隧道原位扩建施工力学与围岩松动圈演变规律:以广西贺州—巴马高速公路廷心隧道原位扩建工程为例

交通量的激增导致的早期建成的高速公路隧道已不能满足通行需求,通过高速公路原位改扩建形式来解决这个问题。但是目前在隧道原位扩建时的围岩松动圈演变规律、应力重分布规律还不明确,常常会导致大变形甚至塌方等安全事故、工程质量等诸多问题。针对隧道原位扩建施工力学与围岩松动圈演变规律,采用离散元软件GDEM建立新建两车道、三车道及四车道的模型和“两扩三”及“两扩四”的隧道模型,并模拟结果与现场应力监测分析定性对比验证,开展公路隧道原位扩建施工力学行为与围岩松动圈展开研究。结果表明:围岩应力大小顺序为拱顶<拱腰<拱脚,开挖宽度增加或者围岩等级的降低会导致围岩应力增大;在相同开挖宽度下,新建隧道的围岩应力小于原位扩建隧道;隧道围岩的松动圈随着围岩等级的降低而逐渐扩大,其形态由“点”形扩大为“耳”形,再扩大为“蝶”形;当围岩等级相同,新建隧道围岩松动圈范围小于扩建隧道的围岩松动圈范围。扩建隧道施工会使围岩从原来多次应力重分布的基础上再进行多次应力重分布,而这种应力的复杂演变将导致了新建隧道和扩建隧道的应力、应变场将完全不同,同时扩建隧道导致原本已经处于稳定状态的围岩松动圈再次向外扩张。

高速公路隧道接近段视错觉控速标线信息感知研究

由于高速公路隧道洞口处存在黑洞效应,且隧道内外限速存在差异,因此,高速公路隧道洞口处成为事故高发路段。为了改善高速公路隧道洞口处行车的安全舒适性,常在隧道接近段布设视错觉控速标线给予驾驶员视觉冲击,起到提醒驾驶员安全减速的作用。本研究利用UC-win/Road软件建立仿真模型,通过室内模拟驾驶平台进行仿真试验,利用眼动仪对驾驶员视觉信息感知进行测量,选取物理指标速度降低率、最大减速度值和生理指标瞳孔直径变化率作为评价指标。基于加权RSR综合评价法,分别对行车道上不同闪现率的车速增加式视错觉控速标线(横向形、鱼刺形)和车道压缩式视错觉控速标线(正梳齿形、斜梳齿形)进行减速效果评价。结果表明:4种视错觉控速标线都具有影响驾驶员感知信息的能力,其影响程度从大到小为鱼刺形、横向形、正梳齿形、斜梳齿形;相同类型不同闪现率的视错觉控速标线减速效果存在差异性,相同闪现率下车速增加式视错觉控速标线减速效果较车道压缩式视错觉控速标线好;在满足行车舒适度要求下,快车道推荐布设闪现率为8 Hz的横向形视错觉控速标线,慢车道推荐布设闪现率为8 Hz的鱼刺形视错觉控速标线。

城市轨道交通正交异性钢桥面板疲劳损伤系数研究

基于城市轨道交通正交异性钢桥面板疲劳性能的重要性,对国内多个城市的轨道交通的交通荷载进行了调研,发现各线路各时段的客流量差异较大,各线路的载客平均轴重与空车平均轴重的比值不同,比值为1.02~1.51。轨道交通因乘客流量带来的轴重比例变化相对较小,因此每一列车都对钢桥结构的疲劳有一定影响。研究了疲劳损伤系数的组成,基于不同的应力循环次数,提出了基于列车荷载作用频次的城市轨道交通桥梁的3个疲劳损伤系数。研究结果可为城市轨道交通钢桥的疲劳设计提供参考,并为规范的修订提供技术依据,对完善城市轨道交通钢桥疲劳设计具有理论意义。

隧道入口段不同颜色路面照明亮度试验对比研究

为了缓解“黑洞效应”对行车安全的不利影响,采用现场测量试验和仿真模拟相结合的方法,研究隧道入口段彩色路面对其照明亮度的影响规律。研究结果表明:不同颜色彩色路面对隧道入口段整体环境的亮度均造成不同程度的提升,其中黄色路面提升效果最明显;隧道入口段高压钠灯提供的环境、路面亮度均比LED灯高;布灯间距对亮度有显著影响,但其增加并未与彩色路面亮度提升成比例关系。研究结果可为高速公路隧道工程的明色化路面设计提供参考。

