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        基于長期監(jiān)測數(shù)據(jù)的隧道結構服役性能分析

        2024-01-09 15:53:01周琪琪劉龑王金李波
        交通科技與管理 2023年23期

        周琪琪 劉龑 王金 李波

        摘要 隧道運營期健康監(jiān)測可為隧道安全運營提供重要保障,文章基于長期監(jiān)測數(shù)據(jù),分別從隧道位移穩(wěn)定性和應力水平出發(fā),進行隧道結構服役性能評價分析。結合周邊收斂、水平收斂和不均勻沉降等監(jiān)測數(shù)據(jù),提出了一種隧道位移穩(wěn)定性評價方法;引入應力—溫度相關系數(shù)作為評價襯砌應力水平的技術指標,另外結合歷史監(jiān)測數(shù)據(jù),提出了應力水平承載度評價指標,用以衡量當前應力所處歷史水平。以某山嶺隧道的實測監(jiān)測數(shù)據(jù)進行驗證,經(jīng)分析各評定指標數(shù)值波動范圍較小且處于安全范圍,與隧道結構性能處于良好狀態(tài)相符。

        關鍵詞 隧道;健康監(jiān)測;隧道服役性能

        中圖分類號 U458.1文獻標識碼 A文章編號 2096-8949(2023)23-0005-04

        0 引言

        與普通建筑結構相比,隧道具有建設投資大、運營周期長、安全風險高、工作條件隱蔽等特點[1],這就要求隧道管養(yǎng)部門必須長期對結構進行準確監(jiān)控,及時發(fā)現(xiàn)隧道異狀并予以維修。

        為了保障隧道在運營中的安全,避免安全事故的發(fā)生,利用現(xiàn)代傳感測試、信號分析、遠程智能控制、計算機技術、結構安全評估等新設備和新技術,構建技術先進、措施合理、實用經(jīng)濟、易于管理的隧道運營期安全監(jiān)測管理系統(tǒng),已成為隧道養(yǎng)護工作的重要組成部分[2-3]。該文基于長期監(jiān)測獲取的隧道海量運營階段數(shù)據(jù),從隧道應力水平和位移穩(wěn)定性兩方面入手,對運營期隧道服役性能進行評估。

        1 隧道位移穩(wěn)定性評價

        隧道運營期間結構受力形式及主要外部荷載已經(jīng)確定,相對施工期結構不可預見風險明顯減少,然而由于位移擾動等原因造成的隧道性能衰減在日常養(yǎng)護中難以及時發(fā)現(xiàn),若無法及時處理容易引發(fā)突發(fā)安全事故,因此隧道運營期應聚焦隧道位移穩(wěn)定長期性能跟蹤。隧道結構的位移穩(wěn)定性是保障隧道安全運行的重要前提,該文從運營期隧道位移穩(wěn)定性常見問題入手,針對性選取隧道位移監(jiān)測數(shù)據(jù)和方法,獲得位移穩(wěn)定性評定指標[4]。

        支護系統(tǒng)穩(wěn)定是保障隧道穩(wěn)定性的重要前提,坑道周邊變形速率呈遞減趨勢并逐漸趨近于零,支護結構不能出現(xiàn)影響正常使用的裂縫和破損,更不能發(fā)生大范圍的坍塌[5]??刹捎萌嵝詼y斜儀布設在整個內襯斷面,監(jiān)測整個斷面的三維變形情況,通過坐標點位擬合出隧道內襯形狀,跟蹤隧道襯砌周邊各點坐標變形情況,以實現(xiàn)周邊收斂長期跟蹤監(jiān)測;激光測距儀可通過計算激光發(fā)射返回時間,獲取兩點直線距離,采用激光測距儀配合反射面板布置在隧道兩側側墻,可測得水平方向隧道側墻間直線凈空距離,以實現(xiàn)隧道水平收斂監(jiān)測。

