[发明专利]一种基于数字孪生的隧道衬砌结构健康监测方法及其系统

说明书

本发明公开了一种基于数字孪生的隧道衬砌结构健康监测方法及其系统，涉及隧道衬砌结构健康监测技术领域。本发明包括数据采集系统、数据库系统、数据处理系统、决策系统；数据采集系统包括围岩位移传感器、围岩压力传感器、地下水压传感器、衬砌结构应力传感器、二衬钢筋应力传感器、衬砌结构变形采集器；数据库系统包括数据传输云平台、数字孪生数据库、理论阈值数据库；数据处理系统包括数据分析平台；决策系统包括预警模块和评估模块。本发明通过对隧道衬砌结构受力与变形数据进行健康监测，通过数字孪生技术实时掌握隧道衬砌结构的健康状态，防止隧道衬砌结构受力破坏，保证隧道衬砌结构运营安全，提高隧道结构的稳定性与耐久性。

技术领域

本发明属于隧道衬砌结构健康监测技术领域，特别是涉及一种基于数字孪生的隧道衬砌结构健康监测方法及其系统。

背景技术

由于隧道衬砌结构处于地下环境的特殊性，在长期运营过程中，将受到各种因素的影响，如地形地质条件，水文条件，气候条件、周边建筑环境等及设计、施工、运营过程等，最终导致在长期运营过程中出现不同类型的病害情况。隧道结构病害一旦产生，衬砌裂缝在长期荷载作用下将会继续扩展，降低了隧道衬砌结构承载力，最终导致隧道结构稳定性，极大地增加了隧道的安全运营风险，所以需要实时掌握隧道健康运行状态，确保隧道结构安全稳定。当前隧道结构健康监测数据采集与分析大多依靠人工作业，误差大、成本高、效率低，费力、耗时，且监测人员的安全得不到有效保证。

基于此，本专利介绍一种基于数字孪生的隧道衬砌结构健康监测系统，能自动实时监测隧道衬砌结构受力与变形数据，对监测数据进行处理分析，并为运营管理部门提供预警与评价，发生异常情况（或隧道结构病害）做出维修管养决策，延长隧道结构使用寿命。解决隧道衬砌结构健康监测技术落后的痛点，能够有效地推动隧道衬砌结构健康监测技术的发展。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于数字孪生的隧道衬砌结构健康监测方法及其系统，以解决现有的问题：前隧道结构健康监测数据采集与分析大多依靠人工作业，误差大、成本高、效率低，费力、耗时，且监测人员的安全得不到有效保证。

为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：一种基于数字孪生的隧道衬砌结构健康监测方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

根据隧道情况安装数据采集系统以及数据传输云平台；

收集类似地质条件的不同隧道的衬砌结构受力与变形数据，建立数字孪生数据库；

通过计算获得隧道衬砌结构受力与变形理论阈值，建立理论阈值数据库；

建立数据库分析平台，并将所述理论阈值输入到数据库分析平台；

通过数字孪生技术与理论计算分析，建立维修处治模块；

通过数据采集系统采集隧道衬砌结构受力与变形数据，并通过数据传输云平台将数据传输到数据库分析平台；

采集到的数据进入数据库分析平台，与数字孪生基础数据、理论阈值数据库进行对比分析，对其进行预警和评估，并通过维修处治模块，做出维修决策。

进一步地：所述数据采集系统包括有：围岩位移传感器、围岩压力传感器、地下水压传感器、衬砌结构应力传感器、二衬钢筋应力传感器、衬砌结构变形采集器。

进一步地：其中，通过数字孪生技术与理论计算分析，建立维修处治模块，主要包括：

通过在类似地质条件的不同隧道的相似变形和相似受力情况下，记录出相应的处理方案，记录处理结果良好的处理方案，形成所述维修处治模块。

一种基于数字孪生的隧道衬砌结构健康监测系统，所述系统包括有：

数据采集系统、数据库系统、数据处理系统、决策系统；

且所述数据采集系统包括有围岩位移传感器、围岩压力传感器、地下水压传感器、衬砌结构应力传感器、二衬钢筋应力传感器、衬砌结构变形采集器，分别用于采集隧道衬砌结构的围岩位移值、围岩压力值、地下水压值、衬砌结构应力值、二衬钢筋应力值、衬砌结构变形值；