一种隧道衬砌的抗错断装置及预警方法和系统

文档序号:34898159发布日期:2023-07-26 05:13阅读:74来源:国知局
一种隧道衬砌的抗错断装置及预警方法和系统

本发明属于数据采集、铁建工程,具体涉及一种隧道衬砌的抗错断装置及预警方法和系统。


背景技术:

1、随着板块的移动常常会造成断层的产生,在地下隧道建设过程中,遇到断层优先避让,若建设位置的断层数量庞大,则不可避免的需要穿越断层,由于断层造成的永久性位移,地下隧道无法承受断层错动产生的剪应力,会对地下隧道的建成后产生巨大破坏,尤其在多地震带发生地对断层的影响更大。断层错动发生后,地下结构主要会受到剪切力的破坏,并伴随其他应力对其附近产生影响,从而容易对隧道本身造成巨大的破坏,甚至出现人员伤亡。这是地下隧道发展以来一直还在解决的难题。尽管断层未来百年突发最大位错量在0.5m左右,但断层错动对地下结构影响仍很大。

2、目前,穿越断层修建隧道有以下工程技术,用于减弱断层错动对隧道结构的破坏:

3、(1)加固围岩,提高围岩强度。缺点:只可减小因围岩条件不同而造成的隧道不均匀地震变形,能抵抗的变形十分有限,难以抵抗错动时的巨大能量,对于穿越断层隧道主变形区并无太大作用。

4、(2)在围岩与衬砌之间或者初期支护与二次衬砌之间设置减震层。缺点:只能吸收围岩变形,减小围岩对隧道衬砌的变形作用,达到减震目的,在长期持续性的断层蠕滑中难以保障隧道内轨道运行的平顺性,能抵抗的变形也十分有限,对于穿越断层隧道主变形区并无太大作用。

5、(3)在隧道断层主变形区设置可承受平动和转动大变形的柔性接头。缺点:转动幅度过大、结构刚度不够,不能抗拉抗压,容易遭受破坏。

6、(4)超挖设计。根据地震引起断层的可能最大位错量,扩大隧道断面尺寸。缺点:能够抵抗的错动位移比较有限,在长期无法恢复的变形下无法继续承受断层错动时的巨大能量,不能有效地避免隧道整体遭到破坏。

7、(5)改良衬砌结构。初次衬砌和二次衬砌,二次衬砌设有与断层对应的接缝,二次衬砌中设有橡胶止水带,二次衬砌中设有多组沿橡胶止水带的长度方向间隔设置的支撑组件和阻尼器。 缺点:该结构只能解决断层隧道中的防水问题,二次衬砌的材料过于简单,坚韧性远远不够,容易遭受破坏而开裂,难以抵抗错动时的巨大能量,不能抵抗断层错动主变形区的变形。

8、(6)支护结构及隧道衬砌结构结合,在外层支护与内层支护中间预留一定厚度的空腔,在空腔中放置一定量的支撑结构,支撑结构由泡沫混凝土块组合而成,两两之间通过螺栓连接而成,从而起到转动作用。缺点:该结构在抗拉抗压性能上达不到预期效果,只能承受小型震动的错动,对于中大型震动会直接破坏内外支护之间的填充材料,结构的各部分性能将大大受限,空腔内能产生的滑动与转动角度不可控,效应难以预测,且该结构一旦发生错动产生平动转动之后不可复位,使用的材料并无良好的抗拉压性能,不能很好地抵御断层错动。

9、(7)在断层破碎带扩挖段以及过渡段内的围岩与二次衬砌之间填充具有多孔脆性特点的泡沫混凝土。在隧道发生断层错动时,以泡沫混凝土被破坏为代价,在扩挖段内释放空间,泡沫混凝土与二次衬砌脱空,为隧道变形提供了空间。缺点:泡沫混凝土被破坏之后不可恢复,且材料具有脆性,刚度低,在隧道发生微小的错动时也能使泡沫混凝土裂开,对于中大型的错动可能会直接损伤二次衬砌,导致隧道坍塌,且隧道脱空所预留的空间并没有起到作用。

10、上述方法在断层隧道内使用的材料简单,没有良好的抗拉抗压性能,柔韧度和强度很低,在隧道主变形区内,结构容易遭受破坏;这些方法能适应断层错动的平动转动幅度也不符合理想预期,转动平动幅度过小,不足以适应隧道内由于断层错动而产生的变形,转动平动幅度过大,而导致其结构变形过大,稳定性难以恢复;且能抵抗的变形亦十分有限,难以抵抗断层错动时的巨大,在长期持续性的断层蠕滑进而难以保障隧道内轨道运行的平顺性,对于穿越断层隧道并无太大作用。

