基于Markov链的围岩稳定及支护结构失效模型研究

为研究巷道围岩稳定性对其支护结构的影响,运用Markov链分析了围岩的失稳过程,并分别建立了单条巷道和多条巷道的支护结构失效模型;在可靠性评价指标的基础上引入了无量纲系数,作为选择巷道支护方式的参考依据。在现场实测数据的基础上,运用所建模型对巷道围岩稳定性进行了分析。研究结果表明:多巷道系统可靠性研究可视为由若干单条巷道组成的串联系统,当无量纲系数大于1时,主动支护的可靠性量化指标均小于被动支护的量化指标;当该系数小于1时,反之;当该系数等于1时,主动支护和被动支护的可靠度指标相同。多巷道系统的可靠度指标均小于单条巷道的可靠度指标,无量纲系数的取值决定了支护形式对围岩稳定性的影响。

矿井通风系统可靠性的马氏链分析

为保证井下正常通风,从可靠度的角度对矿井通风系统的稳定性进行分析。首先以通风系统的维修率作为实测对象,在概率统计理论和以往经验性规律的基础上,得出矿井通风系统的可靠度服从指数分布这一规律的结论。然后运用马尔可夫过程对通风系统的有效度进行分析,建立了通风系统的失效模型,运用此模型可预测通风系统的有效度、平均寿命和平均维修时间。并且针对目前普遍采用的遍历点法求解矿井通风系统可靠度问题中,存在耗时耗力、只适用于小型通风网路的弊端,提出了邻接矩阵法求解最小路集的不交最小路法,适用于手算简单通风系统的可靠性。最后以一个工程实例作为模型的算例,结果表明:矿井通风系统为可修复系统,可以用马尔可夫过程对其进行分析,求出通风网络的有效度、平均寿命和平均修复时间等可靠度指标。

巷道顶板离层力学模型与围岩失稳判断研究

为研究巷道顶板的离层变化规律,基于离层的时间序列理论和弹性梁的弯曲理论,运用Maple符号运算和SAS统计分析功能,建立了考虑锚杆锚固因素和水平地应力因素的顶板力学模型,并基于此模型提出了确定离层临界值(包括弹性临界值ωmax和失稳临界值δmax)的方法,通过分析离层预测值Xt与ωmax、δmax之间的关系,可确定巷道的合理支护时间以及判断顶板失稳。此外,就离层临界值的力学意义,探讨了围岩的失稳机制。最后,以东滩矿1305运输巷道作为模型的算例,得出:该巷道的ωmax和δmax值分别为16mm、35mm,在离层值达到16mm之前对巷道进行合理的加强支护即可维持围岩稳定;当离层值到达35mm后巷道即将失稳,要做好防冲工作以及冒顶的预防措施。

水下盾构隧道运营期结构健康监测及响应规律分析

水下盾构隧道运营期结构响应规律是结构安全性评价及异常预警的基础,健康监测系统已经成为结构响应监测与安全性评价的关键技术手段。在武汉长江隧道布设了健康监测系统,获得水下盾构隧道正常运营期(2013年9月~2020年6月)关键断面拱顶管片应变及接缝响应规律;建立多元线性回归模型和分布滞后模型,研究其用于结构异常预警的适用性;并分析环境温度、长江水位和时间效应对管片应变、纵向接缝和环向接缝张开度变化的影响规律。研究结果表明:(1)管片应变增量和接缝张开度增量不服从正态分布,其相对于正态分布具有更重的尾部,出现极值的可能性更大,分析时应避免将正常值当作异常值剔除;(2)分布滞后模型回归效果和预测效果均优于多元线性回归模型,用于预警时其对结构异常反应更为灵敏;(3)冬季温度降低,接缝张开度增大,且环缝张开度远大于纵缝张开度,分析结果解释了盾构隧道接缝冬季渗水比夏季严重、环缝渗水比纵缝严重的现象。

数据驱动的水下盾构隧道衬砌应变行为预测研究

预测水下盾构隧道结构响应趋势是保证隧道长期安全运维的重要保障。以武汉长江隧道为例,通过自编码器Autoencoder和循环神经网络RNN算法分别对结构响应的空间关联性和时间依赖性学习,同时考虑作用在结构上的外荷载影响,提出一种多因素耦合的深度学习预测模型,并在结构健康监测数据上对所提模型实例化,讨论模型的合理性及预测能力。数据试验结果表明:历史行为尤其是过去15 d内的响应特征、空间关联性、温度、水压是影响结构发展趋势的主要因素,且随着预测时间尺度的增大,结构长期的力学状态受当前状态的影响越来越小;所提模型的预测性能优于传统模型,该模型对数据信息的学习率达96%,对未来两周内隧道应变响应趋势的预测精度超过93%。研究成果可用于预测不利荷载环境下水下盾构隧道的力学响应特征,为结构稳定性分析和采取防护措施提供科学指导依据。

“铁篦子”方案在岩爆区的应用

为减少岩爆控制的规模,采用"铁篦子或钢筋排"方案对其进行研究。利用隧道开挖后周围岩体的弹性能密度计算不同岩爆等级发生时的动能;根据前期对NJ—TBM隧洞地应力的反分析成果,结合工程区域采取应力释放孔等措施,确定不同岩爆区的最大岩块及其最大速度,且假定最大岩块以最大速度向钢板/钢筋进行冲击,从而建立"铁篦子或钢筋排"方案计算模型;基于该模型,将所提出的"铁篦子或钢筋排"方案分别应用到强岩爆区、中等岩爆区以及弱岩爆区。结果表明:在强岩爆区(钢拱架间距1.5 m,每延米30根Φ=20 mm"铁篦子"的方案)中岩爆区(钢拱架间距1.7 m,每延米20根Φ=22 mm"铁篦子"的方案)弱岩爆区(钢拱架间距2.0 m,每延米20根Φ=20 mm"铁篦子"的方案)均未使钢筋出现塑性区。因此,所提出的方案不会产生塑性区。