本文研究以运营隧道结构健康监测预警预警系统为背景,以监测系统采集、传输、处理、分析、演示为研究思路,针对监测系统中数据采集与传输层,提出基于大数据传感器网络的压缩感知算法;针对数据处理和分析层,对自动化监测量加速度响应项目,建立基于小波包能量谱加速度响应隧道健康预警,对人工测量衬砌空洞,采取有限元进行衬砌背后空洞安全评价;建立基于BIM预警可视化隧道结构健康监测系统。研究面向运营隧道结构健康监测预警预警系统大数据压缩感知,为解决传感器网络传输带宽低、传输压力大的问题,引入传感器网络框架,对传统压缩感知方法改进,提出基于大数据传感器网络的压缩感知算法,通过实例验证该方法的有效性。研究基于小波包能量谱加速度响应隧道健康预警,对自动化监测量中的加速度响应信号引入小波包变换理论进行分析,基于小波包频谱分类和信号降噪阈值准则,提出基于小波包频谱多阈值降噪法,避免高频噪声对健康监测的干扰;提出基于小波包能量谱健康预警法,实现实时自动化监测、高效预警。研究基于有限元衬砌背后空洞安全评价,针对人工检测量中的衬砌背后空洞问题,基于荷载结构模型对隧道衬砌背后单空洞10°、20°、30°、40°范围和双空洞组合10°、20°、30°范围进行数值模拟,引入衬砌安全系数,分析单双空洞下轴力、弯矩、安全系数对结构安全影响,提出单双空洞下的安全预警分级。研究基于BIM技术运营隧道结构健康监测预警系统的搭建,结合隧道结构安全监测与管养系统,建立监测系统总体架构;在数据采集和传输层,分析传感器网络布设和传输方案的选取;在数据处理和分析层,研究沉降、倾角、加速度监测量阈值处理和结果评估,对各监测量和评估结果进行系统演示;在隧道结构健康监测可视化中,提出基于DYNAMO参数化的盾构隧道建模和可视化预警集成。