基于長期監(jiān)測數(shù)據(jù)的隧道結(jié)構(gòu)服役性能分析

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(yīng)力水平出發(fā)，進行隧道結(jié)構(gòu)服役性能評價分析。結(jié)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(yīng)力—溫度相關(guān)系數(shù)作為評價襯砌應(yīng)力水平的技術(shù)指標，另外結(jié)合歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)，提出了應(yīng)力水平承載度評價指標，用以衡量當前應(yīng)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(jié)構(gòu)性能處于良好狀態(tài)相符。

關(guān)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(jié)構(gòu)相比，隧道具有建設(shè)投資大、運營周期長、安全風(fēng)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(jié)構(gòu)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(shù)、結(jié)構(gòu)安全評估等新設(shè)備和新技術(shù)，構(gòu)建技術(shù)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(yīng)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(jié)構(gòu)受力形式及主要外部荷載已經(jīng)確定，相對施工期結(jié)構(gòu)不可預(yù)見風(fēng)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(yīng)聚焦隧道位移穩(wěn)定長期性能跟蹤。隧道結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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]。可采用柔性測斜儀布設(shè)在整個內(nèi)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(nèi)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(cè)側(cè)墻，可測得水平方向隧道側(cè)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(zhì)、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(dǎo)致隧道結(jié)構(gòu)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(shè)置轉(zhuǎn)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(guān)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(yīng)力水平評估

襯砌表面應(yīng)力監(jiān)測采用振弦式應(yīng)力傳感器實現(xiàn)^[6]，振弦式應(yīng)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(jié)構(gòu)處于穩(wěn)定受力狀態(tài)時，應(yīng)力數(shù)據(jù)波動應(yīng)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(yīng)力相關(guān)系數(shù)^[8]用于應(yīng)力水平評估，相關(guān)系數(shù)越接近1，說明應(yīng)力與溫度的正相關(guān)性越好，相關(guān)系數(shù)越接近?1，說明應(yīng)力與溫度的負相關(guān)性越好，相關(guān)系數(shù)越接近0，說明應(yīng)力與溫度的相關(guān)性越差，相關(guān)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(yīng)力和溫度數(shù)據(jù)。

為進一步判斷隧道應(yīng)力水平的發(fā)展趨勢，該文結(jié)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(nèi)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(nèi)應(yīng)力監(jiān)測數(shù)據(jù)的變化幅度，反映當前結(jié)構(gòu)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(nèi)時高時低波動，新周期中的結(jié)構(gòu)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(nèi)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(nèi)監(jiān)測參數(shù)HLA線圖的最大值；l——周期內(nèi)監(jiān)測參數(shù)的最小值；hv（h，n）——最近n周期內(nèi)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(nèi)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(nèi)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(nèi)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(jié)構(gòu)服役性能分析。隧道全長332 m，穿越軟質(zhì)巖和采空區(qū)兩種不良地質(zhì)，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(dǎo)洞先行開挖，洞身段采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖。長期監(jiān)測的內(nèi)容包括隧道表面應(yīng)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(gòu)，各類傳感器作為場端設(shè)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(zé)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(luò)傳輸至中心服務(wù)器，中心服務(wù)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(gòu)。數(shù)據(jù)傳輸拓撲圖，如圖1所示。

各監(jiān)測項目采集設(shè)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(nèi)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(nèi)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(cè)墻布設(shè)激光測距儀，測量側(cè)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(shè)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(nèi)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(shè)置15個不均勻沉降測點，選用靜力水準儀布置在側(cè)墻位置，均布在隧道全長范圍內(nèi)，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(nèi)沉降最大值為?0.18 mm。

以拱頂處應(yīng)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(yīng)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(yīng)力與溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)變化呈現(xiàn)明顯的正相關(guān)性，經(jīng)計算兩者相關(guān)性系數(shù)為0.99，證明襯砌應(yīng)力數(shù)據(jù)變化主要受環(huán)境溫度波動影響，拱頂襯砌結(jié)構(gòu)本身應(yīng)力水平良好。

拱頂處應(yīng)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(yīng)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(yīng)力水平未超出近期極值水平，襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)力服役狀態(tài)良好。

4 結(jié)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(jié)合應(yīng)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(yīng)力水平承載度指標和溫度—應(yīng)力相關(guān)系數(shù)指標，用以隧道應(yīng)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(yīng)力水平處于良好狀態(tài)。

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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(jié)構(gòu)健康監(jiān)測方向研究工作。