一种盾构法隧道纵向内力非预埋式监测方法与流程

本发明属于隧道工程领域，具体涉及一种盾构法隧道纵向内力非预埋式监测方法。

背景技术：

盾构法隧道具有施工速度快、环保、经济的优点，但其特殊的结构形式，又使其具有整体刚度小、抗变形能力弱的显著特点，周边地层扰动后易发生开裂、渗漏、横向变形显著增大、纵向不均匀沉降等病害，近年来各地关于盾构隧道各类病害现象的报导屡见不鲜。因此盾构隧道健康监测技术逐步在该领域大量推广运用，力图实现对结构受力状况进行长久监测，以评估隧道的安全状态。

但现有结构健康监测技术主要是施工前预设断面，且在预设断面内预埋元器件进行后期的监测，因而不可避免存在以下难以克服的技术难题：

1)难以对最危险、最需要监测的部位进行监测。设计中，一般根据隧道所处地质条件、周边环境条件、远期规划条件等因素，选取设计过程中认为最不利、最危险的部位进行监测，在该部位的管片内预埋好水土压力、钢筋应力、混凝土应力、螺栓应力等测试元器件，现场拼装后即可进行监测。但从结构长久健康来看，对结构纵向内力，真正最危险、最需要长久监测的断面往往是施工中因各种原因引起的沉降或上浮、开裂、严重错台的部位(简称“缺陷部位”)，或者是施工后周边环境发生较大改变的部位(简称“环境变化部位”)，由于施工因素具有随机性，这些“缺陷部位”位置难以预料，环境改变因素也因规划变化或各种特殊原因同样难以预料，因而也难以进行元器件预埋。

2)难以实现长久监测。预埋元器件的存活率难以达到100％，使用寿命短(常规机械式测量方法仅5-10年，光纤光栅元器件15年左右)，且基本上无法实现更换与再生。

3)难以全隧道监测。出于成本原因，一般仅对少数几个部位预埋元器件，无法对所有管片都预埋。

此外，在盾构法隧道纵向内力反演方面，常用的方法有两种：第一种方法适用于有预埋元器件的情况，通过预埋元器件的实测应力进行内力反算；第二种方法适用于没有预埋元器件的情况，通过实测隧道纵向沉降(或上浮)变形曲线进行反算。对于第一种方法，当预埋元器件的数量足够时，内力反算结果较准确，当数量较少时，误差较大。对于第二种方法，由于实测隧道纵向沉降(或上浮)变形曲线中包含有管片环间错台量且难以剔除其影响，因而内力反演结果存在极大误差，无法满足实用要求。

技术实现要素：

为解决现有盾构隧道健康监测的技术缺陷，提本发明提出一种全新的健康监测方法，本发明的技术方案如下：

一种盾构法隧道纵向内力非预埋式监测方法，所述方法包括：

步骤1，测量管片在不同受力状态下的纵向长度，根据管片在不同受力状态下纵向长度，计算管片纵向长度变化值；

步骤2，针对缺陷部位或环境变化部位，基于管片在不同受力状态下的纵向长度以及长度变化值，进行内力的反演分析；

步骤3，基于反演得到的反演值，判断该断面是否具有长久监测的必要性，有针对性地安装监测元器件，对其结构受力状态进行长久监测。

进一步地，所述方法还包括：

管片预制生产时，在每块管片内表面设置有n+2条沿纵向方向的测线，n为该块管片内纵向螺栓个数，管片内表面上对应每个纵向螺栓处均有一条测线，另外两条测线分别位于管片内表面的两直边处，每条测线长度等于该管片内表面对应位置处的纵向长度，通过测量对应测线的长度作为管片在不同受力状态下纵向长度。

进一步地，每条测线上预留有至少三个固定的、能够长久保存的高精度定位测量基点，测线首端和尾端各有一个测量基点，其他测量基点位于测线首端和尾端，每条测线上的相邻测量基点之间的距离相等。

进一步地，所述步骤1具体包括：

在缺陷部位或环境变化部位，令该断面处相邻的两管片环的分别为管片环a和管片环b；对管片环中的测线进行编号，令i表示对应管片环中第i条测线编号，相邻两管片环中的第i条测线位置相对；

