基于长期监测数据的隧道结构服役性能分析

周琪琪 刘龑 王金 李波

摘要 隧道运营期健康监测可为隧道安全运营提供重要保障，文章基于长期监测数据，分别从隧道位移稳定性和应力水平出发，进行隧道结构服役性能评价分析。结合周边收敛、水平收敛和不均匀沉降等监测数据，提出了一种隧道位移稳定性评价方法；引入应力—温度相关系数作为评价衬砌应力水平的技术指标，另外结合历史监测数据，提出了应力水平承载度评价指标，用以衡量当前应力所处历史水平。以某山岭隧道的实测监测数据进行验证，经分析各评定指标数值波动范围较小且处于安全范围，与隧道结构性能处于良好状态相符。

关键词 隧道；健康监测；隧道服役性能

中图分类号 U458.1文献标识码 A文章编号 2096-8949（2023）23-0005-04

0 引言

与普通建筑结构相比，隧道具有建设投资大、运营周期长、安全风险高、工作条件隐蔽等特点^[1]，这就要求隧道管养部门必须长期对结构进行准确监控，及時发现隧道异状并予以维修。

为了保障隧道在运营中的安全，避免安全事故的发生，利用现代传感测试、信号分析、远程智能控制、计算机技术、结构安全评估等新设备和新技术，构建技术先进、措施合理、实用经济、易于管理的隧道运营期安全监测管理系统，已成为隧道养护工作的重要组成部分^[2-3]。该文基于长期监测获取的隧道海量运营阶段数据，从隧道应力水平和位移稳定性两方面入手，对运营期隧道服役性能进行评估。

1 隧道位移稳定性评价

隧道运营期间结构受力形式及主要外部荷载已经确定，相对施工期结构不可预见风险明显减少，然而由于位移扰动等原因造成的隧道性能衰减在日常养护中难以及时发现，若无法及时处理容易引发突发安全事故，因此隧道运营期应聚焦隧道位移稳定长期性能跟踪。隧道结构的位移稳定性是保障隧道安全运行的重要前提，该文从运营期隧道位移稳定性常见问题入手，针对性选取隧道位移监测数据和方法，获得位移稳定性评定指标^[4]。

支护系统稳定是保障隧道稳定性的重要前提，坑道周边变形速率呈递减趋势并逐渐趋近于零，支护结构不能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^[5]。可采用柔性测斜仪布设在整个内衬断面，监测整个断面的三维变形情况，通过坐标点位拟合出隧道内衬形状，跟踪隧道衬砌周边各点坐标变形情况，以实现周边收敛长期跟踪监测；激光测距仪可通过计算激光发射返回时间，获取两点直线距离，采用激光测距仪配合反射面板布置在隧道两侧侧墙，可测得水平方向隧道侧墙间直线净空距离，以实现隧道水平收敛监测。

隧道沿线的土体性质、土层分布、施工工艺、地面荷载、隧道渗漏水和周边工程施工均会导致隧道结构的沉降，不均匀沉降可引起隧道渗漏、裂缝开展、损伤变形缝等病害，严重影响隧道运行安全。隧道一般距离较长且线形变化多样，采用压差式静力水准仪通过设置转点，可规避电信号长距离衰减和光信号遮挡的问题，实现隧道全长的不均匀沉降测量。

综上分析，隧道周边变形、隧道水平收敛、隧道不均匀沉降作为反映隧道运营期稳定性的关键指标，采用合理的监测手段对其数值进行长期跟踪监测可为隧道安全运营提供重要保障，该文以各位移监测指标的收敛变形速度和绝对变形量作为位移稳定性评价指标。

2 应力水平评估

衬砌表面应力监测采用振弦式应力传感器实现^[6]，振弦式应力具有温补功能，可同步实现测点附近温度监测，测点布置在洞门附近浅埋段病害集中区域。

隧道结构处于稳定受力状态时，应力数据波动应处于较小范围，且主要受温度呈变化影响^[7]。因此，该文引入了温度—应力相关系数^[8]用于应力水平评估，相关系数越接近1，说明应力与温度的正相关性越好，相关系数越接近?1，说明应力与温度的负相关性越好，相关系数越接近0，说明应力与温度的相关性越差，相关系数计算公式如式（1）：

