一种盾构隧道密封垫界面渗漏路径搜索方法与流程

本发明涉及隧道工程健康监测与安全评估，具体而言，涉及一种盾构隧道密封垫界面渗漏路径搜索方法。

背景技术：

1、盾构隧道的防水体系由管片注浆、管片自防水和接缝防水共同组成。管片接缝防水是该体系的最后一道防线，对隧道安全运行具有关键作用。管片接缝通过管片环（块）间弹性橡胶密封垫的接触挤压阻止渗漏。

2、目前，密封垫在设计阶段通常是采用数值模拟获得界面接触应力结果，通过界面接触应力平均值反映密封垫的防水效果。但也面临一些新的问题，一方面是需要建立精确反映弹性橡胶密封垫表面特征的模型。弹性橡胶密封垫的表面特征不是理想光滑的，其表面通常呈现出复杂的几何形态。管片接缝处的橡胶密封垫在拼装力的作用下压缩发生弹性变形，在接触界面产生法向接触应力，从而实现接缝密封防水的效果。接触界面的接触应力越大，接缝防水效果越好。但是，受密封垫表面特征的影响，接触面并不是每个位置都发生渗漏，而是在未发生接触或接触应力较小的位置才可能形成渗水路径。另一方面是通过截面上接触应力的平均值作为设计防水要求，这一过程忽略了弹性橡胶密封垫由接触到渗漏状态的演变过程。需要深入研究弹性橡胶密封垫由接触到渗漏状态的演变过程。近年来，已有研究提出了基于有限元-边界元耦合的弹塑性接触计算方法，通过构建微观接触状态矩阵来确定泄漏通道。然而，该类方法存在以下三方面局限性：其一，其渗漏判定基于单一接触应力阈值或二值接触状态判断，未考虑沿渗流方向的压力梯度驱动力、邻域应力场变异度等物理因素，导致渗漏单元的识别具有孤立性和不确定性；其二，其泄漏通道识别通常采用各向同性的图像分割算法（如标准八连通区域生长），未考虑渗流沿水力梯度方向传播的各向异性物理本质，容易将垂直于渗流方向的低应力条纹误判为有效渗漏路径；其三，其方法聚焦于微观粗糙表面接触力学计算，缺乏从迎水侧到背水侧贯通性判定的系统性渗漏路径搜索机制，难以揭示渗漏从萌生、扩展到贯通的完整演变过程。因此，迫切需要发展一种融合渗流物理机理与定向路径搜索的密封垫界面渗漏路径识别新方法。

3、因此，需要建立一套更科学和可靠的密封垫界面渗漏路径搜索方法，提升对地下工程全寿命周期安全的保障。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种盾构隧道密封垫界面渗漏路径搜索方法，其可以提升对地下工程全寿命周期安全的保障。

2、本发明通过以下技术方案实现：

3、一种盾构隧道密封垫界面渗漏路径搜索方法，包括以下步骤：

4、根据密封垫的接触表面粗糙度建立界面接触压力矩阵，界面接触压力矩阵的第x行第y列元素代表密封垫的接触表面坐标为(x,y)的单元的界面接触压力，，，和n分别为所述密封垫的单元总列数和总行数，x代表单元格沿着渗漏方向的单元网格索引，y代表单元格沿着渗漏垂直方向的单元网格索引；

5、通过计算各个单元的多因子渗漏倾向指数进行潜在渗漏单元识别；

6、根据识别到的潜在渗漏单元基于各向异性定向渗流追踪进行潜在渗漏区域识别，得到连通区域集合r，r中每个元素分别代表一个连通的所述潜在渗漏区域；

7、基于潜在渗漏区域筛选完整渗漏路径，并计算等效水力传导系数，根据等效水力传导系数确定完整渗漏路径的渗漏风险等级；

8、对完整渗漏路径及其渗漏风险等级进行可视化展示；

9、评估完整渗漏路径的鲁棒性等级；

10、获取一条盾构隧道的所有密封垫以及每个密封垫的最大多因子渗漏倾向指数、渗漏风险等级和鲁棒性等级，并获取修复决策。

11、优选地，建立所述界面接触压力矩阵的方法为：

12、采用三维光学测量设备对所述密封垫的接触表面进行扫描，获取表面高度分布数据，并基于表面高度分布数据提取粗糙形貌关键参数，包括轮廓算术平均偏差、轮廓均方根偏差和自相关长度，根据粗糙形貌关键参数生成所述密封垫的接触表面的三维数字粗糙表面模型；

