基于PSO-SVR算法的悬臂式掘进机工作性能预测

研究目的:悬臂式掘进机作为铣挖法中不可或缺的机械设备,其工作性能常受到围岩特征和机械设备等条件的制约。为预测悬臂式掘进机工作性能,本文以瞬时切割速率ICR作为评价指标,综合考虑围岩因素和机械设备因素,通过不同算法预测ICR,优选出基于粒子群优化的支持向量机算法(PSO-SVR),并据此建立了ICR预测系统,从而快速高效地预测铣挖隧道掘进机工作性能和施工速度。研究结论:(1)利用已开挖的铣挖法隧道数据作为训练样本,通过5种算法预测ICR,其中粒子群优化的支持向量机算法预测精度最佳;(2)通过粒子群优化算法搜寻最优惩罚系数C和核函数系数g,能有效避免陷入局部最优解问题,并显著提高模型预测精度和泛化能力;(3)十折交叉验证结果表明,PSO-SVR算法具有较好的鲁棒性,且鲁棒性高于其他4种算法;(4)依托赣州蓉江隧道工程,PSO-SVR模型可准确预测悬臂式掘进机瞬时切割速率和施工速度,预测精度显著高于经验公式和其他算法,可为铣挖机械设备选型以及铣挖隧道施工速度预测提供参考。

分层土中盾构隧道掌子面极限推力研究

在盾构隧道开挖过程中,掌子面受力十分复杂,盾构机对掌子面的推力对维持掌子面前方土体的稳定起着关键性作用,为此,基于筒仓理论和极限平衡法,改进传统楔形体模型,考虑盾构隧道掌子面处土体分层对掌子面极限推力的影响,建立折线型滑动模型,推导掌子面极限推力的计算公式。依据实际工程建立相应的数值模拟模型,并对计算公式中各参数敏感性进行分析。研究结果表明:考虑掌子面土体分层时极限推力的数值模拟解与由本文所得公式计算的理论解误差很小,验证了本文所述模型和计算方法的可靠性与准确性;掌子面极限推力随隧道埋深和直径增加而增大;分层土中引起极限推力变化的主要土体是上层软弱土;盾构直径越大,土体黏聚力和内摩擦角对极限推力的影响越大,且内摩擦角对极限推力的影响更显著;当盾构直径较小时,土体黏聚力和内摩擦角对极限推力的影响较小。

小转弯半径曲线盾构隧道开挖引发地表沉降计算

小转弯半径曲线盾构隧道施工引发的地表沉降变形规律极为复杂,但相应的变形预测解析公式仍未明确。依据前人研究成果,构建曲线段盾构隧道施工的地层损失模型,基于镜像法及Mindlin解,推导曲线盾构隧道开挖引发地表沉降的计算公式,并将其应用于工程实例计算,最后分析曲线盾构隧道施工引发地表变形规律及其影响因素。研究表明:构建的小转弯半径曲线段地层损失模型合理,推导所得公式适用于实际工程计算;地表纵向沉降在靠近刀盘3倍洞径范围内变化极大,刀盘前方3倍洞径范围内地表会产生轻微隆起,刀盘后方3~4倍洞径处出现最大沉降;地表横向沉降槽为非对称分布,最大沉降位置位于弯道内侧,距刀盘中心线约1倍洞径;地层损失引起的地表横向沉降大小主要受转弯半径及盾壳长度影响,地表横向沉降槽偏移程度主要由刀盘直径大小决定。

真三轴状态下盘形滚刀破岩特性

为揭示真三轴状态下盘形滚刀的破岩特性,基于Drucker-Prager强度理论和CSM刀岩接触模型,借助表征中间主应力相对大小的系数β,建立了滚刀破岩理论模型和仿真分析模型,并利用仿真模型研究高地应力条件下岩石的破碎特征和滚刀受力特性.研究结果表明:岩石损伤破碎后,垂直力极值显著下降,滚动力和侧向力的波动区间变化不大,侧向力始终较小但方向不断变化,造成了刀具的振动与偏磨;随着中主应力效应的增强,破碎单元数量呈指数型减少,最大垂直力、滚动力和侧向力均呈指数型增加,其中侧向力的增加幅度最小;随着贯入度的增大,破碎单元数量和各向破岩力均增大,且增加幅度也越来越大,其中侧向力的增幅最大;现场实测值、理论计算值和仿真值三者之间的相对误差较小,验证了理论模型和仿真模型的可靠性.