在管片安装前，测量零应力状态下管片中所有测线的长度，获取管片环a中各测线在零应力状态下的长度la0i，获取管片环b中各测线在零应力状态下的长度lb0i；

管片在隧道安装成环后，在缺陷部位或环境变化部位，测量管片环a在变形稳定状态下各测线的长度la1i，测量管片环b在变形稳定状态下各测线的长度lb1i；

根据la0i、la1i、lb0i和lb1i，计算出管片环a各测线的长度变化值δai＝la1i-la0i，管片环b各测线的长度变化值δbi＝lb1i-lb0i；

将管片环a与管片环b共同作为一组，管片环a与管片环b的第i条测线共同成为一组管片环的第i条测线，计算一组管片环内各测线在零应力状态下的长度lab0i＝la0i+lb0i；计算一组管片环内各测线在管片环变形稳定状态下的长度lab1i＝la1i+lb1i；从而计算一组管片环内各测线长度变化值δabi＝lab1i-lab0i。

进一步地，所述步骤2具体包括：

步骤2.1，基于管片在不同受力状态下的纵向长度以及长度变化值，计算得到环缝面混凝土压应变图和环缝面螺栓拉应变图，通过环缝面混凝土压应变图得出受压区混凝土环向距离h1，通过缝面螺栓拉应变图得出受拉螺栓区域混凝土的环向距离h2；

步骤2.2，若当h1+h2不等于环缝面的隧道总环向距离h时，对环缝面混凝土压应变图以及环缝面螺栓拉应变图的相关参数进行调整，使得h1+h2＝h；根据调整后的应变图，得到相应的受拉区螺栓的拉应变及在水平方向的拉力、受压区混凝土的应力与压应变和环缝面弯矩，即反演值。

进一步地，步骤2.1中，所述计算得到环缝面混凝土压应变图，通过环缝面混凝土压应变图得出受压区混凝土环向距离h1具体为：

当δabi≤0时，对应测线位置处混凝土处于受压区，计算对应各测线位置处的混凝土压应变εci，表示为如下为如下公式一：

公式一：εci＝(δai+δbi)/(la0i+lb0i)；

根据公式一得到环缝面混凝土压应变图，进而得出受压区混凝土环向距离h1。

进一步地，步骤2.1中，所述得到计算环缝面螺栓拉应变图，通过缝面螺栓拉应变图得出受拉螺栓区域混凝土的环向距离h2具体为：

当δabi﹥0时，对应测线位置处混凝土处于受拉区，取对应测线位置处的螺栓拉力为ti，得出如下第二公式：

公式二：

式中，ec为混凝土的弹性模量；aci为测线i处与该处螺栓对应的局部混凝土面积，aci＝ac/n，ac为衬砌环a混凝土的截面积，n为衬砌环a的螺；

通过公式二可求得螺栓的拉力ti，表示为如下第三公式：

公式三：

通过公式三得出螺栓在水平方向投影的拉应变εti，表示为如下第四公式：

公式四：

式中，αi为第i测线处螺栓与水平轴线的夹角；

据式公式四得到环缝面螺栓拉应变图，进而得出受拉螺栓区域混凝土的环向距离h2。

进一步地，步骤2.2具体为：

设环缝面的隧道总环向距离为h，当h1+h2≠h时，需要对h1、h2进行调整；

计算出受压区混凝土的总压力fc，表示为如下公式五：

公式五：fc＝∑εciaciec；

当εci﹥εc时，将压应变大于εc的区域的εci修正为εc，其中，εc为混凝土的极限压应变；

计算出受拉区螺栓的总拉力ft，表示如如下第六公式，将公式三代入公式六中：

公式六：ft＝∑ti；

当εti﹥εt时，将拉应变大于εt的区域的εti修正为εt，其中εt为螺栓的极限屈服拉应变；

根据公式五和公式六计算出合力δf＝fc-ft；

当δf＝0时，按总压力fc不变的原则调整环缝面混凝土压应变图及环缝面螺栓拉应变图的相关参数，使得h1+h2＝h；

当δf≠0时，将fc、ft均调整为(fc+ft)/2，按总压力fc不变的原则调整环缝面混凝土压应变图及环缝面螺栓拉应变图的相关参数，使得h1+h2＝h；

根据调整后的应变图，得到相应的受拉区螺栓的拉应变及在水平方向的拉力、受压区混凝土的应力与压应变和环缝面弯矩，即反演值。

进一步地，所述步骤3具体包括：

当受拉区螺栓的拉应变与对应拉应变极限值的比值、受拉区螺栓在水平方向的对应拉力极限值的比值、受压区混凝土的应力与对应应力极限值的比值、受压区混凝土的压应变与对应压应变极限值的比值、环缝面弯矩与对应弯矩极限值的比值中的任意一个比值超过对应的预设值，则判断该断面具有长久监测的必要性，有针对性地安装监测元器件，以反演值作为监测的初始值，对其结构受力状态进行长久监测。