        隧道沿線的土體性質、土層分布、施工工藝、地面荷載、隧道滲漏水和周邊工程施工均會導致隧道結構的沉降,不均勻沉降可引起隧道滲漏、裂縫開展、損傷變形縫等病害,嚴重影響隧道運行安全。隧道一般距離較長且線形變化多樣,采用壓差式靜力水準儀通過設置轉點,可規(guī)避電信號長距離衰減和光信號遮擋的問題,實現(xiàn)隧道全長的不均勻沉降測量。

        綜上分析,隧道周邊變形、隧道水平收斂、隧道不均勻沉降作為反映隧道運營期穩(wěn)定性的關鍵指標,采用合理的監(jiān)測手段對其數(shù)值進行長期跟蹤監(jiān)測可為隧道安全運營提供重要保障,該文以各位移監(jiān)測指標的收斂變形速度和絕對變形量作為位移穩(wěn)定性評價指標。

        2 應力水平評估

        襯砌表面應力監(jiān)測采用振弦式應力傳感器實現(xiàn)[6],振弦式應力具有溫補功能,可同步實現(xiàn)測點附近溫度監(jiān)測,測點布置在洞門附近淺埋段病害集中區(qū)域。

        隧道結構處于穩(wěn)定受力狀態(tài)時,應力數(shù)據(jù)波動應處于較小范圍,且主要受溫度呈變化影響[7]。因此,該文引入了溫度—應力相關系數(shù)[8]用于應力水平評估,相關系數(shù)越接近1,說明應力與溫度的正相關性越好,相關系數(shù)越接近?1,說明應力與溫度的負相關性越好,相關系數(shù)越接近0,說明應力與溫度的相關性越差,相關系數(shù)計算公式如式(1):

        式中,Cov(X,Y)——X與Y的協(xié)方差;Var[X]——X的方差;Var[Y]——Y的方差;X、Y——應力和溫度數(shù)據(jù)。

        為進一步判斷隧道應力水平的發(fā)展趨勢,該文結合歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)提出一種承載度評價指標。將本周期內監(jiān)測數(shù)據(jù)極值與最近周期的極值進行比較,判別當前周期內應力監(jiān)測數(shù)據(jù)的變化幅度,反映當前結構承載水平的增加或減少。當承載度曲線值在100以下波動時,說明新周期中的荷載強度在最近n個周期內時高時低波動,新周期中的結構處于較為安全的荷載水平;而當承載度曲線值等于100且出現(xiàn)橫向移動時,表明新周期中的荷載水平在最近n個周期內持續(xù)處于較高的水平(超過了最近n個周期的極值水平)。

        承載度指標μ計算過程如式(2)

        式中,h——周期內監(jiān)測參數(shù)HLA線圖的最大值;l——周期內監(jiān)測參數(shù)的最小值;hv(h,n)——最近n周期內監(jiān)測參數(shù)HLA線圖的最大值的最大值;hv(l,n)——最近30周期內監(jiān)測參數(shù)HLA線圖的最大值的最小值;lv(h,n)——最近30周期內監(jiān)測參數(shù)HLA線圖的最小值的最大值;lv(l,n)——最近30周期內監(jiān)測參數(shù)HLA線圖的最小值的最小值。

        3 工程案例分析

        該文以某山嶺隧道為依托,開展基于長期監(jiān)測數(shù)據(jù)隧道結構服役性能分析。隧道全長332 m,穿越軟質巖和采空區(qū)兩種不良地質,進口端洞門為端墻式,出口端洞門為削竹式,整個隧道采用中導洞先行開挖,洞身段采用雙側壁導坑法開挖。長期監(jiān)測的內容包括隧道表面應力監(jiān)測、隧道周邊變形、隧道水平收斂、隧道不均勻沉降監(jiān)測。系統(tǒng)采用云—邊—端融合的系統(tǒng)架構,各類傳感器作為場端設備實現(xiàn)原始數(shù)據(jù)的采集,通過場端局域網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳輸至現(xiàn)場工控機,現(xiàn)場工控機負責數(shù)據(jù)解析等邊緣計算工作,解析后數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡傳輸至中心服務器,中心服務器采用云計算進行數(shù)據(jù)的分析處理工作,最終實現(xiàn)終端采集、邊端解析、云端計算的健康監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸與分析架構。數(shù)據(jù)傳輸拓撲圖,如圖1所示。