盾构隧道曲线段掘进引发邻近地下管线变形分析

城市中管线分布错综复杂,盾构隧道掘进易对管线造成扰动,导致管线变形甚至裂损。盾构机沿曲线段掘进时对周边环境的扰动更大,因此,明确盾构机在曲线段掘进时引发既有管线变形情况意义重大。将既有管线视为放置在Pasternak地基上的Euler-Bernoulli梁,基于镜像汇源法和Mindlin解,推导盾构机在曲线段掘进时引发既有管线变形的计算公式,根据实际工程案例构建对应的数值计算模型,分析盾构机沿曲线段掘进时引发既有管道的变形情况以及本文公式的适用性。研究结果表明:管道变形理论计算结果、数值模拟结果以及现场监测结果三者计算误差较小,验证了数值计算模型及理论公式的正确性;管道横向沉降槽呈非对称分布,靠近曲线内侧的管道变形大于曲线外侧管道变形;随着盾构机不断掘进,既有管线变形由轻微隆起转变为沉降,当盾尾通过管道后,管道沉降量达到最大值,管道的最大变形位置首先出现在管道中心位置,随后偏向弯道内侧,最终回归管道中心位置;转弯半径R对既有管线变形的影响较小,管线模量E以及隧道半径R对既有管线变形影响极大,管道最大沉降位置偏离管道中心线约0.5R。

注浆压力非均匀分布引发的地表沉降计算及其影响因素分析

盾尾同步注浆能有效控制盾构施工引发的地表沉降,被广泛应用于城市盾构隧道工程建设,现有研究常将注浆压力简化为均布压力,忽略了注浆浆液性质及其扩散作用,导致沉降预测结果不合理,为此,本文首先考虑同步注浆浆液非均匀扩散作用,基于Mindlin解,推导得到注浆压力空间非均匀分布引发的地表沉降计算公式;其次,对比现场监测数据验证公式的适用性;最后,讨论浆液塑性黏滞系数、掘进速度以及盾壳长度对地表变形规律的影响。研究结果表明:由地表沉降计算公式所得地有沉降与现场监测结果吻合度高,验证了该计算公式的正确性;将注浆压力简化为均布压力大大削弱了注浆压力的沉降控制效果,地表隆起量仅为考虑注浆压力非均匀分布时的20%;注浆压力引起的地表隆起量及影响范围随浆液塑性黏滞系数及盾壳长度减小而增加,掘进速度变化对地表隆起的影响较小。

下穿砂土地层掌子面盾构推力大小的极限分析

研究目的:确定掌子面推力大小是保障周边土体稳定的重要前提,在下穿既有隧道工程中更为关键。基于极限平衡法和筒仓理论,考虑既有隧道的荷载作用,推导砂土地层中下穿既有隧道工况下掌子面盾构推力计算公式,通过数值模拟和实际工程验证公式的正确性。在此基础上讨论考虑既有线和不考虑既有线两种计算方式的适用性,最后分析土体内摩擦角、两线距离及覆土厚度等参数对掌子面极限推力的影响。研究结论:(1)筒仓理论适用于下穿既有线工程掌子面极限推力计算,推导所得公式计算结果更精确;(2)砂土地层中盾构下穿既有隧道时,掌子面盾构极限推力随着与既有隧道间距、覆土厚度增加而增大,随着土体内摩擦角增大而减小;(3)本研究成果为新建隧道盾构安全下穿既有隧道工程提供理论参考。

