隧道结构智能综合检测装备研制与应用

为解决隧道结构健康检测常规方式存在检测指标相对单一、机械化程度低、检测效率低、智能化水平低、安全风险高等突出问题,通过“非接触远距离检测”“表观病害智能检测与识别”“装备集成与智能控制”等关键技术研究与创新,研制出隧道结构智能综合检测装备,实现隧道结构内部病害、表观病害、结构形变等一体化综合检测。经工程验证,该装备可实现隧道衬砌厚度、背后空洞、钢拱架分布、衬砌裂缝、衬砌裂损、渗漏水、隧道断面及盾构法隧道椭圆度、管片错台等非接触高效综合检测,其综合作业效率为10~40 km/h,比常规检测方式提升2~8倍,检测方舱采用模块化设计,可搭载于轮式汽车底盘、轨道平板车等多种载体,适用于隧道建设施工过程中、竣工验收及运营期等多种工况,市场应用前景广阔。

隧道预切槽法合理支护时机及管片接头结构研究

预切槽法是隧道暗挖施工的一种超前支护工法,此工法可大幅度降低地表沉降量,对隧道围岩土体及地表建(构)筑物影响较小。采用室内试验和数值模拟的方法,针对浇筑预切槽管片所用混凝土的前期强度、合理支护时机以及预切槽管片接头处合理的接茬方式进行了研究。研究结果表明,按C30配比的混凝土养护1.5~2 h时即具有6 MPa以上的抗压强度,满足拆模要求;粘接介质对管片环向位移的约束效果明显,环氧树脂可作为优良的管片粘接剂;榫槽式接头榫头角度α的理想范围为55°~70°,综合考虑预切槽工艺的可操作性,榫槽式接头深度B的理想范围为6~8 cm。

超长深埋铁路隧道结构材料韧性提升及应用性能验证

针对传统铁路隧道韧性不足的问题,提出通过钢纤维和碳纳米管对混凝土进行协同改性,增加混凝土的韧性。试验首先分析了钢纤维碳纳米管混凝土的基础性能,然后对其在铁路隧道的应用进行研究。试验结果表明,钢纤维掺量为2%,碳纳米管掺量为0.1%时,对混凝土的增强效果最佳。此时,钢纤维碳纳米管的坍落度为160 mm,抗压强度约为66.7 MPa,抗折强度约为10.5 MPa,初裂冲击次数和终裂冲击次数分别为284次和391次,破坏形态为塑性破坏,综合性能良好。将其在铁路深埋隧道中进行应用,各龄期底板侧墙和顶板结构的外观质量完整,未出现贯穿裂缝,表现出良好的应用效果。

隧道衬砌病害对结构安全性影响机理研究

隧道在建设和运营过程中常遭受衬砌开裂、渗漏水以及背后空洞等多种衬砌病害,这些病害会对隧道的安全性造成不良影响。为评估隧道衬砌常见病害对隧道安全性的影响,研究建立了一种基于安全系数法的隧道安全量化方法,定量评价病害对隧道安全的影响,并通过数值模拟分析了不同病害类型、不同病害程度、不同病害分布下隧道的安全性。研究结果表明:衬砌开裂、衬砌渗漏水、衬砌背后空洞对隧道安全性有不利影响,主要表现为衬砌轴力、弯矩、剪力增加,安全系数下降;病害程度越高,安全系数下降越明显;衬砌病害出现在拱顶或仰拱时对隧道安全最不利。

大直径盾构隧道弧形件预制拼装技术与智能化安装机应用

为解决传统盾构隧道弧形件(口子件)在拼装施工中存在的拼装工艺不先进、拼装精度差、装备智能化程度低、施工进度慢等技术难题,通过引进装备设计和智能化控制理念,采用弧形构件内部穿行式设计思路,结合毫米级负载敏感液压系统和亚毫米级位姿测量系统,研制出一台可实现弧形件一键智能化拼装的穿行式弧形件智能安装机。该装备具有精调数据测量系统、自动检测与感知、自动运算与分析处理、自动决策与动作执行、人机交互与信息储存等智能化控制技术,在上海轨道交通市域线机场联络线JCXSG-11标工程首次应用,取得了良好的拼装效果。结果表明:1)安装机液压系统控制精度达到0.5 mm,弧形件拼装精度达到±5 mm,实现了高精度拼装;2)安装机通过智能化控制技术,实现了一键式操作,每循环工作耗时32 min,施工效率提高30%以上,节省人工50%以上;3)穿行式弧形件智能安装机工作性能稳定可靠,可实现运行状态、控制方式、传感器数据、液压油缸行程数据、通信状态等参数的记录与储存,实现人机交互。

