（机械电子工程专业论文）复杂地质隧道结构安全监测关键技术研究.pdf

摘要 随着隧道工程的日益增多，隧道的安全不仅关系着人民的生命安全，也影响着交通 的发展，建立隧道结构安全监测系统对隧道工程进行监测、评估和预测以驱利避害，成 为现代隧道工程发展的迫切要求。 本文结合实体工程，以柞小高速公路中三段复杂地质隧道为研究对象，结合现代的 传感器监测技术和通信技术，在对复杂地质隧道进行有限元分析的基础上，提出了复杂 地质隧道结构安全监测系统方案。此系统可以将内部应力应变监测数据进行实时采集， 并可通过g p r s 发送装置将监测数据实时发送给远端的监控计算机，在通过监控计算机 上的数据分析软件对数据进行处理，以图像的形式反馈给监测者，通过对数据的分析和 总结来指导隧道施工的顺利进行和运营期的安全数据。本文的主要工作包括：1 对隧道 健康监测理论进行了详细阐述，在此基础上根据工程实际定制了隧道健康监测系统的方 案。2 对偏压隧道进行了有限元分析，并且将受力分析结果指导传感器的布设。3 对监 测采集来的数据进行了整理和分析，以图像的形式分析了曲线各部分产生的原因：以及 曲线的整体趋势。 本文提出的复杂地质隧道结构安全监测方案，在隧道施工完毕后到正常运营阶段， 均可进行监测，解决了对隧道长期进行监测的问题，同时为其它隧道的监测提供了参考。 此隧道结构安全监测系统的设计和应用不仅有重要的现实意义，而且具有重要的科学意 义，它将对隧道的信息化起到至关重要的推导作用。 关键词：隧道、数据采集、结构监测、有限元分析。 a b s t r a c t w i t ht h en u m b e ro ft u n n e lp r o j e c ti n c r e a s i n g ，t h et u n n e ln o to n l yc o n c e r n sw i t ht h e s a f e t yo ft h ep e o p l e ，b u ta l s oa f f e c t st h ed e v e l o p m e n to ft r a n s p o r t i no r d e rt om a k et h e t u n n e lc o n s t r u c t i o na n di t sl a t e ro p e r a t i o ns a f ea n dr e l i a b l e ，t u n n e ls a f e t ym o n i t o r i n gs y s t e m i nt h i sp a p e r ，t h ep r o j e c te n t i t i e st oz h a x i a oh i g h w a yt u n n e li nt h es t u d y t h ea u t h o r g e t st t m n e ls a f e t ym o n i t o r i n gs y s t e mt h r o u g hc o n n e c t i n gs e n s o rm o n i t o r i n gt e c h n o l o g ya n d m o d e mc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y i tf i r s tc o l l e c t st h ed a t a , n e x tt h eg p r sd e v i c es e n d s m o n i t o r i n gd a t at i m e l yt ot h ed i s t a n tm o n i t o r i n gc o m p u t e rm o n i t o r i n gc o m p u t e r ，t h e nt h e d a t aa n a l y s i ss o f t w a r ep r o c e s s e st h ed a t a , a n df o r mt h ei m a g eb a c kt ot h em o n i t o r w i t h a n a l y s i sa n ds u m m a r yt h ed a t a , i tg u i d e st h es m o o t hp r o g r e s so f t u n n e lc o n s t r u c t i o n a tt h e s a t n et i m et h es y s t e mc a nb eu s e df r o mt h et u n n e l sc o m p l e t i n gt oi t sn o r m a lo p e r a t i o n b e c a u s eo fi t ，i tc a nb ep o s s i b l et om o n i t o rt h et u n n e ll o n g - t i m e t h ed e s i g na n da p p l i c a t i o n o ft u n n e ls a