CN115355056A - 市域铁路越江隧道复合衬砌结构受力性能自动化监测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了市域铁路越江隧道复合衬砌结构受力性能自动化监测系统，包括监测模块、采集模块、传输模块、分析模块以及核算模块，采集模块对监测模块获得的数据进行集中化采集，并通过传输模块将数据传输至分析模块，核算模块对数据云平台的数据进行建模分析反演，明确软土地层中双层衬砌盾构隧道内外衬的接触关系及其协同承载机制。优点在于，设计了复合隧道衬砌结构受力性能自动化监测系统，对盾构管片及内衬在不同施工及运营工况下受力性能进行远程自动化监测，掌握超大直径双层砌盾构隧道内外衬的长期协同承载机理及其演化规律。
Description
技术领域
本发明涉及一种监测系统，尤其涉及市域铁路越江隧道复合衬砌结构受力性能自动化监测系统。
背景技术
瓯江江北口隧道作为温州深厚软土地层第一条越江盾构隧道，同时做为国内首条超大直径复合衬砌隧道，其设计和建设经验承载着本地区同类隧道先行先试的作用。鉴于工程面临的重大安全风险，通过对盾构隧道复合衬砌结构内力进行远程自动化实时监测，掌握复合衬砌结构内力规律，实现隧道结构安全实时预警报警功能，从而提高瓯江北口隧道事故风险监测预警水平及事故应急救援能力，确保隧道始终处于安全可控状态。
发明内容
为解决现有技术存在的问题和不足，本发明特制作市域铁路越江隧道复合衬砌结构受力性能自动化监测系统，实现软土层中双层衬砌盾构隧道结构服役状态自动化远程云监测。
市域铁路越江隧道复合衬砌结构受力性能自动化监测系统，包括包括监测模块、采集模块、传输模块、分析模块以及核算模块，采集模块对监测模块获得的数据进行集中化采集，并通过传输模块将数据传输至分析模块，核算模块对数据云平台的数据进行建模分析反演，明确软土地层中双层衬砌盾构隧道内外衬的接触关系及其协同承载机制。
进一步地，监测模块包括外衬内力监测装置、外衬相互作用力监测装置以及内衬内力监测装置。
进一步地，外衬内力监测装置包括外衬管片中预埋的土压力盒以及钢筋轴力计，外衬相互作用力监测装置包括外衬拼装时安装的螺栓轴力计，内衬内力监测装置包括在内衬中预埋的混凝土应变计。
进一步地，传输模块包括洞内光纤和洞外无线信息传输装置。
进一步地，核算模块采用三维精细化有限元建模分析反演，明确软土地层中双层衬砌盾构隧道内外衬的接触关系及其协同承载机制。
进一步地，三维有限元精细化建模包括混凝土采用弹塑性损伤本构，并在此基础上采用弥散开裂模型，通过对单元的刚度进行折减实现混凝土开裂行为的描述，以模拟极限工况下的管片开裂和损伤，外衬管片接缝采用真实建立螺栓嵌入式梁单元模拟，以避免接缝弹簧非线性刚度确定困难和正负向转角条件下刚度曲线不对称等问题，螺栓中螺帽与管片无相对位移、螺杆与螺栓孔变形协调，螺栓预紧力施加在螺栓垫片位置和螺杆内部，忽略防水密封垫，相邻管片之间采用硬接触，切箱采用罚函数和库伦摩擦模拟，外衬管片与内衬现浇钢砼之间的界面光滑时采用法向硬接触和切向无摩擦模拟，不光滑时采用法向硬接触和切向罚函数+库伦摩擦强度准则模拟。
进一步地，核算模块还包括在三维精细化有限元模型的基础上，基于现场实测断面的内力和变形结果对有限元模型的参数进行校验，获得内外衬接触关系描述方法，研究潮汐水头和列车动荷载作用下内外衬接触压力、螺栓弯矩和剪力、内外衬开裂等无法实际观测指标的长期变化规律，明确软土地层中超大直径双层砌盾构隧道内外衬的长期协同承载机理及其演化规律。
本发明的有益之处在于：
瓯江江北口隧道作为温州深厚软土地层第一条越江盾构隧道，同时做为国内首条超大直径复合衬砌隧道。该隧道下穿瓯江入海口，存在隧址分布深厚软土地层、上部海域高潮差、隧道直径大及采用复合衬砌结构等复杂工况，目前国内尚无成功实施案例。本发明可对超大直径管片及内衬在施工及运营工况下的受力性能进行实施远程自动化监测，掌握大直径双层砌盾构隧道内外衬的长期协同承载机理及其演化规律。可为复杂条件下隧道运营安全评估提供支撑，同时也为国内同类隧道起到先行先试的作用。
附图说明
图1为本发明市域铁路越江隧道复合衬砌结构受力性能自动化监测系统的结构示意图。
图2为本发明市域铁路越江隧道复合衬砌结构受力性能自动化监测系统监测断面位置的示意图。
图3为本发明市域铁路越江隧道复合衬砌结构受力性能自动化监测系统监测断面地质条件的示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
市域铁路越江隧道复合衬砌结构受力性能自动化监测系统，结合现场施工进度，选取两处现场监测断面，监测断面1穿越淤泥质黏土和黏土层，上覆淤泥和淤泥质黏土，下卧卵石层；监测断面2穿越淤泥质黏土和黏土层，上覆淤泥质黏土，下卧黏土层。
隧道现场施工主要分为七步：①管片预制阶段埋设内衬监测传感器、②隧道掘进阶段管片内设传感器连接、③ 预制箱涵安装阶段监控线路敷设、④对监测系统进行线路联网并通电测试、⑤内衬拱脚施工阶段埋设内衬拱脚传感器并预埋剩余导线、⑥内衬剩余部分钢砼浇筑埋设内衬传感器并接入系统、⑦监测系统全部完成并持续运行。