大直径盾构隧道中隔墙智能安装机研制与应用技术

为解决传统盾构隧道中隔墙预制拼装中存在的拼装精度低、施工效率低、人工作业风险高、多工序协同干扰大等问题,通过智能化装备设计与研究,结合双跨式门架结构设计思路,研制一台可实现中隔墙一键智能化拼装的门架式中隔墙安装机。该装备能有效解决中隔墙拼装各工序的高效协同作业、拼装作业与盾构掘进施工的交通物流干扰等问题,具有自动运算分析与决策执行、视觉相机识别中心孔定位、基于双六轴机械臂与主动视觉姿态控制、多传感信息融合定位、重载伺服位移反馈控制等智能拼装技术,并在上海轨道交通市域线机场联络线JCXSG-11标工程首次应用,取得了良好的应用效果。应用结果表明:1)安装机应用符合规范及设计要求,系统控制精度与同步精度达到0.5 mm,中隔墙拼装精度达到±2 mm,实现了高精度拼装;2)安装机通过智能化控制技术,实现了一键式操作,每循环工作耗时38 min,施工效率较传统现浇提高10倍以上;3)门架式中隔墙智能安装机工作性能稳定可靠,装配式预制构件成品拼装质量可控,能改善施工环境,实现快速与绿色施工。

盾构隧道内部中隔墙安装机智能化控制系统设计

为解决传统盾构隧道内部中隔墙整体现浇或部分现浇存在的施工效率低、工序繁琐及稳定性较差的问题,以上海轨道交通市域线机场联络线JCXSG-11标工程为依托,基于中隔墙施工工艺与配套安装机结构形式,开发一套智能化控制系统。从总体框架设计、流程设计、功能模组设计和控制与检测算法4个方面详细剖析控制系统的设计过程和功能模块,辅以中隔墙安装机主要结构与工作步骤介绍,重点阐述视觉相机识别中心孔定位和双6轴机械臂多传感信息融合定位的智能化控制设计方法及实施效果,保障中隔墙安装机拼装姿态与控制精度。现场测试结果揭示:1)控制系统能够驱动安装机较好地完成指定动作,实现设计功能;2)现场采用控制系统完成了726块中隔墙的拼装测试,平均每块中隔墙拼装时间控制在38 min左右,小于设计时间,拼装精度基本控制在±3 mm误差范围内。

隧道智能检测车表观检测系统设计与应用研究

隧道病害对隧道正常运营造成了安全隐患,虽然当前已开展隧道病害检测相关研究,但是仍然存在图像采集质量差、检测速度慢、定位不准确等技术瓶颈。为解决上述问题,设计隧道检测车表观检测系统。该系统包括机器视觉、高精度定位、智能同步控制3个子系统,具备铁路隧道与公路隧道病害检测能力。根据铁路隧道和公路隧道的理论断面尺寸,对面阵相机图像采集系统进行设计,包括相机的选型和多个相机在3D空间中的布局等。现场测试结果表明,采用该设计方案,能够发现宽度0.2 mm的病害,为隧道养护提供科学依据和合理建议。

隧道结构健康管理大数据平台研发及应用

为有效提高隧道管养效率,在总结提炼隧道内部与表观病害类型的基础上,采用Spring Boot+MyBatis Plus架构,应用分布式的Redis和MySQL部署开发技术研发隧道结构健康管理大数据平台,并从设备管理、病害管理、大数据智能分析处理等方面进行现场应用。结果表明:1)研发出的隧道结构健康管理大数据平台能够满足对常见病害数据进行管理展示的功能要求,且界面简洁友好、使用简单方便,实现了隧道病害由传统的依据经验判断到依托数据进行科学决策的转变;2)该平台基于神经网络模型,实现了隧道表观病害的智能识别,减小了病害识别方面对人工的依赖;3)该平台支持通过PC端或移动端对病害信息进行多维度查询,解决了以前隧道病害信息获取滞后且查阅不便的问题。

超细粉煤灰形态对超高性能混凝土(UHPC)性能和结构的影响

本工作分别以平均粒径相近但形态分别为球形和碎片状的超细粉煤灰(UFA)替代硅灰制备超高性能混凝土(UHPC),对比研究了超细粉煤灰形态对UHPC工作性能、力学性能及其中钢纤维分布的影响,并从水化产物和微观结构等方面探究了超细粉煤灰形态对UHPC性能的影响机理。结果表明:与球形UFA相比,碎片状UFA的比表面积和需水量更大、活性更高。具体表现为,用于制备UHPC时,球形UFA可明显提高UHPC的流动度,但会使钢纤维下沉,并会轻微降低UHPC的力学性能;碎片状UFA对UHPC流动度的提高作用稍小,但可提高其抗折强度,此外,碎片状UFA具有更显著的大孔填充作用,在掺加碎片状UFA的UHPC中观察不到宏观气孔缺陷。

