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。

济南济泺路穿黄隧道典型粉质黏土HSS模型参数获取及适用性

盾构施工过程中土体大部分区域处于小应变状态,与常用的本构模型的土体性质有所不同。因此,为研究济南济泺路穿黄隧道区域内典型粉质黏土的的静动力行为特性及工程适用性,通过室内基础土工试验、侧限固结试验、标准三轴固结试验以及动三轴试验,确定了粉质黏土基本物理性质参数以及切线刚度E_(oed)^(ref)、割线模量E_(50)^(ref)、卸载/重加载参考刚度E_(ur)^(ref),并将所得参数应用于济南济泺路穿黄隧道工程下穿北岸大堤沉降分析中,同时通过对比应用硬化土小应变硬化(hardening soil model with small strain stiffness,HSS)本构模型、摩尔库伦(M-C)本构模型的模拟结果与现场实测结果,验证了HSS本构模型在该地区变形分析中的准确性。结果表明:围压一定时,该地区粉质黏土试样竖向应变以塑性应变为主,且随动应力的增加,土体达到稳定所需时间越长;循环荷载一定时,增大土体围压可提高土体的稳定性;基于室内试验获取的HSS本构模型参数模拟的济南济泺路穿黄隧道下穿大堤工程地层变形结果与现场实测值吻合良好,验证了基于所提出的室内试验获取岩土小应变相关参数方法的适用性。研究成果可以丰富济南黄河地区粉质黏土地层参数研究,并为该地区岩土工程数值模拟分析的本构模型与地层参数选取提供参考。

地铁盾构并行下穿既有明挖隧道加固方案研究——以济南黄河隧道北岸段地铁下穿明挖公路隧道为例

为解决公轨合建水下隧道分离后,地铁隧道长距离并行近接下穿明挖隧道过程中面临的变间距下穿扰动、地层脱空的问题,以济南黄河隧道北岸段地铁下穿明挖公路隧道为依托,建立考虑可张开地层-结构界面和结构变形缝的精细化三维仿真模型,探究不同加固方案下盾构施工对地层脱空及既有结构的影响。结果表明:1)相比于无加固措施,采用立柱桩加固后,最大地表沉降减少52%,沉降曲线峰值叠加效应得到有效控制;2)采用立柱桩配合三轴搅拌桩加固,盾构下穿过程中既有结构底板横向最大差异沉降减少43.4%,最大沉降降低47.0%;3)无加固措施下,盾构掘进导致既有隧道结构底板与地层之间脱空效应明显,最大脱空位移达1.44 mm,相比于三轴搅拌桩加固,采用立柱桩加固更能有效减少结构底板脱空;4)无加固措施下既有结构最大拉应力增量超限(1 MPa),采用单一三轴搅拌桩加固有增大既有结构注浆范围内拉应力增量趋势,而采用立柱桩配合三轴搅拌桩加固,可有效减少50%的既有结构拉应力增量。盾构并行下穿既有结构时,相比显著强化单一加固措施,综合考虑地层位移控制(防脱空)和结构应力控制的加固措施更加安全有效。

基于深度学习的小麦抗旱相关根系表型原位测量与分析

根系是植物吸收水分的主要通道,根系表型与植物抗旱能力息息相关。为了快速准确地获取小麦根系表型指标,利用土培根盒法进行了小麦干旱胁迫实验,共采集18个时间点的根系时序图像。设计了一套基于深度学习的根系图像处理与分析流程,针对土壤遮蔽引起的断根问题,提出了一种融合目标检测网络和沙漏注意力网络的检测-修复两阶段断根修复方法,以修复根系断裂区域,并通过多尺度训练和自适应迭代法提高修复精度和鲁棒性。提取了小麦在干旱胁迫和对照处理下的根面积、总根长、根宽、根深、根宽深比、根密度6个表型性状,分析了小麦根系对干旱胁迫的表型响应。结果显示,干旱胁迫下,小麦会有更低的根系生物量、更深的根系扎根深度及更分散的根系构型。同时计算了小麦根系干旱胁迫耐受性指数,结合主成分分析法,对小麦品种的抗旱能力进行了描述和排序。