11、同时,用于隧道衬砌的抗错断装置中往往需要应对地壳运动导致的受力形变,装置长期处在活动的错断地形中需要对底壳中的活动做出相应的调整,在调整的过程中如果无法对支撑的材料或者受力的材料的疲劳或者形变进行预警,容易使得抗错断装置的调整行为损害装置的使用寿命或者抗压性能,因此也需要一个科学的预警方法和系统对装置进行实时监控。


技术实现思路

1、本发明的目的在于提出一种隧道衬砌的抗错断装置及预警方法和系统,以解决现有技术中所存在的一个或多个技术问题,至少提供一种有益的选择或创造条件。

2、为了实现上述目的,根据本发明的一方面,提供一种隧道衬砌的抗错断装置,包括定位环管和多材料合成管道,所述多材料合成管道包括螺旋钢条和钢套管,所述螺旋钢条轴向设置在前后相邻的所述定位环管之间,所述钢套管设在所述螺旋钢条的外侧,所述钢套管的内侧设有韧性层,所述钢套管的外侧设有抗压层,所述螺旋钢条的两端分别抵接于前后相邻的所述定位环管。

3、优选的,所述钢套管内设有夹层,所述夹层内填充有抗压材料形成所述抗压层,所述抗压材料采用无机-有机硅复合材料。

4、优选的,所述韧性层由聚氨酯合成材料形成,所述韧性层粘接于所述钢套管的内侧。

5、优选的,所述钢套管为波纹管,所述钢套管的外侧设有外波纹段,所述钢套管的内侧设有内波纹段,所述螺旋钢条的外侧抵接于所述内波纹段的内侧,所述钢套管的外侧还涂设有抗腐蚀弹性涂层。

6、优选的,所述定位环管的端部设有止水构造缝。

7、优选的,所述多材料合成管道的外侧填充纤维混凝土。

8、优选的,还包括液压千斤顶,所述液压千斤顶倾斜设置在所述夹层内,所述液压千斤顶的两端分别与所述夹层的内外两侧固定连接。

9、本发明还提供了一种应用于隧道衬砌的抗错断装置的预警方法,所述预警方法包括以下步骤:

10、s100,在各个液压千斤顶处布置压力传感器;

11、s200,实时地从各个压力传感器获取测值;

12、s300,根据获得测值计算承稳水平;

13、s400,结合承稳水平进行错断分析并发送预警信息。

14、进一步地,在步骤s100中,在各个液压千斤顶处布置压力传感器的方法是:钢套管内设有夹层,在夹层中有多个千斤顶,在每个千斤顶的地方布置一个压力传感器,通过压力传感器获得夹层的内层与外层之间的压力。

15、进一步地,在步骤s200中,实时地从各个压力传感器获取测值的方法是:隧道工程建设完毕后,为所有压力传感器进行第一次测量,测量获得的压力值为测量元值;压力传感器此后每小时进行一次测量,所获得的实时测值,则压力传感器的测值p为实时测值与测量元值的差。

16、进一步地,在步骤s300中,根据获得测值计算承稳水平的方法是:以一个压力传感器作为一个量压位,记装置上量压位的总个数为tot;获取一个量压位时序上连续的最新获得的tot个测值构建一个序列作为第一偏移序列;

17、通过第一偏移序列计算承稳水平的方法是:第一偏移序列中各个时刻与其前一时刻的差值记作gp_dis;当第一偏移序列中一个元素的数值比其前一个时刻和下一个时刻的数值都大或者都小,则将该元素定义为偏拐元素,否则则将该元素定义为偏滑元素;如果偏滑元素比其前一个时刻的数值小且比其下一个时刻的数值大,则该偏滑元素为下滑元素,如果偏滑元素比其前一个时刻的数值大且比其下一个时刻的数值小,则该偏滑元素为上滑元素;

18、如果同时存在上滑元素和下滑元素,则将各个上滑元素的数值中的最大值和最小值分别记作disu_f和disu_s;将各个下滑元素的数值中的最大值和最小值分别记作disd_f和disd_s;如果不同时存在上滑元素和下滑元素,则把第一偏移序列中gp_dis为正数且gp_dis拥有最大值的时刻和最小值的时刻对应的元素的数值分别记作disu_f和disd_s,把第一偏移序列中gp_dis为负数且gp_dis拥有最大值的时刻和最小值的时刻对应的元素的数值记作disu_f;记第一偏移序列中偏拐元素的数量记作n_td,计算量压位的承稳水平sslv:

19、;

20、其中j1为累加变量,pj1为第一偏移序列中的第j1个元素。

21、由于在上述计算获得承稳水平的过程中存在观测性局限的现象,容易导致出现观测时间或者数据不完整的问题,然而现有技术并无法解决这种由于数据采集不完整导致结果偏差的问题,为了更好解决该问题,消除数据不完整或者事件观测不够全面的现象,所以本发明提出了一个更优选的方案如下:

