节理化炭质页岩地层隧道围岩大变形及控制技术研究

某高速铁路XHS隧道穿越节理化炭质页岩地层,在施工过程中围岩大变形、失稳坍塌现象显著,现场采用强支护和仰拱加深等措施后围岩变形控制效果不佳。针对XHS隧道节理化炭质页岩地层地质条件,结合现场监测手段、离散-连续耦合数值模拟分析围岩大变形及破坏特征,基于数值模拟提出以采取地层预加固为主的围岩变形控制措施,并通过现场试验探讨该控制措施的应用效果。研究结果表明:隧道开挖后,围岩变形具有变形量大、变形速率快的特点,围岩拱部沉降量大于水平收敛量且变形具有非对称的分布特征;受三台阶法多次开挖扰动影响,围岩卸荷范围动态发育并不断向全环扩展,松动区逐渐由浅部围岩向深部转移,并呈现出非对称的破坏特征,最终引发围岩大变形;采取地层预加固后,模型中围岩变形和松动区范围明显减小,围岩非对称变形破坏也得到了有效控制;在采用地层预加固、管棚超前支护、三台阶临时仰拱法开挖的控制措施后,围岩变形得到控制,施工效果良好,隧道恢复正常施工,保证了隧道的顺利贯通;以地层预加固为主的控制措施是此类节理化炭质页岩地层围岩变形控制的有效手段。

列车动载-水力耦合作用下铁路隧道道床隆起机理多尺度模拟与整治对策研究

某高原铁路隧道穿越富水燕山期闪长岩断层带段引发道床出现隆起,对轨道平顺性影响极大。为揭示列车动载-水力耦合作用下铁路隧道道床隆起的宏-细观驱动机制,在考虑隧底结构可能面临的列车动载-水力耦合条件下,提出1种多尺度数值分析方法。结果表明:在6 s的列车动载和地下水耦合作用下,隧底虚渣孔隙率由0.4逐渐增大至0.7,地下水水头高度由50 m升高至100 m,隧底孔隙水压力增加141%,隆起位移增加212%;虚渣孔隙率保持不变时,隧底孔隙水压力增长率与水头高度的增长率保持相同,但虚渣孔隙率增大也会导致隧底孔隙水压力升高,加剧隆起病害;采取“钻孔泄压、注浆固结”整治措施后,隧底孔隙水压力峰值降低79.7%,隆起位移峰值降低至0.08 mm,隆起病害得到显著改善。多尺度数值分析方法可为类似病害整治研究提供参考。

不等跨十车道四连拱隧道施工全过程支护结构受力特征现场测试研究

多连拱隧道开挖洞室多、跨度大,施工过程中荷载转换频繁,支护结构受力特征复杂,对多连拱隧道支护结构受力开展现场测试研究具有重要意义。依托长沙观音岩不等跨四连拱隧道工程,选取典型断面对各洞室初支钢拱架、二次衬砌结构进行施工全过程应力监测,以获得复杂施工步序下支护结构受力特征。测试结果表明:观音岩隧道施工中,先行主洞较后行洞室承担的围岩压力更大,右主洞、左右辅洞开挖顺序居后,施工扰动次数较少,支护结构内力较小;各洞室中,初支钢拱架内力整体均呈“左小右大”的非对称分布特征,其最大轴向压力402.71 kN、最大弯矩7.97kN·m出现在左主洞的右拱脚处,二衬内力整体非对称程度较低,只以左主洞呈显著非对称分布,其余洞室呈整体对称分布;先行左主洞支护结构的内力扰动主要由受后行邻洞的开挖影响所产生,后行右主洞、左辅洞开挖支护阶段,左主洞初支钢拱架、二衬结构绝大部分位置其内力增量超过总增量的一半;采用“先主后辅,左主先行”施工方案,施工全过程支护结构的安全性均满足规范要求,支护结构设计和施工措施合理。研究成果可为复杂条件下多连拱隧道的设计与施工提供借鉴。