列车动载作用下隧道底部隆起预应力锚索整治失效机制分析

以我国西南某铁路YD隧道典型底部隆起案例为依托,通过分析长达8年的现场监测数据,明确了预应力锚索处置后仍存在的隧底围岩变形难以约束、底部隆起病害持续发展的工程问题,进一步结合数值模拟手段,探究了列车振动荷载作用下缓倾层状岩体运营铁路隧道底部隆起预应力锚索整治的失效机制。研究结果表明:列车动载作用是导致YD隧道底部预应力锚索整治失效的关键因素;在列车动载作用下,预应力锚索出现了整体滑移现象,导致较大程度的预应力损失,难以有效约束隧底隆起发展,最终使锚索整治失效,可见在该病害整治中不宜采用预应力锚索进行加固;同时随列车速度增加,会进一步加剧预应力锚索整治失效现象,在同类病害整治后的逐级提速过程中应引起高度重视,铁路隧道底部隆起病害不宜采用预应力锚索整治方案。

不等跨四连拱隧道中隔墙结构受力现场测试与分析

依托长沙观音岩不等跨四连拱公路隧道工程,选择典型断面对主、辅4个正洞施工全过程中隔墙墙身内力进行现场监测分析,获得其在多洞室开挖、频繁扰动下的力学特征,并验算其安全性。结果表明:四连拱隧道中隔墙结构受力受到相邻的先行洞室开挖影响最大,不相邻洞室开挖对其影响较小;中间位置的中隔墙所承受荷载较两侧的更大,正洞开挖对其影响更明显;施工全过程各中隔墙结构的安全性均满足要求,说明其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。

基于土层重力效应的近邻双孔隧道地层位移计算和扰动分区

为分析近邻双孔隧道施工的相互影响,利用复变函数和Schwarz交替法求解基于土层重力效应且洞室发生收敛变形的地层位移解析函数,通过设置位移约束点对地层位移进行修正,最终获得了土层重力效应下近邻双孔隧道开挖的解析模型。采用该解析模型分析了迭代次数、位移约束及洞室水平变形对地层位移的影响规律。结果表明:当迭代次数为2时,计算结果已满足精度要求;设置竖向位移约束边界使地表相对沉降曲线整体发生向下偏移,左侧水平位移约束边界则使相对水平变形向左侧发生一定量的偏移;随着洞室水平变形系数的增大,地层相对竖向变形随之增大而相对水平变形却随之减小,且对两者的影响程度不一致。基于地层位移判别准则,获得了基于几何近接度和埋深比的双孔隧道的强、弱、无影响分区。

寒区隧道洞口仰拱混凝土早期开裂机理研究

结合数值模拟与对寒区隧道洞口段仰拱填充混凝土早期变形与开裂特征进行了研究。通过ABAQUS平台编写混凝土早期水化热、早期力学性能、温度与湿度动态变化过程子程序,并结合XFEM模拟了混凝土多场耦合作用下裂缝萌生与扩展过程。与某寒区隧道工程仰拱填充混凝土开裂情况进行了对比验证,结果表明:温湿变化耦合作用数值模型可以较好地反映混凝土早龄期温度变化趋势和表面裂缝扩展特征;负温环境和温度应力是其表面开裂的主要原因,既有混凝土和厚度较大处更严重;降低混凝土出罐温度、提高混凝土养护温度可有效避免寒区隧道施工仰拱填充混凝土早龄期表面开裂。

高地温隧道衬砌混凝土早期开裂机理及防控措施

为解决高地温隧道衬砌混凝土早龄期开裂问题,以我国西部某超高地温隧道为依托,利用理论推导、数值模拟与现场测试方法分析温度与湿度变化耦合作用下高地温隧道衬砌混凝土早期开裂机理及针对性保温隔热措施。研究结果表明:高地温与混凝土早龄期水化产热共同作用形成的温度应力是隧道衬砌早龄期开裂的内在原因,早龄期混凝土强度增长不足是表面开裂直接原因;高地温隧道诱发衬砌混凝土早龄期开裂的围岩温度临界值约为63℃,低于此值时隧道衬砌正常施工不会导致早龄期开裂;超过此围岩温度临界值时,建议在初支与二衬间设置夹心式保温隔热层,避免衬砌混凝土因过大内外温差出现早期表面开裂;采用夹心式保温隔热层相比二衬表面设置表贴式保温隔热层更具施工组织便利性,且可避免衬砌混凝土长期处于高温状态。研究结果可为高地温衬砌混凝土早龄期开裂风险防控和隔热措施设计提供参考。