穿越煤系地层隧道预留岩墙破坏力学行为与安全厚度研究

为研究穿越煤系地层隧道在瓦斯压力和地应力作用下的力学行为变化,以贵州的天成坝隧道的瓦斯煤系地层为工程案例,通过相似模型试验搭建三维试验物理模型,分别研究预留岩墙在2种不同隧道跨度下的力学行为变化,并与数值模拟相结合研究不同因素下隧道开挖岩墙厚度变化规律。结果表明:1)隧道开挖改变了围岩的原始应力状态,在隧道掌子面前方的岩墙出现应力集中,且隧道在开挖后掌子面一侧的应力卸载使竖向应力和水平应力差值最大。2)隧道所在的地质环境相同时,预留岩墙上部垂直地应力越大,隧道的开挖跨度越大,预留岩墙的厚度越小,预留岩墙发生破坏失稳的可能性越大。3)隧道开挖过程中,预留岩墙垂直应力与位移监测点竖向位移同步变化;垂直应力达到峰值时,竖向位移变形最大;随后垂直应力减小,竖向位移变形趋于稳定;垂直应力突变导致预留岩墙破坏,位移量急剧增大。4)建立不同瓦斯压力、不同围岩等级、不同隧道跨度情况下的数值计算模型,通过正交试验法,设计8种不同工况,得到不同因素组合下预留岩墙厚度的变化规律;最后通过多因素回归分析法,拟合得到最小预留岩墙厚度的计算经验公式。

超大断面装配式明挖隧道结构及其施工方法研究

为提高隧道工程建设质量,针对国内明挖隧道装配式结构发展不成熟问题,以新森大道隧道为依托对超大断面明挖隧道装配式结构体系及施工方法展开研究,同时建立适用于公路、市政超大断面隧道装配式明挖结构体系,即“全预制”“仰拱现浇+上部预制”,并提出结构构造厚度建议值及多道防水构造方案。通过分析总结和数值模拟得出:(1)“仰拱现浇+上部预制”4分割方案在回填工序下的结构力学响应动态分析结果表明,该分割方案在施工过程中,结构应力、位移以及连接部位接头的张开角等均满足规范要求,且具备一定安全储备;(2)结合依托工程,提出一种适应于超大断面明挖隧道装配式结构的“边墙安装—仰拱现浇—拱顶拼装—细部作业—覆土回填”的施工方法及步骤。

暗挖隧道与基坑交界处的管棚拆除技术研究

由于城市环境复杂,暗挖隧道施工风险极大,暗挖转明挖时有发生。为了保障暗挖转明挖施工过程中隧道段安全,通过数值分析,研究了对管棚已施作的情况下,明挖施工时先拆除管棚后放坡开挖、施工围护桩后先拆除管棚后开挖、施工围护桩后拆除管棚和开挖同时实施3种方案。结果表明,明挖施工导致管棚受力增加40%,先行洞的管棚受力不利于后行洞的管棚受力,先行洞的管棚轴力最大增加了50%;在围护桩完成后管棚拆除和开挖同时施工中的管棚弯矩变化比先拆管棚后开挖施工中的管棚弯矩变化大约10倍;基坑围护桩的施作能够减小管棚拆除产生的弹性变形,管棚拆除改变了其位移曲线形状,管棚拆除前后的最大变形从0.7 cm减小到0.1 cm;隧道暗挖管棚段转明挖后建议设置基坑围护桩和先拆管棚后开挖施工的方案。研究结果可为类似项目提供理论依据和施工经验。

研究生课程混合式教学模式研究--以桥梁结构体系课程为例

随着信息化技术的不断发展,混合式教学模式充分融合线下课堂教学和线上优质教育资源优势,激发学生学习主观能动性,并取得了良好教学效果。以研究生桥梁结构体系课程为例,结合超星学习通及在线学习中心教育平台,提出了课前预习、课堂重点难点解析加讨论、课后拓展的“PIP”混合式教学模式。教学过程中突出“问题视点”,通过加强研究生文献阅读能力,探索包括学生间互评等六个量化指标的多元化考核方式,取得了较好成效。