f e t ym o n i t o r i n gs y s t e mh a sb o t hp r a c t i c a la n di m p o r t a n ts i g n i f i c a n c e ，w h i c h w i l lp l a yac r u c i a lr o l ei nh e l p i n gt h et u n n e lg oi n t ot h ei n f o r m a t i o na g e t h es t u d yo fs e v e r a lk e yt e c h n o l o g i e si nt h ee s t a b l i s h m e n to ft u n n e l 。ss a f e t y m o n i t o r i n gs y s t e mh a sb e e nc o m p l e t e di nt h i sp a p e r , w h i c hm a i l yi n c l u d e s ：1 e x p o u n dt h e t u n n e l s s a f e t ym o n i t o r i n gt h e o r y , a n dt h e nc u s t o m i z eap r o g r a mo f t u n n e l s s a f e t y m o n i t o r i n gs y s t e ma c c o r d i n gt oa na c t u a lp r o j e c t ，e x p l i c a t et h ef u n c t i o no f s e v e r a li m p o r t a n t p a r t si n t h et u n n e l ss a f e t ym i n i t o r i n gs y s t e mi nd e t a i l 2 t h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i si s c o m p e l t e do nt h eb i a st u n n e l ，a n dt h es e n s o rc o l l o c a t i o ni sg u i d e da c c o r d i n gt o t h el o a d a n s l y s i sr e s u l t s ，s e l e c ts e n s o r s ，e s t a b l i s ht h es e n s o rc o l l o c a t i o np r o j e c t ，a n dt h e no p t i m i z et h e p r o j e c to nt h eb a s i co fa c t u a lp r o j e c t s 3 c l e a nt h ec o l l e c t e dd a t a , d r a wc u r v e ，e x p l a i ne v e r y p a r to ft h ec u r v ea n dt h ew h o l et r e n d t h ea n s l y s i sr e s u l tv a l i d a t e st h a tt h ee s t a b l i s h e dp r o j e c to ft u n n e l ss a f e t ym o n i t o r i n g s y s t e mi sr e a s o n a b l e ，w h i c hm e e tt h en e e do fm o n i t o r i n gt u n n e l si n t e r n a lp a r a m e t e r s a l s o ， t h ep a p e rp r o v i d e sar e f e r e n c et oo t h e rt u n n e l sm o n i t o r i n gs y s t e m ，w h i c hh a si m p o r t a n t t h e o r e t i c a lm e a n i n g sa n dp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e s k e yw o r d s ：t u n n e l s ，d a t aa c q u i s i t i o n , s t r u c t u r a lm o n i t o r i n g ，f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s 1 i 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 。绛月；日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者硌坼移。