公路山岭隧道洞口施工风险分析与评估

隧道洞口施工关系到隧道能否顺利进洞,因此隧道洞口施工风险是隧道施工风险管理的重点。从安全与环境两个方面综合分析了公路山岭隧道洞口施工潜在的风险事件,并以湖南汝郴高速公路河源洞隧道洞口施工为例,在定性与定量结合的层面上,采用专家调查法和考虑递阶层次结构依存性的模糊层次风险评估方法对河源洞隧道洞口施工风险进行评价,然后根据风险评价结果及风险监控动态反馈提出了相应的风险处理措施,保证了隧道洞口施工安全。

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。

基于机器视觉三维重建技术的隧道掌子面岩体结构数字识别方法及应用

提出采用数字图像结合机器视觉方法获取隧道掌子面岩体表观信息。通过采集隧道开挖面的序列图像,生成开挖面岩体表面的三维点云模型,利用投影算法获得隧道掌子面及硐壁岩体结构的平面模型高清影像;基于影像表面结构迹线素描结果进行岩体节理特征的量化描述。将该方法应用于东天山公路隧道开挖面岩体节理分布、节理倾角间距等特征参数的获取。研究结果表明:该方法可快速生成开挖面三维点云模型,实现隧道地质信息编录与围岩级别辨识,具有快速、准确的优点,可为施工提供参考。

隧道施工对邻近结构物影响评价软件的开发

隧道修建过程中不可避免扰动周围地层,对邻近结构物和地下管线产生不利影响,严重时甚至会使结构发生破坏,造成重大经济损失和安全事故。针对隧道施工对邻近结构物的影响,开发了一套施工对邻近结构物影响评价的软件系统。通过该评价系统,用户可以采用多种方法预测隧道开挖引起的地层位移,并在此基础上对建筑物和管线损害情况进行系统评价。实例表明该系统在实际工程中具有较好的应用价值。

地铁列车荷载作用对既有近邻结构振动影响效应研究现状

随着我国城市交通网络迅速发展,密集的地铁网络建设不可避免导致各种地下结构近距离构筑。通常地铁隧道的设计年限在100年左右,地铁列车的动荷载会对地铁隧道及周围既有结构产生长期累积作用效应,对结构长期稳定性及安全性的影响有待进一步研究。文章系统总结地铁列车荷载引起邻近结构物动力响应的分析方法及影响规律,从地铁列车振动荷载模式、振动荷载作用下隧道结构响应、地铁振动对既有结构物影响等方面,介绍理论分析、数值模拟、模型试验研究的发展历程,并总结提出列车动载-轨道-隧道结构耦合模拟、地铁列车-公路交通动荷载耦合作用、动荷载作用下地层细观结构破坏机理、地下结构长期动荷载扰动安全性、新型减隔振结构设计及吸能材料等方面是亟待解决的重点研究方向,可为进一步研究地铁列车荷载对邻近结构物影响相关问题提供思路。

基于全景展开图像的隧道衬砌渗漏水数字化识别方法研究

文章通过隧道衬砌展开影像生成器软件对隧道衬砌渗水区域采集影像进行特征点提取、图像匹配、模型识别、图像展开与拼接处理,得到隧道衬砌的全景展开图像。利用图像分割与处理技术,对全景图像采用灰度图像转换、阀值选取、二值图像开闭运算等原理实现对图像渗水区域信息的识别与修正,并基于贵州某运营公路隧道衬砌渗漏水实例,经过若干算法程序提取出该隧道渗水病害的位置、面积及病害长度等特征信息,建立了一套隧道衬砌渗漏水病害的数字化识别系统,可为隧道衬砌渗漏水检测提供一种便捷、高效、全面的综合检测手段。

盾构隧道渣土资源化再利用技术研究及展望

为形成对盾构渣土资源化再利用技术进展、挑战与创新的系统认识,介绍了国内外盾构隧道渣土的分类再利用标准,详细总结了盾构渣土作为盾构施工辅助材料、再生建筑材料、植被复垦材料与工程填筑材料的再利用技术。阐明分析了盾构渣土资源化再利用技术在标准、方法、设备、市场效益等方面仍存在细化、优化、规模化、产业化的挑战,构建了"再利用方式初判—盾构渣土分级处理—渣土再利用可行性评价—再生产品性能与市场效益评估"的盾构渣土资源化再利用的标准化技术流程。重点阐述了盾构渣土在壁后注浆材料、植被复垦基质和免烧建筑材料等方面的再利用新技术,提出了盾构渣土在壁后注浆材料中的分级再利用标准、渣土再生产品性能优化的多目标规划技术、盾构渣土作为植被复垦基质的再利用可行性试验方法、盾构渣土制备免烧空心砖的工艺流程与参数优化等新思路。最后,对我国盾构渣土资源化再利用技术与产业发展趋势进行了展望。