13、构建密封垫的接触有限元模型，并将三维数字粗糙表面模型作为接触界面的真实几何边界条件输入至接触有限元模型，对接触有限元模型施加实际拼装压力和边界约束，采用弹塑性接触有限元方法对接触有限元模型进行求解，得到所述密封垫的接触界面的各个单元的界面接触压力分布数据；

14、按离散网格位置将接触压力分布数据提取整理为二维矩阵形式的所述界面接触压力矩阵。

15、优选地，计算所述多因子渗漏倾向指数的方法为：

16、；

17、；

18、；

19、；

20、；

21、；

22、其中，为所述密封垫的接触表面坐标为(x,y)的单元的所述多因子渗漏倾向指数，、、和为权重系数，、、和分别为所述密封垫的接触表面坐标为(x,y)的单元的基础压力亏缺比、沿渗流方向的应力梯度驱动力、邻域应力场变异度和几何位置修正系数，为求最大值的函数，为(x,y)的单元处界面接触压力对x求导，为一个单元沿着渗漏方向的长度，为设计外水压力，和分别为以所述密封垫的接触表面坐标为(x,y)的单元为中心的33邻域内的各个单元的界面接触压力的标准差和均值，为边界效应系数。

23、优选地，进行所述潜在渗漏单元识别的方法为：

24、设置渗漏倾向阈值，若，则判断所述密封垫的接触表面坐标为(x,y)的单元为所述潜在渗漏单元。

25、优选地，基于各向异性定向渗流追踪进行所述潜在渗漏区域识别的方法为：

26、设所述密封垫的接触表面坐标为(u,v)的单元为所述潜在渗漏单元，并获其8邻域单元，令的取值范围为所述密封垫的接触表面坐标为(u,v)的单元的8邻域单元在所述密封垫的接触表面的坐标；

27、将所述密封垫的接触表面坐标为(u,v)的单元设置为初始的种子单元并按照改进八连通区域生长算法将符合标准的邻域单元扩展为所述潜在渗漏单元；

28、将扩展为所述潜在渗漏单元的邻域单元依次设置为新的种子单元并进行扩展；

29、扩展的终止条件为，新的种子单元和初始的种子单元之间的路径弯曲代价大于预设的弯曲容忍阈值：

30、；

31、其中，和分别为新的种子单元和初始的种子单元之间y轴坐标值差值和x轴坐标值差值；

32、对所有所述潜在渗漏单元进行定向聚类，生成各向异性的所述连通区域集合r。

33、优选地，所述改进八连通区域生长算法的实现方法为：

34、分别计算所述密封垫的接触表面坐标为(u,v)的单元与其8邻域单元的方向权重，先扩展方向权重更高的方向：

35、；

36、其中，为()与所述密封垫的接触表面的x轴的夹角，和分别为沿x轴和y轴方向的连通权重，且；

37、分别计算所述密封垫的接触表面坐标为(u,v)的单元与其8邻域单元的渗流驱动力：

38、;

39、若大于预设的最小驱动力阈值，则将对应的邻域扩展为所述潜在渗漏单元。

40、优选地，所述基于潜在渗漏区域筛选完整渗漏路径的方法为：

41、若所述r中的任意元素所包括的单元总数量小于预设数量阈值，则剔除该元素，形成有效域集合；

42、在所述有效域集合中，搜索同时包含迎水侧边界单元和背水侧边界单元的元素且将该元素定义为完整渗漏路径，迎水侧边界单元和背水侧边界单元分别代表单元的x轴坐标值为1和n；

