【摘 要】
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我国城市地下基础设施建设如火如荼,尤其隧道的数量与日俱增,但隧道结构易因外部施工事件或自身的老化而产生破损,给隧道乃至地下结构安全带来极大的隐患。在工程中常使用钢环对有损的隧道结构进行加固,然而随着管片二次破环或钢环粘胶剂老化,管片与钢环间产生空腔,进而造成加固钢环失效。现有的结构失效检测技术无法实现长距离、全连续在线智能监测,难以在隧道钢环失效发生时及时发现并警报。针对以上隧道加固钢环监测的需求
【基金项目】
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国家重点研发专项——“城市地下基础设施运行综合监测关键技术研究与示范”（2018YFB2100902）
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我国城市地下基础设施建设如火如荼,尤其隧道的数量与日俱增,但隧道结构易因外部施工事件或自身的老化而产生破损,给隧道乃至地下结构安全带来极大的隐患。在工程中常使用钢环对有损的隧道结构进行加固,然而随着管片二次破环或钢环粘胶剂老化,管片与钢环间产生空腔,进而造成加固钢环失效。现有的结构失效检测技术无法实现长距离、全连续在线智能监测,难以在隧道钢环失效发生时及时发现并警报。针对以上隧道加固钢环监测的需求,本文提出并实现一种将光纤分布式声波传感技术与机器学习智能识别相结合的隧道加固钢环失效识别技术,通过理论仿真和实验分析,实现了隧道加固钢环失效的实时在线监测和智能分级,在隧道结构监测方面具有良好的应用前景。论文的主要研究内容如下:（1）提出了一种基于无损结构检测原理的加固钢环失效监测方法。基于声固耦合理论和结构振动响应理论研究了声波检测技术,结合COMSOL Multiphysics有限元分析方法,建立了隧道加固钢环在声波作用下的物理模型,并通过仿真求解验证了使用声波特征监测隧道加固钢环结构失效的可行性。（2）设计并开发了基于分布式声波传感技术的隧道加固钢环失效判定算法。此算法基于MATLAB软件平台实现,主要由信号特征提取和失效等级判定两个模块组成。其中信号特征提取模块由频谱分析和小波包分析组成;基于BP神经网络建立的机器学习模型用于对失效等级进行判定,通过对信号特征的识别实现加固钢环失效智能分级。（3）搭建了基于光纤分布式声波传感技术的加固钢环失效监测系统,设计了适用于实际隧道的光缆耦合与封装方案。开发了实时响应加固钢环振动信号的系统应用软件,并进行了实验测试。基于LabVIEW软件平台开发了嵌入神经网络算法的面向用户使用的软件界面。在此智能监测系统的基础上,开展了模拟环境下加固钢环不同失效等级的实验研究,测试结果表明六等级平均失效识别准确率达到97.8%。
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