式中，Cov（X，Y）——X与Y的协方差；Var[X]——X的方差；Var[Y]——Y的方差；X、Y——应力和温度数据。

为进一步判断隧道应力水平的发展趋势，该文结合历史监测数据提出一种承载度评价指标。将本周期内监测数据极值与最近周期的极值进行比较，判别当前周期内应力监测数据的变化幅度，反映当前结构承载水平的增加或减少。当承载度曲线值在100以下波动时，说明新周期中的荷载强度在最近n个周期内时高时低波动，新周期中的结构处于较为安全的荷载水平；而当承载度曲线值等于100且出现横向移动时，表明新周期中的荷载水平在最近n个周期内持续处于较高的水平（超过了最近n个周期的极值水平）。

承载度指标μ计算过程如式（2）

式中，h——周期内监测参数HLA线图的最大值；l——周期内监测参数的最小值；hv（h，n）——最近n周期内监测参数HLA线图的最大值的最大值；hv（l，n）——最近30周期内监测参数HLA线图的最大值的最小值；lv（h，n）——最近30周期内监测参数HLA线图的最小值的最大值；lv（l，n）——最近30周期内监测参数HLA线图的最小值的最小值。

3 工程案例分析

该文以某山岭隧道为依托，开展基于长期监测数据隧道结构服役性能分析。隧道全长332 m，穿越软质岩和采空区两种不良地质，进口端洞门为端墙式，出口端洞门为削竹式，整个隧道采用中导洞先行开挖，洞身段采用双侧壁导坑法开挖。长期监测的内容包括隧道表面应力监测、隧道周边变形、隧道水平收敛、隧道不均匀沉降监测。系统采用云—边—端融合的系统架构，各类传感器作为场端设备实现原始数据的采集，通过场端局域网将数据传输至现场工控机，现场工控机负责数据解析等边缘计算工作，解析后数据通过无线网络传输至中心服务器，中心服务器采用云计算进行数据的分析处理工作，最终实现终端采集、边端解析、云端计算的健康监测数据传输与分析架构。数据传输拓扑图，如图1所示。

各监测项目采集設备及数据采集频率如表1所示。

柔性测斜仪在靠近洞门断面沿内衬布置，可获得15个点位的三维坐标，测点布置如图2所示。选取4月1日和7月1日两个时间点的监测数据，拟合计算得到内衬形状曲线变化如图3所示，计算各点位移变化值，横向和竖向的最大变形值分别为?0.34 mm、0.56 mm，如表2所示。

通过在侧墙布设激光测距仪，测量侧墙间水平向直线距离变形数据，测点布置如图4所示，以设备安装时刻为初始值，水平收敛值即为相对初始值的变化数值。

选取4—6月水平收敛监测数据分析，剔除振动等高频数据影响，两点间水平距离稳定在5 631 mm附近，数据波动最大值为1.87 mm，在量测误差（±2.00 mm）范围内波动，水平收敛监测数据时程曲线，如图5所示。

隧道全线设置15个不均匀沉降测点，选用静力水准仪布置在侧墙位置，均布在隧道全长范围内，选取其中洞口附近测点监测数据作为示例进行分析，剔除振动噪声的影响，采用修正系数修正静力水准仪温飘影响，计算得到沉降数值的时程数据如图6所示，3个月内沉降最大值为?0.18 mm。

以拱顶处应力测点为例，选取4—6月监测数据进行分析，如图7所示，应力监测数据位于0.5～3 MPa之间，数据波动范围较小，应力与温度监测数据变化呈现明显的正相关性，经计算两者相关性系数为0.99，证明衬砌应力数据变化主要受环境温度波动影响，拱顶衬砌结构本身应力水平良好。

拱顶处应力测点承载度指标以每日监测数据为一个分析周期，以分析周期前30个自然日的历史监测数据作为基准数据，计算本周期的应力承载度指标值，经计算，4—6月期间，承载度指标长期处于100以下，最大值为93，如图8所示，表明应力水平未超出近期极值水平，衬砌结构应力服役状态良好。

4 结论

该文基于隧道长期监测数据，对隧道运营阶段的服役性能进行评价分析，提出了基于周边收敛、水平收敛、不均匀沉降等监测数据的隧道位移稳定性评价方法；结合应力监测数和温度监测数据，提出了基于历史监测数据的应力水平承载度指标和温度—应力相关系数指标，用以隧道应力状态评估。以某山岭隧道的实测监测数据进行验证，显示各监测数据和评定指标数值较小且波动稳定，证明隧道位移稳定性和应力水平处于良好状态。

参考文献

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[8]谢明文. 关于协方差、相关系数与相关性的关系[J]. 数理统计与管理， 2004（3）： 33-36.

收稿日期：2023-10-11

作者简介：周琪琪（1993—），男，硕士研究生，工程师，从事结构健康监测方向研究工作。