基于图像三维重建的隧道喷射混凝土回弹率测定方法研究

针对复杂隧道施工环境下如何快速、准确测量喷射混凝土回弹率的问题,基于机器视觉三维重建技术中的主要理论和算法,提出了一种新的隧道喷射混凝土回弹率测定方法。该方法通过坐标标记版和手持相机快速采集图像,基于运动恢复结构(SFM)算法、基于面片的密集匹配(PMVS)算法与三角剖分原则实现隧道实际开挖轮廓及初支内轮廓的三维曲面网格模型的建立;通过网格射线法,将隧道实际开挖轮廓与初支内轮廓三维网格模型进行空间差值求解,获得初支实际有效的喷射混凝土体积;最后,结合实际喷射混凝土总用量,完成喷射混凝土回弹量的测定,并以郑万高铁巴东隧道为依托进行现场试验与应用。结果表明:所提方法测得的喷射混凝土回弹率比传统现场称重法测试结果更为合理,准确性更高,说明该方法能够较好地实现喷射混凝土回弹率的测试;在现场应用中,结合喷射混凝土回弹率的测试结果提出的降低回弹率的施工质量控制建议,现场采用后施工良好,保证了隧道施工质量;该测定方法简便高效、成本低、不干扰施工,具有较好的工程应用价值。

水压与动载耦合作用下高铁隧底结构裂损机理分析

高速铁路隧道底部结构隆起变形开裂是多方面影响因素叠加作用的结果。综合利用扩展有限元方法、流固耦合理论和现场实测结果,采用激振力荷载拟合函数施加于轨面模拟列车振动荷载作用效果,分析在水压和列车动荷载耦合作用下的高铁隧道底部结构不协调变形机理,揭示水压与动荷载作用下隧道底部结构的变形特征与水压力变化规律。研究结果表明:在既有隧底结构型式与排水条件下,水压变化是隧道底部结构变形与开裂的诱发原因,列车动荷载导致的裂缝水压交替变化是隧道底部结构持续性隆起裂损的间接原因。隧道底部结构开裂一般首先发生在仰拱填充层中央排水沟处,然后在轨道板、仰拱填充层与衬砌仰拱结构存在刚度差异的各交界面上出现裂缝。高速列车动荷载周期性的上下振动与水压力耦合作用下隧道底部结构界面和各裂缝过水处产生超静水压力,其周期性抽吸变化将对裂缝产生水力压裂效应,加剧隧道底部结构的裂损。高水压高铁隧道底部结构隆起开裂的整治措施应综合考虑泄水降压、裂缝封堵以及底部多层结构体系的层间锚固。

软硬不均地层盾构隧道荷载模式研究

系统考虑隧道埋深、滑移面形式、侧压力系数与地层的关联,提出一种适用于软硬不均地层的盾构隧道荷载模式。对于浅埋隧道,基于椭球体理论推导极限状态下滑移面为椭圆的侧压力系数及竖向松动土压力表达式,并构建力学平衡方程推导侧压力计算式;对于深埋隧道,考虑软硬不均地层突变性并对太沙基理论滑移面宽度进行合理修正,推导对应的围岩压力计算式;再结合软硬不均地层分界线位于隧道水平中线上方、下方2类典型工况,推导出隧底反力表达式;最后结合工程实例对所提荷载模式进行验证。结果表明:与修正惯用法荷载体系相比,所提方法得到的软土-硬土隧道顶部、下半拱竖向土压力与实测值的误差分别缩小74%和172%;相较于软土-硬土隧道,该方法应用于土层-岩层隧道时,计算得到的下半拱竖向土压力、隧底侧向土压力与实测值的误差更小,即所提荷载计算模式更符合隧道实际受荷状态,且当隧道埋深与开挖直径之比较大以及下部地层越坚硬时,其适用性越强。

基于网格自适应加密策略的隧道稳定性三维极限分析下限有限元法研究

网格分布形式对三维极限分析下限有限元法的计算精度影响较大,为获取精确下限解,通常需对破坏区域进行密集网格划分,从而极易导致计算规模过大,求解效率低下。针对上述问题,提出一种基于单元应力的三维极限分析下限有限元“后验”网格自适应加密策略。首先,构建基于Mohr-Coulomb(M-C)准则和半定规划技术的三维极限分析下限有限元模型,避免了屈服准则的近似处理。其次,引入基于M-C准则的网格自适应加密策略,通过判断各个单元应力接近屈服的程度,确定加密点的坐标。然后,将加密点与原先节点组合构成新的点集,并重新划分网格,建立新的下限有限元计算模型。最后,利用所提方法研究隧道稳定性问题,表明利用所提网格自适应加密策略能够以较少单元精确模拟破坏区域应力分布,从而获取高精度下限解。