( 7 年多月乡f 日 导师签名：形i 裔k 矽夕年r 月岁日 长空大学硕士学位论文 1 1 项目提出的背景及意义 第一章绪论 隧道结构安全关系着人类生命安全和社会经济活动，由于隧道地质条件恶化、火 灾、结构损伤、退化和失稳等造成的事故，严重威胁着隧道的正常运营。1 9 9 6 年2 月 1 0 日清晨，日本f u r u b i r a 隧道由于山体断层活动发生局部崩塌，将一辆客车掩埋在 数千吨岩石之下，由于事先没有任何预兆以及救援工作的不及时，造成客车内全部驾乘 人员死亡。2 0 0 0 年1 1 月1 1 日，奥地利阿尔卑斯山区内一条穿越k i t z s t e i n h o m 山的隧道 发生火灾，造成隧道内通行的一辆列车着火，死亡1 5 6 人，据当地目击者称发生火灾的 原因是隧道多为木质结构且使用年限过久。2 0 0 4 年8 月2 日印度特里水电站旖工地点 附近一条隧道突然坍塌，造成至少2 8 名工作人员死亡。2 0 0 5 年1 月1 2 日，我国台州 缙云高速公路缙云县壶镇括苍隧道段的山体突然发生塌方，致使正在作业的工人2 人当 场死亡，6 人受伤。诸多隧道事故，以血的教训告诉世人，隧道稳定直接关系到国家财 产和人民生命安全。 图1 1 房山区隧道坍塌2 0 0 7 隧道的安全问题引起了人们的密切关注，于是各国都采取有效的措施来防止安全事 故的再次发生，最为有利的方法便是对隧道进行安全监测。由于隧道工程的复杂性，其 安全隐患也是多方面的，主要安全隐患存在在以下方面： 1 1 第一章绪论 图12 高阳寨隧道事故 ( 1 ) 隧洞开挖的过程：由于隧洞都是爆破开挖的，因为爆破的影响导致围岩的自稳 能力下降，支护结构受力存在一定的不确定性。 ( 2 ) 隧道围岩：在隧道洞室周围一定范围内，对隧道的稳定行产生影响的岩石、土 体，均称为隧道围岩。在隧道的开挖过程中，有些岩石很坚硬，形成了稳定的洞室，但 是同样的岩石，由于地层构造的不同，产生了塌方病害。在地质构造的作用下，岩体受 到的褶皱、挤压作用，产生节理，整体性受到破坏其强度和稳定性受到严重影响，为 隧道的施工过程和使用埋下了安全隐患。 ( 3 ) 水影响段：由于水体的存在，肯定会对隧道和围岩间的力学指标有很大的不利 影响，在加上施工过程中对水体原来稳定性的破坏，使得围岩的自稳性极度恶化，成为 隧道施工过程和后期运营中的安全隐患之一。 由于有以上各种原因的存在，增加了隧洞在施工期间及运营期间安全隐患。因此， 为了确保隧道工程安全、及时预报险情，除了对隧道进行加固、维护之外，对隧道工程 的安全和稳定状态的监测和评估显得十分重要。建立起隧道结构安全监测系统对隧道工 程进行监测、评估和预测以趋利避害，已经成为现代隧道工程发展的迫切要求。此外， 随着人们对工程施工过程和现役工程长期监测的重要性认识的不断深入，以及国家相关 工程安全法规的实施，隧道结构安全监测得到了迅速发展，成为隧道工程的一个重要研 究课题。 如何避免隧道旌工及正常使用中时安全事故的发生，隧道的安全监测技术无疑已经 长安大学硕士学位论文 成为隧道施工过程中以及后期安全运行保障的重要手段。 本文即在这种条件下，依托实际工程，提出了隧道的安全监测方案，并且已经应用 于隧道的安全监测，为隧道的建造及运营起到了安全保障作用。开展特殊地质隧道结构 安全监测技术研究，对保证隧道结构安全施工及安全运营有着非常重要的意义。 1 2 隧道结构安全监测的国内外研究现状 由于隧道工程施工方法的不断改进，传统的隧道结构安全监测技术和方法己不能完 全满足隧道结构安全监测的要求，这就需要不断研发出新的监测技术和监测方法与之相 适应。随着电子、信息通讯以及计算机技术的不断发展，各种先进的自动远程监测系统 相继问世，为隧道工程的全天候、自动化远程监测创造了有利条件。 光纤传感技术是近几年来才逐渐应用于隧道结构安全监测的高端监测技术，其最初 用于通讯工业，近些年来在传感领域逐渐得到广泛应用。 3 2 1 长距离分布式光纤传感监测系统就是利用光纤传感技术建立起来的监测系统之一。 由于光纤既担当传感器，又是测量信息的传输通道，可以获得各节点处监测信息。 b o t d r 就是一种基于布里渊背向散射光的分布式光纤应变测量技术，其英文名称是 “b r i l l o u i no p t i c a lt i m e d o m a i nr e f l e e t o m e t r y ”，中文名称为“布里渊散射光时域反射 计”，在监测应变时，只需在光纤一端进行激光入纤和光信号处理，光路简单。布里渊 散射光同时受应变和温度的影响，当光纤沿线的温度发生变化或者存在轴向应变时，光 纤中的背向布里渊散射光的频率将发生漂移，频率的漂移量与光纤应变和温度的变化呈 良好的线性关系，因此通过测量光纤中的背向自然布里渊散射光的频率漂移量，就可以 得到光纤沿线温度和应变的分布信息。采用布里渊散射后向散射系统光纤传感器传感测 试距离可以达到几十千米，适合长距离监测，布设如同1 3 所示。 2 1 2 9 】 s o f o 点式光纤传感器也是被用于隧道监测的一种先进光纤传感器技术s o f o 一 词取自法语“s u r v e i l l a n c ed o u v r a g e sp a rf i b r e so p t i q u e s ，中文含义是“光纤结构监 测”。