进一步地，后续监测元器件由于使用寿命失效后，重新测量反演，以重新获取对应反演值，作为监测的初始值，更换监测元器件延续监测。

本发明具有以下有益效果：

(1)从结构长久健康来看，对结构纵向内力，真正最危险、最需要长久监测的断面往往是施工中因各种原因引起的沉降或上浮、开裂、严重错台的部位(简称“缺陷部位”)，或者是施工后周边环境发生较大改变的部位(简称“环境变化部位”)，由于施工因素具有随机性，这些“缺陷部位”位置难以预料，环境改变因素也因规划变化或各种特殊原因同样难以预料，因而也难以进行元器件预埋。本发明则通过后期元器件预埋，可以精准地对最危险、最需要监测的部位实施监测。

(2)本发明后期预埋的元器件成活率高，且在运营期可以实施更换，实现与结构寿命同等的监测周期。

(3)本发明可以通过较小的代价，实现所有管片预留位移测量点，具备随时增加监测或整体监测的条件，监测方案实施性更加灵活。

(4)本发明得到的内力与监测成果的精度高，常规有预埋元器件的方法难以得到最不利情况，而通过实测隧道纵向沉降(或上浮)变形曲线进行反算的方法，由于实测隧道纵向沉降(或上浮)变形曲线中包含有管片环间错台量且难以剔除其影响，因而内力反演结果存在极大误差，无法满足实用要求。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种盾构法隧道非预埋式结构健康监测方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的管片测量点预留预埋图及管片弧面长度示意图；

图3为本发明实施例提供的拼装后的管片环结构图；

图4为本发明实施例提供的环缝面混凝土压应变图；

图5为本发明实施例提供的环缝面螺栓拉应变图；

图6为本发明实施例提供的反演前后应变图对比。

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，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明实施例提供的一种盾构法隧道纵向内力非预埋式监测方法，包括：

步骤1，测量管片在不同受力状态下的纵向长度，根据管片在不同受力状态下纵向长度，计算管片纵向长度变化值；

步骤2，针对缺陷部位或环境变化部位，基于管片在不同受力状态下的纵向长度以及长度变化值，进行内力的反演分析；

步骤3，基于反演得到的反演值，判断该断面是否具有长久监测的必要性，有针对性地安装监测元器件，对其结构受力状态进行长久监测。

其中，所述反演值包括受拉区螺栓拉力与拉应变、受压区混凝土应力与压应变及环缝面弯矩，若有必要长久监测，则将所述反演值作为初始值，对其结构受力状态进行长久监测。

其中，纵向方向为沿隧道延伸方向。

优选地，所述方法还包括：

如图2-3所示，所述管片的内表面为弧面，其有两条平行的直边和两条平行的弧边，管片预制生产时，在每块管片内表面设置有n+2条沿纵向方向的测线1，n为该块管片内纵向螺栓个数，所有测线1均与管片内表面的直边平行，管片内表面上对应每个纵向螺栓处均有一条测线1，另外两条测线1分别位于管片内表面的两直边处，每条测线1长度等于该管片内表面对应位置处的纵向长度，通过测量对应测线1的长度作为管片在不同受力状态下纵向长度。

优选地，每条测线1上预留有至少三个固定的、能够长久保存的高精度定位测量基点2，测线1首端和尾端各有一个测量基点2，其他测量基点2位于测线1首端和尾端，每条测线1上的相邻测量基点2之间的距离相等。

通过设置测量基点2，便于测量仪器通过所述测量基点2精确测量测线1的长度，测量精度应控制在0.1mm以下，其中，测量基点2包括但不限于预埋钢锥、预留凹凸点、涂抹油漆等方式实施。

优选地，所述步骤1具体包括：

在缺陷部位或环境变化部位，令该断面处相邻的两管片环的分别为管片环a4和管片环b5；对管片环中的测线1进行编号，令i表示对应管片环中第i条测线1编号，相邻两管片环中的第i条测线1位置相对；

在管片安装前，测量零应力状态下所有管片中所有测线1的长度；

管片在隧道安装成环后，在缺陷部位或环境变化部位，测量管片环a4在变形稳定状态下各测线1的长度la1i，测量管片环b5在变形稳定状态下各测线1的长度lb1i；通过先前测量的零应力状态下所有管片中所有测线1的长度，获取管片环a4中各测线1在零应力状态下的长度la0i，获取管片环b5中各测线1在零应力状态下的长度lb0i；

根据la0i、la1i、lb0i和lb1i，计算出管片环a4各测线1的长度变化值δai＝la1i-la0i，管片环b5各测线1的长度变化值δbi＝lb1i-lb0i；

将管片环a4与管片环b5共同作为一组，管片环a4与管片环b5的第i条测线1共同成为一组管片环的第i条测线1，计算一组管片环内各测线1在零应力状态下的长度lab0i＝la0i+lb0i；计算一组管片环内各测线1在管片环变形稳定状态下的长度lab1i＝la1i+lb1i；从而计算一组管片环内各测线1长度变化值