基于概率和寿命周期成本的桥梁维护策略研究

目前我国桥梁已逐步迈入新阶段,桥梁的管养和新建同样重要。随着桥梁服役时间的增加,桥梁结构的性能在逐渐衰退,有关桥梁管养的投资还不能够达到实际需求。概率指标有两个含义,它是结构维修的质量指标,也是此次维修的费用限制,协调好近期投入和长期效益的关系,依赖于合理的维修可靠度选取,以达到既经济又有效的目的。基于概率和寿命周期成本研究了桥梁维护策略,以期减少养护投资,提高桥梁结构的相关性能。类似桥梁结构的管养也可采取本文提出的维修优化模型。

界面效应对PCSS剪力键滑移性能的影响实验研究

为考察栓钉界面、竖钢板界面对于预制装配抗剪栓钉(PCSS)剪力键抗剪性能的影响,进行了栓钉、竖钢板与混凝土全粘结(F),只有栓钉与混凝土粘结(H),栓钉、竖钢板与混凝土均无粘结(N)的剪力键推出实验研究,并建立了有限元模型,揭示了界面工作机理。实验结果表明:N、H、F型试件承载力和抗剪刚度依次增大,其中栓钉与混凝土间的粘结效应对剪力键抗剪承载力贡献了7.9%,对抗剪刚度贡献了10%;竖钢板与混凝土间的粘结效应对剪力键的抗剪承载力贡献了5.6%,对抗剪刚度贡献约50%。其中,竖钢板与混凝土间的粘结作用对剪力键的抗剪刚度和延性均影响较大。通过有限元Abaqus软件进行模拟分析,考虑零厚度内聚力单元模拟竖钢板与混凝土之间的界面接触,对比弹塑性阶段无粘结效应的界面横向应变,得出PCSS剪力键竖钢板与混凝土间存在约束效应,并且竖钢板与混凝土间的粘结作用能够强化这种约束效应。在计算其抗剪刚度和承载力时,需考虑这种约束效应。

岩溶隧道排水系统土工布结晶淤堵试验研究

为解决隧道土工布结晶淤堵的问题,本文进行了室内模型试验,将现场土工布样品和试验样品进行SEM扫描电镜分析,对结晶体微观形态与土工布间的粘结方式进行研究,得到土工布材质、土工布单位面积质量以及土工布放置坡度对结晶淤堵的影响规律:1)在9种工况下,试验前7 d的结晶速率比余下周期快2.4倍,随后不同程度的减小;在相同的土工布材质条件下,单位面积质量为500 g/m^(2)的土工布结晶速率较300 g/m^(2)和400 g/m^(2)的土工布分别快99%和37%。2)土工布单位面积质量相等时,复合土工布表面结晶量少于长丝土工布和短纤土工布,但当单位面积质量增大到500 g/m^(2)后,长丝土工布表面结晶量反而超过另外2种土工布。3)在单位面积质量和材质都相同的条件下,当以坡度为0°放置时(拱顶位置),长丝、短纤和复合土工布的结晶量最大,分别为153.09、203.97、63.67 g,当以坡度为90°放置时(拱脚位置),长丝、短纤和复合土工布的结晶量分别为59.44、71.43、25.35 g,说明试验坡度将影响土工布结晶淤堵速率,放置坡度越平缓,结晶速率越快。

桥梁索体钢丝外加电流阴极保护机理试验研究

拉吊索在侵蚀环境作用下易受氯离子、氧气、水等物质的腐蚀作用,严重影响了缆索系统的耐久性。本文通过开展镀锌平行钢丝外加电流阴极保护(Impressed Current Cathodic Protection,ICCP)试验,研究外加电流对桥梁索体钢丝的阴极保护效果,根据钢丝在侵蚀过程中的微观损伤演化以及腐蚀速率、抗拉强度、延伸率、瞬断电位、开路电位、极化曲线、疲劳性能等力学性能指标的变化规律,从而确定ICCP电压的施加范围。结果表明:随着保护电压的负向偏移,ICCP的保护效果更佳,当保护电压位于-1.3 V时对延缓钢丝腐蚀的效果最好,腐蚀速率最低,抗拉强度、延伸率和疲劳寿命的损失率最低,且延性得到显著提升。

