适应于悬浮隧道的结构监测方法及系统与流程

1.本发明涉及悬浮隧道监测领域，具体涉及一种适应于悬浮隧道的结构监测方法及系统。


背景技术：

2.悬浮隧道是一种穿越海峡、湖泊以及其他水域的交通结构物，一般由浮在水中一定深度的管状结构(该结构的空间很大，足以适应道路和铁道交通的要求)、锚固在水下基础上的锚缆杆或水上的浮箱装置、锚固锚杆或锚索装置的水下抗拔基础及与两岸相连的构筑物组成。
3.将悬浮隧道置于复杂的水域环境中，失去了稳固的基础，长期承受破浪流与行车荷载的耦合作用以及水环境的侵蚀，隧道结构安全与耐久性受到严重的威胁，迫切地需要建立精准、智能的监测体系以保障运营安全。
4.目前，传统的监测技术往往采用大范围、全指标以及分布式的监测，监测数据量大，数值分析与挖掘不足，往往很难准确掌握隧道的结构安全，容易失去监测的意义。因此，需要一种适应于悬浮隧道的结构监测方法及系统，能够解决以上问题。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明的目的是克服现有技术中的缺陷，提供适应于悬浮隧道的结构监测方法及系统，能够对结构受力关键部位进行有效监测，提高了监测的准确度以及可靠性。
6.本发明的适应于悬浮隧道的结构监测方法，包括：
7.根据隧道结构受力部位以及受力特点，确定结构监测指标；其中，所述结构监测指标包括结构变形、接头水密性、锚缆索索力、管节承载能力以及结构外部状态；
8.对结构监测指标进行监测分析，得到监测分析结果。
9.进一步，对结构变形进行监测分析，具体包括：
10.沿着隧道纵向，从隧道一侧端口开始到隧道另一侧端口结束，连续布置若干测点：0，1，2，
…
，i，
…
，n；其中，测点0布置在一侧端口，测点n布置在另一侧端口，将测点0作为基点0，将测点n作为基点n；
11.在两个基点之间设置监测点，以监测点为坐标原点，作垂直于隧道纵向的坐标平面，将坐标平面的水平方向作为x轴，将坐标平面的竖直方向作为y轴；
12.计算测点i的相对位移：
[0013][0014]
其中，i＝1,2,...,n-1；δxi'表示测点i相对于基点0在x轴上的位移，δyi'表示测
点i相对于基点0在y轴上的位移；δxi为测点i相对于坐标原点在x轴上的位移，δyi为测点i相对于坐标原点在y轴上的位移，δx
i-1
为测点i-1相对于坐标原点在x轴上的位移，δy
i-1
为测点i-1相对于坐标原点在y轴上的位移；
[0015]
对测点i的相对位移进行修正，得到测点i修正后的相对位移：
[0016][0017]
其中，δxi表示对位移δxi'修正后的相对位移，δyi表示对位移δyi'修正后的相对位移；
[0018]
按照上述方法类推，可以得到其他测点修正后的相对位移，进而得到相对位移序列((δx1,δy1),(δx2,δy2),...,(δxi,δyi),...,(δx
n-1
,δy
n-1
))。
[0019]
进一步，对接头水密性进行监测分析，具体包括：
[0020]
接头渗漏水监测，包括：
[0021]
对监测区域进行成像，得到不同时刻的成像后区域；
[0022]
对不同时刻的成像后区域叠加对比，获得变化前渗漏水区域边界与变化后渗漏水区域边界；
[0023]
计算变化前渗漏水区域边界与变化后渗漏水区域边界所在面积之间的差值，并将所述差值作为渗漏水区域变化量；
[0024]
接头张合变形监测，包括：
[0025]
在接头两侧分别设置标志物；
[0026]
在不同时刻对两侧的标志物进行成像，并测量两侧标志物圆心之间的距离；将变化前与变化后两标志物圆心之间距离作为接头间的张合变形量；
[0027]
若张合变形量变大，则接头张开，若张合变形量变小，则接头压缩。
[0028]
进一步，对锚缆索索力进行监测分析，具体包括：在锚缆索上设置第一测点，测量所述第一测点处的第一应力，将所述第一应力与第一应力阈值进行比较，得到锚缆索所处状态。
[0029]
