基于变形数据的隧道二次衬砌结构的弯矩内力分析方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于变形数据的隧道二次衬砌结构的弯矩内力分析方法，它涉及一种弯矩内力分析方法。本发明利用实际的变形曲线反分析隧道的二衬结构的弯矩内力值，能有效避免了现有的技术方法涉及到隧道岩土体的计算参数与实际有较大差异而导致分析隧道结构受力结果与实际存在着差距较大的问题，客观上本技术方案中得到的弯矩内力能有效、真实的反映隧道二次衬砌结构的内力分布状态；显然以衬砌内轮廓线的变形数据为基本参数，进行反分析隧道衬砌弯矩内力的方法，因假设条件少，仅是对衬砌简化为弹性曲梁，这点简化是广泛承认和认可；同时衬砌结构变形曲线是能够考虑围岩压力、水泥水化热、混凝土收缩和徐变等各种不确定性因素的交叉影响和综合因素的得到实际变形结果。
【专利说明】基于变形数据的隧道二次衬砌结构的弯矩内力分析方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及的是一种弯矩内力分析方法，具体涉及一种基于变形数据的隧道二次 衬砌结构的弯矩内力分析方法；
【背景技术】
[0002] 隧道是公路、铁路交通路线中的一种穿越岩土体的关键性构筑物；目前我国公路、 铁路隧道中大部分隧道结构均采用复合式衬砌结构这一型式，复合式衬砌是由喷锚初期支 护和二次衬砌及中间夹防水层组合而成的隧道衬砌结构型式，其中喷锚初期支护一般由喷 射混凝土、锚杆、钢筋网和钢拱架加劲支撑等多种支护形式组合而成；二次衬砌则主要以模 筑混凝土为主；
[0003]目前我国已建成的大量的公路、铁路隧道在未来数十年中，其结构的安全性能否 满足使用功能对保障我国人民的交通出行安全将是一个重大命题；其中核心问题是隧道结 构的安全，在隧道结构中二次衬砌结构作为复合式衬砌的重要组成部分，特别是在运营期 中其受力状态和内力分布是评估与分析结构安全的直接依据和评价基础；
[0004] 采用何种方法，如何能够快速、安全、可靠、有效的得到二次衬砌结构的内力分布 状态特别是内力弯矩的分布状态，是我国乃至世界隧道及地下工程研究者乃至从业人员最 为关心的热点问题之一；
[0005] 现有分析隧道衬砌结构的内力性态，包括弯矩分布，主要通过有限元法、有限差分 法和边界元法等数值分析方法，包括荷载-结构法、地层结构法法等，通过建立隧道结构的 数值模型进行分析；
[0006]目前在进行隧道与地下工程二次衬砌的内力和变形计算分析时，一般选用荷 载-结构模型；公路隧道设计规范中规定：深埋隧道中的整体式衬砌、浅埋隧道中的整体或 者复合式衬砌及明洞衬砌等应采用荷载结构法计算；深埋隧道中复合式衬砌的二次衬砌也 可采用荷载结构法计算；其基本假定为 ：
[0007] 因隧道为长细结构，应采用平面应变模型分析；假定衬砌为小变形弹性梁，衬砌为 足够多个离散等厚度梁单元；用布置于模型各节点上的弹簧单元来模拟围岩与结构的相互 作用，弹簧单元不承受拉力，受拉将自动脱落；弹簧的弹性系数由Winkler假定为基础的局 部变形理论确定，一般采用地层的弹性抗力系数K值，再计算得出模拟结构与地层相互作 用间的弹簧的弹性系数；
[0008] 然后根据地质勘探的选择相应的岩土层物理力学参数进行计算和分析；
[0009] 上述涉及到的技术方法存在以下几个问题或者缺陷：
[0010] ①考虑到工程设计与分析中广泛采用ANSYS、FALC、Midas-GTS等商业有限元软件 进行数值模拟指导设计与施工意义重大，但必须指出的是数值模拟的结果受初始岩土参数 输入的影响很大，而恰恰是由于隧道赋存于岩土体介质中其不确定性，使二次衬砌的计算 结果的可靠性和合理性变得更加模糊；