基于模型试验的城市轨道交通正交异性钢桥面板应力特征研究

在轨道交通桥梁实际运营过程中,由于桥面板的结构特点以及轨道车辆荷载大小的时变性,桥面板往往处于较为复杂的时变三轴应力状态,现行规范并不能很好地指导其设计与施工,针对轨道桥梁桥面板的深入研究也较为匮乏。为了对其应力特征进行研究,借助正交异性钢桥面板足尺节段模型疲劳加载试验得到了桥面板、U肋及横隔板处的测点应力数据,通过比较不同路径上和不同位置处的试验数据总结出桥面板在桥梁服役阶段各关注细节的应力变化规律。试验结果表明桥面顶板测点的应力水平随着与U肋的距离愈来愈远而大幅降低,U肋处测点距桥面顶板的距离大小对该处应力水平的影响更大,横隔板处测点的应力最大值均出现在桥面板-横隔板-U肋三者共同连接区域。针对各连接部位较多处于应力集中状态这一普遍现象提出在U肋内增设内隔板的改进措施,ANSYS仿真模拟结果表明当内隔板采用三面围焊时可以有效改善应力集中现象。

轨道交通新型正交异性钢桥面板局部应力分析

正交异性钢桥面板的受力问题很复杂,国内外学者对其研究主要以公路桥为主,少数为铁路桥。由于轨道车辆轴重大,冲击力强,轨道交通桥梁正交异性钢桥面板结构的受力行为与公路桥梁存在差异,现行的钢结构规范有关疲劳方面内容并不能够完全适用于公轨两用桥或轨道专用桥。本文建立了某桥正交异性钢桥面板模型,对其疲劳焊缝位置进行了受力分析,研究应力场分布特征,分析轨道荷载模型在单轴荷载作用下正交异性钢桥面板的整体应力分布状况。结果表明:桥面板的应力主要集中在与横隔板连接位置,横隔板最不利受力位置位于开孔的外缘,U肋上的应力主要集中在与横隔板或桥面板连接位置。为正交异性钢桥面板结构的设计和评估提供参考依据。

基于显微放大算法的桥梁模态参数识别试验

提出了基于运动信息显微放大算法的非接触式桥梁模态参数识别方法,以高清高速摄像机为非接触式传感器,获取试验桥在两种工况下主梁结构动力响应影像序列数据。依据欧拉规则的运动信息显微放大算法对试验桥微弱运动信号进行空间分解、时域滤波、运动信息放大及重构处理,提取放大后图像中的试验桥主梁中跨区域的微弱模态振型,最后将非接触式影像与加速度传感器获取的微弱模态参数进行对比分析。试验结果表明:两种方法获取的模态参数基本吻合,两种工况下频率的平均误差分别为1.05%、2.11%,振型相关性为94.3%,满足频率精度和结构振动测试要求,为研究桥梁结构在外部环境激励下的微弱模态参数提供了一种全息、便捷、可视化的识别方法。

基于磁处理法的隧道永磁体排水管防结晶试验

为预防隧道排水管结晶堵塞,提出永磁体排水管关键技术指标,通过自制的永磁体排水管开展室内试验和现场试验,研究磁场强度、流量、磁体布置间距对永磁体排水管内结晶的影响,根据不同条件下结晶物的质量变化和SEM图像进行试验分析。结果表明:1)磁场强度为0.1~0.3 T时永磁体排水管具有较好的防结晶效果,磁场强度超过0.2 T后防结晶效果逐渐降低,当磁场强度为0.4 T时永磁体排水管内结晶量反而大于普通排水管;2)随着试验管段内溶液流量增大,永磁体排水管的防结晶效果增强,但当流量超过450 m L/s之后,防结晶效果不再随流量增大而增强;3)经永磁体处理后,管道内的结晶物由规则的立方体形状转变为粗糙松散的不规则体,由硬质块状转变为粉末状,有从方解石向文石、球霞石转化的趋势;4)随着管道永磁体布置间距减小,管道内最终结晶量呈下降趋势,在10、40、70 cm 3种永磁体布置间距中,最佳布置间距为40 cm。