        各監(jiān)測項目采集設備及數(shù)據(jù)采集頻率如表1所示。

        柔性測斜儀在靠近洞門斷面沿內襯布置,可獲得15個點位的三維坐標,測點布置如圖2所示。選取4月1日和7月1日兩個時間點的監(jiān)測數(shù)據(jù),擬合計算得到內襯形狀曲線變化如圖3所示,計算各點位移變化值,橫向和豎向的最大變形值分別為?0.34 mm、0.56 mm,如表2所示。

        通過在側墻布設激光測距儀,測量側墻間水平向直線距離變形數(shù)據(jù),測點布置如圖4所示,以設備安裝時刻為初始值,水平收斂值即為相對初始值的變化數(shù)值。

        選取4—6月水平收斂監(jiān)測數(shù)據(jù)分析,剔除振動等高頻數(shù)據(jù)影響,兩點間水平距離穩(wěn)定在5 631 mm附近,數(shù)據(jù)波動最大值為1.87 mm,在量測誤差(±2.00 mm)范圍內波動,水平收斂監(jiān)測數(shù)據(jù)時程曲線,如圖5所示。

        隧道全線設置15個不均勻沉降測點,選用靜力水準儀布置在側墻位置,均布在隧道全長范圍內,選取其中洞口附近測點監(jiān)測數(shù)據(jù)作為示例進行分析,剔除振動噪聲的影響,采用修正系數(shù)修正靜力水準儀溫飄影響,計算得到沉降數(shù)值的時程數(shù)據(jù)如圖6所示,3個月內沉降最大值為?0.18 mm。

        以拱頂處應力測點為例,選取4—6月監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析,如圖7所示,應力監(jiān)測數(shù)據(jù)位于0.5~3 MPa之間,數(shù)據(jù)波動范圍較小,應力與溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)變化呈現(xiàn)明顯的正相關性,經(jīng)計算兩者相關性系數(shù)為0.99,證明襯砌應力數(shù)據(jù)變化主要受環(huán)境溫度波動影響,拱頂襯砌結構本身應力水平良好。

        拱頂處應力測點承載度指標以每日監(jiān)測數(shù)據(jù)為一個分析周期,以分析周期前30個自然日的歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)作為基準數(shù)據(jù),計算本周期的應力承載度指標值,經(jīng)計算,4—6月期間,承載度指標長期處于100以下,最大值為93,如圖8所示,表明應力水平未超出近期極值水平,襯砌結構應力服役狀態(tài)良好。

        4 結論

        該文基于隧道長期監(jiān)測數(shù)據(jù),對隧道運營階段的服役性能進行評價分析,提出了基于周邊收斂、水平收斂、不均勻沉降等監(jiān)測數(shù)據(jù)的隧道位移穩(wěn)定性評價方法;結合應力監(jiān)測數(shù)和溫度監(jiān)測數(shù)據(jù),提出了基于歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)的應力水平承載度指標和溫度—應力相關系數(shù)指標,用以隧道應力狀態(tài)評估。以某山嶺隧道的實測監(jiān)測數(shù)據(jù)進行驗證,顯示各監(jiān)測數(shù)據(jù)和評定指標數(shù)值較小且波動穩(wěn)定,證明隧道位移穩(wěn)定性和應力水平處于良好狀態(tài)。

        參考文獻

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        [8]謝明文. 關于協(xié)方差、相關系數(shù)與相關性的關系[J]. 數(shù)理統(tǒng)計與管理, 2004(3): 33-36.

        收稿日期:2023-10-11

        作者簡介:周琪琪(1993—),男,碩士研究生,工程師,從事結構健康監(jiān)測方向研究工作。

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