22、优选地,在步骤s300中,通过第一偏移序列计算承稳水平的方法还可以是:

23、当一个时刻的测值比其上一个时刻的测值大,则定义发生溢值;当一个时刻的测值比其上一个时刻的测值小,则定义发生损值;如果一个时刻的测值与其上一个时刻的测值相同,则与其上一个时刻相同地发生溢值或者发生损值;如果连续若干个时刻发生溢值,则定义这若干个时刻内发生同溢事件,如果连续若干个时刻发生损值,则定义这若干个时刻内发生同损事件;同溢事件与同损事件归类为同溢损事件;

24、当第一偏移序列中发生溢值的总次数与发生损值的总次数大于1,则需要进行第一参考度修饰,具体方法是:以第一偏移序列中发生溢值的总次数与发生损值的总次数中的较大值作为第一参考度frd,以量压位时序上连续的最新获得的frd个测值构建一个序列作为第二偏移序列;

25、当第一偏移序列中发生溢值的总次数与发生损值的总次数小于1,则进行第二参考度修饰,具体方法是:若第一偏移序列中同溢事件和同损事件发生的次数相同,则定义发生同次事件,否则定义发生不同次事件;当发生同次事件,则直接沿用该第一偏移序列作为第二偏移序列;当发生不同次事件,则从量压位历史获得的第tot+1个测值开始,依次逐个将各个时刻的测值添加到第一偏移序列,直到第一偏移序列发生同次事件,再沿用该第一偏移序列作为第二偏移序列;

26、为各个同溢损事件计算迁高值,其中迁高值为同一同溢损事件的各个元素中的最大值与最小值之差;将各个同溢事件中迁高值拥有最大值的值记作disu;将各个同损事件中迁高值拥有最大值的值记作disu;利用第二偏移序列计算承稳水平sslv,

27、;

28、其中i1为累加变量,pi1为第二偏移序列中的第i1个元素,flen为第二偏移序列中元素的个数,od(i1)代表pi1所属同溢损事件在第二偏移序列的各个同溢损事件中对应的序号,pi1所属同溢损事件即第二偏移序列中的第i1个元素对应时刻发生的同溢事件或者同损事件;fmd代表折迁度,计算方法如下:

29、;

30、其中lenfmx与lensmx分别代表第二偏移序列的各个同溢损事件中时涵度拥有最大值与仅次于最大值的值,其中同溢损事件的时涵度代表第二偏移序列中同属于一个同溢损事件的元素的个数。

31、有益效果:承稳水平的计算是根据各个检测时刻下获得的测值序列获得的,能够对一个周期内各个液压千斤顶所在位置的支撑材质的承受压力的变化特征进行提取,从测值的变化幅度以及频率等方向对千斤顶附近的填充的抗压材料承压负荷进行量化,所以能够准确的标记出承压负荷的水平, 因此能够增强对后续错断分析的精确性。

32、进一步地,在步骤s400中,结合承稳水平进行错断分析并发送预警信息的方法是:以量压位当前时刻获得的承稳水平作为第一监测值,以量压位最近tot个时刻计算获得的承稳水平构成一个序列作为承稳序列,以一个量压位的承稳序列为一行,以同一个时刻下各个量压位的承稳水平作为一列,根据各个量压位行的第一监测值从大到小的顺序,构建一个矩阵作为承稳态势表ssmx;

33、以j2作为量压位在ssmx中的序号,设定一个变量作为第一容括度ffrn,ffrn∈[int(0.4tot),int(0.6tot)],其中int()为向下取整函数;

34、将ssmx中第j2行的算术平均值记作mnj2,将ssmx中所有元素的算数平均值记作mnmx;如果将mnj2和mnmx中的较大值作为第j2行的疲积参考,如果第j2行的前ffrn个元素均大于疲积参考,则将ssmx中的第将j2行对应的量压位记作疲积位并则触发预警事件,所述触发预警事件的方法是,将预警信号以及疲积位的序号发送到管理人员的客户端。

35、在上述比较衡量预警事件的方法中,由于参考数据简单而且单调,容易导致对突发的异常事件过于灵敏的问题,这个问题会导致触发的预警信号中有效信号的比例不足,在某些异常的情况下容易频繁生成无效信号;为了使得对可接受的异常的情况具有更强的融合能力,增强对数据中的不可接受的异常深度发掘,本发明提出了一个更优选的方案如下:

36、优选地,在步骤s400中,结合承稳态势表发送预警信息的方法还可以是:

