Risk identification and risk mitigation during metro station construction by enlarging shield tunnel combined with cut-and-cover method

Constructing a metro station by enlarging shield tunnels combined with a mining/cut-and-cover method provides a new method to solve the contradictions of construction time limits of shield tunnels and stations. As a new-style construction method, there are several specific risks involved in the construction process. Based on the test section of Sanyuanqiao station on Beijing metro line 10, and combined with the existing methods of risk identification at present, including a review of world-wide operational experience of similar projects, the study of generic guidance on hazards associated with the type of work being undertaken, and discussions with qualified and experienced staff from the project team, etc., the specific risks during the construction process of the metro station constructed by enlarging shield tunnels combined with the cut-and-cover method are identified. The results show that the specific risks mainly come from three construction processes which include constructing upper enclosure structures, excavating the soil between shield tunnels and demolishing shield segments. Then relevant risk mitigation measures are put forward. The results can provide references for scheme improvement and a comprehensive risk assessment of the new-style construction method.

General analytical method of designing shielded coils for arbitrary axial magnetic field

Magnetic coils for specific requirements are widely used in modern quantum physics. In this study, a general analytical method of designing the shielded coils for generating an arbitrary axial magnetic field is proposed. The theoretical formula for an axial magnetic field generated by a single shielded coil is obtained and used to construct specific coils. The structural parameters of these coils are determined by fitting the theoretical formula with their specific requirements. The feasibility of this method is proved by realizing four concrete kinds of coils: uniform magnetic field generating coils, gradient magnetic field generating coils, asymmetrical uniform magnetic field generating coils, and parabolic magnetic field generating coils. The correctness of these theoretical results is demonstrated by both the finite element simulations and the relevant experimental results. Furthermore, the application of this method is of great significance for developing the quantum physics and quantum devices in future.

An Improved Method for Correction of Air Temperature Measured Using Different Radiation Shields

The variation of air temperature measurement errors using two different radiation shields （DTR502B Vaisala,Finland,and HYTFZ01,Huayun Tongda Satcom,China） was studied.Datasets were collected in the field at the Daxing weather station in Beijing from June 2011 to May 2012.Most air temperature values obtained with these two commonly used radiation shields were lower than the reference records obtained with the new Fiber Reinforced Polymers （FRP） Stevenson screen.In most cases,the air temperature errors when using the two devices were smaller on overcast and rainy days than on sunny days; and smaller when using the imported rather than the Chinese shield.The measured errors changed sharply at sunrise and sunset,and reached maxima at noon.Their diurnal variation characteristics were,naturally,related to changes in solar radiation.The relationships between the record errors,global radiation,and wind speed were nonlinear.An improved correction method was proposed based on the approach described by Nakamura and Mahrt （2005） （NM05）,in which the impact of the solar zenith angle （SZA） on the temperature error is considered and extreme errors due to changes in SZA can be corrected effectively.Measurement errors were reduced significantly after correction by either method for both shields.The error reduction rate using the improved correction method for the Chinese and imported shields were 3.3％ and 40.4％ higher than those using the NM05 method,respectively.

水下高速公路盾构隧道联络通道冻结施工模拟分析

公路盾构隧道联络通道建设面临较大的不确定性和风险,通常采用人工地层冻结法进行施工。以孟加拉吉大港卡纳普里河底盾构隧道联络通道为研究对象,分析联络通道施工过程中冻土帷幕和结构衬砌受力情况,研究采用双圈管冻结施工过程中冻土帷幕发展规律。针对施工期和运营期衬砌受力的最不利工况进行验算,分析积极冻结和维护冻结阶段温度场的变化,并研究部分不确定参数的敏感性。分析结果表明,该联络通道设计施工方案合理可行。

盾构隧道缓和曲线段管片组合轴线拟合计算方法

盾构隧道在缓和曲线部分存在管片拼装问题,因缓和曲线线型复杂,管片拼装点位多变,一直是施工过程中的一个难题。基于错缝拼装要求与楔形管片特点,提出一种在平面范围内,利用循环计算与误差控制的条件判定,综合比选标准环与楔形环组合,完成每环管片拼装施工,最终拟合出既满足规范与控制指标,又可保证线型较为均匀的管片拼装轴线的管片施工设计方法与验证方法。并根据实际工程需要,提出最大允许偏差控制方法和缓圆点附近的管片拼装优化措施,结合珠海市珠机线湾仔北站—湾仔站区间盾构隧道实例,证明了此方法的准确性与适用性,为缓和曲线上控制管片拼装质量提供理论依据。