[0011] ②同时采用数值模拟软件计算衬砌建模较为繁琐，处理过程较为复杂，导致分析 效率不1? ;
[0012] ③二次衬砌结构在实际使用过程中由于受到由于围岩压力、水泥水化热、混凝土 收缩和徐变等各种不确定性因素的交叉综合影响，简单的采用上述提及荷载-结构法进行 数值模拟是难以真实反映出衬砌结构的实际受力状态；
[0013] 综上所述由于隧道的工程地质、围岩本构关系和施工因素等的不确定性，致使采 用数值模拟方法得到隧道结构计算结果仍不能作为设计与分析的直接依据；
[0014] 通过埋设传感器进行现场量测，是准确了解隧道二次衬砌混凝土应变及受力情况 的重要方法；在公路隧道施工期间，因开挖和支护作用，围岩受到了一定的扰动，应力重分 布现象明显；施工期衬砌结构的稳定性直接影响隧道施工安全；如果在施工期选择典型断 面进行衬砌混凝土应力应变量测（如图1)，可获得较为准确的第一手资料；
[0015] 在隧道衬砌中埋置的传感器元件通常分为：钢弦式应力应变传感器以及光纤式传 感器（如图2)两大类；通过数据采集系统获得传感器发出的有关数据而得到的，例如钢弦 式传感器由频率变化值来得到相应的力的变化值，而光纤式传感器通过监测FBG(光纤光 栅）波长变化，得到结构应力应变情况；
[0016] 尽管采用埋置传感器进行获取隧道衬砌结构的内力分布和规律，是一种准确了解 隧道衬砌混凝土受力情况的重要方法，但该方法的缺点十分明显：
[0017] ①埋设传感器测应力这种方法主要有费用较大较多、安装复杂等特点，往往在隧 道现场一般仅作为监控量测的选测项目；
[0018] ②需要监测的断面必须在衬砌施工前进行埋设，监测断面数量有限，存在对施工 的干扰；
[0019] ③其中采用钢弦式应力传感器，其数据稳定性差，长期性也不能满足，传感器的线 头很容易遭到人为的破坏，而且无法对长期的运营隧道进行量测；
[0020] ④其中采用光纤式传感器，数据稳定性较好，长期性也可以，但是由于其费用非常 昂贵，无法满足获取隧道的任意断面内力弯矩分布；
【发明内容】
[0021] 针对现有技术上存在的不足，本发明目的是在于提供一种基于变形数据的隧道二 次衬砌结构的弯矩内力分析方法，针对现有的分析隧道衬砌结构方法比如有限元，能够在 客观上避免涉及围岩体力学参数不准确导致隧道衬砌内力分析结果与实际内力状态差异 很大，甚至失真的情况；能够随意选择检测断面，对隧道的任意一个断面进行评估其弯矩内 力状态；
[0022] 为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：基于变形数据的隧道 二次衬砌结构的弯矩内力分析方法，其方法步骤为：（1)在隧道二次衬砌完成后，通过应用 全站仪或经纬仪在当前隧道断面地面上放线测出属于该衬砌断面的中轴线上的点，该点是 唯一的；
[0023] (2)将隧道激光断面仪架设在该桩号上的中线位置上的这个点上面，设为点A;
[0024] (3)然后再在隧道轴线上放线出另外一点，设为点B，该点B与步骤（2)中的断面 仪架设点A距离不应太远，距离为5米以内；
[0025](4)使A点和B点在一条直线上，然后将激光断面仪旋转90°，这样就确保监测的 断面能够使其与设计断面的坐标系一致；
[0026] (5)通过使用隧道激光断面仪能快速获取隧道内轮廓线各点的坐标（Xi，Zi)，其中 Xi，Zi中i为隧道内轮廓线测点上的编号，断面的编号能够随着仪器使用者设定的激光断面 仪的测点数进行增加；目前激光断面仪的自动测量一个断面（50个点），仅需3分钟，检测 时间较快；