s o f o 测量系统基于低相干干涉原理：l e d ( 发光二极管) 发出的激光光束，经过一 个耦合器被分为两束频率、偏振方向以及初相位相同的光线，分别进入测量光纤和参考 光纤。测量光纤与待测结构物理接触，可以随结构变形而改变光程的长度，而参考光纤 自由放置在它旁边，用来补偿由温度变化引起的硅光纤折射率的变化，以消除温度对测 量结果的影响。由于两束光线经过不同的路线而存在光程差，因而相遇时会发生干涉， 利用这些干涉图像，可以推断出光在测量光纤中受结构变形影响而发生的改变，进而得 3 第一章绪论 到结构变形量，s o f o 布设如图1 4 和1 5 所示。1 3 叫删 光纤传感器具有防水、抗腐蚀、抗电磁干扰性强、耐久性长、轻便等特点，光纤传 感器体积小、重量轻，易于野外工程安装，将其植入监测对象中不存在匹配的问题，对 监测对象的性能和力学参数等影响较小。光纤传感技术具有分布式、长距离、抗干扰性 强和实时性等优点，因而逐渐成为隧道结构安全监测的重要手段，隧道结构安全监测技 术的研究新方向。 隧道南口 结构 图1 , 3 光纤传感器布设 岩石或土体 泥浆 圈1 4 单点设备，用于测量a 、b 两点问的相位对移 区 长安大学硕学位论文 ：一 图1 s 多点设备用于铡量各点之问的相对位移 远程g p r s 压力监测与预警系统的在隧道监测上的应用，其实时性监测为隧道的安 全提供了最可靠的保障。其具备高精度远程、实时监测与预警能力的同时，兼容部分以 前的传统的g p r s 形变检测功能。实时监测与预警相结合系统具备完全自动化，设备 一体化等适合隧道结构安全监测与预警的特点。在隧道内的压力达到一定预警值后通过 多种方式( 例如自动拨打手机电话。自动拨打报警电话泊动启动警铃报警) 自动发布 报警信息，保护人们的生命安全和隧道本身的安全。本系统实际运行过程中，不需要现 场人员看护，具有自动监测、自动报警的能力是目前全球最先进的远程隧道结构安全 监测方案之一。利用g p r s 远程传输能力，对隧道监测的数据进行实时的传输，可以全 天性的对隧道的安全进行监测。川 除此之外，在国内现在依然有采用比较传统的监测技术。这主要因为隧道监测的重 要性逐渐引起人们注意但是先进技术因为费用较高，在国内推广还有一段时问。下面 将隧道监测中常用的项目整理成表，隧道常用监测方法如下表： 表1 1 隧道监测项目爰设备 监测项目及类别仪器设备 拱顶下沉高精度全站仪 周边收敛 收敛计 围岩内部位穆量罚 多点位移计 围岩和衬砌接触压力压力盒、频率计 锕拱架应力 钢筋应力计、频率计 采用传统监测方法的最大缺点是不能对后期隧道正常运营时候进行全天性监测，随 着隧道的施工的结束监钡帷往随着停止。这样对隧道的后期内部变化无从了解，很多隧 道病害事故不能得到及时的预警。 第一章绪论 1 3 本文研究的主要内容 本项目研究的隧道结构安全监测系统是在隧道内部安装传感器，通过对传感器的数 据采集，以及通过数据软件的分析，反应出隧道支护和围岩之间的受力变化情况，根据 监测到的受力情况来判断隧道的安全稳定性。隧道结构安全监测系统如图1 6 所示。 图1 6 隧道结构安全监测关系图 本文研究的主要内容有： ( 1 )对隧道结构安全监测理论进行了详细分析，总结监测中常见的隧道参数， 并选定监测参数。 ( 2 )将工程实际与隧道结构安全监测理论相结合，定制出合适于工程实际的监 测系统方案。根据需要监测的隧道参数，确定隧道结构安全监测系统的组成结 构。 6 长安大学硕士学位论文 ( 3 )对隧道的围岩进行有限元受力分析，为传感器的布设提供理论依据。 ( 4 )对传感器进行了对比选型，确定监测所需要的传感器，并对传感器的布设 方案进行确定，以及优化布设。 ( 5 ) 对监测数据进行分析，总结监测结果。 本文对隧道结构安全监测系统的提出，不仅仅是传统监测方式的取代，而且是监测 技术与现代通信设备相结合的新型监测系统，使得对隧道的监测不只是停留在施工过程 中，在以后的隧道运营期也能够使用。具有极其重要的现实意义和理论意义。 1 4 本章小结 1 详细阐述了项目提出的背景和意义。 2 分析了国内外隧道结构安全监测发展的现状。 3 详述了本论文研究的主要内容。 7 第二章复杂地质隧道结构安全监测方案设计 第二章复杂地质隧道结构安全监测方案设计 2 1 结构健康监测的定义 结构健康监钡l j ( s t r u c t u r a lh e a l t hm o n i t o r i n g ，简称s h m ) 是近些年来新兴起的技术， 虽然结构健康监测有了很大的发展，但是至今还没有一个完整的定义，h o u s n e r 于1 9 9 7 年提出的：利用现场的无损传感技术，通过包括结构响应在内的结构系统特性分析，达 到检测结构损伤或退化的目的。这一概括性的定义虽然未被广大学者采用，但是这一定 义一直沿用至今。【3 】【3 3 1 如今结构健康监测已经被广泛应用在航空航天、桥梁、建筑、地下工程等领域内， 随着各国政府对结构健康监测的资金投入加大，使得这项应用很广泛的技术取得了飞速 发展。