本发明的矿山法隧道二次衬砌力学状态的评估方法，每个断面设置至少3条测线，将内弧面分为n段，并取各区段测量值的平均值作为最终值，可以很好地消除测量偶然误差。
(3)本发明的矿山法隧道二次衬砌力学状态的评估方法，测量基点为满足测量要求的凹凸点/反射光标/预埋基点/粘贴软基点中的一种或几种混合，能更真实地反映二次衬砌的力学状态，测量基点之间的测量采用激光测距仪、三维激光扫描成像技术、粘贴线状应变、位移传感器或高精度摄像进行测量，保证了更高的测量精度。
附图说明
图1是本发明实施例中的内力反演分析流程图；
图2是本发明实施例中测点布置图；
图3是本发明实施例中测线的展开图；
图4是本发明实施例中二次衬砌的荷载结构模型示意图；
图5是本发明实施例中竖向荷载大于水平荷载模式下净空收敛计算图；
图6是本发明实施例中水平荷载大于竖值荷载模式下净空收敛计算图。
在所有附图中，同样的附图标记表示相同的技术特征，具体为：1-二次衬砌、2-测量基点、3-测线Ⅰ、4-测线Ⅱ、5-测线Ⅲ、6-梁单元、7-径向弹簧、8-切向弹簧、9-荷载分布、10-计算前隧道净空、11-计算后隧道净空。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
图1是本发明实施例中的内力反演分析流程图。如图1所示
S1测量环向距离变化值和径向净空收敛变化值
基于高精度测量技术的二次衬砌变形测量，针对监测断面，分初始状态和监测时间点，采用技术手段测量其环向距离变化值和径向净空收敛变化值，其中，二次衬砌的厚度的测量采用在二次衬砌浇筑前利用模板自带的厚度测量系统进行二次衬砌厚度的测量或在二次衬砌混凝土浇筑完成后采用地质雷达探测测量其厚度。
S11布置测点。图2是本发明实施例中测点布置图。图3是本发明实施例中测线的展开图。如图2和图3所示，二次衬砌浇筑时，在内表面沿环向布设测量基点，每条测线设置n测点，优选地，测点布置5个及以上，将内弧面分为n段；每个断面设置至少3条测线，并取各区段测量值的平均值作为最终值，以消除测量偶然误差。
按环向长度4～5m布置一个测点，且在隧道拱顶和最大跨度处必须布置测点
其中，测量基点优选为满足测量要求的凹凸点或反射光标或预埋基点或粘贴软基点中的一种或几种。
优选地，采用激光测距仪、三维激光扫描成像技术、粘贴线状应变、位移传感器或高精度摄像进行测量，其中测量精度小于等于0.1mm。
S12初始状态的初值测量值。
其中，根据新奥法设计理念，二次衬砌的施做是初期支护变形稳定时，因此可以近似取二次衬砌刚刚施做时的测量值作为零应力初值测量值。
环向测点距离测量值：沿环向测线测量基点之间的距离L0i(i为测点基点之间的区段编号)；优选地，采用整体模版台车施工时，可将高精度模具对应基点的距离作为初始值。
净空方向收敛值的测量：优选地，对净空进行高精度扫描并结合环向测点位置或按固定角度获取净空方向收敛初值R0ii(ii为测点基点编号或角度编号)。
本发明除了测量了径向的环向测点距离值，还测量了净空方向收敛值，通过径向和净空方向两个方向的数据的获取，引入了另一方向的参数，从而为后面的分析评估提供更准确的数据，从而保证分析的准确真实性。
S13获取距离变化值
运营期或后续施工期某个时间节点，需要获取二衬内力评估结构安全时，按上述第，S12步，再次进行测量，获取此时衬砌的上述两个数值L1i和R1ii，并计算得到环向测点距离变化量△Li和净空方向收敛值变化量△ Rii；
△Li＝L1i-L0i
△Rii＝△R1ii-△R0ii
L1i为运营期或后续施工期某个时间节点对应的环向测线测量基点之间距离的测量值，L0i为环向测线测量基点之间距离的初始测量值；
△R1ii为运营期或后续施工期某个时间节点对应的净空方向收敛值，△ R0ii为净空方向收敛初值。
S2基于上述测量数据进行结构内力的反演分析