盾构施工诱发临近桥梁安全风险评价

针对地铁盾构施工诱发临近桥梁安全风险评估结果不完善、存在失真等问题,提出一种基于变权可拓云模型的盾构施工诱发临近桥梁安全风险评价方法。首先,结合以往研究基础和实际工程经验,建立盾构施工诱发临近桥梁安全事故机理模型,进而确定孕险环境、致险因子和承险体3个1级指标,其中包括有岩土层物理性能参数、隧道工程条件、盾构施工条件、盾构施工参数、施工管理风险、桥梁现状及桥梁自身条件7个2级指标和内摩擦角、弹性模量等27个3级指标为依据建立盾构施工诱发临近桥梁安全风险评价指标体系。其次,通过改进CRITIC客观赋权法获取评价指标权重,并采用变权可拓云模型构建盾构施工诱发临近桥梁安全风险评价模型,其中引入变权理论得到使评价结果更加科学合理的变化权重。最后,对某市轨道交通1号线一期工程Ⅱ标段沿线桥梁进行实例分析。研究结果表明,4座盾构施工临近桥梁安全风险等级分别为Ⅲ、Ⅱ、Ⅱ、Ⅰ级。其中,该施工场地各项土体指标、隧道覆跨比、隧道埋深、隧道直径及桥桩与隧道的相对位置等指标风险较大,即该段隧道盾构施工时对于桥梁自身情况及其施工场地环境需要重点监测,并严格做好周围土体加固等各项技术措施。研究结果可为盾构施工诱发临近桥梁安全风险防控提供科学有效的参考依据。

盾构隧道下穿高铁路基变形影响规律及加固优化研究

为研究盾构隧道下穿高铁路基施工时对路基的影响规律,探究在隧道开挖过程中运用不同加固措施对既有高铁路基的影响程度。以西安市某地铁工程为依托,利用室内模型试验对比分析盾构隧道下穿高铁CFG桩复合路基过程中,无加固、超前管幕工法加固与地表袖阀管注浆加固3种隧道施工条件下,地表沉降值和沉降槽的空间分布规律;采用数值模拟分析验证超前管幕工法加固工况下盾构隧道下穿时,高铁路基、道床的位移变化规律。室内模型试验结果表明:盾构隧道施工中采用管幕工法加固后复合地基正上方的地表沉降最大值减小28.6%,采用袖阀管注浆加固后减小18.0%,并且采用两种加固措施后的CFG桩最大附加轴力均减小20%以上。因此,在隧道掘进过程中采用一定加固措施,可改善围岩稳定性,其中管幕工法加固效果更为显著。数值模拟分析表明:采取管幕工法加固施工与不采取加固措施相比,路基最大沉降量减少33.78%,道床最大沉降量减少45.08%。因此,管幕工法加固能够有效减小对既有高铁路基的影响。

盾构法隧道开挖面稳定性下的多目标优化研究

盾构法隧道开挖过程中开挖面稳定性保持非常重要,开挖面稳定性下提升工程进度、保障工程质量等目标具有重要的工程意义。目前,针对开挖面稳定性下的多目标优化控制的研究不足。选择掘进效率作为工程进度的指标,选择掘进过程引起的最大地表沉降作为工程质量指标。采用分层序列法和NSGA-II多目标优化算法,将盾构开挖面稳定作为第一层优化目标,工程进度与工程质量作为第二层优化目标,研究盾构开挖面稳定下多目标优化。在一段连续穿越堤坝、空地、敏感建筑三个场景的施工隧道中应用本研究方法,结果表明,优化后的盾构推力维持在上下限区间内,提高了施工效率和减少了地表沉降。本文方法能够根据实际工况自适应的调整和优化控制策略,提高了在实际工程中的适应性和灵活性。为类似盾构隧道工程提供了参考和指导。