深水桥梁双壁钢吊箱围堰分布式网络化智能监测方法及应用

为促进信息化技术在工程项目中的应用,在龙溪嘉陵江大桥钢围堰安装施工与使用过程中,研究采用分布式网络化类型无线采集系统,它能同时进行振弦式传感器的应变数据采集与环境温度采集。构建了基于BIM的深水围堰分布式网络化无线智能监控系统,它不仅能把采集到的数据直接保存在系统中,而且采集系统还可通过无线通信将采集到的数据发送到计算机保存为excel文件便于用户数据分析。从整个监控过程看,基于深水钢围堰分布式网络化无线智能监控方法得到较好应用,确保了施工过程中9号钢围堰结构安全,效果较好。由监测结果可知,下放及封底混凝土浇筑过程中,各监测点监测结果均小于报警值,未发现异常情况,钢围堰整体处于安全可控状态。在承台施工过程中,内撑最大实测应力为-41.97MPa,承台浇筑后内撑应力有所减小。

基于水力压裂增透的多煤层瓦斯隧道快速揭煤防突技术研究

为实现瓦斯隧道安全快速有效地揭煤,以正习高速公路天城坝隧道揭煤工程为背景,分析了水力压裂大范围增加煤层透气性原理与增透效果影响因素,基于水力压裂增透技术建立了多煤层瓦斯隧道揭煤防突技术体系,探讨了以超前探测、初探、精探、区域瓦斯防突及检验、工作面防突及检验、验证揭煤等为核心的揭煤防突流程,优化了瓦斯隧道水力压裂防突技术中压裂钻孔布置、压裂工艺、封孔工艺、破裂压力及用水量、抽采钻孔布置等关键工艺参数。C6—C8煤层原始瓦斯压力(1.62~4.12 MPa)、瓦斯放散初速度(18.2~34.0)、煤体坚固性系数(普遍小于0.5)和破坏类型(Ⅲ类)等指标综合表明C6—C8煤层具有突出危险性。对C6煤层进行水力压裂增透后,煤层平均单孔瓦斯抽采纯量0.009 m^(3)/min,抽采浓度在60%以上,抽采30 d后煤层残余瓦斯含量和瓦斯压力分别降为2.91~5.29 m^(3)/t和0.26~0.61 MPa,缩短揭煤时间2个月。研究结果表明,水力压裂技术能有效改善瓦斯隧道揭煤防突效果,为安全快速揭煤工作提供安全保障,对类似隧道揭煤施工具有借鉴意义。

浅埋公路隧道原位改扩建围岩变形破坏特征

为了能使现役公路隧道满足当前交通量迅速增长的需求,需对原有隧道进行改建和扩建。以廷心隧道为工程背景,分析了现场工况及围岩变形破坏情况,采用力学分析软件GDEM数值模拟隧道原位扩建工程,选取不同围岩等级的力学参数,研究隧道围岩的应力、塑性变形、位移及形变等方面并分析围岩变形破坏规律。结果表明:围岩等级越低,拱顶、拱底以及衬砌上的竖向应力就越小,拱腰的竖向应力越大,隧道中间隔墙受到的破坏程度越大;在隧道扁平率的影响下,在隧道原位扩建时,隧道的拱顶、拱底以及拱肩的围岩变形相对较大,拱脚和拱腰的变形相对较小。

钢筋混凝土拱桥加固施工次序方案及效果评价

为研究钢筋混凝土拱桥最优的加固施工次序,以一座在役4跨箱形拱桥的加固方案为背景,设计了3组针对性的加固方案,并对不同拆除加固施工次序下的主拱圈力学性能进行了分析;采用恒载应力变化率(αD)和荷载效应变化率(αN)评价了施工中拱圈的应力变化规律及加固后原拱圈的荷载效应。研究结果表明:拱上结构的拆建次序对加固后主拱圈的力学性能影响较小,但对加固过程中主拱圈的受力状态影响较大;拱顶对称拆除时αD<0,结构处于“卸载”状态,有利于拱桥施工中的受力;αN随着拱上结构恒载减小而增大,且增速减缓,故加固层材料利用率也随拱上结构恒载减小而增大,且增幅变缓;αN越大,则加固效果越好。