[0027] (5)将坐标点（Xi，Zi)代入公式η=ix2 +zf:进行计算，可获得检测的二次衬砌内 N 轮廓线半径；然后将该检测的半径值加上二次衬砌厚度的一半，即得到施作完成后实际的 衬砌中线上的半径；
[0028] (6)基于隧道二次衬砌作为曲梁的形式，将获得衬砌实际中线半径与衬砌中线的 理论值R代入曲梁的弯矩计算公式，可得到该检测断面上某一测点弯矩值Mi;
[0029] (7)将每个测点的弯矩值进行连线，就可得到整个衬砌的弯矩值；
[0030] (8)当隧道竣工后一段时间，采用上述方法对检测与分析该隧道在同一个测试断 面进行测试后，可以得到该隧道二次衬砌的弯矩内力改变值；
[0031] 本发明利用实际的变形曲线反分析隧道的二衬结构的弯矩内力值，能有效避免了 现有的技术方法涉及到隧道岩体参数不准确而导致分析隧道结构分析受力与现实差距较 大问题，客观上本技术方案中得到的弯矩内力能有效、真实的反映隧道二次衬砌结构的内 力分布状态；显然以衬砌内轮廓线变形数据为基于变形数据反分析隧道衬砌弯矩内力的方 法，由于假设条件少，仅是对衬砌结构简化为弹性曲梁，这点假设是广泛承认和认可；同时 衬砌结构变形数据曲线是能够考虑围岩压力、水泥水化热、混凝土收缩和徐变等各种不确 定性因素的交叉影响和综合因素的得到实际变形结果。
【专利附图】
【附图说明】
[0032] 下面结合附图和【具体实施方式】来详细说明本发明。
[0033] 图1为本发明的【背景技术】中的二衬测点布置图。
[0034] 图2为本发明的【背景技术】中的FBG(光纤光栅）传感器监测系统图。
【具体实施方式】
[0035] 为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合
【具体实施方式】，进一步阐述本发明；
[0036] 本【具体实施方式】采用以下技术方案：基于变形数据的隧道二次衬砌结构的弯矩内 力分析方法，其方法步骤为：（1)在隧道二次衬砌完成后，通过应用全站仪或经纬仪在当前 隧道断面地面上放线测出属于该衬砌断面的中轴线上的点，该点是唯一的；
[0037] (2)将隧道激光断面仪架设在该桩号上的中线位置上的这个点上面，设为点A;
[0038] (3)然后再在隧道轴线上放线出另外一点，设为点B，该点B与步骤（2)中的断面 仪架设点A距离不应太远，距离为5米以内；
[0039](4)使A点和B点在一条直线上，然后将激光断面仪旋转90°，这样就确保监测的 断面能够使其与设计断面的坐标系一致；上述4个步骤是确保隧道激光断面仪测定的断面 能够与设计的隧道断面坐标系一致。
[0040] (5)通过使用隧道激光断面仪能快速获取隧道内轮廓线各点的坐标（Xi， Zi)，其中 Xi，Zi中i为隧道内轮廓线测点上的编号，断面的编号能够随着激光断面仪的测点数进行增 力口；目前激光断面仪的自动测量一个断面（50个点），仅需3分钟，检测时间较快；
[0041] (6)将坐标点（Xi，Zi)代入公式进行计算，可获得检测的二次衬砌内轮廓线半径 ^ ;然后将获得该检测半径值加上二次衬砌厚度的一半，即得到施作完成后实际的衬砌中 线上的半径R1 ;
[0042] (7)基于隧道衬砌作为曲梁形态，将获得R1与衬砌中线的理论值R进行比对，采用 曲梁的弯矩计算公式M: = -￡7(1-^)，可得到该检测断面上某一测点弯矩值Mi，式中为该 测点的弯矩值，E为二次衬砌混凝土的弹性模量，I为隧道二次衬砌每延米的截面惯性矩；E，I都是可以从材料几何尺寸本身的特点是直接获取的；
[0043] (8)将每个测点的弯矩值进行连线，就可得到整个衬砌的弯矩值；
[0044] (9)当隧道竣工后一段时间，采用上述方法对检测与分析该隧道在同一个测试断 面进行测试后，可以得到该隧道二次衬砌的弯矩内力改变值；