类矩形盾构隧道上穿施工引起既有隧道剪切错台变形研究

基于镜像法和Mindlin解,建立类矩形盾构隧道上穿施工计算模型,推导出土体损失、盾构正面推力、盾壳摩擦力和注浆压力在既有隧道轴线处产生的附加应力计算公式。采用剪切错台模型将既有隧道简化为由剪切弹簧连接的弹性地基短梁,运用最小势能原理得出既有隧道的竖向位移计算公式。依托工程实例,对比理论计算结果和数值模拟结果,验证本文计算方法的适用性。最后,分析既有隧道的竖向位移、环间错台量和剪切力随掘进施工的变化过程,并对工程中的关键参数进行敏感性分析。研究结果表明:相比于Winker地基梁模型,剪切错台模型计算结果与数值模拟结果更接近,验证了本文计算公式的正确性;随着新建隧道掘进,既有隧道的隆起变形、环间错台量和剪切力不断增大,在盾构机通过既有隧道轴线20 m后趋于稳定;在既有隧道隆起变形最大处,环间错台量和剪切力最小;在隆起变形曲线反弯点处,环间错台量和剪切力最大;随着隧道矩形长边宽度和土体损失间隙增大,既有隧道隆起变形增加,隆起拱宽度增加;随着既有隧道埋深增加,隆起变形减小,隆起拱宽度变化不明显。

基于Mindlin解的隧道施工引发的附加荷载及接收井变形分析

对盾构机施工引起的接收井的受力和变形进行分析。首先,基于Mindlin解推导出盾构机临近接收井时各施工因素引起的附加应力和简化成竖向地基梁的围护结构变形计算公式;其次,计算分析某地铁盾构附加推力、盾壳摩阻力、盾尾注浆压力引起的深度为13 m时刀盘平面和隧道轴线上的附加荷载、接收井墙面上的附加荷载、不同深度下盾构机距接收井5 m和10 m时围护结构的变形情况并通过数值模拟进行验证。研究结果表明:掌子面附加推力和盾壳摩阻力导致接收井围护结构变形在竖向分布为先增后减,附加注浆压力以刀盘为中心呈反对称分布;在对围护结构变形的影响因素中,盾壳摩阻力影响最大,掌子面附加推力的影响次之,盾尾附加注浆压力的影响可以忽略。

考虑围岩蠕变特性的隧道仰拱开挖时序性研究

以赣州-深圳高速铁路松岗山隧道为背景,在砂岩室内蠕变试验的基础上,借助有限元软件建立隧道三台阶开挖数值分析模型,对比经典弹塑性和考虑蠕变效应下的拱顶沉降计算结果,分析仰拱封闭距离和仰拱暴露长度2个因素的影响效应。研究结果表明:在复杂应力条件下,考虑围岩的蠕变特性会使数值计算结果与实际工程情况更加吻合;隧道初期支护的稳定性首先受仰拱封闭距离的影响,其次是仰拱暴露长度;仰拱封闭距离与仰拱暴露长度应遵循“长封短暴”和“短封长暴”的原则。研究结果对发展岩石蠕变力学计算和提高隧道仰拱施工效率具有指导意义。

粉质黏土小应变硬化本构参数研究

粉质黏土是中国广泛分布的一种易胀缩、透水性差的软土,其力学参数确定和本构模型修正一直是研究重点。文中以长沙轨道交通6号线典型粉质黏土为研究对象,通过土工试验确定其物理力学参数;借助ABAQUS软件和二次开发手段,对小应变硬化模型、摩尔-库伦模型和修正剑桥模型等进行计算对比,得出小应变硬化模型的三轴应力-应变曲线与土工试验所得三轴应力-应变曲线最接近,明确了该模型对粉质黏土的适用性。

鸿图嶂隧道突涌水预测及防治措施

预测复杂地质条件下深埋隧道施工掌子面前方水文特征对保障施工安全有着极为关键的作用。以广东省鸿图嶂隧道预测及防治隧道涌突水为例,将可控源音频大地电磁测深法应用于隧道开挖区域水文特征调查,确定可能发生的涌突水区域,并采用全断面超前帷幕注浆的方式进行防治。研究结果表明:可控源音频大地电磁法探测深度较大、抗干扰能力强、横向分辨率高。应用此方法预测到未来待施工的区段有5处存在较大涌突水可能,开挖结果显示可控源音频大地电磁探测很好地还原了埋深超过700 m的场地实际情况,解决了前期工作中其他技术方法不能很好地对断层的深部空间形态及其富水情况等特征进行准确判断的问题。针对探测结果和开挖情况,采用全断面超前帷幕注浆堵水方案对断层裂隙进行了有效封闭,达到了安全掘进和限量排放水的目的,从而降低了因隧道涌突水造成的不必要损失。这一方法的实践应用为隧道突涌水的预测做了很好的验证,并为相应的灾害防治提供了技术支撑。