进一步，对管节承载能力进行监测分析，具体包括：在管节跨中部位全断面上设置第二测点，测量所述第二测点处的第二应力，将所述第二应力与第二应力阈值进行比较，得到管节所处状态；其中，所述第二测点包括上测点、下测点、左测点以及右测点。
[0030]
进一步，对结构外部状态进行监测分析，具体包括：采集隧道结构及接头外部运行状态的图像信息，对所述图像信息进行识别，得到结构外部出现的开裂、剥落以及腐蚀状态信息。
[0031]
一种适应于悬浮隧道的结构监测系统，包括采集单元以及监测单元；
[0032]
所述采集单元包括结构变形采集子单元、接头水密性采集子单元、锚缆索索力采集子单元、管节承载能力采集子单元以及结构外部状态采集子单元；
[0033]
所述结构变形采集子单元，用于采集管节跨中挠度与差异变形信息；
[0034]
所述接头水密性采集子单元，用于采集接头张合与渗漏水信息；
[0035]
所述锚缆索索力采集子单元，用于采集锚缆索应力信息；
[0036]
所述管节承载能力采集子单元，用于采集混凝土应力信息和/或钢筋应力信息；
[0037]
所述结构外部状态采集子单元，用于采集隧道结构外部开裂、剥落以及腐蚀信息；
[0038]
所述监测单元，用于对采集单元采集的数据信息进行监测分析，得到监测分析结果。
[0039]
进一步，所述结构变形采集子单元包括设置于目标监测点的位移监测相机；所述接头水密性采集子单元包括设置于目标测量点的图像采集设备。
[0040]
进一步，所述锚缆索索力采集子单元包括设置于锚缆索的磁通量传感器。
[0041]
进一步，所述管节承载能力采集子单元包括设置于管节跨中部位全断面上的应力计；所述结构外部状态采集子单元包括设置于目标位置的视频监测设备。
[0042]
本发明的有益效果是：本发明公开的一种适应于悬浮隧道的结构监测方法及系统，通过充分研究隧道结构的受力特点，并对隧道结构受力关键的锚缆索(杆)应力、管节结构的承载力、管节结构的挠曲变形、管节接头的水密性与结构的材质劣化等方面进行有效监测，从而实现了精准有效的监测目的，提高了监测的准确度以及可靠性。
附图说明
[0043]
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：
[0044]
图1为本发明的多测点相对位移测量示意图；
[0045]
图2为本发明的结构变形监测布置示意图；
[0046]
图3为本发明的接头水密性成像测量示意图；
[0047]
图4为本发明的接头水密性监测布置示意图；
[0048]
图5为本发明的锚缆索索力监测布置示意图；
[0049]
图6为本发明的管节承载能力监测布置示意图；
[0050]
图7为本发明的结构外部状态监测布置示意图。
具体实施方式
[0051]
以下结合说明书附图对本发明做出进一步的说明，如图所示：
[0052]
本发明的适应于悬浮隧道的结构监测方法，包括：
[0053]
根据隧道结构受力部位以及受力特点，确定结构监测指标；其中，所述结构监测指标包括结构变形、接头水密性、锚缆索索力、管节承载能力以及结构外部状态；
[0054]
对结构监测指标进行监测分析，得到监测分析结果。
[0055]
本实施例中，对于结构变形的测试拟采用摄影测量的方法进行监测，监测内容主要包括接头差异变形、跨中挠曲变形。可通过多个串联相机组组成，并在隧道进出口的岸基上设置两个基点，进而实现整个隧道的变形态的测量以及系统误差的修正。
[0056]
对结构变形进行监测分析，具体包括：
[0057]
沿着隧道纵向，从隧道一侧端口开始到隧道另一侧端口结束，连续布置若干测点：0，1，2，
…
，i，
…
，n；其中，测点0布置在一侧端口，测点n布置在另一侧端口，将测点0作为基点0，将测点n作为基点n；如图1所示，点(x0,y0)以及(xn,yn)为两个基点；点(x1,y1)到点(x7,y7)一共有7个测点；n取值为8；
[0058]