巴东组泥岩大断面隧道开挖面大变形滑塌失稳机制与防治措施研究

隧道穿越富水软弱地层时易发生开挖面滑塌失稳破坏,为此,本文以郑万高铁巴东隧道为工程依托、以巴东组紫红泥岩为研究对象,开展系列室内试验,揭示泥岩遇水软化的力学特征。综合考虑围岩节理发育及施工扰动等因素的影响,基于Hoek-Brown强度准则将室内试验获取的完整岩体的强度参数转化为现场岩体参数,并采用两相单质点流固耦合物质点法(MPM)对隧道开挖面滑塌失稳大变形全过程进行模拟,并结合现场评价超前帷幕注浆预加固措施的有效性。研究结果表明:开挖面滑塌失稳过程可大致分为开挖面隆起变形、开挖面局部失稳及滑塌体加速运动、滑塌体稳定这3个主要阶段。随着开挖面前方滑塌体的加速运动,围岩的渗流场发生明显的变化,渗水形态呈“漏斗状”,水流向开挖面“缺口”汇集;滑塌体稳定后呈锥体状堆积,滑塌体坡脚与开挖面的距离约25 m,与现场滑塌体最终形态较吻合。采取超前帷幕注浆预加固措施后围岩稳定性较好,确保了隧道施工安全顺利推进。流固耦合物质点法可动态再现地下水渗流作用下软弱地层隧道滑塌失稳破坏全过程,可为类似工程研究提供参考。

监督下降的直流电阻率法二维反演

为了解决拟线性反演中先验信息利用不充分及大批量数据计算效率低的问题,本文将监督下降法(Supervised Descent Method,SDM)应用到直流电阻率法二维反演中.SDM包括离线训练和在线预测两个阶段.训练集由根据先验信息生成的模型和正演模拟数据组成.在训练过程中,学习从初始模型到训练模型的下降方向.在预测过程中,同时考虑了训练过程中获取的下降方向和计算出的数据残差.通过合成数据算例,讨论了SDM的反演精度、收敛速度、抗噪能力与泛化能力.在线预测结果显示,块状体和分层结构的混合模型,反演数据误差为0.0037,表明块状模型与层状模型的模块化训练集能有效增强SDM的泛化能力.在对实测数据反演中,通过实测数据视电阻率结果构建训练集,可以优化训练集的模型数据质量及完整性.通过与高斯牛顿法对比,讨论了SDM针对批量实测数据的反演精度及效率.结果表明,针对单一数据,SDM反演耗时(训练时长与预测时长总和)较高斯牛顿法长,但当训练阶段完成后,预测阶段耗时不超过0.5 s,针对同类型、同维度、大批量数据,SDM具有进行批量处理的能力,反演效率更高.

高速铁路隧道接触网外置槽道整治方案及受力分析

为解决高速铁路隧道接触网下锚处预埋槽道质量缺陷,以湖杭高速铁路(湖州—杭州西)工程为依托,提出外置槽道整治方案。利用有限元软件建立外置槽道数值模型,分析外置槽道和后置锚栓的受力和变形。结果表明:在规定荷载作用下,外置槽道最大应力为104.1 MPa,最大变形为0.032 mm;后置锚栓最大轴力和剪力分别为9.65、1.08 kN;外置槽道和后置锚栓的受力、变形均满足规范要求。将外置槽道方案应用于湖杭高速铁路槽道缺陷整治工程,实施效果良好,可在其他铁路隧道接触网预埋槽道缺陷整治工程中推广应用。

水-岩软化作用下巴东组泥岩隧道大断面开挖掌子面稳定性研究

为明确软弱围岩条件下高速铁路隧道大断面机械化施工过程中的掌子面稳定性特征,以郑万铁路巴东隧道穿越巴东组紫红泥岩段为工程背景,对隧道揭露的巴东组紫红泥岩开展不同含水率下的三轴试验,揭示巴东隧道紫红泥岩的水-岩软化特征;在考虑水-岩软化特征的Hoek-Brown强度准则下,构建考虑水-岩软化作用的隧道穿越巴东紫红泥岩地层流-固耦合数值模型,揭示不同地层水位下巴东组紫红泥岩隧道大断面施工掌子面稳定性特征;最终提出“掌子面喷混凝土+掌子面超前锚杆+超前管棚”的组合式超前加固方案。经过试验和模拟计算,结果表明:1)随含水量的增加,巴东隧道紫红泥岩的刚度与抗剪强度显著降低,与既有研究揭示的浅表地层紫红泥岩相比,巴东隧道紫红泥岩具有更高的抗剪强度;2)掌子面后方拱顶沉降、掌子面前方拱顶预收敛、掌子面挤出变形的最大值均随历史水位的升高而增大;3)根据不同地层历史水位条件下开挖面支护力与挤出变形之间的关系,巴东隧道紫红泥岩掌子面稳定性可以分为A(稳定)、B(短期稳定)以及C(不稳定)3类,对于C类掌子面,采用“掌子面喷混凝土+掌子面超前锚杆+超前管棚”的组合式超前加固措施后,掌子面前后方各项变形最大值可以减小60%~90%。

