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。

玉磨铁路新平隧道突涌致灾机理及措施响应研究

为查明玉磨铁路新平隧道突涌的致灾机制,结合隧道现场灾害特征,基于地形地貌、地层岩性、地质构造、水文地质、气候条件、施工措施等因素,探讨了突涌的致灾机理,归纳总结了隧道突涌的致灾类型,提出了相应的灾害防控措施。软岩隧道强度低、变形大,设计围岩级别与揭示不匹配等因素对隧道灾变的发生至关重要,特殊的构造环境及地下水等因素助推了灾变的发生;依据致灾成因,将该隧道致灾类型分为:构造-岩性-富水-施工措施,构造-岩性-弱水-施工措施,岩性-富水-施工措施等3种类型,并提出了相应的防治措施;施工过程中,需明确可能致灾的几类因素,加强超前地质预报、监控量测、开挖揭示比对等工作,掌控灾害源的发展及规模,动态调整隧道致灾的类型,针对性地采取防控措施,确保隧道施工安全。

我国城市地下空间盾构法隧道工程技术新进展

基于盾构施工特点,对盾构法施工技术的发展过程和创新进展进行调查研究,总结盾构法施工技术在地铁、市政公路、城市铁路、城市水工隧洞、城市综合管廊等工程中的最新应用,阐述城市盾构法隧道在地质条件多样化、越江跨海常态化、结构断面多元化、地面条件复杂化、隧道结构耐久性等方面面临的技术挑战。介绍超大直径盾构装备、大直径泥水盾构常压换刀、多模盾构、类矩形盾构隧道建造、联络通道机械法施工、软硬极端悬殊地层掘进、富水砂卵石地层土压平衡盾构、地下高地震烈度盾构隧道减隔震抗震和超长距离综合施工等技术创新成果;总结不良地质识别、设备状态实时感知、同步推拼连续掘进、盾构自动驾驶技术、盾构智能化管控平台等盾构智能掘进技术进展;指出城市地下空间建设盾构法隧道工程的发展趋势,地铁隧道、城市道路、综合管廊、城市给排水等设施需要不断更新,并网络化,盾构法隧道技术需要不断发展,盾构法隧道智能化施工需日趋精益。未来盾构装备将朝着“多模式、无刀化、外星化”等多元化,多源信息感知、管片智能拼装、地质探测预报、自主感知掘进决策等智能化以及特大直径、超长距离、超大埋深、超高水压等方向发展。

大倾角断层不良地质下TBM隧道稳定性分析

依托滇中引水大理Ⅰ段香炉山隧洞工程,利用自主研制的微型TBM掘进综合试验系统,开展了TBM穿越断层不良地质工况室内模型试验及数值模拟,研究高地应力下断层对TBM隧道稳定性的影响,分析总结隧道围岩应力应变变化规律及隧道破坏现象,揭示断层不良地质卡机致灾机理。研究结果表明:利用微型TBM掘进综合试验平台成功实现了高地应力条件下TBM开挖大倾角断层工况相似模拟试验,隧道成型质量好。TBM掘进过程中隧道上部围岩首先产生裂缝,当TBM掘进至两种材料交接处时拱顶产生少许掉落,在TBM刀盘整体进入断层带后,拱顶产生大范围塌方,最终形成筒仓式塌落腔,隧道结构被破坏;受断层界面上方围岩滑动影响,原岩内(交界面下方)围岩压力整体呈现先增大后减小的趋势。TBM掘进时对掌子面前方围岩压力影响范围主要在0.43D~0.50D(D为洞径),围岩压力最大增大1.19倍。隧道拱顶上方内部围岩位移随TBM掘进具有4个明显的变化阶段。上部围岩越靠近隧道轮廓线变形越大,TBM穿越断层交界面时围岩变形速率最大,对围岩内部位移影响范围主要在掌子面前方1.21D和上方1.50D以内,断层影响范围约在1.73H(H为断层交界面水平投影长度)以内。这主要是由于断层交界面上方松散围岩滑移松动,同时它极易导致TBM卡机,因此施工宜先对断层交界面处进行超前处理,降低TBM施工风险。