在两个基点之间设置监测点，以监测点为坐标原点，作垂直于隧道纵向的坐标平面，将坐标平面的水平方向作为x轴，将坐标平面的竖直方向作为y轴；其中，可以在监测点处设置相机，该相机用于采集位移图像数据信息；
[0059]
计算测点i的相对位移：
[0060][0061]
其中，i＝1,2,...,n-1；δxi'表示测点i相对于基点0在x轴上的位移，δyi'表示测点i相对于基点0在y轴上的位移；δxi为测点i相对于坐标原点在x轴上的位移，δyi为测点i相对于坐标原点在y轴上的位移，δx
i-1
为测点i-1相对于坐标原点在x轴上的位移，δy
i-1
为测点i-1相对于坐标原点在y轴上的位移；式子表示从0开始到i的δx
i,i-1
累计求和；
[0062]
由于基点0与基点n之间没有相对位移，则可以利用基点位移信息对测点i的相对位移进行修正，得到测点i修正后的相对位移：
[0063][0064]
其中，δxi表示对位移δxi'修正后的相对位移，δyi表示对位移δyi'修正后的相对位移；
[0065]
按照上述方法类推，可以得到其他测点修正后的相对位移，进而得到相对位移序列((δx1,δy1),(δx2,δy2),...,(δxi,δyi),...,(δx
n-1
,δy
n-1
))。
[0066]
通过将获取到的若干测点的相对位移与安全工况下的相对位移阈值进行比较，进而可以得到跨中挠曲变形程度、接头差异变形程度以隧道的整体变形程度。
[0067]
本实施例中，接头水密性的测量包含接头的张合与渗漏监测两部分，其中，接头张合量是间接反映接头水密性的一个监测指标，可提前预测接头的水密性。接头渗漏水是接
头渗漏水形态与渗漏水发展过程的监测指标，可以直观的现实渗漏水的严重程度，便于制定合理的措施，同时也是对张合量监测的一种验证和补充，因为并非所有的渗漏水都是因接头张开引起的。对于这两个指标的监测，也可采用图像的方法进行测量。实际工程中可在接头待测的关键部位的对侧安装监测相机组，相机组具备张合位移测量与红外热成像功能，即可完成张合位移与渗漏水的监测。
[0068]
如图3所示，对接头水密性进行监测分析，具体包括：
[0069]
接头渗漏水监测，包括：
[0070]
对监测区域进行成像，得到不同时刻的成像后区域；其中，所述成像可以采用红外成像；
[0071]
对不同时刻的成像后区域叠加对比，获得变化前渗漏水区域边界与变化后渗漏水区域边界；
[0072]
计算变化前渗漏水区域边界与变化后渗漏水区域边界所在面积之间的差值，并将所述差值作为渗漏水区域变化量；通过将渗漏水区域变化量与设定阈值进行比较，可以得到接头渗漏水所处的渗漏水状态。
[0073]
接头张合变形监测，包括：
[0074]
在接头两侧分别设置标志物；
[0075]
在不同时刻对两侧的标志物进行成像，并测量两侧标志物圆心之间的距离；将变化前与变化后两标志物圆心之间距离作为接头间的张合变形量；
[0076]
若张合变形量变大，则接头张开，若张合变形量变小，则接头压缩。
[0077]
本实施例中，锚缆索索力监测采用磁通量监测法进行监测，其基本原理是当铁磁性材料承受的外界机械荷载发生变化时，其磁导率发生变化，通过测量铁磁性材料制成的构件的磁导率变化，来测定构件的内力。
[0078]
对锚缆索索力进行监测分析，具体包括：在锚缆索上设置第一测点，测量所述第一测点处的第一应力，将所述第一应力与第一应力阈值进行比较，得到锚缆索所处状态。如图5所示，图中圆圈表示隧道管节，黑色立方体代表锚索锚固基础，可以在每根锚缆索上分别设置一个测点，并在测点上设置一个磁通量传感器，实现锚缆索应力的监测。
[0079]
本实施例中，结构考虑管节结构的受力特点，在管节跨中部位全断面布置混凝土或钢筋应力计，对管节结构的内力进行长期监测，可采用振弦式或光纤光栅式应力计，两种应力计的原理有所不同，但测点布置方式相同。
[0080]
