本发明涉及隧道工程，尤其涉及一种高铁隧道裂缝静动态长期响应监测方法。
背景技术：
1、在当前这个高速铁路快速发展的时代，高速铁路隧道作为高速铁路的重要组成部分，其数量和长度也在不断增加。随着高速铁路隧道的使用年限的增加，高速铁路隧道的维护工作逐渐成为研究的重点方向。
2、高铁隧道中的裂缝作为影响高速铁路隧道寿命的关键病害，对于高铁隧道裂缝的形成机理以及发展情况的分析具有重要意义。现在的隧道的裂缝监测作为隧道监测的重点项目，相关的监测方法已有很多种类。但是多数隧道裂缝监测时间短，且只能获取裂缝在数个月内的变化情况，无法捕捉在长期反复的荷载作用下隧道裂缝的响应情况。同时监测多数集中于裂缝宽度等单一指标，无法反映隧道裂缝响应变化，尤其是动态响应的变化情况。同时，多数监测集中于普通公路隧道，针对高铁隧道中裂缝的长期的静态-动态响应监测几乎没有一套系统的有效方法。因此设计一套对于高速铁路隧道裂缝的静-动态长期响应监测方法具有重要的工程应用价值。
3、目前较为常见的隧道裂缝监测方法包括裂缝计监测裂缝变形，相机采集跟踪裂缝变化等方法存在以下不足：(1)多数集中于隧道裂缝的单一指标监测，无法反映裂缝的综合变化；
4、(2)监测时间短，无法跟踪裂缝长期响应变化；(3)耐久性差，使用年限有限；(4)依赖人员操作，自动化水平低；(5)适用范围窄，无法实现对高铁隧道的监测；(6)无法及时传回采集数据，智能化程度低。
5、因此，如何设计一套对于高速铁路隧道裂缝的静动态长期响应监测方法，成为工程界研究的热点与难点。
技术实现思路
1、为了克服背景技术中的不足，本发明公开了一种高铁隧道裂缝静动态长期响应监测方法。
2、为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：
3、本发明提供了一种高铁隧道裂缝静动态长期响应监测方法，包括以下步骤：
4、s1、获取隧道第一裂缝处的监测数据和图像数据，所述监测数据包括由裂缝计、动应变计、静应变计、加速度计获取的数据；所述图像数据为在隧道裂缝处和隧道口处的图像采集设备获取的数据；其中隧道口处的图像采集设备获取的数据为过车影像；其中第一裂缝是隧道中已有的裂缝；
5、s2、将所述监测数据划分为静态响应数据、动态响应数据并根据时间顺序建立参数的数据集；将所述参数的数据集中的裂缝的变形、动应变和静应变数据以及由加速度数据得到的应力数据、隧道裂缝处的图像采集设备获取的裂缝的变形输入长短时记忆网络模型进行训练以获取预测模型；
6、s3、基于预先建立的数值模型，获取隧道的裂缝参数；并根据隧道的裂缝参数使用所述长短时记忆神经网络模型进行预测获取预测后的裂缝参数；所述预先建立的数值模型是基于无人机拍摄重建的隧道上层地表模型以及地质地层土体采样数据建立的，隧道内部的裂缝根据实际位置，在模型中进行重建；所述数值模型用于在施加模拟的列车荷载作用后，对模型中的裂缝位置的应力、应变、变形量进行计算以获取裂缝参数；
7、s4、将所述裂缝参数输入预测模型获取预测后的隧道中其余裂缝的预测发展数据；
8、s5、对所述预测发展数据进行展示。
9、具体的，步骤s1具体包括：
10、s11、在高铁隧道内确定位于三个不同的断面，走向不同且位于隧道的同一侧洞壁的第一裂缝的位置并进行标记记录；
11、s12、在确定第一裂缝的位置后，选择对应量程的裂缝计、动应变计、静应变计、加速度计以及图像采集装置在裂缝处进行裂缝监测；
12、s13、铺设线缆到裂缝位置处与监测传感器进行连接，并于隧道外部设置设备机柜，在机柜旁侧安设有机柜摄像头；所述监测传感器包括：裂缝计、动应变计、静应变计、加速度计；
13、s14、机柜通过监测传感器采集高铁隧道的裂缝宽度变化量、应变、加速度，通过图像采集装置采集的裂缝图像以及通过摄像头采集的过车影像并发送到接收平台。