浅埋极软地层超大直径盾构隧道施工期上浮控制措施及实测数据分析

管片上浮控制是极软地层超大直径盾构隧道施工控制的关键难题。为了研究极软地层超大直径盾构隧道施工期管片上浮特征及其影响因素,本文依托珠海隧道工程,制定4种抗浮措施,比较分析了不同措施的抗浮效果,优选了抗浮措施。本文基于实测数据,研究管片上浮过程变化特征,揭示了施工期管片上浮变化规律;利用散点图进一步分析了管片错台量、掘进总推力、隧道埋深等因素与管片上浮量的相关性。

水下隧道复合地层超大直径泥水盾构刀盘刀具设计及应用实例

刀盘作为盾构关键系统之一,其对复合地层施工的超大直径盾构安全和效率影响很大。针对复合地层刀盘设计的问题,首先,对比常压刀盘和常规刀盘结构差异与适用的条件,总结刀盘刀具设计的一般性流程;其次,以某水下隧道盾构刀盘设计为例,进行刀盘选型与刀具布置、结构校核计算,并提出优化提升措施;最后,完成基岩突起地层盾构刀盘刀具配置并在工程中应用。研究与应用结果表明:(1)基岩段无辅助工法直接掘进通过时刀盘工作状态较好,说明实验与仿真结合的刀盘设计流程比较合理,刀盘选型及刀盘刀具设计方案可行;(2)刀盘结构在保证强度、刚度、振动性能指标的基础上,结合不良地质因素需重视磨损、泥饼等潜在问题,在刀盘设计阶段提出解决措施很有必要;(3)常压换刀装置配置磨损监测、温度传感器等单元,必要位置可增设载荷监测装置,提高刀具状态判识水平,有助于合理施工。

单轴压缩下冻融灰岩力学特性及裂纹扩展机理研究

为研究冻融灰岩的物理力学特性及受载破裂过程,基于单轴压缩和电镜扫描试验,获得了冻融环境下灰岩基本力学参数和微观形貌演化规律,并结合PFC2D颗粒流程序,分析了冻融灰岩在荷载作用下的微裂纹扩展和最大主应力场演化规律。结果表明:随着冻融次数的增加,灰岩的峰值强度和弹性模量均呈指数型递减,而损伤变量呈指数型递增;单次冻融循环作用下灰岩峰值强度和弹性模量的平均损伤率分别为0.58%和0.53%,对应的半生命周期分别为111.13和120.79次。灰岩受单向压缩荷载时拉—剪微裂纹占比最高,其次为拉伸和压—剪微裂纹,微裂纹演变趋势可分为无裂纹阶段、微裂纹缓慢发展阶段和微裂纹快速发展阶段。随着冻融次数的增加,微裂纹起裂应力、最大拉应力和压应力均呈指数型递减,表明试样的受载能力降低。研究成果有助于从多尺度认识冻融环境下灰岩的损伤特性和渐进破坏过程,为寒区岩体工程稳定性分析与控制提供理论依据。

珠海隧道超大直径盾构浅埋极软地层施工关键技术

浅埋极软地层超大直径盾构施工存在冒顶漏浆、管片上浮、管片渗漏水、盾构姿态控制困难等重难点问题。依托珠海隧道工程,针对盾构始发一侧隧道埋深浅、周边地层极为软弱的特点,制定并采取了地层预加固处理、盾构机针对性设计、同步双液注浆系统改造及注浆方法优化、改进管片防水体系等系统性措施,浅埋极软地层重难点问题得到有效控制。单一的地层预加固措施对浅埋段管片上浮控制效果有限;厚浆与双液浆组合使用的分区注浆方法可实现缩短顶部浆液初凝时间和早强效果,有效解决了管片上浮及渗漏水;控制管片不均匀上浮可以避免管片渗漏水和裂缝漏水问题。

