基于深度学习的盾构机土舱压力场预测方法

土舱压力是盾构机受力状态和掌子面稳定等核心问题中的关键因素。土舱压力具有显著的空间变异性,其形成演化机制源于装备与岩土之间的复杂耦合作用,与地质特征、掘进参数等多源参数相关。然而,现有土舱压力预测方法一般未考虑空间分布特征或地质参数影响。针对该问题,提出了一种基于空间分布物理特征函数导引深度学习的盾构机土舱压力场预测方法。该方法构建物理特征函数用于解耦土舱压力空间分布特征,采用卷积神经网络和门控循环单元分别提取多源参数历史信息的空间特征和特征系数的时序特征,结合多源参数实时信息对特征系数进行预测,从而实现土舱压力场的预测。以长沙地铁四号线某区段为案例,利用该方法准确预测了土舱压力空间分布实测数据,准确率高达0.98,验证了所提方法的有效性。敏感性分析表明,不同地层中土舱压力空间分布特征系数的主要敏感参数基本一致,但其敏感度随地层地质条件的变化规律差异显著,可为复杂地层盾构机土舱压力精细化调控提供参考。

门式抗浮框架作用下上方开挖既有盾构隧道响应解析解

上方开挖卸载导致既有盾构隧道结构产生上浮,易引发结构渗漏水、开裂等病害。竖井开挖联合门式框架技术是限制上方开挖引起既有隧道上浮的一种有效控制措施,但是目前仍缺少相应的理论方法用于指导门式抗浮框架的设计。为此,提出了既有隧道结构响应的解析解,可以实现竖井和基坑开挖阶段既有隧道结构纵向和横截面变形计算,并给出了相关的计算流程。通过与工程实例和三维数值模拟结果进行对比,验证了解析解的可靠性。通过典型算例计算和参数敏感性分析讨论了门式抗浮框架的作用机理以及既有隧道埋深和竖井开挖尺寸等因素的影响规律。结果表明:门式抗浮框架在基坑开挖阶段可以有效控制上方开挖引起的既有隧道变形,控制效果与既有隧道上方剩余覆土厚度密切相关,剩余覆土越小控制效果越明显;门式抗浮框架的作用效果主要取决于抗浮板与土体之间的作用力,抗拔桩与土体的作用力对既有隧道变形影响较小。

基坑开挖坑底土拱效应离心模型试验及数值分析

基坑开挖会导致坑底产生土拱效应。与活动门上方土拱效应相比,基坑底土拱效应发展方向与土体自重应力方向相同且具有不同的力-位移边界条件。为探究土拱效应影响下基坑底土体竖向应力和回弹变形等力学响应,开展了干砂地层基坑开挖离心模型试验,并同时进行了不同开挖深度和宽度的多工况下数值分析。研究表明,基坑底地层存在差异变形和应力转移现象,证明了坑底土拱效应的存在;基坑底存在松动区和土拱区,松动区内土体相对密实度明显下降,土拱区以下地层回弹量仅占坑底总回弹量的20%;开挖深度和宽度是影响坑底土拱效应形成-演化的关键因素,二者与松动区和土拱区高度呈正相关。研究结论可为预测基坑开挖导致的地层响应和下方既有地下结构变形控制提供支撑。

考虑砂土抗剪强度空间变异性的盾构开挖面稳定性分析

采用传统研究方法对盾构开挖面稳定性的分析多基于土体是均质、各向同性材料的假设,显然与其本身的非均质性相违背。为此,开展了考虑土体抗剪强度参数的空间变异性对盾构开挖面稳定性的影响研究。在随机场理论的基础上,采用协方差矩阵分解法建立了描述砂土内摩擦角空间变异性的三维随机场模型,借助于数值分析软件平台研究了内摩擦角的变异系数、自相关距离对开挖面失稳模式、极限支护应力的影响规律,并采用概率分析法探讨了极限支护应力特征值的选取。结果表明:砂土内摩擦角的空间变异性对开挖面稳定性有重要的影响;随内摩擦角的变异系数的增大,极限支护应力的概率分布离散性越大;开挖面失稳模式与自相关距离的大小密切相关,当自相关距离与隧道直径比较接近时,开挖面可能出现局部失稳;提出了开挖面极限支护应力特征值的概念,并结合失稳概率给出了其初步确定方法。