14、具体的，所述裂缝计布设在第一裂缝中裂缝的两侧用来监测第一裂缝的宽度变化，所述裂缝计的保护盒两侧设置有反光标记；动应变计布设在隧道结构稳定的一侧监测第一裂缝的动应变，静应变计布设在隧道结构稳定的一侧监测第一裂缝的静应变，图像采集装置用于采集第一裂缝图像；机柜摄像头摄像头布置于可同时监视隧道洞口、外部轨道、列车行驶以及机柜的开阔地形处，和机柜间用网线和供电线连接。
15、具体的，步骤s11中所述三个不同的断面包括：入口断面、中间断面及出口断面。
16、具体的，步骤s2具体包括：
17、s21、获取平台上的监控数据，并将监控数据处理后划分为静态响应数据、动态响应数据及影像数据；所述静态响应数据包括隧道收敛变形、裂缝静应变和裂缝宽度变化量，所述动态响应数据包括洞壁加速度和裂缝动应变，所述影像数据为机柜摄像头采集到的过车影像以及第一裂缝图像；
18、s22、通过小波变换对所述动态响应数据进行降噪处理，并通过计算静态响应数据中参数和其平均值的差值，将差值大于三倍标准差的离散值数据进行剔除；
19、s23、将裂缝的变形、裂缝动应变数据和裂缝静应变数据以及由加速度数据得到的应力数据按照时间顺序划分为训练集和测试集；
20、s24、将所述静态响应数据和动态响应数据分别和轨道板加速度进行对比分析用于计算监测数据的变化趋势以及和列车荷载的相关性；
21、s25、将训练集数据输入搭建的长短时记忆神经网络模型中进行训练，得到可实现裂缝参数预测的预测模型。
22、具体的，步骤s23所述裂缝的变形具体为：
23、s231、将第一裂缝图像中裂缝及反光标志提取出来并使用不同颜色进行标记；
24、s232、分析反光标记变化，将第一裂缝图像转化为像素，提取出裂缝计保护盒两侧的反光标记对应在图像上的坐标点，对比两次不同监测结果下的坐标点的变化值，计算反光标记特征点之间距离的变化差δr；
25、s233、将反光标记特征点之间距离的变化差δr与所述裂缝计监测的裂缝宽度变化量δx进行对比，得到第一裂缝图像像素点数和实际监测距离之间的比值p；
26、s234、将裂缝从第一裂缝图像中提取出来，对比前后两次裂缝占据像素面积的变化情况，最后和实际面积进行对比，按照像素的点数和面积之比确认变化的面积大小δs，并确定裂缝在某一个方向上的变化大小δxn。
27、具体的，步骤s23中所述由加速度数据得到的应力数据具体为：根据所述加速度计得到隧道洞壁三个方向的加速度ax,ay,az，以及所述动应变计得到的x方向应变εx计算得到裂缝监测点周围的三个方向应力fx,fy,fz。
28、具体的，步骤s24具体为：将动态响应数据和列车通过时的轨道板加速度通过比较二者的频域和时域特征进行相关性分析；静态响应数据利用同一时间区段内轨道板加速度的累加值和静态相应数据的变化值进行分析。
29、具体的，步骤s25具体为：
30、所述预测模型训练通过长短时记忆神经网络模型利用所述第一裂缝的监测数据，包括隧道裂缝动应变、静应变、变形量建立训练集，对预测模型进行训练；完成训练后，基于第一裂缝的最新监测数据对于模型进行验证，再基于其余裂缝的原始监测数据利用此模型对裂缝发展进行预测，判断模型预测的准确率，对模型内部参数进行更改和训练直到模型的整体预测准确率满足实际需要。
31、具体的，步骤s26具体为：基于无人机拍摄重建的隧道上层地表模型以及地质地层土体采样数据建立数值模型，隧道内部的裂缝根据实际位置在数值模型中进行重建，在施加模拟的列车荷载作用后，对模型中的裂缝位置的应力、应变、变形量进行计算并和实际监测结果进行检算。
32、具体的，所述步骤s5中对所述数据集以及预测发展数据进行展示包括：
33、数据按照时间周期展示按照小时、天、周、月、年进行分类汇总；
34、数据按照数据类别进行分类展示；
35、将其余裂缝的预测数据按照裂缝的类别进行分类并展示，具体根据裂缝的长度、分布位置、延伸方向进行分类，并将数据进行汇总。