由于隧道施工安全的需要，结构健康监测被应用到隧道工程当中。但是由于隧道 结构不同于其他的建筑形式，隧道和围岩相互作用的复杂性，使得结构健康监测应用受 到了限制。但是由于结构健康监测在隧道工程上逐渐成为必不可少的部分，相信隧道健 康监测必然有着广阔的发展前景。 2 2 隧道结构安全监测系统 2 2 1 隧道结构安全监测系统的定义 隧道结构安全监钡l j ( t u n n e ls t r u c t u r a ls a f em o n i t o n n g ，简称t s h m ) 定义为“利用现 场的无损传感技术，通过隧道系统的特征分析，检测隧道支护系统损伤( 或退化) ，分析 发生损伤( 或退化) 的地点、程度和原因，并对隧道整体的健康状态做出评价”。按照这 个定义，一个完整的隧道结构安全监测系统( t u n n e ls t r u c t u r a ls a f em o n i t o r i n gs y s t e m ， 简称t s h m s ) 就应当由监测、诊断和状态评价等3 个部分组成。1 3 隧道支护和围岩之间相互作用是隧道不同于其他建筑结构的显著之处，正因为如 此，隧道的结构安全监测也有别于其他的建筑监测。由于隧道和围岩之间的内力作用， 使得隧道不仅仅是以钢架为支护的简单结构，这也是隧道结构安全监测不同于其他监测 的独特之处。 从本质上来讲，隧道是由支护结构和围岩相互作用的结合体。在很多情况下，围岩 的内部之间相互作用成为主要的承载结构，而隧道所加的支护仅仅是为了不打破岩体内 部本身平衡的辅助体，而且辅助作用是必不可少的。也有一些特殊的条件下，支护结构 8 长安大学硕士学位论文 成为了主要承载结构。考虑到支护的作用，不难看出在承受围岩载荷上，隧道支护的意 义重大。 隧道结构安全监测的主要内容之一就是对围岩和支护结构之间的相互作用进行监 测，通过监测到的数据来判断隧道是否稳定，是否符合安全标准，因此，对围岩和支护 之间的相互作用便成为结构安全监测的重中之重。 3 6 1 所谓“隧道稳定”一般是指坑道周边变形速率呈递减趋势并逐渐趋近于零，其最终 位移不侵入限界，支护结构不出现影响正常使用的裂缝和破损，更不能发生大范围的坍 塌。1 5 定义可以看出，“隧道稳定性”其实质是隧道的支护结构于围岩组成稳定的整 体，并且不发生破坏。这样看来隧道结构安全监测的任务十分简单，但实际并非如此。 由于隧道施工所处的地质条件不同，监测所面临的任务也大不相同。因此，监测过程中 要综合考虑地形地貌、地址构造、地层岩性、水文地质等诸多因素，隧道结构安全监测 所承担的任务是艰巨的。 某种意义上来说，隧道的结构安全监测要难于其他建筑上的结构监测，因此，隧道， 结构安全监测系统更为复杂，目前由于技术等原因，监测水平仅仅停留在对隧道内部情 况实时监测的层面上，对监测状态的诊断和状态评价无法达到绝对准确的程度，距离理 想的结构安全监测系统还有一定的差距。 2 2 2 隧道结构安全监测系统的组成 隧道结构安全监测系统包括4 个系统，即：传感器系统、数据采集系统、数据通信 与传输系统、数据分析和处理系统。f 6 】各系统间通过导线网络联系而进行运作。其典型 构成如图2 1 所示。 图2 1 隧道结构安全监测系统的一般构成 传感器系统是于隧道直接接触，掌握隧道动态信息最关键的部分之一。通过监控测 量，可以了解和掌握隧道的大部分信息，如隧道的围岩受力和变形状态等，由于各种隧 道的情况不同，所以传感器系统内部组成也不同。比较常见的监测围岩应力有应力计和 9 第二章复杂地质隧道结构安全监测方案设计 频率计的组合，其可靠程度高，可以作为监测应力的传感器首选。 数据采集系统是随着监测手段的不断进步产生的，予以往的手动记录监测结果相 比，数据采集系统更加快速准确的进行数据采集，可以将人力资源成本降到最低。近几 年来，隧道内部的设计都包含了数据采集系统的安放，为隧道的信息化起到了推动作用。 数据采集系统的出现，使对隧道的实时监测成为可能，为判断隧道的安全和稳定提供了 有利条件。 数据通信与传输系统是随着现在的通讯技术不断进步而产生的，由于无限网络传出 的便捷，使数据传输更加方便，选择传输的费用也不像以为那样的昂贵而不可以接受， 网络营运商如移动、联通等提供多种上网套餐服务，将数据传输成本大为降低。随着隧 道内部网络信号的覆盖，数据通信与传输系统可以利用最为广泛的g p r s 进行数据传 输。通过数据的即使传输，实现了对隧道内部动态的实时掌握，为隧道的施工提供了最 为直接的信息，为施工的方案变更提供更多参考。 数据分析和处理系统是隧道结构安全监测系统的重要组成部分之一，通过对大量采 集来的数据的分析，得出隧道内部的变化情况。数据分析和处理系统可以将监测数据直 接以曲线的形式反应给监测人员，无需在进行人工处理大量的数据。使数据分析更加简 单和直接。 2 2 3 隧道结构安全监测的前景 随着近些年来隧道结构安全事故的不断出现，不仅威胁到公路交通的发展，而且给 隧道的使用带来了极大的伤害。人们开始对隧道的结构安全密切关注，政府等有关部门 也采取了相应的措施，隧道结构安全监测的出现，正是对这一时机的把握，具有良好的 市场前景。