图4是本发明实施例中二次衬砌的荷载结构模型示意图。如图4所示，结构内力反演分析采用的计算模型为二次衬砌结构计算常用的荷载结构模型。其中，二次衬砌采用梁单元模拟，拱墙区域结构与地层相互作用采用无拉径向弹簧模拟，仰拱区域采用无拉径向弹簧与切向弹簧模拟。
径向弹簧刚度、切向弹簧刚度统称为弹簧刚度，隧道的围岩压力与水压力统称为荷载，弹簧的刚度与荷载为不确定因数。通过该计算模型可以得到衬砌结构的弯矩、轴力计算值以及结构的径向位移计算值。同时以净空方向收敛值的变化值和环向距离变化值为目标函数，以矿山法隧道力学计算的地层弹簧与外部荷载为未知模糊变量进行分析。
S21获取环向距离变化的计算值，即弧长变化的计算值△i
结构发生形状变化的主要原因为轴力和弯矩的作用。隧道结构轴力主要以受压为主，轴力作用下主要产生压缩变形，相邻测点之间因轴力产生的弧长变化值记为△Zi，计算公式如式(1)：
△Zi＝Zi*L0i/E/S (1)
式中，Zi为测量区段i的平均轴力，L0i为测量区段初始状态下的长度，在所述步骤STEP12中测量得到，E为二次衬砌混凝土弹性模量，S为二次衬砌结构截面面积。
隧道结构的弯矩可以分为正弯矩和负弯矩，正弯矩作用下相邻测点之间混凝土表现为张开变形，测点之间弧长增大；负弯矩作用下相邻测点之间混凝土表现为挤压变形，测点之间弧长缩短。相邻测点因弯矩产生的弧长变化记为△Wi，计算公式如式(2)：
△Wi＝0.5*Wi*H*L0i/E/I (2)
式中，Wi为测量区段i的平均弯矩，H为二次衬砌的厚度，I为二衬截面刚度，其余符号含义同上。
环向距离变化的计算值弧长变化计算值△i＝△Zi+△Wi
S22环向距离变化的计算值△ii
采用与步骤S21相同的方法计算△ii
△ii＝△Zii+△Wii
△Zii＝Zii*R0i/E/S (3)
△Wii＝0.5*Wii*H*R0i/E/I (4)
S3获取结构目前状态的内力
S31迭代计算
图5是本发明实施例中竖向荷载大于水平荷载模式下净空收敛计算图。图6是本发明实施例中水平荷载大于竖值荷载模式下净空收敛计算图。如图5和图6所示。通过所述步骤S2建立的计算模型，不断调整弹簧刚度与荷载，迭代计算得到对应的各测量区段环向距离变化的计算值与测量点净空方向收敛的计算值，并实时与S1中测量数据进行对比，利用最小二乘法判别迭代计算的结束，即：
∑(△Li-△i)2+K*∑(△Rii-△ii)2的值最小时，迭代计算结束。
其中，K为调节系数，根据环向距离变化与测量点净空方向收敛两个判别参数对结构重要性权重和计算偏差综合确定。根据不同的矿山隧道二次衬砌结构的性质调整K值的大小，且通过环向距离变化和净空方向收敛变化两个不同方向的参数来确定迭代计算的进程，使得最后迭代计算结束获得数据更能真实体现实际情况下的力学状态。
优选地，K的取值：K值的作用主要是反演计算时，均衡径向净空收敛变化值与
环向距离变化值在量级上带来的忽视性误差和重要性误差，每个断面的计算，K为一个定值，一般取:
K＝(△Ln-△n)/(△Rnn-△nn),n为某一组典型相关数据。
或
(也即：两项变化值平均值之比)
S32：以S31获取迭代计算结束时的结构内力作为当前的结构内力，其计算荷载可作为结构当前承受的实际荷载。
优选地，当上述计算涉及的参数较多时，可引入遗传算法或神经网络算法，降低计算时间。
S4评估结构的受力状态
根据步骤S3的反演计算，可以获取当前结构的内力及荷载。将当前结构的内力及荷载与设计考虑的极限内力进行对比，可以判断二次衬砌的受力情况。当超过允许内力时，需要进行加固处理或通过加装力学传感器进行长期监测。同时，还可以通过反演得出荷载，得到初期支护传递过来的荷载，进行判别二次衬砌作为受力构件的储备余量，判断隧道的整体安全富余量。
本方案只需测量二衬弧长变化以及监测特征点的径向位移，数据获取方法简单，可靠度较高，相对于使用寿命有限传统预埋元器件监测方案，可以做到全生命周期健康监测。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种矿山法隧道二次衬砌力学状态的评估方法，其特征在于，步骤如下：
