基于長期監測數據的隧道結構服役性能分析

周琪琪 劉龑 王金 李波

摘要 隧道運營期健康監測可為隧道安全運營提供重要保障，文章基于長期監測數據，分別從隧道位移穩定性和應力水平出發，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測數據，提出了一種隧道位移穩定性評價方法；引入應力—溫度相關系數作為評價襯砌應力水平的技術指標，另外結合歷史監測數據，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測數據進行驗證，經分析各評定指標數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相符。

關鍵詞 隧道；健康監測；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]，這就要求隧道管養部門必須長期對結構進行準確監控，及時發現隧道異狀并予以維修。

為了保障隧道在運營中的安全，避免安全事故的發生，利用現代傳感測試、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、實用經濟、易于管理的隧道運營期安全監測管理系統，已成為隧道養護工作的重要組成部分^[2-3]。該文基于長期監測獲取的隧道海量運營階段數據，從隧道應力水平和位移穩定性兩方面入手，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護中難以及時發現，若無法及時處理容易引發突發安全事故，因此隧道運營期應聚焦隧道位移穩定長期性能跟蹤。隧道結構的位移穩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定性常見問題入手，針對性選取隧道位移監測數據和方法，獲得位移穩定性評定指標^[4]。

支護系統穩定是保障隧道穩定性的重要前提，坑道周邊變形速率呈遞減趨勢并逐漸趨近于零，支護結構不能出現影響正常使用的裂縫和破損，更不能發生大范圍的坍塌^[5]。可采用柔性測斜儀布設在整個內襯斷面，監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，以實現周邊收斂長期跟蹤監測；激光測距儀可通過計算激光發射返回時間，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，以實現隧道水平收斂監測。

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，可規避電信號長距離衰減和光信號遮擋的問題，實現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定性的關鍵指標，采用合理的監測手段對其數值進行長期跟蹤監測可為隧道安全運營提供重要保障，該文以各位移監測指標的收斂變形速度和絕對變形量作為位移穩定性評價指標。

2 應力水平評估

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

隧道結構處于穩定受力狀態時，應力數據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^[8]用于應力水平評估，相關系數越接近1，說明應力與溫度的正相關性越好，相關系數越接近?1，說明應力與溫度的負相關性越好，相關系數越接近0，說明應力與溫度的相關性越差，相關系數計算公式如式（1）：

式中，Cov（X，Y）——X與Y的協方差；Var[X]——X的方差；Var[Y]——Y的方差；X、Y——應力和溫度數據。

為進一步判斷隧道應力水平的發展趨勢，該文結合歷史監測數據提出一種承載度評價指標。將本周期內監測數據極值與最近周期的極值進行比較，判別當前周期內應力監測數據的變化幅度，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——周期內監測參數HLA線圖的最大值；l——周期內監測參數的最小值；hv（h，n）——最近n周期內監測參數HLA線圖的最大值的最大值；hv（l，n）——最近30周期內監測參數HLA線圖的最大值的最小值；lv（h，n）——最近30周期內監測參數HLA線圖的最小值的最大值；lv（l，n）——最近30周期內監測參數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，開展基于長期監測數據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。長期監測的內容包括隧道表面應力監測、隧道周邊變形、隧道水平收斂、隧道不均勻沉降監測。系統采用云—邊—端融合的系統架構，各類傳感器作為場端設備實現原始數據的采集，通過場端局域網將數據傳輸至現場工控機，現場工控機負責數據解析等邊緣計算工作，解析后數據通過無線網絡傳輸至中心服務器，中心服務器采用云計算進行數據的分析處理工作，最終實現終端采集、邊端解析、云端計算的健康監測數據傳輸與分析架構。數據傳輸拓撲圖，如圖1所示。

各監測項目采集設備及數據采集頻率如表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日兩個時間點的監測數據，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據，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值。

選取4—6月水平收斂監測數據分析，剔除振動等高頻數據影響，兩點間水平距離穩定在5 631 mm附近，數據波動最大值為1.87 mm，在量測誤差（±2.00 mm）范圍內波動，水平收斂監測數據時程曲線，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測數據作為示例進行分析，剔除振動噪聲的影響，采用修正系數修正靜力水準儀溫飄影響，計算得到沉降數值的時程數據如圖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月監測數據進行分析，如圖7所示，應力監測數據位于0.5～3 MPa之間，數據波動范圍較小，應力與溫度監測數據變化呈現明顯的正相關性，經計算兩者相關性系數為0.99，證明襯砌應力數據變化主要受環境溫度波動影響，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測數據為一個分析周期，以分析周期前30個自然日的歷史監測數據作為基準數據，計算本周期的應力承載度指標值，經計算，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良好。

4 結論

該文基于隧道長期監測數據，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、不均勻沉降等監測數據的隧道位移穩定性評價方法；結合應力監測數和溫度監測數據，提出了基于歷史監測數據的應力水平承載度指標和溫度—應力相關系數指標，用以隧道應力狀態評估。以某山嶺隧道的實測監測數據進行驗證，顯示各監測數據和評定指標數值較小且波動穩定，證明隧道位移穩定性和應力水平處于良好狀態。

參考文獻

[1]閆世樂， 劉振奎. 鐵路隧道運營期的風險評價[J]. 價值工程， 2011（30）： 49-50.

[2]張國柱， 童立元， 劉松玉， 等. 基于無線傳感網絡的隧道健康監測系統[J]. 地下空間與工程學報， 2013（S2）： 2006-2010.

[3] Yong D， Bin S， Hai-Bo S. Tunnel Structural Health Monitoring System and Fiber Optic Sensing Technology[J]. Journal of Disaster Pnevention and Mitigation Engineering. 2005（4）： 375-380.

[4]張素敏， 朱永全， 景詩庭. 收斂約束原理在隧道位移穩定性判據中的應用[J]. 鐵道標準設計， 2004（8）： 38-40+114.

[5]朱永全. 隧道穩定性位移判別準則[J]. 中國鐵道科學， 2001（6）： 81-84.

[6]方朝陽， 段亞輝. 三峽永久船閘輸水洞襯砌施工期溫度與應力監測成果分析[J]. 武漢大學學報（工學版）， 2003（5）： 30-34.

[7]張稱呈， 周中， 高文淵， 等. 溫度-圍壓作用下盾構隧道襯砌應力變化規律研究[J]. 交通科技， 2020（1）： 73-78.

[8]謝明文. 關于協方差、相關系數與相關性的關系[J]. 數理統計與管理， 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，從事結構健康監測方向研究工作。