考虑参数空间变异性的隧道下穿建筑物安全性评价

考虑土性参数的空间变异性,构建了基于随机场理论和数值分析手段的隧道下穿建筑物安全概率评价方法。将土体参数弹性模量视为随机场模型,采用应力释放方法模拟隧道施工,并基于地表建筑物为柔性简支梁的假设,利用极限拉应变作为判定指标对建筑物安全进行概率性评价。结果表明,所提出方法能够在考虑土性参数空间变异性的前提下有效地评价隧道下穿建筑物的安全性。土体弹性模量变异系数和自相关距离对隧道下穿建筑物安全性具有显著的影响;弹性模量的变异程度越高造成建筑物内最大拉应变的概率分布越离散,达到较高破坏等级的概率也越大。

基坑开挖旁侧盾构隧道结构横向受力与变形研究

针对基坑开挖旁侧盾构隧道结构横向受力和变形规律,提出了一种考虑围护结构变形影响的盾构隧道横向受力理论计算方法,并通过某实际工程三维有限元计算结果和干砂地层隧道旁侧基坑开挖离心模型试验结果,验证了隧道径向附加荷载理论计算方法的可靠性。结合该工程获取的围护桩水平位移、地表沉降、隧道变形和应变现场实测数据,探究了隧道横向受力-变形-内力之间的关联机制。结果表明:(1)隧道初始径向荷载呈“葫芦形”对称分布,侧方开挖引起隧道近基坑侧和拱顶外荷载减小,而远基坑侧和拱底外荷载增大,这与开挖引起的自由场地层位移和隧道位移相对大小有关,水平和竖向不均衡荷载由隧道纵向差异变形引起的环间剪切力平衡。(2)隧道椭圆形变形、朝基底方向的顺时针旋转角度和正负弯矩值随开挖不断增大。(3)隧道环向弯矩分布与螺栓相对位置关系密切相关,研究断面处近基坑侧拱腰附近存在螺栓,其将承担更多的环向拉应力;远基坑侧拱腰附近为混凝土管片,环向拉应力主要由管片承担,从而使得研究断面处隧道管片最大环向弯矩发生在远基坑侧拱腰位置。

基于稳定系数法的盾构隧道开挖面失稳概率分析

基于B.B.Broms等提出的开挖面稳定系数的概念,结合概率分析方法,考虑了土性参数的空间变异性,将黏土参数不排水抗剪强度看作服从对数正态分布的随机变量,形成了盾构隧道开挖面稳定性概率分析法;并讨论了不排水抗剪强度的变异系数和其均值随深度线性增加的特征对开挖面失稳概率的影响规律。研究结果表明:黏土参数不排水抗剪强度的空间变异性对盾构隧道开挖面稳定性有着重要的影响,参数变异程度越高,开挖面发生失稳破坏的概率也就越大;开挖面失稳概率会随着线性系数的增大而逐渐降低。单一的开挖面稳定系数很难恰当地反映盾构隧道开挖面的稳定性状态,而采用失稳概率的表示方法更为合适。

旁侧基坑开挖对超大直径盾构隧道变形影响分析

密集城市区近接基坑工程易引发超大直径(>15m)盾构隧道变形、结构开裂及渗漏水.当前超大直径盾构隧道建设处于起步阶段,基坑影响下隧道变形响应规律不明,合理的影响分区匮乏.本文采用有限元软件建立超大直径隧道旁侧基坑开挖的三维有限元模型,分析超大直径隧道的结构变形响应机制,并探讨隧道埋深、隧道-基坑间距、基坑开挖深度等因素影响规律.结果表明,基坑开挖引发地层朝向基坑的“鼓肚子”水平位移和“勺子”状竖向位移;与小直径隧道相比,超大直径盾构隧道表现出较小的纵向变形和较为显著的横向变形;隧道变形随隧道-旁侧基坑围护结构距离增大而减小、随埋深增大先增大后减小、随基坑开挖深度的增大而增大.通过基坑开挖深度归一化后,隧道最大变形与隧道-基坑间距可用指数函数高精度拟合.提出归一化后的影响分区图,为实际工程超大直径隧道结构保护提供重要的参考.