S1测量环向距离变化值和径向净空收敛变化值
在二次衬砌浇筑的内表面沿环向布设n个测量基点，取二次衬砌刚刚施做时的测量值作为零应力初值测量值，获取环向测点距离测量值初始测量值L0i，净空方向收敛值的测量初值R0ii；运营期或后续施工期某个时间节点再次进行测量，获取此时衬砌的上述两个数值L1i和R1ii，并计算得到环向测点距离变化量△Li和净空方向收敛值变化量△Rii；
△Li＝L1i-L0i
△Rii＝△R1ii-△R0ii
其中，i为其中一个测量区段的编号，L1i为运营期或后续施工期某个时间节点对应的环向测线测量基点之间距离的测量值，△R1ii为运营期或后续施工期某个时间节点对应的净空方向收敛值；
S2进行结构内力的反演分析
采用二次衬砌结构常用的荷载结构模型作为结构内力反演分析的计算模型，获取环向距离变化的计算值△i
△Zi＝Zi*L0i/E/S
△Wi＝Wi*H*L0i/E/I/2
△i＝△Zi+△Wi
其中，△Zi为相邻测点之间因轴力产生的弧长变化值，Zi为测量区段i的平均轴力，L0i为测量区段初始状态下的长度，E为二次衬砌混凝土弹性模量，S为二次衬砌结构截面面积，△Wi为相邻测点因弯矩产生的弧长变化，Wi为测量区段i的平均弯矩，H为二次衬砌的厚度，I为二衬截面刚度；
采用计算△i的方法计算获得净空方向收敛值的变化值△ii；
S3获取结构目前状态的内力
通过所述步骤S2建立的计算模型，不断调整弹簧刚度与荷载，迭代计算得到对应的各测量区段环向距离变化的计算值与测量点净空方向收敛的计算值，并实时与S1中测量数据进行对比，当∑(△Li-△i)2+K*∑(△Rii-△ii)2的值最小时，迭代计算结束，K为调节系数，迭代计算结束时的结构内力作为当前的结构内力，其计算荷载可作为结构当前承受的实际荷载；
S4评估结构的受力状态
将当前结构的内力及荷载与设计考虑的极限内力进行对比，判断二次衬砌的受力情况。
2.根据权利要求1所述的一种矿山法隧道二次衬砌力学状态的评估方法，其特征在于，步骤S2中，同时以净空方向收敛值的变化值和环向距离变化值为目标函数，以矿山法隧道力学计算的地层弹簧与外部荷载为未知模糊变量。
3.根据权利要求1所述的一种矿山法隧道二次衬砌力学状态的评估方法，其特征在于，步骤S1中，每个断面设置多条测线，并取各区段测量值的平均值作为最终值。
4.根据权利要求3所述的一种矿山法隧道二次衬砌力学状态的评估方法，其特征在于，每条测线布置至少5个测点。
5.根据权利要求1～4中任何一项所述的一种矿山法隧道二次衬砌力学状态的评估方法，其特征在于，所述测量基点为满足测量要求的凹凸点/反射光标/预埋基点/粘贴软基点中的一种或几种混合。
6.根据权利要求1所述的一种矿山法隧道二次衬砌力学状态的评估方法，其特征在于，测量基点之间的测量采用激光测距仪、三维激光扫描成像技术、粘贴线状应变、位移传感器或高精度摄像进行测量。
7.根据权利要求1或5所述的一种矿山法隧道二次衬砌力学状态的评估方法，其特征在于，测量精度小于等于0.1mm。
8.根据权利要求1所述的一种矿山法隧道二次衬砌力学状态的评估方法，其特征在于，步骤S2中，二次衬砌采用梁单元模拟，拱墙区域结构与地层相互作用采用无拉径向弹簧模拟，仰拱区域采用无拉径向弹簧与切向弹簧模拟。
9.根据权利要求1所述的一种矿山法隧道二次衬砌力学状态的评估方法，其特征在于，步骤S3中，K根据环向距离变化与测量点净空方向收敛两个判别参数对结构重要性权重和计算偏差综合确定。
10.根据权利要求1所述的一种矿山法隧道二次衬砌力学状态的评估方法，其特征在于，通过反演得出荷载，得到初期支护传递过来的荷载，进行判别二次衬砌作为受力构件的储备余量，判断隧道的整体安全富余量。
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