[0001] 本发明涉及一种隧道监测方法，具体涉及一种隧道健康监测方法。

[0002] 我国盾构工程起步较晚，相较于日本、欧美等发达国家，我国在铁路盾构隧道智能化建设方面刚刚开始，国内大量学者对盾构隧道智能建造各个环节开展了大量的研究。在诸如隧道的复杂地下结构中变形监测方法的应用中，沙从术等为了全面监测和分析隧道的整体变形情况，将三维激光扫描技术和理论方法结合起来，通过充分拟合确定隧道断面的整体变形情况；高红兵等针对某滑坡附近的隧道结构，采用远程实时监测技术对混凝土应力、围岩压力等实施连续监测。另外还有关于现代传感器技术的方法以及智能监测的实际应用中，梁斯铭等釆用分布式光纤技术解决隧道差异性沉降问题，将光纤设置为Z字型布设方式，有效实现对盾构隧道管片差异沉降的精准感知，也再次佐证了分布式光纤在隧道变形监测中的突出变现；樊廷立等采用三维激光扫描技术结合惯性导航定位等多种传感器协同作业，通过高精度全站仪实现隧道收敛变形和管片错台的自动化快速、准确监测，弥补了传统变形监测方法效率低、监测数据不足的缺点；沈圣、吴智深等人在2013年利用分布式光纤传感技术在盾构隧道管片模型实验中的横截面收敛变形进行监测，提出一种通过测量内壁环向应变分布监测隧道任意截面收敛变形的方法，并设计了分布式光纤于室内缩尺模型试验，实验监测误差最大仅为15％；谭林波、沈圣等人于2015年使用FBG传感器对既有地铁隧道纵向变形监测，并通过数值模拟分析，进行定量分析评估后，发现既有隧道纵向应变变化值分布不均匀，呈波浪形变化，且"端部效应"明显；杨斌借助智能测控与计算机数据处理等信息化手段，在盾构管片原有加热方式基础上，实现了盾构管片生产过程中电加热蒸汽养护的智能化与程序化，对于提高盾构管片养护的精确性与科学性有很大的作用。

[0003] 但以上的研究都是针对某一个技术对隧道的某一种病害进行的研究，还没有人对隧道的病害监测提出一个完整的诊断预警系统，所以就这一点提出面向实际隧道工程结构体系，建立以环境作用参数监测与结构体系物理力学等效应量值检测、结构损伤识别为基础的隧道管片衬砌结构体系性能评价和运营安全预警系统。环境作用参数监测以目前已有的多种环境监测设备为基础，重点开发研究集成结构体系性能评价系统和结构体系物理力学效应量值检测设备。基于物联网，对交通隧道工程内的传感器采集、数据传输与存贮、数据处理技术，依靠专家系统，实时检测与监测工程实际运营情况，及时预警，避免重大交通事故和灾害发生。

[0045] 下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

[0046] 如图1所示，一种隧道健康监测方法，包括以下步骤：

[0047] S1、采集隧道数据样本；

[0048] 在本实施例中，采用以下方式获取隧道数据样本：

[0049] 1、采用现有的光纤光栅传感技术，进行精准布设隧道的薄弱位置监测点，能实现对隧道内外微小裂缝和微小变形的高精度监测。在隧道接口处、隧道管片的薄弱处和隧道受力大的部位(拱顶)设置不同长度的光纤，能实时监测隧道接口处，薄弱处受力大的部位以及隧道的结构关键面的应力、应变、变形等数据(在隧道的两侧将光纤布置成网络状，能收集较完整的裂缝信息。在隧道顶部布置光纤，能预测火灾发生的部位。在隧道底部和两侧设置光纤能探测隧道的渗漏水情况)。

[0050] 2、采用现有的计算机视觉技术(用摄影机和电脑代替人眼对目标进行识别、跟踪和测量等机器视觉，并进一步做图形处理，使电脑处理成为更适合人眼观察或传送给仪器检测的图像)对隧道进出口断面进行监测，实时监测隧道进出口全断面的变形情况，实时把握隧道口的整体变形情况，并将数据收集起来。

[0051] 3、采用现有的无人机技术，定期于隧道中监测隧道渗漏水的大小及分布情况并记录收集起来。将所收集到的数据进行分类归纳处理并全部存放于数据库中。

[0052] S2、对隧道数据样本进行健康状况评价，得到隧道健康状况。

[0053] 所述步骤S2包括以下分步骤：

[0054] S21、对隧道的健康状况进行分级，得到多个隧道健康等级；

[0055] 在本实施例中，隧道健康等级包括：健康等级1，健康；健康等级2，轻度受损；健康等级3，中度受损；健康等级4，严重受损；健康等级5，极端受损。

[0056] S22、根据多个隧道健康等级，建立各监测指标的参考分布函数；

[0057] 监测指标为要监测的数据种类(比如变形，内力，而隧道数据样本为根据监测指标收集到的所有数据集合)。监测指标结果为根据监测指标得到的数据分析而得的结果。

[0058] 所述步骤S22包括以下分步骤：

[0059] S221、根据多个隧道健康等级，得到各监测指标的期望值；

[0060] 在本实施例中，收集多位专家根据自己的经验给出各自的期望值 (即专家t对健康等级为i监测指标j的期望值，并确定各期望值的最大值E″ij和最小值E′ij。