对管节承载能力进行监测分析，具体包括：如图6所示，在管节跨中部位全断面上设置第二测点，测量所述第二测点处的第二应力，将所述第二应力与第二应力阈值进行比较，得到管节所处状态；其中，所述第二测点包括上测点、下测点、左测点以及右测点。上下测点因水深而受力不同，左右测点因水流方向不同而受力不同，通过上述布置，可以充分监测结构受力的若干关键部位。
[0081]
本实施例中，通过在锚索基础上安装视频监测仪，对悬浮隧道结构及接头外部运行状态进行视频监测，对结构外部出现的开裂、剥落、腐蚀等异常情况进行监测。
[0082]
对结构外部状态进行监测分析，具体包括：如图7所示，在图5的基础上，增设视频监测仪，采集隧道结构及接头外部运行状态的图像信息，对所述图像信息进行识别，得到结构外部出现的开裂、剥落以及腐蚀状态信息。其中，视频监测仪通过有线接入隧道内的现有
的采集分析设备，采集分析设备通过无线网络将数据传输至云平台，通过云平台可以查看或存储或进一步处理监测分析结果。
[0083]
本发明还涉及一种适应于悬浮隧道的结构监测系统，所述系统与上述适应于悬浮隧道的结构监测方法相对应，可理解为是实现上述方法的系统，所述系统包括采集单元以及监测单元；
[0084]
所述采集单元包括结构变形采集子单元、接头水密性采集子单元、锚缆索索力采集子单元、管节承载能力采集子单元以及结构外部状态采集子单元；
[0085]
所述结构变形采集子单元，用于采集管节跨中挠度与差异变形信息；
[0086]
所述接头水密性采集子单元，用于采集接头张合与渗漏水信息；
[0087]
所述锚缆索索力采集子单元，用于采集锚缆索应力信息；
[0088]
所述管节承载能力采集子单元，用于采集混凝土应力信息和/或钢筋应力信息；
[0089]
所述结构外部状态采集子单元，用于采集隧道结构外部开裂、剥落以及腐蚀信息；
[0090]
所述监测单元，用于对采集单元采集的数据信息进行监测分析，得到监测分析结果。
[0091]
本实施例中，如图2所示，所述结构变形采集子单元包括设置于目标监测点的位移监测相机；其中，为了更好地进行位移图像信息的采集，可以在每个管节的两个接头与跨中部位分别布置一组反光标志。
[0092]
如图4所示，所述接头水密性采集子单元包括设置于目标测量点的图像采集设备。其中，为了更好地完成接头张合的测量，可以在待测部位安装反光标志物，所述图像采集设备可以采用现有的相机。
[0093]
本实施例中，所述锚缆索索力采集子单元包括设置于锚缆索的磁通量传感器。
[0094]
所述管节承载能力采集子单元包括设置于管节跨中部位全断面上的应力计；其中，所述应力计可以采用振弦式或光纤光栅式应力计；
[0095]
所述结构外部状态采集子单元包括设置于目标位置的视频监测设备。其中，所述视频监测设备可以采用视频监测仪。
[0096]
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

技术特征：
1.一种适应于悬浮隧道的结构监测方法，其特征在于：包括：根据隧道结构受力部位以及受力特点，确定结构监测指标；其中，所述结构监测指标包括结构变形、接头水密性、锚缆索索力、管节承载能力以及结构外部状态；对结构监测指标进行监测分析，得到监测分析结果。2.根据权利要求1所述的适应于悬浮隧道的结构监测方法，其特征在于：对结构变形进行监测分析，具体包括：沿着隧道纵向，从隧道一侧端口开始到隧道另一侧端口结束，连续布置若干测点：0，1，2，
…
，i，
…
，n；其中，测点0布置在一侧端口，测点n布置在另一侧端口，将测点0作为基点0，将测点n作为基点n；在两个基点之间设置监测点，以监测点为坐标原点，作垂直于隧道纵向的坐标平面，将坐标平面的水平方向作为x轴，将坐标平面的竖直方向作为y轴；计算测点i的相对位移：其中，i＝1,2,...,n-1；δx
i
'表示测点i相对于基点0在x轴上的位移，δy
i
'表示测点i相对于基点0在y轴上的位移；δx
i
为测点i相对于坐标原点在x轴上的位移，δy
i
为测点i相对于坐标原点在y轴上的位移，δx
i-1
为测点i-1相对于坐标原点在x轴上的位移，δy
