(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210838252.6 (22)申请日 2022.07.18 (71)申请人 北京城建 设计发展集团股份有限公 司 地址 100000 北京市西城区阜成门北 大街 五号 (72)发明人 李霞　周书名　高国飞　郑汉　 王洪亮　高墅　 (74)专利代理 机构 大连优路智权专利代理事务 所(普通合伙) 21249 专利代理师 尤理 (51)Int.Cl. G06F 30/23(2020.01) G06F 111/10(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 基于数字孪生的既有盾构隧道监测内力全 局推演方法 (57)摘要 本发明涉及盾构隧道 健康监测技术领域， 具 体公开了一种基于数字孪生的既有盾构隧道监 测内力全局推演方法， 包括确定既有盾构隧道结 构关键断面， 形成构关键断面设计有限元数值模 型， 在结构关键断面处设置传感器， 计算得到管 片厚度折减系数 和混凝土弹性模量折减系数 γ， 在虚拟空间形成既有盾构隧道关键断面数值 仿真模型， 形成隧道管片厚度折减系数和混凝土 弹性模量折减系数集， 计算得到盾构隧道结构计 算应力结果数据集， 得到既有盾构隧道关键断面 数字孪生模 型， 对应计算内力和位移为结构全局 内力和位移。 本发明解决了 现有盾构隧道结构监 测内力仅能反应和展示隧道结构局部受力而不 能反应和展示隧道结构全局受力的问题。 权利要求书2页 说明书6页 附图2页 CN 115270556 A 2022.11.01 CN 115270556 A 1.一种基于数字孪生的既有盾构隧道监测内力全局推演方法， 其特征在于， 包括以下 步骤： S1.根据既有盾构隧道设计计算内力、 变形和日常巡检记录确定既有盾构隧道结构关 键断面， 并依据既有盾构隧道设计资料和地质勘查资料， 采用土木工程有限元分析软件， 在 虚拟空间中完成既有盾构隧道设计映射， 形成既有盾构隧道结构关键断面设计有限元数值 模型； S2.在既有盾构隧道结构关键断面处分别设置传感器， 监测既有盾构隧道 的结构受力 状态、 结构材 料力学性能、 结构完整状态和结构变形状态； S3.建立管片厚度折减模型和管片受拉区混凝土弹性模量折减模型， 参数化处理所监 测的既有盾构隧道结构完整状态监测数据， 计算得到管片厚度折减系数 和混凝土 弹性模 量折减系数γ； S4.以所述设计有限元数值模型为基础， 依据所得的材料力学性能监测数据更新结构 材料参数， 完成结构材料状态映射， 依据所得的结构 变形状态监测数据输入结构 变形， 完成 结构变形状态映射， 依据所得的管片厚度折减系数和混凝土弹性模量折减系数更新对应参 数， 完成结构监测完整状态映射， 在虚拟空间形成既有盾构隧道关键断面数值仿真模型； S5.根据所述管片厚度折减模型中的弱病害调整系数δ的取值范围和管片受拉区混凝 土弹性模量折减模型中的微裂缝调整系 数λ的取值范围， 计算机随机生成弱病害调整系 数 和微裂缝调整系数集， 并根据所述管片厚度折减模型和管片受拉区混凝土弹性模量折减模 型形成隧道管片厚度折减系数和混凝 土弹性模量 折减系数集； S6.依次选取所述隧道管片厚度折减系数和混凝土弹性模量折减系数集中任一组数 据， 更新所述既有盾构隧道关键断面数值仿真模型对应参数， 并通过土木工程分析软件计 算得到盾构隧道结构计算应力结果数据集； S7.计算应力监测点对应的盾构隧道结构计算应力与监测应力的标准误差， 并求标准 误差的最小值， 以最小标准误差对应的计算模型为既有盾构隧道关键 断面数字孪生模型， 对应计算内力和位移为结构全局内力和位移。 2.根据权利要求1所述的基于数字孪生的既有盾构隧道监测内力全局推演方法， 其特 征在于， 所述步骤S1中， 既有盾构隧道设计计算内力、 变形从既有盾构隧道结构设计 资料中 获得， 选取不利受力和变形断面作为既有盾构隧道结构关键断面； 根据既有盾构隧道日常 巡检结果， 选择既有盾构隧道结构受损断面作为既有盾构隧道结构关键断面； 所述设计有 限元数值模型采用商用土木工程有限元分析软件建立， 其中土层计算参数从地质勘查资料 中获取， 隧道结构参数从既有盾构隧道结构设计资料中获取。 