[0061] S222、根据各监测指标的期望值，建立各监测指标的参考分布函数。

[0062] 所述各监测指标的参考分布函数为：

[0063]

[0064] 其中， 为第i个健康等级的第j个监测指标的参考分布函数，E′ij为期望最小值，E′ij为期望最大值， 为第i个健康等级的第j个监测指标的期望的平均值， 为第t个专家对第i个健康等级的第j个监测指标的期望值，a为某个监测指标对应的隧道数据样本中的最小值。

[0065] S23、构建监测指标与隧道健康等级的映射关系；

[0066] 在本实施例中，由于确定性函数无法描述各监测指标与盾构隧道结构健康状况之间的复杂多变映射关系，容易导致不准确的评价结果，而可能性集值映射可以弥补确定性函数的不足，来描述两类不确定集合之间的复杂映射关系，而可能性理论建立在模糊集理论上，将不确定性问题解释为与概率不同的可能性，是一种不确定性处理方法。因此，利用可能性集值映射来构造各监测指标可能性分布与健康状况等级可能性分布之间的函数映射关系。因此，步骤S23包括以下分步骤：

[0067] S231、设(X,U)为监测指标的模糊场，设(Y,R)为盾构隧道结构健康状况信息的模糊场，监测指标的模糊场(X,U)的可能性分布为PU，盾构隧道结构健康状况信息的模糊场(Y,R)的可能性分布为PR；

[0068] S232、根据监测指标的模糊场(X,U)，得到监测指标在模糊场(X,U)的落影；根据盾构隧道结构健康状况信息的模糊场(Y,R)，得到盾构隧道结构健康状况信息在模糊场(Y,R)中的落影；其中，X为监测指标，U为论域，Y为隧道健康状况指标，R为论域；

[0069]

[0070] Uλ为监测指标在模糊场(X,U)中的落影，λ∈[0,1]，λ为监测指标信息的截集水平，Rα为盾构隧道健康状况信息在模糊场(Y,R)中的落影，α为盾构隧道健康状况信息的截集水平。

[0071] S233、根据扩张原理将点的映射扩展到模糊集合映射，得到监测指标与健康状况的联合落影(λ，α)；

[0072] S234、对于任何x∈X，监测指标与盾构隧道结构健康状况等级之间的可能性集值映射关系为： 其中，∨为取(1‑U(x))和U(x)R(y)间最大值运算，U(x)＝{PU(x)|x∈(λ,α)}，U(x)表示某个监测指标的可能性分布，R(y)＝{PR(y)|y∈(λ,α)}，R(y)表示健康状况的可能性分布，x为监测指标数据， 为第i个健康等级的第j个监测指标与隧道健康等级的映射关系，PU→R为监测指标与隧道健康状况的映射，PU(x)为监测指标的可能性函数，PR(y)为隧道健康情况可能性函数，y为隧道健康状况数据。

[0073] S24、根据监测指标与隧道健康等级的映射关系，以及各监测指标的参考分布函数，计算损益值；

[0074] 步骤S24中计算损益值的公式为：

[0075]

[0076] 其中，Dij为第i个健康等级的第j个监测指标的损益值， 为第i个健康等级的第j个监测指标的参考分布函数， 为第i个健康等级的第j个监测指标与隧道健康等级的映射关系。

[0077] S25、根据损益值，构建价值函数；

[0078] 步骤S25中价值函数为：

[0079]

[0080] 其中，v(Dij)为价值函数，α为表示收益价值函数的凹凸程度、β为表示损失价值函数的凹凸程度，λ为监测指标的截集水平，Dij为第i个健康等级的第j个监测指标的损益值。

[0081] S26、根据各监测指标的期望值，计算各监测指标的权重；

[0082] S27、根据各监测指标的权重，计算各监测指标对健康的影响程度；

[0083] 步骤S27中计算各监测指标对健康的影响程度的公式为：

[0084]

[0085]

[0086] 其中， 为第t个专家对第i个健康等级的第j个监测指标的期望值，wij为第i个健康等级的第j个监测指标的权重，γ为权重函数的弯曲程度指标、δ为权重函数的弯曲程度指标，Dij为第i个健康等级的第j个监测指标的损益值，T为总的专家数，w′ij为第i个健康等级的第j个监测指标对健康的影响程度。

[0087] S28、根据各监测指标对健康的影响程度和价值函数，计算不同健康等级下综合前景价值，取不同健康等级下最小的综合前景价值对应的健康等级为隧道健康状况。

[0088] 步骤S28中计算不同健康等级下综合前景价值的公式为：

[0089]

[0090] 其中，Vi为第i个健康等级的综合前景价值，v(Dij)为价值函数，w′ij为第i个健康等级的第j个监测指标对健康的影响程度，n为监测指标总数。

[0091] 在上述得到隧道的健康状况后，分析隧道是否存在安全性的问题，如果存在运营上的安全性问题，及时预报预警，做好防护措施，避免人员伤亡及财产损失。

[0092] 本发明能对隧道进行全周期长时间的监测和对隧道微小裂缝及变形的监测，并对隧道的长期监测数据做出系统性的评价以及对将要发生的病害进行预防警报，对有可能发生重大事故的隧道以及其他设施进行远程观测和自动预警，可保证隧道等国家基础设施安全畅通，确保人民生命财产的安全。