基于直接生成法的土石混合体三维随机模型构建与数值仿真研究

通过对土石粒径界限、块石分布规律与粒径分布频度的研究,基于直接生成法建立了土石混合体的三维随机模型,形成了一套较为完整的、操作性强的三维随机模型构建方法。在此基础上,将三维随机模型构建方法与FLAC^(3D)随机建模方法相结合,建立与真实土石混合体具有相同统计规律的有限差分模型,开展室内直剪数值仿真试验研究,获取了不同垂直压力下的剪应力-位移曲线和相应的剪切带分布,探讨了土石混合体的剪切破坏特性与土石相互作用机制。剪切过程中由于土体产生的不同程度的剪切变形以及块石在摩擦作用下发生的水平或旋转运动,导致土石混合体的剪切带表现出明显的不规则和不连续特点,其剪应力-位移曲线具有应变硬化特点。研究表明,三维随机模型能够反映土石混合体的宏观力学性质和细观破坏机制,可作为力学性质研究的有效载体。

城市地铁施工安全事故诱因分析及预防对策

该文基于中国城市地下工程发展迅速、事故频发的现状，结合具体工程事故案例，分析城市地下工程建设中事故发生的主要原因，并提出相应的控制对策。

中国21世纪初期能源发展趋势

能源是人类生存和发展的重要物质基础，也是当今国际政治、经济、军事、外交关注的焦点。因此在经济全球化深入发展和中国现代化社会加快的大背景下，研究能源的发展趋势对保障中国经济的发展和社会的稳定具有十分重要的意义。

脆性岩体开挖损伤区范围与影响因素研究

在脆性岩体地下工程开挖损伤区中,由应力导致的围岩损伤破裂占据主要地位。基于地下洞室开挖破坏数据库,修正了Kaiser等人提出的预测硬岩损伤区深度的经验公式,通过考虑原位应力比的影响,修正后的经验公式在拟合优度和预测准确性方面均有了一定程度的改善。为进一步研究开挖损伤区的范围及影响因素,提出了起裂判据CIC作为损伤区的力学表征指标,经对比验证,采用CIC判别的损伤区深度与经验公式预测值及现场实测值较为吻合,表明CIC作为损伤区表征指标具有较好的可行性;在CIC基础上,分析了洞室形状、方位对围岩诱发应力和损伤区范围的影响,研究表明,在高地应力场条件下,"谐洞"并不是最合理的洞形,而通过在小主应力方向上设置小曲率半径,可将高压缩应力限制在局部范围内,从而避免洞室围岩大范围的损伤破裂。相关认识和结论具有一定理论和工程意义。

金刚石钻进的原理、常见事故以及事故处理概述

近年来，由于金刚石钻进的优越性逐渐凸现出来，伴随着人造金刚石的研制成功和成本的降低，金刚石钻头的价格逐步的降低。金刚石由于其岩芯质量高、钻进效率高、钢材消耗少、成本低以及设备轻便等优点，被广泛的推广。

城市地铁建设中浅埋暗挖法前景分析

该文简单介绍了浅埋暗挖法原理和特点，并针对浅埋暗挖新技术的应用前景结合工程实例进行分析。

基于随机场理论的盾构隧道地表变形分析

采用随机场理论和数值分析相结合的方法,研究土性参数的空间变异性对盾构隧道施工地表变形的影响。利用协方差矩阵分解法建立描述土性参数空间变异性特征的随机场模型,结合Monte-Carlo策略,采用FLAC3D软件分析弹性模量的变异系数、相关距离对地表变形的影响。研究结果表明:土体弹性模量的空间变异性对地表变形规律有着重要的影响,在变形形态和量值上均有不同程度的体现;根据土体弹性模量的相关距离与隧道直径之间比值的大小关系,总结提出3种地表变形模式;最大地表沉降近似服从对数正态分布,且随着土体弹性模量的变异系数和相关距离的增大,最大地表沉降的概率分布越分散,超出沉降监测控制值的概率逐渐增加。

