一种地震作用下的海底隧道变形预测方法

本发明涉及隧道变形预测，具体为一种地震作用下的海底隧道变形预测方法。

背景技术：

1、随着城市化进程的加快，海底隧道作为交通网络的重要组成部分，逐渐成为连接海域两岸的重要通道。然而，海底隧道的安全性和稳定性受到多种自然因素的威胁，尤其是地震。传统的变形预测技术主要依赖于简化的理论模型或经验公式，无法充分考虑海底隧道在复杂地质条件和动态加载下的复杂行为。这些方法往往忽略了流体、土体及隧道结构之间的相互作用，导致预测结果的准确性和可靠性大打折扣。此外，现有技术在处理土体压力、海水压力等环境因素时，缺乏有效的综合考虑，无法动态适应实际情况的变化，最终使得对隧道安全性的评估存在较大风险。

2、进一步来说，现有技术在动态分析过程中，往往只能对某一特定参数进行静态评估，而无法进行全面的动态响应分析。这种片面的分析方法不仅限制了对地震波传播特性及其对隧道结构造成影响的深入理解，而且在地震作用下，隧道的瞬态响应行为未能得到有效捕捉。缺乏对土体和隧道结构间复杂耦合关系的深入研究，使得传统预测方法在面对实际地震事件时，往往无法提供准确的变形预测，导致无法及时采取有效的防御措施。此外，由于环境变化如温度、湿度等对隧道结构的影响被忽视，进一步降低了预测精度。因此，迫切需要一种新型的、高效的海底隧道变形预测方法，以提升对地震作用下隧道变形的准确预测，确保其安全性与稳定性。

3、在所述背景技术部分公开的上述信息仅用于加强对本公开的背景的理解，因此它可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种地震作用下的海底隧道变形预测方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种地震作用下的海底隧道变形预测方法，具体步骤包括：

4、步骤1：基于有限元仿真法构建流体-结构-土体耦合模型，模拟地震作用下的复杂环境；对构建好的流体-结构-土体耦合模型施加地震波，模拟地震传播对土体和隧道的影响，并在有限元软件中设置动态分析参数，启动动态分析，记录模型的动态参数，所述动态参数为模型的位移、应变和加速度数据；

5、步骤2：采集实际隧道的环境参数和材料参数，所述环境参数为隧道所承受的土体压力数据和海水压力数据，材料参数为隧道的强度数据和刚度数据；并基于无量纲化处理后的环境参数、材料参数生成第一影响指数，基于无量纲化处理后的动态参数生成第二影响指数；

6、步骤3：将第一影响指数和第二影响指数综合，进行相关性分析，计算得到综合变形指数；实时监测隧道环境温度，将温度补偿项纳入综合变形指数，计算得到修正后的海底隧道变形量；

7、步骤4：定期将模型结果与实际监测数据进行比对，进行模型校正，验证模型的准确性。

8、进一步地，所述基于有限元仿真法构建流体-结构-土体耦合模型，所依据的具体逻辑为：

9、使用abaqus软件，通过部件和装配模块建立初始有限元模型，定义土体、隧道结构的物理和力学性质，所述物理和力学性质为弹性模量、泊松比、密度和抗剪强度，定义海水的流动特性，所述流动特性为海水的粘度和密度；将几何模型划分为若干个小单元，形成网格，选择三维六面体单元提高计算精度，并在隧道四周处细化网格，提高计算的准确性，设置隧道与海水之间的边界条件为隧道两端，通过施加地震波作为动态荷载，模拟地震作用下的环境变化，运行仿真程序，进行模型的动态分析，获取模型的动态参数，所述动态参数为位移、应力、应变和加速度。

10、进一步地，所述获取模型动态参数的过程，所依据的具体逻辑为：

11、在动态分析过程中，通过有限元方法求解运动方程：

12、；

13、其中，为质量矩阵，描述系统的质量分布，为位移向量，代表系统中各节点的位移，为阻尼矩阵，描述系统的阻尼特性，为刚度矩阵，描述系统的刚度分布，为地震波引起的力，表示为时间依赖的函数；