i-1
为测点i-1相对于坐标原点在y轴上的位移；对测点i的相对位移进行修正，得到测点i修正后的相对位移：其中，δx
i
表示对位移δx
i
'修正后的相对位移，δy
i
表示对位移δy
i
'修正后的相对位移；按照上述方法类推，可以得到其他测点修正后的相对位移，进而得到相对位移序列((δx1,δy1),(δx2,δy2),...,(δx
i
,δy
i
),...,(δx
n-1
,δy
n-1
))。3.根据权利要求1所述的适应于悬浮隧道的结构监测方法，其特征在于：对接头水密性进行监测分析，具体包括：接头渗漏水监测，包括：
对监测区域进行成像，得到不同时刻的成像后区域；对不同时刻的成像后区域叠加对比，获得变化前渗漏水区域边界与变化后渗漏水区域边界；计算变化前渗漏水区域边界与变化后渗漏水区域边界所在面积之间的差值，并将所述差值作为渗漏水区域变化量；接头张合变形监测，包括：在接头两侧分别设置标志物；在不同时刻对两侧的标志物进行成像，并测量两侧标志物圆心之间的距离；将变化前与变化后两标志物圆心之间距离作为接头间的张合变形量；若张合变形量变大，则接头张开，若张合变形量变小，则接头压缩。4.根据权利要求1所述的适应于悬浮隧道的结构监测方法，其特征在于：对锚缆索索力进行监测分析，具体包括：在锚缆索上设置第一测点，测量所述第一测点处的第一应力，将所述第一应力与第一应力阈值进行比较，得到锚缆索所处状态。5.根据权利要求1所述的适应于悬浮隧道的结构监测方法，其特征在于：对管节承载能力进行监测分析，具体包括：在管节跨中部位全断面上设置第二测点，测量所述第二测点处的第二应力，将所述第二应力与第二应力阈值进行比较，得到管节所处状态；其中，所述第二测点包括上测点、下测点、左测点以及右测点。6.根据权利要求1所述的适应于悬浮隧道的结构监测方法，其特征在于：对结构外部状态进行监测分析，具体包括：采集隧道结构及接头外部运行状态的图像信息，对所述图像信息进行识别，得到结构外部出现的开裂、剥落以及腐蚀状态信息。7.一种适应于悬浮隧道的结构监测系统，其特征在于：包括采集单元以及监测单元；所述采集单元包括结构变形采集子单元、接头水密性采集子单元、锚缆索索力采集子单元、管节承载能力采集子单元以及结构外部状态采集子单元；所述结构变形采集子单元，用于采集管节跨中挠度与差异变形信息；所述接头水密性采集子单元，用于采集接头张合与渗漏水信息；所述锚缆索索力采集子单元，用于采集锚缆索应力信息；所述管节承载能力采集子单元，用于采集混凝土应力信息和/或钢筋应力信息；所述结构外部状态采集子单元，用于采集隧道结构外部开裂、剥落以及腐蚀信息；所述监测单元，用于对采集单元采集的数据信息进行监测分析，得到监测分析结果。8.根据权利要求7所述的适应于悬浮隧道的结构监测系统，其特征在于：所述结构变形采集子单元包括设置于目标监测点的位移监测相机；所述接头水密性采集子单元包括设置于目标测量点的图像采集设备。9.根据权利要求7所述的适应于悬浮隧道的结构监测系统，其特征在于：所述锚缆索索力采集子单元包括设置于锚缆索的磁通量传感器。10.根据权利要求7所述的适应于悬浮隧道的结构监测系统，其特征在于：所述管节承载能力采集子单元包括设置于管节跨中部位全断面上的应力计；所述结构外部状态采集子单元包括设置于目标位置的视频监测设备。

技术总结
本发明公开了一种适应于悬浮隧道的结构监测方法及系统，包括：根据隧道结构受力部位以及受力特点，确定结构监测指标；其中，所述结构监测指标包括结构变形、接头水密性、锚缆索索力、管节承载能力以及结构外部状态；对结构监测指标进行监测分析，得到监测分析结果。本发明能够对结构受力关键部位进行有效监测，提高了监测的准确度以及可靠性。高了监测的准确度以及可靠性。高了监测的准确度以及可靠性。


技术研发人员：郭鸿雁 曹鹏 丁浩 胡学兵
受保护的技术使用者：招商局重庆交通科研设计院有限公司
技术研发日：2023.07.13
技术公布日：2023/10/15