CN114112174B - 一种基于应变测量的隧道水土压力监测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于应变测量的隧道水土压力监测方法，包括：基于隧道的实际情况，布设应变传感器；基于预设的隧道载荷模型和布设了应变传感器的测点，进行隧道各阶段应变监测，得到特征荷载与测点应变之间的关系，计算得到特征荷载组合下测点的计算应变；利用最小二乘法，求解得到隧道水土压力的最优解。本发明通过应变传感器监测隧道断面应变，能够实现隧道水土压力的监测。

Description

一种基于应变测量的隧道水土压力监测方法
技术领域
本发明涉及一种基于应变测量的隧道水土压力监测方法，属于工程结构监测技术领域。
背景技术
隧道是地铁、过江/海通道、城市快速道路等交通设施的重要承载结构形式，其安全运营对城市发展意义重大。作为受力结构体，外部荷载的大小直接影响隧道的安全，因此，对隧道周围水土压力实施监测显得非常重要。目前，对于隧道周围水土压力的监测手段主要是压力盒，其工作原理类似称重地磅的原理，将压力盒埋置在隧道底面/侧面与土层交界处，水土压力通过压力盒传递给隧道，从而实现水土压力的测量。但是，目前工程界普遍反映压力盒无法准确测量水土压力，一方面是因为压力盒在实际中经常会和混凝土浇筑粘结在一起，其测量的压力不是完整的水土压力，另一方面压力盒受力面一般很小(通常采用30cm*30cm或50cm*50cm)，其自身刚度会影响周边土层变形，从而影响测量的压力大小。因此，提出一种可靠的隧道水土压力测量方法具有重要的工程意义。
在桥梁领域，有一个概念为“动态称重”，就是利用桥梁本身在车辆荷载下的动力响应反算车辆荷载。对于隧道来说，在一定的水土压力下，隧道将产生响应的变形(如应变)，这个变形和水土压力是直接相关的，如果可以建立它们之间的关系，就可以实现通过测量隧道变形来反算隧道的水土压力。在实际监测中，应变是经常监测的变形指标之一。一般采用电阻应变计、钢弦应变计等测量应变，但是长期监测效果差，传感器数据不稳定。光纤光栅(FBG)应变传感技术具有可分布式测量、长期测量稳定性好、精度高、不受电磁场干扰等优点，近来在工程结构监测中逐渐成为应用热点。同时，近些年光纤光栅传感技术国产化仪器设备发展较快，性能大幅提升，成本大幅下降，显示出在工程中规模化应用的前景。现有技术缺乏利用光纤光栅传感技术对隧道结构应变的监测。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种基于应变测量的隧道水土压力监测方法通过应变传感器监测隧道断面应变，能够实现隧道水土压力的监测。
本发明提供了一种基于应变测量的隧道水土压力监测方法，包括：基于隧道的实际情况，布设应变传感器；
基于预设的隧道载荷模型和布设了应变传感器的测点，进行隧道各阶段应变监测，得到特征荷载与测点应变之间的关系，计算得到特征荷载组合下测点的计算应变；
利用最小二乘法，求解得到隧道水土压力的最优解。
进一步地，所述布设应变传感器，包括：
基于隧道的实际情况，根据在隧道断面拉应变较大处布设应变传感器的原则，得到应变传感器的布设方案；
根据布设方案，将应变传感器预埋在隧道断面内部，用光缆连接应变传感器和光纤光栅解调仪，完成应变传感器的布设。
优选地，常用的闭合矩形隧道的左右侧面的中部和底部、上下断面的中部均布设应变传感器。
进一步地，所述预设的隧道载荷模型，包括：上下对称布设的载荷和左右对称布设的载荷。
优选地，常用的闭合矩形隧道断面的隧道载荷模型为，上下对称布设的平行载荷，左右对称布设梯形载荷和平行载荷，共计6个载荷特征参数。
进一步地，布设应变传感器的数量不少于荷载特征参数的数量。
进一步地，所述特征荷载与测点应变之间的关系为单位特征载荷下各测点的计算应变。
进一步地，所述计算得到特征荷载组合下测点的计算应变，通过下式进行计算：
式(1)中，εi表示特征载荷组合作用下第i位置的计算应变；N表示载荷特征参数的数量；kj表示第j个单位特征载荷的大小；εij表示第j个单位特征载荷作用下第i位置的计算应变。
进一步地，所述求解得到隧道水土压力的最优解，包括：
更新特征载荷参数，基于预设的隧道载荷模型计算特征荷载组合下测点的计算应变，通过最小二乘法比较计算结果与应变实际测量值，差值平方最小的特征载荷参数为载荷最优解，即为隧道水土压力的最优解。
进一步地，所述最小二乘法通过下式表示：
式(2)中，Z是公式计算残值；εi表示特征载荷组合作用下第i位置的计算应变；εi’是第i位置的测量应变；n是应变传感器的数量。
进一步地，所述应变传感器采用光纤光栅应变计，传感标距为30cm～50cm。
与现有技术相比，本发明实施例所提供的一种基于应变测量的隧道水土压力监测方法所达到的有益效果包括：
本发明基于隧道的实际情况，布设应变传感器；基于预设的隧道载荷模型和布设了应变传感器的测点，进行隧道各阶段应变监测，得到特征荷载与测点应变之间的关系，计算得到特征荷载组合下测点的计算应变；利用最小二乘法，求解得到隧道水土压力的最优解。本发明设计思路科学合理，通过应变传感器监测隧道断面应变，结合结构变形理论反算隧道周围水土压力，能够实现隧道水土压力的监测，对保障水下隧道的正常运营维护具有重要意义。
附图说明
图1是本发明提供的一种基于应变测量的隧道水土压力监测方法的应变传感器布设示意图；
