1.一种穿越活动断层隧道运营期健康监测与预警方法,其特征在于,方法包括以下步骤:S1:测量穿越活动断层隧道的断层错动量和错动位移模式;将轴向阵列式位移计布设在隧道左右拱腰位置;将轴向阵列式位移计布设初期支护与围岩之间,且轴向阵列式位移计的两端穿过活动断层一段预设距离;在活动断层的预设位置选取2个隧道断面,将环向阵列式位移计从隧道断面的左拱脚,沿环向对称布设至同一隧道断面的右拱脚;S2:将断层错动量和错动位移模式作为边界条件输入,结合混凝土损伤塑性模型,进行三维地层-结构法有限元数值模拟,得到有限元数值模拟结果;S3:根据穿越活动断层隧道的控制指标采集监测数据;控制指标包括:弯矩、轴力以及隧道结构的收敛变形;S4:通过采集的监测数据对有限元数值模拟结果进行工程验证,调整有限元数值模拟结果的参数;S5:获取隧道的基本物理力学参数,结合隧道结构评价方法,得到钢筋混凝土承载力特征曲线,确定隧道结构的预警阈值;S6:结合采集的监测数据、调整后的有限元数值模拟结果以及预警阈值,得到穿越活动断层隧道结构预警结果。
2.如权利要求1所述的一种穿越活动断层隧道运营期健康监测与预警方法,其特征在于,步骤S5包括:判别钢筋混凝土矩形截面的受力模式;受力模式包括:第一受力模式、第二受力模式以及第三受力模式;通过受力模式以及基本物理力学参数,结合钢筋混凝土受弯构件强度计算公式、大偏心受压构件截面强度计算公式以及小偏心受压构件截面强度计算公式,得到不同受力模式下的钢筋混凝土承载力特征曲线;通过钢筋混凝土承载力特征曲线,确定隧道结构的预警阈值;预警阈值包括:第一预警阈值、第二预警阈值以及第三预警阈值。
3.如权利要求2所述的一种穿越活动断层隧道运营期健康监测与预警方法,其特征在于,所述钢筋混凝土受弯构件强度的计算公式如下:其中, 表示安全系数; 表示弯矩; 表示混凝土弯曲抗压极限强度; 表示矩形截面的宽度; 表示截面的有效高度; 表示混凝土受压区高度; 表示钢筋的抗拉或抗压强度标准值; 表示受压区钢筋的截面面积; 表示自受拉钢筋或受压钢筋的重心分别至截面最近边缘的距离;大偏心受压构件截面强度的计算公式如下:其中, 表示轴力; 表示受拉区钢筋的截面面积;小偏心受压构件截面强度计算公式如下:其中 表示自受拉钢筋或受压钢筋的重心至轴向力作用点的距离。
4.如权利要求3所述的一种穿越活动断层隧道运营期健康监测与预警方法,其特征在于,所述钢筋混凝土矩形截面的第一受力模式,如下:当 时;令钢筋混凝土受弯构件强度的计算公式以及大偏心受压构件截面强度的计算公式的安全系数K=1;由大偏心受压构件截面强度得,将式(1)代入钢筋混凝土受弯构件强度计算公式,且隧道结构中 得同时,M应满足如下条件:将基本物理力学参数输入式(2)和式(3),得到第一受力模式下的钢筋混凝土承载力特征曲线,确定第一预警阈值。
5.如权利要求4所述的一种穿越活动断层隧道运营期健康监测与预警方法,其特征在于,所述钢筋混凝土矩形截面的第二受力模式,如下:当 时,主要考虑构件受拉区被拉坏;已知 , ,其中 表示中性轴至轴向力作用点的距离; 表示截面高度;令小偏心受压构件截面强度计算公式 中的安全系数K为1,可得同时,M和N应满足如下条件:将基本物理力学参数输入式(4)和式(5),得到第二受力模式下的钢筋混凝土承载力特征曲线,确定第二预警阈值。
6.如权利要求5所述的一种穿越活动断层隧道运营期健康监测与预警方法,其特征在于,所述钢筋混凝土矩形截面的第三受力模式,如下:当 时,主要考虑构件受压区被压坏;令钢筋混凝土矩形截面的小偏心受压构件截面强度计算公式 中安全系数K为1,已知 , ;由此可得其中 表示混凝土抗压强度;将基本物理力学参数输入式(6),得到第三受力模式下的钢筋混凝土承载力特征曲线,确定第三预警阈值。
7.一种穿越活动断层隧道运营期健康监测与预警系统,用于实现如权利要求1-6任意一项所述的一种穿越活动断层隧道运营期健康监测与预警方法,其特征在于,所述系统包括:轴向阵列式位移计、环向阵列式位移计、钢筋应力计、混凝土应变计以及处理模块;所述轴向阵列式位移计用于测量穿越活动断层隧道断层的断层错动量和错动位移模式;所述环向阵列式位移计用于测量隧道结构的收敛变形;所述钢筋应力计用于监测应力;所述混凝土应变计用于监测应变;监测数据包括:应力、应变以及隧道结构的收敛变形;所述处理模块用于将断层错动量和错动位移模式作为边界条件输入,结合混凝土损伤塑性模型,进行三维地层-结构法有限元数值模拟,得到有限元数值模拟结果;所述处理模块还用于通过应力以及应变,计算得到隧道结构的弯矩和轴力;所述处理模块还用于通过弯矩、轴力以及收敛变形对有限元数值模拟结果进行工程验证,调整有限元数值模拟结果的参数;所述处理模块还用于获取隧道的基本物理力学参数,结合隧道结构评价方法,得到钢筋混凝土承载力特征曲线,确定隧道结构的预警阈值;所述处理模块还用于结合采集的监测数据、调整后的有限元数值模拟结果以及预警阈值,得到穿越活动断层隧道结构预警结果。
8.如权利要求7所述的一种穿越活动断层隧道运营期健康监测与预警系统,其特征在于,在选取2个隧道断面的二次衬砌钢筋网内外侧布置钢筋应力计与混凝土应变计,具体包括:在每个隧道断面的二次衬砌左右拱腰、左右拱肩与拱顶位置,设置钢筋应力计与混凝土应变计。