3.根据权利要求1所述的基于数字孪生的既有盾构隧道监测内力全局推演方法， 其特 征在于， 所述步骤S2中， 设置的传感器包括监测结构钢筋混凝土应力的传感器、 监测结构材 料力学性能的传感器、 监测结构 完整状态的传感器、 监测结构 变形状态的传感器， 所述监测 结构钢筋混凝土应力的传感器为钢筋应变计和混凝土应变计， 所述监测结构材料力学性能 的传感器为混凝土回弹仪和阳极梯， 所述监测结构完整状态的传感器为裂缝计和结构雷 达， 所述监测结构变形状态的传感器为 位移计和全站仪 。 4.根据权利要求1所述的基于数字孪生的既有盾构隧道监测内力全局推演方法， 其特 征在于， 所述步骤S3中， 建立管片厚度折减模型， 将反应结构完整状态监测数据中的起皮、权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115270556 A 2蜂窝、 麻面、 剥落监测数据进行参数化处理， 计算管片厚度折减系数 建立管片受拉区混 凝土弹性模量折减模型， 将反应结构完整状态监测数据中的裂缝监测数据进行参数化处 理， 计算混凝 土弹性模量 折减系数γ。 5.根据权利要求4所述的基于数字孪生的既有盾构隧道监测内力全局推演方法， 其特 征在于， 所述 步骤S3中， 盾构隧道管片厚度折减系数 定义为： 其中， 管片迎水面面积 为A0， 管片起皮、 蜂窝、 麻面、 剥落的面积分别为A1、 A2、 A3、 A4， 对应 深度分别为t1、 t2、 t3、 t4； δ(0.95<δ≤ 1)为弱病害调整系数， 用于考虑起皮、 蜂窝、 麻面、 剥落 病害较弱状况对构件截面的影响， 当δ＝ 1时， 说明公 式考虑了所有起皮、 蜂窝、 麻面、 剥落病 害的影响， 结构不存在没有监测到的弱病害； 构件受拉区混凝 土弹性模量 折减系数γ采用等效弹性模量的简化计算方法进行定义： 其中， 管片厚度为h， 裂缝深度为Cd， 弹性模量为E， 等效弹性模量为 α ＝0.56e25.92h， β ＝‑81.95h‑8.06； λ(1≤ λ≤1.1)为微裂缝调整系数， 用于考虑小于0.1mm的微小结构裂缝的 影响， 当 λ＝1时， 说明公式考虑了所有裂缝的影响， 结构不存在没有监测到的微小裂缝。 6.根据权利要求1所述的基于数字孪生的既有盾构隧道监测内力全局推演方法， 其特 征在于， 所述步骤S3中， 结构完整状态监测数据参数化具体分为两类检测项目： 将起皮、 蜂 窝、 麻面、 剥落分为一类， 将裂缝分为一类； 通过盾构隧道管片厚度折减系数 来考虑起皮、 蜂窝、 麻面、 剥落病害的影响， 通过构件受拉区混凝土弹性模量折减系数γ来考虑裂缝的影 响。 7.根据权利要求1所述的基于数字孪生的既有盾构隧道监测内力全局推演方法， 其特 征在于， 所述步骤S4中， 所述数值仿 真模型依 托商用土木工程有限元软件在虚拟空间建立， 所述数值仿 真模型是在设计映射构建的设计有限元数值模型的基础上， 通过现场实测数据 和依据现场实测数据建立的所述步骤S 3中的折减模型完成结构材料状态映射、 结构变形状 态映射、 结构监测完整状态映射的数值模型。 8.根据权利要求1所述的基于数字孪生的既有盾构隧道监测内力全局推演方法， 其特 征在于， 所述 步骤S7中， 结构全局内力分布确定方法为： 对应弱病害调整系数δi和微裂缝调整系数λi， 设yi为监测应力， 为监测应力 对应点位 的计算应力， 设一个监测断面有n个应力监测点， 各监测点一次监测的应力与计算应力的误 差为 ， 则该断面监测 应力与计算应力的标准误差为 σ 反映了监测 应 力与计算应力的偏离程度， σ 越小， 表示监测应力与计算应力的偏差越小， 计算应力分布规 律推演全局应力分布的精度越高， σmin对应的结构内力分布相应的计算模型为数字孪生模 型， 该模型的内力结果即为结构全局内力。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115270556 A 3