地铁盾构隧道管片安全状态评价

为准确评价地铁盾构隧道管片安全性,基于对地铁盾构隧道管片结构病害的形成机制分析,从管片变形、渗漏水、裂缝、拱顶脱落、材料劣化5个方面建立评价指标体系,划分管片结构安全状态评价等级,构建未确知测度函数,通过基于熵值改进的G2法确定权重,根据置信度识别准则判断风险等级,并将模型应用于某地铁盾构隧道,对其管片结构进行安全状态评价。研究结果表明:采用未确知测度理论能够准确评价隧道管片的安全等级,结果准确,实用性强。

基于机器学习的盾构隧道地表沉降曲线智能预测方法

联合机器学习模型和启发式智能优化算法,提出盾构隧道开挖地表沉降曲线智能预测方法。首先,建立盾构隧道开挖数值分析模型,在考虑等代层弹性模量、土体弹性模量、隧道半径、土体摩擦角、黏聚力影响的基础上,构建了1680组不同工况影响的地表沉降曲线数据库;然后,分析地层和衬砌力学参数、隧道几何参数对地表沉降曲线的影响规律,采用Peck函数对获得的地表沉降槽曲线进行拟合,获得对应工况下地表最大沉降和沉降槽宽度系数;最后,采用粒子群优化算法(particle swarm optimization,PSO)分别优化4种机器学习方法即多层感知机(multi-layer perceptron,MLP)、极限学习机(extreme learning machine,ELM)、随机森林(random forest,RF)和支持向量回归(support vector regression,SVR)的超参数或随机数,建立了4种盾构隧道开挖有限元模拟代理模型,预测了盾构隧道地表沉降曲线,并对模型的预测结果、预测误差和评价指标进行了对比分析,结果表明PSO-SVR模型在训练和测试过程中性能最佳。建立的盾构隧道地表沉降智能预测方法具有较高的计算精度及计算效率,能合理高效地预测地表沉降曲线分布规律。

医用X射线防护材料的研究进展

介绍了医用X射线与生物系统的相互作用机理及物理防护原理,分析了具有医用X射线屏蔽能力的柔性复合材料的研究进展。探讨了铅、铋、钨等防X射线功能颗粒及聚合物基材的性能特征,总结了涂层法、溶胶-凝胶法、纺丝法等成型方法的优缺点。研究表明,现有X射线防护材料在提升防护效果和使用便捷性方面具有重要意义,但面临性能优化和成本控制方面的挑战。未来研究应聚焦新型功能颗粒的开发、复合材料结构设计的优化及环保高效屏蔽材料的探索等方面,以进一步提升医用X射线防护材料的性能,拓宽其应用前景。

未确知测度理论在盾构下穿既有隧道安全风险评价中的应用

盾构下穿既有隧道工程施工通常存在较大风险,为了对风险等级做出准确有效的评价,提出了基于未确知测度理论的盾构下穿既有隧道安全风险评价模型。首先,通过对相关规范和现有文献的研究,并结合盾构下穿隧道施工的特点,构建了盾构下穿既有隧道安全风险评价指标体系,包括盾构掘进参数、新建隧道条件、既有隧道条件、地质条件和施工管理条件5个一级指标,以及掘进速度、掘进推力、注浆压力等19个二级指标;其次,将综合安全风险划分为5个等级,并明确了各指标的等级划分标准;然后基于熵权-未确知测度理论构建盾构下穿既有隧道安全风险评价模型,采用熵权法确定指标权重,根据未确知测度理论构建各指标的单指标未确知测度函数,将各指标数据值代入单指标未确知测度函数中得到单指标测度评价矩阵,结合指标权重和单指标测度评价矩阵计算得到多指标测度评价向量,依照置信度准则确定安全风险等级;最后,将提出的模型应用于实际盾构下穿既有隧道工程中,对其进行安全风险等级评价。结果表明,模型评价结果与实际风险等级一致,并通过与模糊层析分析法对比验证了所提模型应用于工程实践的有效性,研究结果可为实际施工安全管理提供决策支持。