考虑旋转各向异性相关结构的黏土边坡稳定性分析

目前考虑土性参数空间变异性对边坡稳定性的研究主要集中在各向同性和横观各向同性相关结构方面,针对这一不足,开展了旋转各向异性相关结构对黏土边坡稳定性的影响研究。基于随机场理论,采用协方差矩阵分解法,建立旋转各向异性相关结构的随机场模型,与数值分析手段相结合进行边坡可靠度研究。结果表明:与横观各向同性相关结构相比,旋转各向异性相关结构对边坡稳定性的影响表现为两面性,并且这种两面性随各向异性系数的增加表现得越明显;随机分析中计算得到的安全系数均值小于确定性分析结果,安全系数变异系数也小于随机模型中不排水抗剪强度的变异系数;计算模拟得到了3种边坡滑面形式,其中坡底滑动所占比例最高。

软黏土地层盾构隧道底部注浆抬升量计算方法

下部地层注浆是盾构隧道过大沉降的常用治理措施。结构性软黏土地层中注浆引起的超孔压在注浆后持续消散,导致隧道抬升后因地层固结而发生沉降,进而降低隧道抬升效率。为预测下方地层注浆引起的盾构隧道纵向变形,提出了考虑土体结构性的盾构隧道底部注浆抬升量—沉降量两阶段计算方法。应用于宁波地铁2号线注浆抬升案例,隧道抬升效率计算值约51%,与同为软黏土地层的上海地铁2号线某区间盾构隧道实测抬升效率非常接近。此外,针对注浆参数、地层参数与隧道参数开展了参数分析,结果表明:隧道最终抬升量及抬升效率与土体基床系数、注浆体积呈正相关,与地层屈服应力成负相关;随埋深比增大,注浆区域隧道最终抬升量减小,而抬升效率变化甚微。计算方法可以为软黏土地层运营盾构隧道注浆抬升设计提供理论支撑。

基于随机场理论的双线盾构隧道地层变形分析

准确预测隧道开挖引起的地层变形对保障施工安全非常关键。依托厦门地区典型风化花岗岩地层的盾构隧道工程,以土性参数的空间变异性为切入点,针对多层土双线盾构隧道施工地层变形问题,基于随机场理论,采用蒙特卡洛策略和有限差分模拟计算相结合的方法,开展地层变形随机分析。以土体弹性模量E的空间变异性效应为研究重点,系统研究土体弹性模量的竖向、水平波动距离(zθ,xθ)及其变异系数(COV)对双线盾构隧道施工地层变形的影响。结果表明:弹性模量变异系数对变形的影响明显强于波动距离的影响;各向异性系数(/)x zξθθ取值小于32时,地层变形对ξ的敏感性较大;地表沉降变形曲线的特征与隧道上方土体模量的随机分布密切相关。在此基础上,综合考虑低刚度占优效应和模量概率分布形式的影响,提出厦门地区盾构隧道工程设计计算的土体弹性模量等效特征建议值。

考虑空间变异性的盾构隧道地层力学响应敏感性分析

针对土体变形参数(弹性模量E、泊松比μ)、强度参数(黏聚力c、内摩擦角φ)对盾构隧道施工地层力学响应的敏感性问题,以土体参数的空间变异性为切入点,结合随机场理论、有限差分法和MonteCarlo策略,采用考虑参数空间变异性的敏感性综合评价分析方法,开展地层力学响应的参数敏感性随机分析。研究结果表明:地层力学响应对内摩擦角的空间变异性最为敏感,其次是弹性模量,然后是黏聚力,最不敏感的是泊松比;不同变异水平条件下,各参数变异性的敏感程度存在差异,参数变异水平越高,其敏感性越强;3种参数变异水平下,泊松比均为不敏感因素,随机分析中可不考虑其空间变异性对地层力学响应的影响,黏聚力在变异性较小时也为不敏感因素。

盾构掘进地表沉降机器学习预测与控制研究综述

针对采用机器学习方法预测与控制盾构掘进地表沉降的研究,围绕预测模型输入参数、预测目标、预测算法和沉降控制四个关键环节的发展过程进行系统性地阐述,总结目前亟须解决的多个关键问题,并对未来的发展方向进行展望.研究发现:综合隧道几何、地层和掘进参数等信息预测盾构掘进引起的地表沉降是目前主流的研究方向;几何参数主要选取埋深,选取地层参数时须同时考虑物理与空间因素,选取掘进参数时须进行相关性分析和控制输入参数的总数;预测沉降时应选用能考虑时序因素的算法,结合最优超参数的智能算法优化模型性能;对于沉降控制的研究尚处于起步阶段,针对掘进参数的推荐与调整方法应持续深入研究.