单线铁路隧道快速施工组织与机械配套研究

单线铁路施工中为提高施工效率常使用扩大断面的方法,极大地提高了成本,因此在不扩大断面的前提下采用合适的开挖方法以提高单线隧道的施工效率具有重要意义。目前单线铁路隧道常通过提高隧道机械化配套水平的方式,提高施工的效率,而针对单线铁路隧道软弱围岩地段的隧道机械化配套实际应用较少。提出了一种软弱围岩隧道两台阶带仰拱开挖快速封闭成环技术,研究了其施工机械配套方法,并在实际工程中应用了该方法,证明了其能有效提高单线铁路隧道施工的效率。

基于AHP-TRIZ的铁路运营隧道病害治理台车方案设计研究

为解决现有技术中人工现场临时搭拆脚手架耗时费力、成本高、效率低的问题,采用AHP(analytic hierarchy process)-TRIZ多理论集合方法,开展铁路运营隧道病害治理台车方案设计。基于层次分析法(AHP),梳理铁路运营隧道病害治理台车的设计要素,并对各设计要素的权重进行计算和排序,得出各设计要素权重由大到小排序为强度和刚度大>防溜车和应急回收>快速展开与收缩>防护栏>钢拱架机械化安装>快速进场和退场=非工作状态尺寸小>全断面作业平台>障碍物识别>自适应展开。根据权重大小排序,结合病害治理施工边界条件,确定防护栏、防溜车和应急回收、强度和刚度大、快速进场和退场、非工作状态尺寸小、快速展开与收缩、全断面作业平台、钢拱架机械化安装8个设计要素。依据AHP评价结果,将设计要素两两对比,构建设计要素间的矛盾矩阵,对设计要素之间存在的物理矛盾和技术矛盾进行描述,借助TRIZ理论,明确解决上述矛盾的原理,进而设计台车方案,并基于台车方案研制设备样机。研究表明:1)采用AHP法和TRIZ理论,能够对收集到的功能需求进行相对客观的分析,并能找到解决设计要素之间矛盾的方案;2)基于AHP-TRIZ理论设计的铁路运营隧道病害治理台车具有较好的断面适应性。

隧道穿越不同倾角断层破碎带围岩变形分析

针对隧道穿越断层破碎带过程中出现的围岩变形问题,依托延庆至崇礼高速公路河北段金家庄隧道穿越不同倾角断层破碎带工程,通过FLAC3D数值模拟方法,研究该隧道在穿越不同倾角断层破碎带过程中的围岩变形规律。结果表明,在不同倾角断层破碎带工况下,拱顶沉降最大值总是位于断层带的下侧,而仰拱隆起最大值总是在断层带上侧,且其变化曲线都呈现“稳定变形-缓慢增大-突变变形-缓慢减小-稳定变形”5个变化阶段。各倾角对断层破碎带前后影响区域不同,主要呈现“减小-增大”的趋势,在90°时最小;30°与150°时最大。

一种新型双液浆加固材料制备及铁路隧道应用效果测试研究

针对传统水泥浆液对隧道进行加固效果不理想的问题,提出一种新型双液浆材料的制备。试验对双液浆材料的配比进行优化,并对优化后双液浆材料的性能进行研究,以沈阳某铁路隧道工程为依托,研究了双液浆材料对隧道工程的加固效果。试验结果表明,水泥质量分数为9%、粉煤灰质量分数为3%、偏高岭土质量分数为3%、水玻璃与水泥砂浆体积比为0.5、水玻璃模数为3.32、黄原胶用量为0.10%时,制备双液浆材料性能最优,此时材料流动度为292.5 mm,泌水率为4.2%,胶凝时间为110 s,7、28 d抗压强度分别为19.5、21.5 MPa,不透水性系数为9.1,满足DB11/T 1608—2018标准,表现出良好的综合性能。

既有高速公路隧道仰拱加固施工技术研究

运营公路隧道仰拱病害严重影响隧道的整体稳定和长期运营安全,目前国内外对仰拱病害的形成机制和治理手段已有一定研究,但对仰拱缺陷的深入探讨的较少。文中以天定高速秦州隧道为工程背景,结合国内标准提出了运营公路隧道仰拱缺陷评定标准,基于秦州隧道仰拱病害检测结果对其成因进行了分析,并提出仰拱加固施工方案。整治效果良好,为优化设计和类似工程病害整治提供借鉴经验。