盾尾刷更换时液氮冻结温度场及冻结参数影响的数值模拟分析

为合理确定高水压下液氮冻结止水更换盾尾刷的冻结设计参数及掌握温度场变化规律,结合某过江通道长距离盾构掘进过程中盾尾刷更换时的液氮冻结止水工程,利用ADINA大型有限元分析软件建立液氮冻结止水及盾尾刷更换数值模型,模拟温度-时间变化曲线与现场实测数据对比,验证模型的合理性,并对土层、去路液氮温度、冻结管长度、冻结管间距、冻结方式进行敏感性因素分析。结果表明:1)冻结效果随土层的不同而发生改变,在卵石层、砾砂层、粉细砂层3种土层中,粉细砂层的冻结效果最差,卵石层最好;2)在有限的冻结时间内,去路液氮温度的不同,只影响土体从开始冻结至越过0℃完成相变这期间的降温速度,不影响完成冻结以后的土体降温速率;3)冻结管长度对土层冻结的影响较小,可以采用较短的冻结管,以降低施工成本和液氮消耗量,但不能过短,应保证其纵向有足够的支撑范围,经计算分析,当冻结管长度为1.52 m时,能在轴面处满足2.0 m的冻结壁厚度要求;4)冻结管间距对冻结效果影响大,冻结管越密,冻结速度越快,效果越好;5)在相同条件下,双环预埋冻结管液氮冻结效果优于管片上直接打孔液氮冻结。

计及邻近线路架设方向和屏蔽影响的密集输电通道防雷性能仿真分析

在调研了输电线路防雷设计的研究现状后,针对考虑密集输电通道中线路间屏蔽作用的绕击跳闸率计算问题提出了改进的电气几何模型法并验证其可行性,主要包括了计算思路的优化和地面倾角处理方式的修正。基于所提出的计算方法,针对3条输电线路并行工况进行了计算和规律分析,发现对线路间屏蔽效果占主导作用的为相邻线路,且屏蔽作用的强弱并非随线路间距线性变化,而是存在一个快速变化的区间范围。在此基础上,提出了考虑实际中线路走向和弧垂的线路间距和对地高度计算方法,基于所提出的方法对实际工程进行了计算,证明了方法的可行性,对输电线路的防雷改造具有一定的指导作用。

盾构法联络通道中提高切削效率的管片弱化研究

盾构法联络通道施工中因洞口处临时管片难以切削,施工中存在掘进周期长、盾机姿态难控制、涌水涌砂风险高等问题,但是关于此问题解决方案的研究目前还很缺乏。因此,本文以天津某地铁盾构法联络通道项目为背景,在保证结构施工及使用期间安全性的基础上,从弱化临时管片的角度出发,提出了3种弱化方式,分别为降低待切管片砼强度等级、减少玻璃纤维筋布筋量以及管片打孔,并利用有限元数值模拟对弱化的可能性及影响进行了研究。结果表明:(1)在3种弱化方式下,特殊衬砌环内力变化规律均为切削区内力减小,钢管片区内力增大,普通衬砌环的内力小幅度提高;(2)临时管片砼强度由C40降到C20后对衬砌环内力影响在15%以内,其中钢管片区内力增加量在5%以内;(3)主筋量减少70%以内对管片内力影响在2%以内;(4)管片内侧打孔使切削区弯矩降低30%左右,孔径与孔深尺寸相同变化量情况下,孔径对于内力影响大于孔深;(5)不同弱化方式弱化后的结构内力均在极限承载范围之内,3种弱化方式均可采用,从施工便利性和安全性角度来看,临时管片砼强度降低方案为最优方案。

基于移动激光扫描的地铁隧道渗漏水定位及快速检测方法

渗漏水是地铁隧道最主要的病害之一,也会导致其他结构病害,开展地铁隧道渗漏水病害检测方法研究具有重要意义。本文聚焦于地铁隧道渗漏水问题,提出了一种基于移动激光扫描点云数据的渗漏水定位及检测方法。首先,结合移动激光扫描检测方法,开展了隧道精确定位方法研究。然后,对YOLOv7模型进行了改进,引入了ConvNeXt网络和CBAM模块以使模型更好地捕获多尺度、多抽象级别的特征,增强对渗漏水关键特征的关注;使用GIoU Loss损失函数,使模型能够更好地处理不完整渗漏水框;预测时使用Soft-NMS加权平均的方法,保留更多的边界框,从而提高检测精度。结合在重庆地铁获取的激光扫描数据构建的盾构法和矿山法隧道渗漏水数据集,验证了本文方法的高效性和稳健性。消融试验表明,本文方法相较于基线模型在不同数据集上均取得了显著的性能提升,在盾构法数据集中,准确率P提升了8.1%,召回率R提升了4%;在矿山法数据集中,准确率P提升了8.6%,召回率R提升了6.8%。同时,与主流目标检测算法,如Faster RCNN(Swin)、Faster RCNN(ConvNeXt)、YOLOv8对比,本文方法在精度和速度方面都表现出优势。最后,本文展示了部分隧道渗漏水的定位与检测结果,以验证本文方法的实用性。