14、通过求解上式，获得各时间步的节点位移，通过对位移进行时间微分计算，得到速度，通过对速度进行时间微分计算，得到加速度：

15、；

16、；

17、通过应力应变关系计算应变数据：

18、；

19、其中，为应变，代表结构的原始长度，为位移变化量。

20、进一步地，所述采集实际隧道的环境参数和材料参数的过程，具体为：

21、所述强度数据为隧道结构所使用的钢筋质量和混凝土质量之比，所述刚度数据包括隧道结构所使用钢材以及混凝土的平均弹性模量及平均泊松比；

22、采集强度数据所依据的具体逻辑为：

23、获取建造隧道结构所使用的总混凝土质量和总钢筋质量，生成隧道结构所使用的钢筋质量和混凝土质量之比，所依据的公式为：

24、；

25、其中，为隧道的强度数据，为隧道结构所使用的总钢筋质量，为隧道结构所使用的总混凝土质量；

26、采集隧道结构的刚度数据所依据的具体逻辑为：

27、；

28、其中，为隧道结构所使用钢材以及混凝土的平均弹性模量，为隧道结构所使用钢材种类的平均弹性模量，为隧道结构所使用混凝土种类的平均弹性模量；

29、；

30、其中，为隧道结构所使用钢材以及混凝土的平均泊松比，为隧道结构所使用钢材种类的平均泊松比，为隧道结构所使用混凝土种类的平均泊松比；

31、在隧道底部和侧壁的土体等距嵌入压力传感器，计算土体压力的平均值：

32、；

33、其中，是土体压力的平均值，是土体压力传感器的数量，是第j个传感器的读数；

34、在隧道的顶部和侧壁、水下不同深度等距安装压力传感器，使用加权平均的方法计算海水压力：

35、；

36、其中，是海水压力，是深度加权系数，是第k个传感器的读数，为压力传感器的数量；

37、深度加权系数的确定方式为：

38、；

39、其中，是深度加权系数，是第k个传感器的深度，即从海面到第k个传感器位置的深度，是测量区域内的最大深度。

40、进一步地，所述生成第一影响指数，所依据的公式如下：

41、；

42、其中，为第一影响指数，是土体压力的平均值，是海水压力，为隧道的强度数据，为隧道结构所使用钢材以及混凝土的平均弹性模量，为隧道结构所使用钢材以及混凝土的平均泊松比，、为预设的比例系数，且，为第一常数修正指数；

43、所述生成第二影响指数，所依据的公式如下：

44、；

45、其中，为第二影响指数，为位移数据，为应变，为加速度，为预设的比例系数，为第二常数修正指数。

46、进一步地，所述将第一影响指数和第二影响指数综合，进行相关性分析，计算得到综合变形指数，所依据的公式为：

47、；

48、其中，为综合变形指数，为第一影响指数，为第二影响指数，、为预设的比例系数，且,为第三常数修正系数。

49、进一步地，所述对计算温度补偿项，所依据的具体逻辑为：

50、实时监测隧道环境温度，记作，计算温度补偿项：

51、；

52、其中，为温度补偿项，为线性膨胀系数，具体值取决于材料类型，为隧道实时温度，为参考温度，根据具体情况设置，为隧道的初始长度；

53、所述将温度补偿项纳入综合变形指数，计算得到修正后的海底隧道变形量，依据如下公式：

54、；

55、其中，为预测的海底隧道变形量，为综合变形指数,为其预设的比例系数,为温度补偿项,为第四常数修正指数。

56、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

57、本发明通过构建流体-结构-土体耦合模型，能够有效解决传统预测方法在复杂地震环境中存在的不足，提供了更为精准的变形预测。综合分析第一影响指数和第二影响指数，进而计算出的综合变形指数，能够全面反映隧道在地震作用下的实际变形情况。同时，加入实时温度补偿项，使得预测结果更为可靠，适应性更强。最终，定期的模型校正与实际监测数据的比对，不仅验证了模型的准确性，也为海底隧道的安全运营提供了科学依据，降低了潜在的安全风险。