断层地震动作用下隧道洞口衬砌受力研究

近断层地震动对工程结构的地震响应以及失效破坏影响较大,为研究近断层地震动对隧道洞口衬砌地震响应影响,以西部某高速公路隧道为依托,采用扩展有限元技术与动力隐式求解方法,对近断层地震动下隧道洞口衬砌开裂过程进行模拟计算,结果表明在垂直传播剪切地震波作用下,隧道衬砌主要发生底鼓与拱肩向内变形。隧道衬砌拱肩处最先达到抗拉极限发生开裂,拱肩承载比例降低,拱底承载比例上升,随后拱底也达到抗拉极限发生开裂。研究结果可为近断层隧道洞口衬砌合理设计奠定基础。

既有高速公路隧道衬砌裂缝处治技术研究

随着我国交通基础设施的迅速发展,建成并运营的隧道数量愈加庞大,隧道病害问题也愈加突出,其中衬砌裂缝为最常见的隧道结构病害之一。目前国内对于隧道衬砌裂缝的研究仍比较笼统,处治方法也相对片面。因此,文中依托天定高速公路秦州隧道工程,开展既有高速公路隧道衬砌裂缝处治技术研究,结合隧道工程地质状况、隧道施工情况、管养等因素对秦州隧道裂缝成因进行分析,并得出结果,地质因素、施工因素和运营管养因素等为秦州隧道裂缝产生的主要影响因素。根据病害情况不同进行分区裂缝整治和衬砌补强,裂缝处治和衬砌加固效果良好,可为类似高速公路隧道衬砌裂缝病害治理提供经验参考。

地铁隧道结构表观病害快速检测方法与应用

为有效解决地铁隧道表观病害检测车的适用性和病害识别的精准性问题,以A市轨道交通B线为例,采用隧道表观病害检测车开展表观病害数据采集、处理、分析和健康评估,并从检测效率、检测精度和病害识别率3个方面,将设备检测结果与人工检测结果对比分析。结果表明:1)该隧道表观病害以裂缝为主,约占65%,渗漏水和剥落掉块占比相对较小;2)裂缝最大宽度主要集中在0.2~0.5 mm,裂缝最长达3.7 m,剥落掉块面积基本在0.04 m^(2)内,二者健康度以2级为主;渗漏水面积集中在0~0.5 m^(2),健康度评定为1级;3)与人工检测相比,设备检测优势明显,大幅提高检测速度,节约人工71%,病害总体识别率达到92.8%,可检测出0.2 mm以上宽度的裂缝,以及1 cm^(2)以上面积的渗漏水和剥落掉块,大幅提高表观病害检测质量和效率,节约隧道养护成本。并根据表观病害检测结果提出地铁隧道合理化维修建议。

带缺陷隧道底板结构空气耦合冲击回波响应特性研究

针对隧道底板中空腔、含水、裂缝等结构内部损伤情况,为提高传统接触式冲击回波方法的检测效率,从气-固耦合的角度出发,以空气作为底板结构与检测系统之间应力波传播的耦合介质,开展隧道底板结构内部缺陷的空气耦合冲击回波响应特性研究。研究结果表明:1)采用空气耦合冲击回波的方法确定的底板结构内部缺陷深度与缺陷理论深度值基本吻合;2)检测系统的精度与缺陷尺寸及深度有关,随着缺陷尺寸的减小及深度增加,检测精度逐渐降低;3)空气耦合冲击回波方法对空腔和含水缺陷的检测效果优于裂缝缺陷检测效果。

隧道断面及表观病害智能检测系统开发与应用

为解决目前隧道移动测量系统在隧道断面及表观病害信息检测中数据失真及因其体积和质量过大导致难以实用化的问题,设计开发“工”字形移动三维扫描小车,主体结构采用碳纤维材料和折叠式设计,系统质量小于30 kg,可以通过2名作业人员空运携带快速转移到多个城市作业。研究结果表明:1)该系统可以直接采集到轨道信息,为隧道结构参数的计算提供可靠的基准,计算成果和工程定义一致。2)该系统采集数据高效,通过与架站式三维激光扫描系统数据对比可知,结构点云数据误差在±3 mm之内,保证了数据的精确可靠。3)该系统适用于矿山法隧道和盾构隧道,具有良好的检测效果。