盾构法联络通道施工对始发端隧道的影响分析

在盾构法联络通道施工中,隧道的结构形式、盾构机顶推力、内支撑支撑力是影响隧道受力及变形的关键因素,为了探究联络通道施工对始发端隧道衬砌结构的影响,本文依托天津地区某盾构法联络通道项目进行了盾构法联络通道施工过程的有限元分析,将施工过程分为初始、预支撑、切削、破洞以及拆撑五个阶段,总结了始发过程中各阶段的结构应力及内力、隧道变形、螺栓内力的变化规律。结果表明:(1)施工完成后结构内力相比之前有所增大但是依旧在安全范围内;(2)结构的应力及变形在拆撑阶段的变化量最大,内支撑起到了施工期间维护结构安全的作用;(3)破洞后洞口周边衬砌环的内力重分布现象较明显,主要表现在衬砌环开洞口一侧的轴力及弯矩有所增加,距离洞口越近的管片其内力变化越大;(4)破洞后环向螺栓的剪力增加到了450 kN,施工中可以增加特殊管片结构的整体性以减小螺栓内力。

Settlement characteristics of large-diameter shield excavation below existing subway in close vicinity

A case of Qinghuayuan tunnel excavation below the existing Beijing Subway Line 10 is presented.The new Qinghuayuan tunnel,part of the Beijing-Zhangjiakou High-speed Railway,was excavated by a shield machine with an outer diameter of 12.2 m.The existing subway was excavated by shallow tunnelling method.The project layout,geological conditions,reinforcement measures,operational parameters of shield machine and monitoring results of the project are introduced.During the Qinghuayuan tunnel excavation below the existing subway,total thrust,shield driving speed,cutterhead rotation speed and torque were manually controlled below the average values obtained from the previous monitoring of this project,which could effectively reduce the disturbance of the surrounding soil induced by shield excavation.The Gaussian fitting function can appropriately fit both the ground and the existing subway settlements.The trough width is influenced not only by the excavation overburden depth,but also by the forepoling reinforcement and tail void grouting measures.

反拉式顶管法施工联络通道对地铁盾构隧道力学性能影响

为探究采用反拉式顶管法施工盾构隧道联络通道过程中主隧道的力学响应机制,依托北京地铁某盾构区间,建立模拟联络通道施工过程的有限元模型,通过与现场监测数据对比验证模型的准确性。继而研究联络通道施工对主隧道管片间错台位移、特殊管片应力及变形、螺栓受力的影响,并分析反力模式对主隧道管片力学特性的影响。结果表明:1)始发管片破除对主隧道力学性能影响较大,随着联络通道进一步开挖,主隧道受力和变形缓慢增大。2)管片间最大错台位移为1.17 mm,发生在特殊管片与普通管片接缝底部。特殊管片最大拉应力为18.6 MPa,出现在开口的顶、底部;最大压应力为27.0 MPa,出现在开口的腰部;最大横向扩张位移和竖向收敛位移分别为2.13 mm和4.56 mm。主隧道管片环间螺栓最大拉应力为213 MPa。3)背推式反力模式更利于控制开口处的横、竖向位移,反拉式反力模式更利于控制开口对面管片应力变形及其接缝处错动位移。

铁路隧道钻爆法与盾构法施工碳排放强度分析

采用全生命周期理论,建立铁路隧道工程物化阶段和运营维护阶段碳排放核算模型。对隧道全生命周期进行数据收集和清单整理,实现碳排放量核算。对铁路隧道施工中的钻爆法和盾构法进行生命周期碳排放强度比较,结果表明钻爆法施工碳排放强度为16 785 tCO_(2e)/km,盾构法施工碳排放强度为9 184 tCO_(2e)/km,为钻爆法施工的54.7%。进一步分析表明盾构法施工水泥、钢材等材料用量及化石能源消耗量远低于钻爆法施工,直接碳排放量和其他间接隐含碳排放较少。研究对降低铁路隧道工程碳排放、推动铁路行业低碳发展具有重要参考价值。