δabi＝lab1i-lab0i。

优选地，所述步骤2具体包括：

步骤2.1，基于管片在不同受力状态下的纵向长度以及长度变化值，计算得到环缝面混凝土压应变图和环缝面螺栓拉应变图，通过环缝面混凝土压应变图得出受压区混凝土环向距离h1，通过缝面螺栓拉应变图得出受拉螺栓区域混凝土的环向距离h2；

步骤2.2，若当h1+h2不等于环缝面的隧道总环向距离h时，对环缝面混凝土压应变图以及环缝面螺栓拉应变图的相关参数进行调整，使得h1+h2＝h；根据调整后的应变图，得到相应的受拉区螺栓的拉应变及在水平方向的拉力、受压区混凝土的应力与压应变和环缝面弯矩，即反演值。

优选地，步骤2.1中，所述计算得到环缝面混凝土压应变图，通过环缝面混凝土压应变图得出受压区混凝土环向距离h1具体为：

当δabi≤0时，对应第i条测线1处混凝土处于受压区，计算对应各测线1位置处的混凝土压应变εci，表示为如下为如下公式一：

公式一：εci＝(δai+δbi)/(la0i+lb0i)；

根据公式一得到环缝面混凝土压应变图，进而得出受压区混凝土环向距离h1，如图4所示。

进一步地，步骤2.1中，所述得到计算环缝面螺栓拉应变图，通过缝面螺栓拉应变图得出受拉螺栓区域混凝土的环向距离h2具体为：

当δabi﹥0时，对应第i条测线1处混凝土处于受拉区，取对应测线1位置处的螺栓拉力为ti，得出如下第二公式：

公式二：

式中，ec为混凝土的弹性模量；aci为第i条测线1处与该处螺栓对应的局部混凝土面积，aci＝ac/n，ac为衬砌环a混凝土的截面积，n为衬砌环a的螺；

通过公式二可求得螺栓的拉力ti，表示为如下第三公式：

公式三：

通过公式三得出螺栓在水平方向投影的拉应变εti，表示为如下第四公式：

公式四：

式中，αi为第i条测线1处螺栓与水平轴线的夹角；

据式公式四得到环缝面螺栓拉应变图，进而得出受拉螺栓区域混凝土的环向距离h2，如图5所示。

优选地，步骤2.2具体为：

设环缝面的隧道总环向距离为h，当h1+h2≠h时，需要对h1、h2进行调整；

计算出受压区混凝土的总压力fc，表示为如下公式五：

公式五：fc＝∑εciaciec；

当εci﹥εc时，将压应变大于εc的区域的εci修正为εc，其中，εc为混凝土的极限压应变，按现有规范取值；

计算出受拉区螺栓的总拉力ft，表示如如下第六公式，将公式三代入公式六中：

公式六：ft＝∑ti；

当εti﹥εt时，将拉应变大于εt的区域的εti修正为εt，其中εt为螺栓的极限屈服拉应变，按现有规范取值；

根据公式五和公式六计算出合力δf＝fc-ft；

当δf＝0时，按总压力fc不变的原则调整环缝面混凝土压应变图及环缝面螺栓拉应变图的相关参数，使得h1+h2＝h；

当δf≠0时，将fc、ft均调整为(fc+ft)/2，按总压力fc不变的原则调整环缝面混凝土压应变图及环缝面螺栓拉应变图的相关参数，使得h1+h2＝h，如图6所示；

根据调整后的应变图，得到相应的受拉区螺栓的拉应变及在水平方向的拉力、受压区混凝土的应力与压应变和环缝面弯矩，即反演值。

其中，所述环缝面弯矩m＝∑εciaciechci+∑tihti，式中，hci为受压区第i条测线1至隧道圆心平面的垂直距离；hti为受拉区第i条测线1附近螺栓至隧道圆心平面的垂直距离。

优选地，所述步骤3具体包括：

当受拉区螺栓的拉应变与对应拉应变极限值的比值、受拉区螺栓在水平方向的对应拉力极限值的比值、受压区混凝土的应力与对应应力极限值的比值、受压区混凝土的压应变与对应压应变极限值的比值、环缝面弯矩与对应弯矩极限值的比值中的任意一个比值超过对应的预设值，则判断该断面具有长久监测的必要性，有针对性地安装监测元器件，所述监测元器件可以为光纤光栅，以反演值作为监测的初始值，对其结构受力状态进行长久监测，后续监测元器件由于使用寿命失效后，重新测量反演，以重新获取对应反演值，作为监测的初始值，更换监测元器件延续监测。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。