37、以i2作为量压位在承稳态势表中所在的行的序号,i2∈[1,tot];计算各个量压位的位疲劳积度zfidx(i2):将ssmx中第i2行各个元素中的最大值和最小值对应的列号分别记作第一位积度fzii2和第二位积度szii2,则zfidx(i2)=(fzii2×szii2)-1;

38、以i3作为时刻在承稳态势表中所在的列的序号,i3∈[1,tot];计算各个时刻的间隙疲劳积度tfidx(i3):如果承稳态势表中的一个元素为该元素所在列的最大值,则将该元素定义为一个第一间隙积度ftii3,如果承稳态势表中的一个元素为该元素所在行的最大值,则将该元素定义为一个第二间隙积度sti i3;将ssmx中第i3列中出现第一间隙积度的次数与第二间隙积度的次数之和作为第三间隙积度tti i3,则tfidx(i3)=(ttii3÷tot)×max{(ftii3÷(1+tti i3)),(stii3÷(1+ttii3))};其中max{}为最大值函数;

39、根据位疲劳积度和间隙疲劳积度计算各个时刻下各个量压位的子疲劳积度ssfidx(i2,i3)=zfidx(i2)×tfidx(i3);以一个量压位各个时刻下的疲劳积度为一行,以同一个时刻下各个量压位的疲劳积度作为一列,根据各个量压位行的第一监测值从大到小的顺序,构建一个矩阵作为疲劳积度表,对疲劳积度表中的数据进行标准化处理;

40、如果为疲劳积度表总的一个元素为其所在列中的最大值则定义该元素为疲积元素,当疲劳积度表的一行元素中包含一个或以上个疲积元素,则定义该行对应的量压位为一个疲积位,否则为非疲积位;记当前时刻疲积位的数量为n_f,如果n_f<frn×tot,则触发预警事件,其中frn为容括度,frn∈[0.4,0.6],所述触发预警事件的方法是,将预警信号以及当前各个疲积位对应的序号发送到管理人员的客户端。

41、有益效果:通过对疲积位进行定位,量化并且综合分析了填充材料的承压负荷的水平,有效地预测和评估抗错断装置中存在材料疲劳的区域,装置的安全性和稳定性提供可靠的警报机制,提高该隧道衬砌的抗错断装置的实用性和可行性。

42、优选地,其中,本发明中所有未定义的变量,若未有明确定义,均可为人工设置的阈值。

43、本发明还提供了一种应用于隧道衬砌的抗错断装置的预警方法的系统,所述一种应用于隧道衬砌的抗错断装置的预警方法的系统包括:处理器、存储器及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序,所述处理器执行所述计算机程序时实现所述一种隧道衬砌的抗错断装置的预警方法中的步骤,所述一种应用于隧道衬砌的抗错断装置的预警方法的系统可以运行于桌上型计算机、笔记本电脑、掌上电脑及云端数据中心等计算设备中,可运行的系统可包括,但不仅限于,处理器、存储器、服务器集群,所述处理器执行所述计算机程序运行在以下系统的单元中:

44、传感器布置单元,用于在各个液压千斤顶处布置压力传感器;

45、数据采集单元,用于实时地从各个压力传感器获取测值;

46、承稳计算单元,用于根据获得测值计算承稳水平;

47、警报发生单元,用于结合承稳水平进行错断分析并发送预警信息。

48、本发明的有益效果为:本发明提供一种隧道衬砌的抗错断装置及预警方法和系统,本发明通过在定位环管之间设置由螺旋钢条、钢套管、抗压层及韧性层形成的多材料合成管道,使得设于隧道断层的多材料合成管道在断层的长期缓慢错动下不被破坏,并且能抵抗断层的急剧错动;利用螺旋钢条和钢套管提供一定的刚度,保证位于断层区域隧道的结构安全,降低了活断层错动对隧道造成的危害;本发明的多材料合成管道既能满足高强度抗拉抗压要求,亦能实现发生平动和转动,当发生错动的时候,通过多材料合成管道的自适应转动与拉伸来抵御隧道错动;通过对多材料合成管道的外侧进行超挖并填充纤维混凝土,还可增大结构的冲击韧性。另外通过对各个液压千斤顶附近的压力进行实时采集分析,从测值的变化幅度以及频率等方向对千斤顶附近的填充的抗压材料承压负荷进行量化,通过对疲积位进行定位,量化并且综合分析了填充材料的承压负荷的水平,有效地预测和评估抗错断装置中存在材料疲劳的区域,装置的安全性和稳定性提供可靠的警报机制,在抗错断装置调整的过程中能够对支撑的材料或者受力的材料的疲劳或者形变进行预警, 降低抗错断装置的调整行为带来损害装置的使用寿命或者抗压性能的风险,提高该隧道衬砌的抗错断装置的实用性和可行性。

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