[0045] 本【具体实施方式】能针对运营期的隧道衬砌结构安全分析与评估中，应用该方法能 快速获得二次衬砌结构的弯矩内力分布，很直观的得到衬砌结构的薄弱环节，对于快速准 确评估既有隧道的衬砌结构使用状态提供了力学基础与依据。
[0046] 本【具体实施方式】方法由于是借助隧道激光断面仪，检测某断面的内轮廓线仅需5 分钟以内，特别是在运营隧道中，能尽可能的减小占道封闭交通的时间。
[0047] 本【具体实施方式】能长期对隧道二次衬砌断面的变形进行监测，也就是能长期得到 隧道二次衬砌的弯矩内力分布，能有效避免诸如在衬砌内埋置应力、应变传感器存在时间 较长而元件失效而无法量测衬砌内力结构的问题。
[0048] 以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点；本行业的技术 人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本 发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变 化和改进都落入要求保护的本发明范围内；本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其 等效物界定。
【权利要求】
1.基于变形数据的隧道二次衬砌结构的弯矩内力分析方法，其特征在于，其方法步骤 为：（1)在隧道二次衬砌完成后，通过应用全站仪或经纬仪在当前隧道断面地面上放线测 出属于该衬砌断面的中轴线上的点，该点是唯一的； (2) 将隧道激光断面仪架设在该桩号上的中线位置上的这个点上面，设为点A; (3) 然后再在隧道轴线上放线出另外一点，设为点B，该点B与步骤（2)中的断面仪架 设点A距离不应太远，距离为5米以内； (4) 使A点和B点在一条直线上，然后将激光断面仪旋转90°，这样就确保监测的断面 能够使其与设计断面的坐标系一致；上述4个步骤是确保隧道激光断面仪测定的断面能够 与设计的隧道断面坐标系一致。（5)利用隧道激光断面仪进行等角度测量当前断面，通过使 用隧道激光断面仪自带的分析软件能快速获取隧道内轮廓线各点的坐标（Xi，Zi),其中Xi， Zi中i为隧道内轮廓线测点上的编号，断面的编号能够随着激光断面仪的测点数进行增加； 目前激光断面仪的自动测量一个断面（50个点），仅需3分钟，检测时间较快； (6) 将坐标点（Xi，Zi)代入公式,η=?-.: - 进行计算，可获得每一检测测点的二次 衬砌内轮廓线半径；然后将将该半径值加上衬砌厚度的一半，即得到实际衬砌中线上的半 径； (7) 基于隧道衬砌作为曲梁形态，将获得的实际衬砌中线半径与衬砌中线的理论值R 进行比对，采用曲梁的弯矩计算公式，，可得到该检测断面上某一测点弯矩值Mi,弯矩计算 公式中E为二次衬砌混凝土的弹性模量，I为隧道二次衬砌沿隧道纵向每延米的截面惯性 矩；E，I均可从材料几何尺寸本身的特点是直接获取的； (8) 根据步骤（7)将获取每个测点的弯矩值进行连线，就可得到至隧道边墙底部到拱 顶的二次衬砌的弯矩值； (9) 当隧道竣工后一段时间，采用上述方法对检测与分析该隧道在同一个测试断面进 行测试后，可以得到该隧道二次衬砌的弯矩内力改变值。
【文档编号】G06F17/50GK104318004SQ201410556961
【公开日】2015年1月28日 申请日期:2014年10月20日 优先权日:2014年10月20日
【发明者】文竞舟, 粟海涛, 谭晓琦, 任志华, 宁德飚, 杨绪祥 申请人:云南省公路科学技术研究院