大吨位转体桥梁不平衡力矩计算方法优化研究

针对常用的不平衡力矩计算方法无法适应于大吨位转体桥梁而造成较大计算误差的问题,基于常用的球铰转动法和球铰应力差法,以某大吨位转体桥为背景,对2种方法的不平衡力矩计算结果进行对比,以确定适合大吨位转体桥梁不平衡力矩计算方法;建立球铰有限元模型,分析不平衡力矩对球铰应力差分布规律;采用增广拉格朗日方程对基于球铰应力差法的不平衡力矩计算公式进行优化,并以多座桥梁为例验证优化公式的适用性。结果表明:球铰应力差法与球铰转动法的不平衡力矩计算值相对误差较小;球铰两侧应力差值的大小随着与球铰中心距离的增加呈现先增大后减小的变化趋势;不平衡力矩有限元分析值大于实测值,且两者的相对误差随着不平衡力矩的增加显著增大,最大相对误差为33.4%,优化后的球铰应力差法计算得到的不平衡力矩值与实测值的相对误差在15%以内,表明优化效果良好。

超长距离TBM施工运输调度管理系统——以北疆某供水工程为例

为解决超长距离TBM隧洞多车辆行驶风险高、运输效率低、调度管理时效性差等施工难题,分析TBM隧洞施工常见的4种多车辆行驶道路模式,即单车道和双车道无轨运输、单线和四轨三线有轨运输。针对不同运输方式和道路模式设计智能调度算法逻辑规则,形成基于蓝牙信号强度的隧道内车辆实时定位及轨迹预测方法,研制具有实时定位、实时语音通话、在线视频等功能的盒体式车载终端,开发具有普适性、通用性和参数化、模块化的长距离隧道施工车辆智能调度管理系统。该系统在北疆某供水工程输水隧洞长距离TBM施工单线有轨运输工况下进行应用示范,实现了多车辆智能防碰撞和语音实时对讲调度,提高了长距离物料运输效率和多车辆行驶安全性。

基于岩碴部分替代的早强喷射混凝土研制及应用

为解决山岭隧道施工现场岩碴大量堆积,造成资源浪费、环境破坏等问题,以西南地区某高原隧道工程为依托,研究岩碴部分替代喷射混凝土中粗骨料的可行性和实用性。基于确定的基准试验组喷射混凝土的配合比,通过唯一变量原则,开展喷射混凝土中粗骨料岩碴替代率分别为10%、15%、20%、25%、30%、35%的室内试验,主要包括喷射混凝土的坍落度、黏聚性、保水性、抗压强度、抗折强度等室内试验。另外,在依托工程现场开展不同岩碴替代率的混凝土试喷工作和实体强度的大板试验。基于室内及现场试验结果,得到喷射混凝土中粗骨料的岩碴最大替代率应控制在30%以下,现场试验段隧道拱顶和边墙的喷射混凝土回弹率均满足规范要求;通过大板试验,进一步验证了岩碴对粗骨料的最大替代率应控制在30%以下的使用要求。

基于线性回归的大漂石地层盾构掘进参数研究

大漂石地层具有离散性、强透水性、易扰动坍塌、抗压强度高等特点,导致施工的复杂性和不确定性较高,为探究该地层掘进参数的相关性,通过线性回归分析对大漂石地层的盾构掘进参数进行了系统的线性模拟与区间预测。结果表明:(1)对于大漂石地层,刀盘扭矩与土舱土压(左上)、推进油缸总推力、推进平均速度的相关性以及土舱土压与推进平均速度的相关性较好,大致呈线性变化,且回归效果显著,具有较好的实用价值;(2)线性回归分析的区间预测结果准确度较高,但可能在遭遇大漂石、刀具磨损以及地质变化等情况下出现离群点。