隧道结构安全监测的出现，填补了以往施工没有后期监测的空白，隧道结构 安全监测的发展前景更见不言而喻的，主要表现在以下几个方面：【3 l 】 ( 1 ) 隧道于围岩直接相互作用过程的复杂性。 随着传感器技术的不断发展，各类新型传感器的诞生，使得以前难以进行的隧道内 部受力监测成为可能。近些年来，光纤技术的发展和进步，逐步应用到隧道的监测上来， 对隧道建造神经网络型的监测系统以成为现实。 ( 2 ) 施工单位对隧道的安全监测日益重视。 近些年来，隧道塌方、内部变形的事故频繁发生，维修成本的不断增高，施工单位 不得不开始重视起对隧道的安全监测和维护加固。很多安全监测系统的出现，满足了施 1 0 长安大学硕士学位论文 工单位对隧道结构安全诊断的要求，并且随着监测技术的不断进步，使得对隧道内部状 态的反应更加准确，为指导施工计划和运营时的安全预警提供了有利保障。随着我国经 济的持续发展，国家对隧道结构安全监测的力度将不断加大。 ( 3 ) 新准则的出现使过去建造的隧道不再满足安全标准。【刀 随着建筑结构荷载规范新型条例颁布，一些以前满足安全标准的隧道将不再满 足新型标准。由于标准的提高，必然导致先前建造隧道存在的安全问题的暴露，为了隧 道的使用安全，必要采取对隧道结构安全的诊断，隧道结构安全监测无疑是首选方法。 ( 4 ) 隧道结构安全监测的成本不断降低。 如今的电子产品飞速发展，与之而来的就是价格的不断降低。这使得在隧道结构安 全监测系统建立时，选用器材更为方便，而且降低了监测的成本，使得施工单位更加容 易接受隧道结构安全监测。 2 3 本论文依托工程概况 本论文的依托工程为国家高速包头至茂名线陕西境柞小高速公路( 柞水一小河) ， 已于2 0 0 8 年l o 月建成通车。2 0 0 5 年1 0 月开工建设的柞小高速公路，联系陕南、关 中和陕北三大经济区，全长7 1 6 7 公里，概算投资4 8 7 亿元。全线采用4 车道高速公路 标准建设，设计行车速度8 0 公里4 , 时，桥隧比例占路线总长的6 5 ，由于工程艰巨， 每公里造价高达6 8 0 0 万元。 本次监测的目标是柞小高速回龙至镇安三个标段的三条隧道： 梅花店2 号右线隧道，起讫进程为r k 8 7 + 2 5 0 埘 柏树坪1 群隧道左线长2 8 0 米( l k 8 9 + 0 4 4 l k 8 9 + 3 2 4 2 4 8 ) ，右线长3 2 0 米 ( i 8 9 + 0 1 0 r k 8 9 + 3 3 0 ) ，为分离式小净距隧道，该隧道于2 0 0 7 年元月顺利出洞。 镇安隧道位于镇安县火车站后，全长1 2 8 0 米。该隧道地质条件复杂，施工技术含 量高、难度大，是全线重点控制工程。自2 0 0 6 年8 月开工以来，参建人员放弃节 假日，抢时间、抢进度，经过1 4 个月的艰苦施工，1 0 月6 日右线顺利贯通。 隧道地质情况简述： 柏树坪1 群隧道左线出口段围岩为断层角砾板岩，岩质松散、破碎，设计为v 级浅 l l 第二章复杂地质隧道结构安全监测方案设计 埋支护结构。隧道贯通出洞后，施工单位对边、仰坡按照设计防护方案进行了加固，不 久左、右线洞口仰坡均发生了突然塌方事故，尤其是左线，连同已完工的1 65 m 柔性支 护一起滑塌。在塌方发生后，临近出口段的初期支护开始变形，逐渐出现了多道环向裂 缝，裂缝晟太达2 - - 4 c m ，拱顶也逐渐出现沉降现象，沉降最大达6 1 0 c m 之多，桩号为： l k 8 9 + 2 5 9 3 0 0 、r k 8 9 + 2 8 6 3 2 54 。 图2 2柏树坪1 # 隧道 镇安隧道部分段地质为断层角石，黑色一深灰色泥炭质结构，围岩的呈粉末及泥糊 状，难以直立，导致初期支护拱顶严重失稳下沉，多处开裂钢拱架变形。 图2 3 镇安隧道 长安大学硕士学位论文 梅花店2 号右线隧道地层较单一，均为强风化板岩层，节理、裂隙、褶曲发育，岩 体破碎，围岩自身稳定性差；其上为土体覆盖层，厚度较薄。其中进口 r k 8 7 + 2 6 0 r k 8 7 + 3 1 0 ，上半断面处于强风化板岩与表层土体覆盖层的分界线上，特别 是r k 8 7 + 2 6 0 处，表层覆盖层约占上半断面的4 0 左右。 2 4 复杂地质隧道结构安全监测系统方案设计 2 4 1 隧道结构安全监测系统设计准则【8 】【2 5 】【3 7 】 隧道结构安全监测系统的建立的首要目标是为了确保施工安全，提高施工进度的合 理性。通过监测围岩和隧道支护之间的相互作用力，来判断隧道的安全性和稳定性。通 过监测信息的采集和分析，得到隧道内部参数情况。根据监测数据分析的结果，进行信 息的反馈和预测预报，不断的调整施工组织设计，使得隧道的总体施工质量得到提高， 将隧道的安全事故降到最低点。 此外，隧道结构安全监测系统的设计监测项目应该根据施工方的需要，在有限的投 ，：、 资限度内，采用合理的传感器和通讯器材等设备。因此，在设计过程中必须将成本于效 益的关系纳入考虑范围，力求以有限的资金投入，做出高效合理的监测系统。 在隧道结构安全监测系统设计中，要结合室内实验，以室内实验为基础，隧道工程 为扩展的方式进行。通过实验工程相结合的方法，使隧道结构安全监测系统设计的更 为合理，更为符合工程实际。 