河流交汇区沉管隧道管节浮运受力特性研究——以广州如意坊沉管隧道工程为例

沉管隧道常被用于城市过江、过河通道工程,明确管节浮运受力特性,对维持沉管隧道稳定性起着至关重要的作用。现有研究多只针对单一内河,其流场较为简单,而对河流交汇区沉管管节浮运受力特性研究较少。文章以广州如意坊沉管隧道工程为依托,采用STAR-CCM+计算流体力学软件构建沉管隧道管节浮运CFD计算模型,计算分析两河交汇区流场特性及管节受力特性。研究结果表明:基槽存在对交汇区流场影响极大;管节左右舷压力分布差距随管节与基槽夹角增大而减小;管节所受阻力随流速增加而增加,横向阻力随夹角增加而减小;管节与基槽夹角越大,管节所受横摇弯矩越小,浮运至河流交汇区时,可以采用与基槽呈大夹角相交的方式浮运。

软岩地段正洞、平导开挖扰动效应及之间合理距离研究

导洞与正洞的净距是影响隧道围岩稳定性的一个重要因素,两者越近,卸压效果越好,但两者距离越近,中夹岩柱塑性区就越容易连通,导致岩柱被破坏,最后导洞会严重影响正洞开挖时的稳定性,对施工安全造成影响。因此,文章基于数值模拟,根据成昆线大坪山实际情况,对比计算得到导洞与正洞的合理净距。

层状岩石单轴压缩损伤本构模型研究

为揭示层状岩石在单轴压缩条件下的损伤演化机理,将横观各向同性体的柯西转轴方程和随机损伤理论结合,建立考虑荷载损伤的层状岩石损伤本构模型;通过不同层理倾角炭质千枚岩的单轴压缩试验,验证模型的合理性和准确性,并从细观图像、力学参数、破坏模式和损伤演化等角度讨论炭质千枚岩的各向异性特征.研究结果表明:所建模型的理论曲线与试验数据曲线基本相符,能够较好地反映和预测单轴加载条件下层状岩石的非线性力学行为;炭质千枚岩的各向异性显著,在层理倾角从0°~90°变化的过程中,强度、峰值应变和泊松比先减小后增大,弹性模量逐渐增大,并依次产生张剪复合破坏、剪切滑移破坏和劈裂张拉破坏等三种破坏类型;不同层理倾角岩样的损伤演化规律基本相同,损伤演化曲线均经历了缓慢上升、快速上升和趋于稳定等3个阶段,损伤演化率曲线均服从正态分布,但损伤发展速率各不相同,进而改变了材料的力学性能.这将为层状岩体受荷损伤计算、各向异性研究、围岩稳定性分析和岩层掘进施工等提供理论依据和技术参考.

某住宅建筑纠偏技术及影响因素研究

为研究建筑纠偏技术的影响因素及作用效应,以渝川碧云兰溪三期商品住宅楼纠偏工程为背景,分析该住宅楼倾斜的产生机理,探讨该工程的纠偏方法及取得的纠偏效果,并通过FLAC^3D数值模拟手段研究射水孔孔径、孔间距及入射角度对纠偏效果的影响。研究结果表明:采用在沉降较小一侧高压射水掏土、在沉降较大一侧施作砼树根桩的纠偏方法效果明显,最大倾斜量由5.92‰减小至2.64‰;各影响因素的纠偏效果从大到小依次为孔径、孔间距、射水孔入射角度,掏土孔布置可以按孔径小间距小的原则布置;入射角度越大纠偏效果越好,应控制掏土范围远离建筑结构中线。