大断面隧道下穿既有高压输电铁塔施工方案比选及其应用

李家冲大断面公路隧道下穿既有高压输电铁塔,施工风险高。在风险分析的基础上,提出可能的应对措施,通过建立高压输电铁塔与大断面隧道施工相互作用的三维数值模型,对注浆加固山体后采用双侧壁导坑法开挖、H型框架梁加固塔基后三台阶留核心土法开挖、以及塔基托换后三台阶留核心土法开挖等方案进行比选,提出采用H型框架梁将高压输电铁塔塔基连成整体的加固方案。数值计算及现场实施效果表明:采用H型框架梁对铁塔基础进行加固,铁塔基础成为整体结构后再进行大断面隧道三台阶留核心土开挖,可有效控制铁塔的累计沉降及不均匀沉降,铁塔受力与变形均在容许的范围之内,在保证铁塔和隧道施工安全的同时,加快了施工进度,技术经济效果非常明显,可供类似工程参考。

基于图像三维重建的隧道超欠挖检测方法研究

提出一种基于图像三维重建的隧道超欠挖检测方法。该方法基于计算机视觉运动恢复结构算法(SFM)和半全局匹配算法(SGM)实现隧道实际开挖轮廓图像三维点云重建,再利用Delaunay三角剖分算法实现隧道实际开挖轮廓三维曲面模型重建,并基于设计开挖轮廓线和中心轴线建立隧道设计开挖轮廓三维曲面模型;以蒙华铁路大围山隧道DK1665+454—DK1665+484作为工程试验段进行现场试验分析,对所提方法有效性进行验证。研究结果表明:通过隧道实际开挖轮廓三维曲面模型与设计的开挖轮廓三维曲面模型比较分析,可实现对不同类型隧道整体超欠挖状况、超欠挖值、超欠挖面积以及超欠挖体积进行检测与评价;隧道设计开挖轮廓三维曲面模型具有数据采集设备简单、不干扰施工、检测范围全面、检测结果准确的特点;图像三维重建检测方法可实现隧道超欠挖准确检测,检测精度与三维激光扫描检测方法的相近,且比传统检测方法的精度高。

溶洞上方圆形基础地基极限承载力有限元分析

针对 3 种典型围岩条件,采用有限元方法对岩溶地区圆形基础下溶洞顶板稳定性进行了分析计算,讨论岩石地基极限承载力的确定方法,得出不同围岩、溶洞顶板跨度、顶板厚度条件下地基的极限承载力,并分析极限承载力与各影响因素之间的关系。

基于全景展开图像的隧道围岩节理识别方法

为了解决目前节理信息识别方法仅适用于局部岩体图像的问题,采用全景展开图像方法,将采集到的局部洞壁围岩图像进行特征点提取、点云模型重建、矫正拼接处理,获得高分辨率的隧道洞壁围岩全景展开图像。通过图像预处理、小尺寸特征图片的smaAt-Unet神经网络识别、小尺寸图片识别结果的融合拼接,对洞壁围岩全景展开图像的节理信息进行了区域粗略分割识别。采用Zhang-Suen算法和8邻域连通域分析方法,从骨架化与骨架线分离、毛刺剔除、骨架线连接方面进行了算法分析计算,完成了节理信息的细化提取。对体积节理数和节理空间产状信息进行了量化分析,最终建立了一种基于全景展开图像的隧道洞壁围岩节理信息识别方法。工程应用结果表明,洞壁围岩全景展开图像识别后,节理面空间方程的平均拟合误差为0.90,说明该识别方法能够较好地识别全景展开图像中的节理信息。另外,洞壁围岩图像采集具有时间短、易操作、灵活性较高的优点,对现场施工影响较小,该识别方法能够较为快速地完成节理信息识别,给现场施工与动态设计提供参考。