图2是本发明提供的一种基于应变测量的隧道水土压力监测方法的隧道载荷模型的示意图；
图3是本发明提供的一种基于应变测量的隧道水土压力监测方法的流程图。
图中：1、隧道；2、应变传感器；3、光缆；4、光纤光栅解调仪。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
本实施例以常用的闭合矩形隧道1断面为例，说明本发明的技术方案。
如图3所示，本发明实施例提供了一种基于应变测量的隧道水土压力监测方法，包括：
基于隧道1的实际情况，布设应变传感器2；
基于预设的隧道载荷模型和布设了应变传感器2的测点，进行隧道1各阶段应变监测，得到特征荷载与测点应变之间的关系，计算得到特征荷载组合下测点的计算应变；
利用最小二乘法，求解得到隧道1水土压力的最优解。
具体的，应变传感器2采用光纤光栅应变计，考虑到混凝土的不均匀特性，传感标距为30cm～50cm。
布设应变传感器2包括：基于隧道1的实际情况，根据在隧道1断面拉应变较大处布设应变传感器2的原则，得到应变传感器2的布设方案；根据布设方案，将应变传感器2预埋在隧道1断面内部，用光缆3连接应变传感器2和光纤光栅解调仪4，完成应变传感器2的布设。
应变传感器2的布设位置和数量以实际隧道1的受力分析情况为依据，一般在断面拉应变较大处。
布设应变传感器2的结果如图1所示，闭合矩形隧道1的左右侧面的中部和底部、上下断面的中部均布设应变传感器2。
预设的隧道载荷模型，包括：上下对称布设的载荷和左右对称布设的载荷。如图2所示，闭合矩形隧道1断面的隧道1载荷模型为，上下对称布设的平行载荷(k5、k6)，左右对称布设梯形载荷(k1、k4)和平行载荷(k2、k3)，共计6个载荷特征参数。
每一种荷载组合均对应一种隧道1的应变分布，因此，为了确定水土压力荷载，布设应变传感器2的数量不少于荷载特征参数的数量。
隧道1各阶段应变监测，得到的特征荷载与测点应变之间的关系，计算得到特征荷载组合下测点的计算应变，包括：确定在单位特征荷载作用下隧道1某一位置的计算应变εij(表示第j个单位特征荷载作用下第i位置的计算应变)，将特征荷载kj(第j个特征荷载的大小)与相应的计算应变εij相乘，再累加，即可获得所有荷载组合下的隧道1某一位置的计算应变εi，通过下式表示：
式(1)中，εi表示特征载荷组合作用下第i位置的计算应变；N表示载荷特征参数的数量；kj表示第j个单位特征载荷的大小；εij表示第j个单位特征载荷作用下第i位置的计算应变。
求解得到隧道1水土压力的最优解，包括：
更新特征载荷参数，基于预设的隧道载荷模型计算特征荷载组合下测点的计算应变，通过最小二乘法比较计算结果与应变实际测量值，差值平方最小的特征载荷参数为载荷最优解，即为隧道1水土压力的最优解。
具体的，最小二乘法通过下式表示：
式(2)中，Z是公式计算残值；εi表示特征载荷组合作用下第i位置的计算应变；εi’是第i位置的测量应变；n是应变传感器2的数量。
本发明设计思路科学合理，通过应变传感器2监测隧道1断面应变，结合结构变形理论反算隧道1周围水土压力，能够实现隧道1水土压力的监测，对保障水下隧道1的正常运营维护具有重要意义。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于应变测量的隧道水土压力监测方法，其特征在于，包括：
基于隧道的实际情况，布设应变传感器；
基于预设的隧道载荷模型和布设了应变传感器的测点，进行隧道各阶段应变监测，得到特征荷载与测点应变之间的关系，计算得到特征荷载组合下测点的计算应变；其中，所述预设的隧道载荷模型，包括：上下对称布设的载荷和左右对称布设的载荷，布设应变传感器的数量不少于荷载特征参数的数量；所述计算得到特征荷载组合下测点的计算应变，通过下式进行计算：
式(1)中，εi表示特征载荷组合作用下第i位置的计算应变；N表示载荷特征参数的数量；kj表示第j个单位特征载荷的大小；εij表示第j个单位特征载荷作用下第i位置的计算应变；
利用最小二乘法，求解得到隧道水土压力的最优解；所述求解得到隧道水土压力的最优解，包括：
更新特征载荷参数，基于预设的隧道载荷模型计算特征荷载组合下测点的计算应变，通过最小二乘法比较计算结果与应变实际测量值，差值平方最小的特征载荷参数为载荷最优解，即为隧道水土压力的最优解。
2.根据权利要求1所述的基于应变测量的隧道水土压力监测方法，其特征在于，所述布设应变传感器，包括：
基于隧道的实际情况，根据在隧道断面拉应变较大处布设应变传感器的原则，得到应变传感器的布设方案；
根据布设方案，将应变传感器预埋在隧道断面内部，用光缆连接应变传感器和光纤光栅解调仪，完成应变传感器的布设。
3.根据权利要求1所述的基于应变测量的隧道水土压力监测方法，其特征在于，所述特征荷载与测点应变之间的关系为单位特征载荷下各测点的计算应变。
4.根据权利要求1所述的基于应变测量的隧道水土压力监测方法，其特征在于，所述最小二乘法通过下式表示：
式(2)中，Z是公式计算残值；εi表示特征载荷组合作用下第i位置的计算应变；εi’是第i位置的测量应变；n是应变传感器的数量。
5.根据权利要求1所述的基于应变测量的隧道水土压力监测方法，其特征在于，所述应变传感器采用光纤光栅应变计，传感标距为30cm～50cm。
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