根据双层衬砌盾构隧道设计方案，开展三维有限元精细化建模。混凝土采用弹塑性损伤本构，并在此基础上采用弥散开裂模型，通过对单元的刚度进行折减实现混凝土开裂行为的描述，以模拟极限工况下的管片开裂和损伤。外衬管片接缝采用真实建立螺栓嵌入式梁单元模拟，以避免接缝弹簧非线性刚度确定困难和正负向转角条件下刚度曲线不对称等问题，螺栓中螺帽与管片无相对位移、螺杆与螺栓孔变形协调，螺栓预紧力施加在螺栓垫片位置和螺杆内部。忽略防水密封垫，相邻管片之间采用硬接触，切箱采用罚函数和库伦摩擦模拟。外衬管片与内衬现浇钢砼之间的界面光滑时（复合结构）采用法向硬接触和切向无摩擦模拟，不光滑时（叠合结构）采用法向硬接触和切向罚函数+库伦摩擦强度准则模拟。
通过在外衬管片中预埋土压力盒和钢筋轴力计实现隧土接触压力和外衬内力的监测，通过外衬拼装时安装螺栓轴力计实现外衬纵缝和环缝的受力状态监测，通过在内衬中预埋混凝土应变计实现内衬内力的监测。此外，拟通过自动化数据采集模块实现上述设备的自动信息集中化采集，并通过洞内光纤和洞外无线信息传输模块实现远程控制的数据云平台交互功能。在此基础上通过三维精细化有限元建模分析反演，明确软土地层中双层衬砌盾构隧道内外衬的接触关系及其协同承载机制。
在三维精细化有限元模型的基础上，基于现场实测断面的内力和变形结果对有限元模型的参数进行校验，获得合理的内外衬接触关系描述方法。在此基础上， 研究潮汐水头和列车动荷载作用下内外衬接触压力、螺栓弯矩和剪力、内外衬开裂等无法实际观测指标的长期变化规律，明确软土地层中大直径双层衬砌盾构隧道内外衬的长期协同承载机理及其演化规律。模拟结果与数值模拟结果的修正校核。通过实测结果对数值模拟参数进行反演及修正，获得隧道衬砌受力及变形的综合性能，包括管片与内衬的受力与变形，以及两者的应力分担特性等，作为隧道运营前评估和运营过程中安全评估的基础资料。
以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。
Claims (7)
1.市域铁路越江隧道复合衬砌结构受力性能自动化监测系统，其特征在于：包括监测模块、采集模块、传输模块、分析模块以及核算模块，采集模块对监测模块获得的数据进行集中化采集，并通过传输模块将数据传输至分析模块，核算模块对数据云平台的数据进行建模分析反演，明确软土地层中双层衬砌盾构隧道内外衬的接触关系及其协同承载机制。
2.根据权利要求 1 所述的市域铁路越江隧道复合衬砌结构受力性能自动化监测系统，其特征在于：监测模块包括外衬内力监测装置、外衬相互作用力监测装置以及内衬内力监测装置。
3.根据权利要求 2 所述的市域铁路越江隧道复合衬砌结构受力性能自动化监测系统，其特征在于：外衬内力监测装置包括外衬管片中预埋的土压力盒以及钢筋轴力计，外衬相互作用力监测装置包括外衬拼装时安装的螺栓轴力计，内衬内力监测装置包括在内衬中预埋的混凝土应变计。
4.根据权利要求3所述的市域铁路越江隧道复合衬砌结构受力性能自动化监测系统，其特征在于：传输模块包括洞内光纤和洞外无线信息传输装置。
5.根据权利要求4所述的市域铁路越江隧道复合衬砌结构受力性能自动化监测系统，其特征在于：核算模块采用三维精细化有限元建模分析反演，明确软土地层中双层衬砌盾构隧道内外衬的接触关系及其协同承载机制。
6.根据权利要求5所述的市域铁路越江隧道复合衬砌结构受力性能自动化监测系统，其特征在于：三维有限元精细化建模包括混凝土采用弹塑性损伤本构，并在此基础上采用弥散开裂模型，通过对单元的刚度进行折减实现混凝土开裂行为的描述，以模拟极限工况下的管片开裂和损伤，外衬管片接缝采用真实建立螺栓嵌入式梁单元模拟，以避免接缝弹簧非线性刚度确定困难和正负向转角条件下刚度曲线不对称等问题，螺栓中螺帽与管片无相对位移、螺杆与螺栓孔变形协调，螺栓预紧力施加在螺栓垫片位置和螺杆内部，忽略防水密封垫，相邻管片之间采用硬接触，切箱采用罚函数和库伦摩擦模拟，外衬管片与内衬现浇钢砼之间的界面光滑时采用法向硬接触和切向无摩擦模拟，不光滑时采用法向硬接触和切向罚函数+库伦摩擦强度准则模拟。
7.根据权利要求6所述的市域铁路越江隧道复合衬砌结构受力性能自动化监测系统，其特征在于：核算模块还包括在三维精细化有限元模型的基础上，基于现场实测断面的内力和变形结果对有限元模型的参数进行校验，获得内外衬接触关系描述方法，研究潮汐水头和列车动荷载作用下内外衬接触压力、螺栓弯矩和剪力、内外衬开裂等无法实际观测指标的长期变化规律，明确软土地层中大直径双层砌盾构隧道内外衬的长期协同承载机理及其演化规律。
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| CN117216862A (zh) * | 2023-11-09 | 2023-12-12 | 湖南大学 | 一种基于纤维梁单元的三维盾构隧道动力分析模型 |
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