盾构隧道双层衬砌结构受力现场监测试验研究

研究目的:为探求海底盾构隧道双层衬砌结构的受力特性,本文以台山核电站海底取水盾构隧道为工程背景,对双层衬砌结构受力进行现场监测,并基于现场测试数据提出一种能准确计算软土地层海底盾构隧道设计荷载的方法,以期为类似工程提供借鉴。研究结论:(1)监测成果显示,采用的大断面泥水加压平衡盾构及新型衬砌施工法施工快、质量高;(2)取水盾构隧道二次衬砌主要承受内水压力,隧道围岩压力主要由管片承担,管片衬砌外水土压力受施工及地层条件影响明显,施工期土压力存在加速、减速和加速趋于稳定三个时段,且加速段最为关键,稳定期土压力整体呈现上大下小形态,测点压力分布不均匀,水压力与隧道区域渗流分布规律一致,受隧道周边围岩地层影响,水压力分布又具有一定随机性,二次衬砌混凝土凝固收缩的影响会随时间减弱,受二衬自重影响,双层衬砌间接触压力在拱顶位置较小,拱脚位置较大;(3)当埋深H≤1.7D,垂直土压力=1.31×γh,水平土压力=1.65×λγh;当埋深1.7 D<H≤2.2 D,垂直土压力=0.39×γh,水平土压力=1.35×λγh;当埋深H>2.2 D,垂直土压力=0.63×γh,水平土压力=0.61×λγh;(4)本研究结果可为海底盾构隧道双层衬砌设计和施工提供指导。

复杂环境下城际铁路大直径双模盾构选型技术及应用

为研究复杂地质环境下大直径双模盾构选型技术及应用效果,以深大城际机场东站—黄麻布站区间为依托,首先分析了该区段的工程重难点和施工风险,结果表明:该区间需穿越长距离硬岩地层和部分软土地层,下穿多处重要建构筑物和穿越多条构造破碎带和节理密集带,施工风险高、难度大。因此,为兼顾盾构机在硬岩地层的掘进效率和软土及不良地质条件下的地层稳定,综合选用EPB(earth pressure balance)/TBM(tunnel boring machine)双模盾构机,并根据施工重难点对盾构机结构和功能系统进行了针对性设计。最终,对该盾构的现场工程应用进行了效果评价。结果表明:所选的EPB/TBM双模盾构能较好地满足工程需求,确保了盾构机掘进的安全性和高效性。研究成果可为其他类似条件下的双模盾构机选型提供参考和指导。

高强度基岩爆破预处理泥水盾构掘进特征研究

泥水盾构在高强度基岩地层中掘进,盾构自身刀具无法有效破岩,采用基岩爆破预处理的控制钻爆法能严格控制破碎碴块体量,提高刀具破岩能力,但盾构施工过程中,掘进参数与岩石之间关系非常复杂。以台山核电站取水隧道为背景,对现场获得的工作数据进行挖掘,分析基岩爆破前后地层中盾构刀盘推力、刀盘扭矩及掘进速度的参数的选用特点。在此基础上,引入参数转换量FPI、TPI指数及比能进行研究,研究表明,未经处理基岩地层,岩石强度过高,刀盘推力先达到最大值,但切深很浅,扭矩很难发挥最大能力;经爆破处理后,基岩岩体受到不同程度破碎,盾构机推力及扭矩能有效发挥其功能,掘进效能提高。因此,在盾构机的工作负荷范围内,应依据基岩岩体破碎效果,调整刀盘推力和扭矩,使之更好地适应地层,力争达到高效安全的掘进目的。

浅埋隧道掌子面稳定性二维自适应上限有限元分析

为研究浅埋隧道掌子面稳定性及获取精细化的破坏模式,提出了一种上限有限元非结构化网格自适应加密策略。以单元耗散能权重指标作为网格自适应加密评判准则,该策略同时兼顾了单元尺度与塑性应变。应用高阶的6节点三角形单元并建立上限有限元线性规划模型,以多次反复计算和网格加密的方式实现了二维自适应上限有限元分析并编制了计算程序。利用条形基础地基极限承载力课题,从上限解精度和网格加密形态方面验证了该程序的有效性。针对浅埋隧道掌子面稳定性问题,展开多参数条件下的自适应上限有限元计算,分析了网格加密过程中单元总数与上限解精度的关系,列出不同隧道埋深和内摩擦角对应的隧道掌子面稳定性临界值的上限解,揭示出掌子面稳定性变化规律及精细化的破坏模式。

竖井建设引起的地表移动及变形

应用随机介质理论，视竖井开挖所引起的地表移动为一随机过程，得到竖井建设引起的地表移动和变形值的计算公式、计算程序。现场实测结果与计算结果的对比表明，本文所提出的计算方法和程序可以达到良好的预计效果。