36、本发明公开了一种高铁隧道裂缝静-动态长期响应监测方法，该方法使用裂缝计、动应变计、静应变计、加速度计、隧道自动监控量测仪和监控摄像头等设备。监测裂缝的动态响应和静态响应变化，采集列车通过时间段内的采集仪的采集信息。其中裂缝动应变计反映了裂缝的动应变变化，裂缝计反映了隧道裂缝的变形情况，轨道板加速度计和位于洞壁的加速度计反映了隧道轨道加速度和隧道结构加速度的对应关系。对于裂缝的静态响应则利用裂缝计、静应变计和隧道自动监控量测仪实现。其中自动监控量测仪用于对隧道的结构收敛变形和裂缝长期的变形以及应变记录。利用数据线将采集数据汇总至位于隧道洞口附近的机柜内，并利用网络传输至平台服务器。先将长期监测获得的响应数据分为静态响应数据和动态响应数据，判断参数与列车通过等外界扰动的变化关系。之后对比相同时间段内动态和静态响应监测部分的数据，进行动静态联合分析并确定动态响应和静态响应对于裂缝发展影响程度的大小以及主要的影响指标。本发明通过在隧道内中布设多种仪器对于隧道裂缝进行跟踪，实现了长期、准确、实时地监测隧道裂缝静动态响应。
37、本发明结合了监测、采集、数据展示于一体，整体上节省了人力的监测过程，极大的提升了监测效率，同时通过长时间对于高铁隧道的不间断的监测，可以实现对于裂缝的发展有连续的、直观的研究，能够显著提高隧道的安全性能和经济效益，对于隧道的管理和维护具有重要的实际意义。
38、此外，本发明将将隧道裂缝的宽度、动应变、静应变、加速度进行整合，并且综合图像拍摄结果实现对于裂缝实际表观变化的研究，并最终实现对于裂缝的长期监测研究数据的可视化以及发展变化的研究，监测与分析结果更全面，并且多种监测技术的结合可以提高监测数据的精确度，可以及时发现裂缝的扩展和结构的变形，从而采取及时的维护措施，防止裂缝进一步扩展导致结构失效，保障隧道的安全运营。
1.一种高铁隧道裂缝静动态长期响应监测方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤s1具体包括：
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述裂缝计布设在第一裂缝中裂缝的两侧用来监测第一裂缝的宽度变化，所述裂缝计的保护盒两侧设置有反光标记；动应变计布设在隧道结构稳定的一侧监测第一裂缝的动应变，静应变计布设在隧道结构稳定的一侧监测第一裂缝的静应变，图像采集装置用于采集第一裂缝图像；机柜摄像头摄像头布置于可同时监视隧道洞口、外部轨道、列车行驶以及机柜的开阔地形处，和机柜间用网线和供电线连接。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤s11中所述三个不同的断面包括：入口断面、中间断面及出口断面。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤s2具体包括：
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤s23所述裂缝的变形具体为：
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤s23中所述由加速度数据得到的应力数据具体为：根据所述加速度计得到隧道洞壁三个方向的加速度ax,ay,az，以及所述动应变计得到的x方向应变εx计算得到裂缝监测点周围的三个方向应力fx,fy,fz。
8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤s24具体为：将动态响应数据和列车通过时的轨道板加速度通过比较二者的频域和时域特征进行相关性分析；静态响应数据利用同一时间区段内轨道板加速度的累加值和静态相应数据的变化值进行分析。
9.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤s25具体为：
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤s5中对所述数据集以及预测发展数据进行展示包括：