43、分别计算各个完整渗漏路径的所述等效水力传导系数的方法为：

44、；

45、其中，代表第j个完整渗漏路径的等效水力传导系数，为第j个完整渗漏路径沿着x轴方向的总长度，、为和分别为第j个完整渗漏路径的第k个单元的有效过流宽度、所述多因子渗漏倾向指数和局部等效间隙高度，为水的动力粘度；

46、根据的数值大小判断第j个完整渗漏路径的渗漏风险等级。

47、优选地，评估所述完整渗漏路径的鲁棒性等级的方法为：

48、建立密封垫的多维工况参数空间，包括拼装的压缩量、错台量和扭转角，并生成具备不同多维工况参数空间的多种密封垫工况；

49、针对多种密封垫工况分别筛选出所述完整渗漏路径；

50、根据各种密封垫工况下所述完整渗漏路径的数量和对应的多维工况参数空间，计算多种敏感度指数，包括压缩量敏感度指数、错台量敏感度指数和扭转角敏感度指数：

51、；

52、；

53、；

54、根据敏感度指数划分鲁棒性等级。

55、优选地，根据敏感度指数划分所述鲁棒性等级的方法为：

56、设置第一敏感度指数阈值和第二敏感度指数阈值，；

57、若所述压缩量敏感度指数、所述错台量敏感度指数和所述扭转角敏感度指数均不大于，则判断为鲁棒性高等；

58、若所述压缩量敏感度指数、所述错台量敏感度指数和所述扭转角敏感度指数中存在至少一个大于且小于，且均不大于，则判断为鲁棒性中等；

59、若所述压缩量敏感度指数、所述错台量敏感度指数和所述扭转角敏感度指数中存在至少一个大于，则判断为鲁棒性低等。

60、优选地，获取所述修复决策的方法为：

61、将所有所述密封垫按照所述渗漏风险等级从高到低排列，并将该排列顺序作为修复优先级顺序；

62、若多个所述密封垫具备相同的所述渗漏风险等级，则分别计算所有完整渗漏路径的修复紧迫度，按照修复紧迫度从高到低的顺序进行修复。

63、优选地，所述修复紧迫度的计算方法为：

64、

65、其中，代表第个密封垫的第j个完整渗漏路径的等效水力传导系数，为代表第个密封垫的所有完整渗漏路径的等效水力传导系数最大值，为第个密封垫的第j个完整渗漏路径沿着x轴方向的总长度，为第个密封垫的第j个完整渗漏路径的所有单元的所述多因子渗漏倾向指数的最大值，为预设的多因子渗漏倾向指数阈值。

66、本发明的技术方案至少具有如下优点和有益效果：

67、本发明通过构建多因子渗漏倾向指数克服了现有技术中单一接触应力阈值判断的孤立性缺陷和物理机理缺失问题，将渗漏判据从静态数值比较提升为融合渗流物理驱动机理和局部场效应的综合动态评价，显著提高了渗漏风险识别的科学性和准确性；

68、本发明基于各向异性定向渗流追踪进行所述潜在渗漏区域识别，克服了标准八连通区域生长算法各向同性假设与渗流物理实际不符的根本缺陷，实现了对渗漏路径更符合物理本质的定向追踪，有效排除了垂直于渗流方向的低应力条纹误连通问题，揭示的渗漏路径从萌生、扩展到贯通的演变过程具有更强的物理可信度和工程指导价值；

69、本发明基于渗漏倾向指数的连续化特征和各向异性连通区域的定向识别结果，建立了多级状态判别准则，既可应用于设计阶段不同压缩量和错台量工况下的数值模拟结果分析，也可与未来开发的界面压力实时监测系统相结合，用于运营期隧道接缝防水状态的在线评估、渗漏风险演化预测与预防性维护决策支持；

70、本发明设计合理，适配数字孪生系统的实时数据驱动模式，可作为隧道数字孪生体中防水性能评估模块的核心技术，实现物理隧道与虚拟模型在防水状态上的动态同步、渗漏风险预测和智能维护决策。