基于图像点云的多维度隧道初期支护大变形监测研究和应用

为获取隧道初期支护全方位的变形信息,解决传统监测方法中单点测量、变形监测点稀疏、无可视化效果、难以发现无监测点区域变形等不足,提出一种基于隧道初期支护计算机视觉图像点云的多维度变形监测方法,可实现隧道初期支护三维整体变形监测分析和二维拱顶沉降、周边收敛、典型截面全断面变形监测分析。应用结果表明:所提方法可全面、直观地获取隧道变形特征,是对传统监测方法的补充和完善,对隧道施工监测具有指导意义。变形监测结果可为研究隧道围岩变形规律和特征提供详实的数据资料。

基于图像点云空间测距算法的隧道初期支护整体变形监测技术研究与应用

为快速、准确获取施工隧道初期支护整体及局部变形信息,基于计算机视觉算法获取的隧道初期支护图像稀疏点云和密集点云数据,结合基于Hausdorff距离的整体模型和基于最小二乘拟合平面的局部模型各自的特点,提出将两者相结合的图像点云空间测距算法。该方法可为每个点保留整体模型和局部模型分别计算的距离值中的较小值,解决前者对点云密度要求高以及后者局部拟合平面存在较大偏差问题,实现多期隧道图像点云直接比较分析,简化计算步骤和后处理过程,提高隧道初期支护变形监测速率和精度。通过对云南香丽高速公路白岩子隧道进口左线ZK61+990^+994段初期支护整体变形的监测分析,结果表明:该技术能直观、可视化反映隧道初期支护整体变形情况,计算结果准确、可靠。

小净距浅埋盾构隧道相互影响机制与控制措施研究

工程实践表明,浅覆软弱地层中大直径小净距盾构隧道施工时,后行隧道施工显著影响先行隧道的安全.依托某盾构隧道工程,采用精细化数值模拟技术,建立盾构隧道施工模型,分析小净距浅埋盾构施工相互影响,并对不同净距下盾构隧道施工相互影响规律进行分析.结果表明:双线浅埋盾构隧道施工时,净距与地表沉降槽宽度呈线性正相关,与沉降峰值、管片附加变形、接头张开量和附加拉应力呈负相关;浅覆软弱地层盾构施工时应避免将封顶块置顶;陈村2号隧道净距小于5m区段,先行隧道管片内力不满足规范要求,采取“隔断墙+水泥土搅拌桩”控制措施,实测和数值结果均表明控制效果良好,研究成果可为后续类似工程设计和施工提供参考.

复合岩层大直径越江盾构隧道管片施工裂损特征及影响因素分析

在复合岩层中进行盾构隧道施工,极易发生管片裂损病害,对隧道结构的正常使用和长期安全影响显著。文章以某大直径越江盾构隧道为背景,开展了施工阶段管片开裂破损情况现场调查,总结归纳了典型管片裂损模式及分布规律。选取全断面强风化砾岩、全断面中风化砾岩和强—中风化砾岩复合岩层3种典型岩层区间,基于调查结果和盾构掘进参数的挖掘分析,揭示了复合地层条件和掘进速度等7种关键施工参数对管片裂损的影响机制。研究结果表明:盾构隧道管片裂损包含纵缝破损、环缝破损、边角破损、螺栓孔破损、管片本体裂纹和环间错台。接缝破损占比最大,破损位置集中于拱顶及左右45°范围;接缝端面不平整和偏心顶力/拼装力作用下,局部应力集中导致的接缝破损机制为拉压开裂;岩层条件与管片开裂呈现负相关性,围岩级别较好时管片不易开裂,软硬不均复合岩层相较于均一岩层,管片易开裂;掘进速度过快、总推力过大、同步注浆量偏小以及参数的离散性,是导致管片裂损发生率提高的主要因素。选取合适的刀盘扭矩值并保持其稳定,可以减小管片裂损频率。