2 4 2 系统总体设计 由于隧道地质结构复杂，因此要想获得反映整个隧道内部受力参数，就必须在隧道 内部的各个重要部位安装多个不同类型的传感器。这些不同类型的多个传感器离散的分 布在隧道内，组成传感器网络，因此，负责采集这些传感器信息的隧道无线数据采集系 统必然采用分布式系统。 另外由于隧道不适合长期采用人工采集数据，而且隧道内部在施工过程中对采集人 员的安全得不到可靠保证。这就要求这个数据采集系统具有一定数据采集和远距离数据 传输能力。而且作为隧道长期实时监测系统，一般都要把数据采集系统放置在隧道内部 或者隧道专门的监控中心当中，这就要求系统设计的测量及信号传输距离要足够远。 本系统拟实时无线监测隧道的应力应变结构监测参数的变化，系统总体设计方案如 图2 4 所示。系统主要包括以下四个部分：应力应变监测单元、监测数据采集单元、无 线数据发送单元和监控中心计算机。 第二章复杂地质隧道结构安全测方案设计 本地控制部分需要现场供电电源：采集器需要四节1 号电池，也可外接2 2 0 伏电源 g p r s 发送装置需要5 v ，3 a 电源，也可外接2 2 0 伏电源。 应变传罄嚣组围岩压力够暑组 土位移传癌暑组 目24 隧道结构安争监删系统 2 43 应力应变监测单元 2 4 3 1 监测网络设计 应力应变监测传感器使用压力盒传感器和钢筋应力计传感器，因为考虑光纤传感器 成本较高，采用压力盒和钢筋应力计传感器能够满足对隧道内部应力应变的监测要求， 所以使用压力盒和钢筋应力计传感器的组合来对隧道的应力应变进行监测。采集器使用 轮询方式采集各个测量点的数据，井由本地控制器负责每1 0 分钟( 可设定) 对各个断 面控制器的时钟进行校准，以确保各个断面的数据采集时间的同一性。 2 4 3 2 监测测点布置方案 隧道及地下工程结构与地上结构相比，虽然在几何上都可以简化为框架结构，由于 隧道及地下结构在上覆土载荷的作用下，其变形要受到周围土体本身的约束，从某种意 义上讲，围岩是隧道结构上的载荷，但同时也是结构本身的一部分。将支护结构与围岩 视为一体，作为共同的承载结构。所以在传感器的布置中，要采用环形围绕在隧道的支 护上，作为整体来共同承受围岩以及围岩周围的平衡力。 * 安大学预士学位论文 压力盒传感器安装在隧道支护于围岩之间的接触面上，为了更加准确的获得隧道支 护于围岩的相互作用力，应将压力盒沿隧道支护面进行环形布设。钢筋应力计采取焊接 在钢拱架上，和钢拱架成为一体来测量应力应变。本次监测的传感器布设如下图所示， 其中圆点表示压力盒所在某一断面上的位置，矩形表示钢筋应力计。 图2 5 传缚嚣布设图 2 4 4 无线数据发送单元 无线数据发送单元是将采集过来的数据通过g p r s 无线网络发送到远方监控中心。 无线数据发送单元式隧道结构安全监测系统的关键组成部分，也是监测中不同于以往监 测的显著之处。 通用分组无线服务技术( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) 简称为g p r s ，它g s m 移动 电话用户可用的一种移动数据业务。随着现代隧道内部网络的覆盖，在隧道内部利用 g p r s 传输数据成为可能。并且g p r s 在包月使用的过程中，传输费用相当低廉，可以 说是数据传输的首选方式。g p r s 的数据传输速度，也能够满足数据采集的实时发送。 但是有时因为天气的原因，造成部分地段的网络覆盖中断，为了不造成数据的丢失，在 数据发送单元不能够发送数据的时候，利用数据采集单元的存储器进行存储，这样较好 的保存数据，在网络通畅时候从新进行发送，将数据丢失减小到最小。1 9 1 因此，本次监测选用g p r s 做为数据传输介质，可以降数据传送的费用降到晟低， 第二章复杂地质隧道结构安全监测方案设计 而且在隧道内部已近有无限网络覆盖，是在没有有线网络情况下，数据传输的首选。 2 4 5 监控中心计算机 监控中心计算机是隧道结构安全监测系统的另一核心部分。监控中心计算机接收来 自现场各个数据采集单元的无线数据，由专用的数据处理软件对数据进行归类存档，并 对当前的隧道状态进行分析，给出相应的状态分析结果。通过分析结果，及时的反馈给 施工，为优化施工组织设计和指导现场施工安全提供有力保障。 2 4 6 隧道结构安全监测系统的特点 本次设计的隧道结构安全监测系统不仅具有理论意义，而且具有很大的实用价值， 其显著特点概括如下： ( 1 ) 隧道结构安全监测系统是在传统隧道测量方法的基础上，结合先进的传感器和 通信设备，具有无线传输功能的监测系统。这大大改进了以往数据采集与传输的方式， 更加现代化，人性化的监测系统。 ( 2 ) 以往为了获得隧道中更多的参数，不得不进行多次长时间的人工监测，有时因 为施工地质复杂，给监测带来了很大难度。隧道监测系统的应用，不仅解决了这一问题， 而且能够更加长时间、实时性的反应出隧道的结构状况等信息，为分析隧道的健康状况、 评价隧道结构的可靠性，以及全面了解隧道的内部情况，提供了可靠的依据。 ( 3 ) 隧道结构安全监测系统是服务于隧道信息化的自动监测系统，不仅对验证和修 改隧道结构设计方案的合理性，而且对隧道的管理和运营维护提供了数据参考来源，是 新时代隧道信息化的显著之处。 ( 4 ) 同时，隧道结构安全监测对于验证与改进结构设计理论与方法、开发与实现各 种结构监测技术以及深入研究隧道工程结构的未知问题具有重要意义。因此，隧道结构 安全监测为隧道工程的发展开辟了新的空间。 ( 5 ) 隧道结构安全监测系统是在高效低成本的前提下建立的，不仅解决了数据采集 问题，而且通过g p r s 网络的应用，使数据能够得到同步传输，成功实现对隧道的实时 性监测。 隧道结构安全监测系统实现了对隧道内部数据的采集、传输、分析的一体化。使得 监测过程更为简单、直观，满足了绝大多数隧道工程的监测需要，是隧道工程中的重要 组成项目。 1 6 长安大学硕士学位论文 2 5 本章小结 1 对隧道结构安全监测理论进行分析，阐述了结构健康监测的定义和隧道监测系统的定 义。 2 确定了隧道结构安全监测系统的组成，详细阐述了各个组成部分的功能。 3 分析了隧道结构安全监测的发展前景。 4 对要监测的隧道情况进行了分析说明，在此基础上制定了隧道结构安全监测系统方 案。 5 对监测系统总体进行设计，确定各个组成部分。 1 7 第三章复杂地质隧道受力有限元分析 第三章复杂地质隧道受力有限元分析 3 。1 大型有限元软件的选择【l l 】 随着计算机技术和数值分析方法的不断发展，有限元分析方法为复杂的工程分析计 算问题提供了有效的手段，当今所用的有限元分析软件主要包括德国的a s k a 、英国的 p a f e c 、法国的s y s t u s 、美国的a b q u s 、a d i n a 、a n s y s 、b e r s a f e 、b o s o r 、 c os m o s 、e l a s 、m a r c 和s t a r d y n e 等公司的产品。【3 9 】 a n s y s 广泛应用于土木工程、水利、铁路、交通、航空航天、船舶制造等一般工 业及科研当中。a n s y s 主要可以用于结构静力分析、结构动力分析、流体流场分析、 热分析、塑形分析、热力耦合分析、热结构耦合分析，应用范围十分广泛。分析结果 以多种图形显示，极其直观的反应出分析结果。其用户界面操作简单，易于业余人士学 习使用。a n y s y s 因为其强大的分析功能而被广泛的使用，a n s y s 软件主要包括以下 特点： ( 1 ) a n y s y s 软件可以实现前后处理、分析于求解及多场分析中数据库相统一的有 限元分析。 ( 2 ) a n y s y s 软件可以进行建模、加载于求解和分析结果输出。 ( 3 )a n y s y s 软件具有智能网络划分功能。 ( 4 )a n y s y s 软件可以于绝大多数c a d 软件( u g 、a u t o c a d 、p r o e 等) 进行 数据交换，很方便的将数据导入到a n y s y s 中，从而方便进行分析。 ( 5 )a n y s y s 软件具有良好的用户自己开发环境和自己生成分析报告等功能。 随着计算机的发展和进步，a n s y s 软件在公路隧道中得到了广泛的应用，通过对 施工过程的模拟分析，可以得到不同的开挖顺序时围岩的受力变化，从而用于指导施工 进行。 根据对多种有限元分析软件的比较，最后选择a n s y s 软件作为本次有限元分析的 软件进行隧道的有限元分析。 3 2 有限元法计算的原理和步骤 有限元法的原理可以归纳为：将要分析目标分割成有限个分区或单元，对每一个单 元提出一个近似解，再将所有单元按标准方法加以组合，从而形成原有系统的一个数值 1 8 长安大学硕士学位论文 近似系统，也就是形成相应的数值模型，最终对数值模型进行计算得出分析结果。 有限元法的计算步骤归纳为以下3 个基本步骤：网格划分、单元分析、整体分析。【l l l ( 1 ) 网格划分 有限元法的基本做法是用有限个单元体的集合来代替要进行分析计算的原有连续 体。因此首先要对分析的物体进行必要的简化，再将要分析的物体划分成为有限个单元 组成的离散体。单元之间通过节点相互连接。由单元、节点、节点连线构成的集合体称 为网格。通常对三维实体进行划分时可以采用四面体或六面体单元的实体网格；对平面 进行网络划分时，根据图形的情况将其划分成三角形或四边形单元的面网格。 ( 2 ) 单元分析 单元分析就是建立各个单元的节点力和节点位移之间的关系式。由于将单元的节点 位移作为基本变量，进行单元分析首先要为单元内部的位移确定一个近似表达式，然后 计算单元的应变、应力，再建立单元中节点力与节点位移的关系式。 ( 3 ) 整体分析 整体分析就是对由各个单元组成的整体进行分析，建立节点外载荷与节点位移的关 系，最终以解出节点位移。 3 3 隧道及地下工程设计分析力学模型 地下工程的设计方法经历了一个相当漫长的发展过程。早在1 9 世纪初期，地下工 程( 包括隧道和地下洞室) 多以砖石材料作为衬砌，用木支撑的分部开挖方法进行施工。 当时的地下工程衬砌结构的设计主要模仿桥的设计计算方法，其特点是将衬砌作为受力 结构，而围岩作为载荷作用在衬砌结构上。因此，这样设计的衬砌结构的厚度偏大。 随着社会的发展，工业和科学技术不断进步，地下工程的科技人员提出了不同的设 计计算方法。如温克尔提出了局部变形理论，假定了