红层地区高铁路堑基底上拱等级预测研究

轨面平顺性是高速铁路安全运行的重要保证。近年来,四川红层部分高速铁路(客运专线)出现路基上拱病害,致使轨面不平顺并影响高铁正常运营。对于高速铁路无砟轨道线路,基底上拱整治十分困难,如能在铺轨前进行上拱预测,就可采取相应措施以减缓路基上拱,因此高铁路基上拱预测研究势在必行。以成渝客运专线为研究对象,在综合分析路基上拱主要影响因素的基础上,选取路基中心开挖深度、岩层倾角、砂泥岩互层关系、泥岩饱和单轴抗压强度、泥岩膨胀性5个评价指标,采用熵权法确定各指标权重,运用功效系数法建立高铁红层路基上拱等级预测模型。将该模型应用于成渝客专和沪渝蓉高铁建设前期主要上拱段及上拱等级预测,验证了该模型的可行性与实用性。

路堑特征对高铁红层泥岩基底蠕变上拱特性影响研究

轨面的平顺性是高速铁路(客运专线)正常运营的关键保障。近年来,红层泥岩地区深挖路堑基底持续上拱病害已导致轨面显著不平顺,严重影响高速铁路正常运营。本文以成(都)渝(重庆)客运专线内江北站为研究对象,统计沿线上拱监测数据,分析路堑中心开挖深度与路基基底上拱量值的对应关系,得出开挖卸荷是导致高铁基底上拱的重要原因。分析成渝客运专线上拱段路堑特征,将深挖路堑分为双侧对称型、双侧不对称型和单侧型。通过室内侧限单轴压缩蠕变试验获得砂、泥岩蠕变曲线,采用Burgers模型对曲线进行参数识别,用Flac3D模拟内江北站深挖路堑基底上拱特性,对比分析上拱位移与侧压力系数的模拟值与实测值,验证模型的可行性。在此基础上,模拟分析3种堑型基底上拱特性,得到最不利堑型。最后以最不利堑型为例,研究不同开挖宽深比、不同堑坡坡度下的基底泥岩上拱特性,得到最不利宽深比和坡角。研究结果可为高速铁路红层泥岩的路堑设计提供参考。

邻近既有高速铁路深基坑降水问题探讨

针对既有高速铁路附近深基坑降水问题,以某高速铁路盾构井为研究对象,开展现场水文试验以分层获取岩土层渗透系数,探讨渗透系数对基坑降水浸润线的影响,并采用不同方法预测基坑涌水量。首先介绍了深基坑降水设计所需水文地质资料来源,然后绘制既有高速铁路桥墩的水文地质断面图,以检算基坑降水对既有高速铁路的影响是否符合规定限值,为设计合理的降排水措施提供依据。本文的研究成果可为类似工程提供参考。

山区铁路隧道底鼓变形评价方法研究

研究目的:山区铁路隧道底鼓变形是近年来高速铁路运营阶段的一种常见病害,由于其变形机理复杂,目前尚无具体可靠的评价方法,本文通过总结10座隧道底鼓案例,对铁路隧道底鼓工程特征、变形机理、致灾因子进行系统研究,提出更符合工程实际的定量分级方法。研究结论:(1)基于工程案例统计分析,提出了铁路隧道底鼓为类似“两端固定的板梁受力后向临空面弯曲”的蠕变变形机理;(2)提出了基于隧道开挖跨度、最大初始地应力、岩层层厚、岩层倾角、岩石单轴饱和抗压强度五项指标的定性判识方法;(3)建立了基于岩石强度应力比R/σ_(max)和岩层层厚h两项关键指标的铁路隧道底鼓等级划分标准;(4)本研究成果适用于山区铁路隧道勘察、施工、运营三阶段隧道底鼓变形分级分段评价,具有很好的推广应用前景。

西南山区高速铁路主要工程地质问题研究

高速铁路具有沉降控制要求严格、速度快、运营安全舒适的特点,但西南山区地形高差显著、板块活动强烈、构造岩性复杂、气候极端恶劣,其特殊复杂的地质环境孕育了危岩落石、采空区、高地应力、基底上拱、巨型岩溶、隧道涌水突泥、非煤有害气体、隧道运营地质灾害等众多工程地质问题,制约着高速铁路向西南山区的延伸。本文对西南山区建成或在建的8条高速铁路干线主要工程地质问题的经验进行了总结,系统梳理了尚未解决或亟待优化的难点或痛点,分析了各类问题存在的原因,探寻了解决方案和研究思路,以期为广大高速铁路工程技术人员提供创新发展的方向。

基于振动与声音信号深度学习的岩性识别方法

岩性识别对地质勘查和储层评价具有重要意义,科学有效地开展岩性自动识别的相关研究能够有效地为勘查过程提供指导,减少工作的盲目性和冗杂性。针对常见的砂岩地层,选择三类砂岩,基于室内微钻试验台,设计钻杆转速、钻孔深度和钻孔位置三个变量,检测钻进过程中产生的振动和声音特征信号。将采集的振动和声音信号预处理,提高信噪比,生成数据集。将振动和声音的数据集按6∶2∶2的比例划分为训练集、验证集和测试集,之后分别构建二维卷积神经网络和一维卷积神经网络并使用训练集和验证集训练岩性识别模型,最后运用未经训练的测试集验证模型准确率。模型训练完成后,以频谱图为数据集的振动信号识别模型准确率达到95.19%,以梅尔频率倒谱系数为数据集的声音信号识别模型准确率达到73.58%。研究结果表明,不同岩性在钻进过程中产生的振动和声音信号具有不同信号特征,基于振动和声音信号的岩性自动识别方法可以较好地实现几类砂岩的自动识别,这为地质勘查时的岩性自动识别提供了参考与依据。

四川盆地高速铁路勘察工程地质分区研究

研究目的:位于四川盆地的成渝地区正在推进双城经济圈多层次轨道交通的规划建设,四川盆地又被称为“红层盆地”,其特殊的工程地质和水文地质条件给铁路尤其是高速铁路建设带来诸多挑战,本文根据建成和在建的多条四川盆地高速铁路建设面临的主要工程地质问题,以期厘定面向四川盆地高速铁路勘察的工程地质分区。研究结论:(1)基于“区内相似、区际相异”的原则,建立了以区域工程地质条件和主要工程地质问题为影响因子的四川盆地工程地质分区原则;(2)构建了面向四川盆地高速铁路勘察的五大工程地质区,厘清了各大分区周界范围、主要工程地质条件与问题、减灾选线控制因素、勘察重难点等;(3)工程地质分区有利于根据分区特点采取更有效的勘察方法,制定更具有针对性的勘察方案,从源头规避地质风险,实现精准勘察目标;(4)本研究成果对后续四川盆地高速铁路勘察设计工作具有指导意义和推广应用价值。

基于AHP-3DEC的危岩落石危险性分区与评价

山区高速铁路受线路平顺性及地形的限制,部分危岩发育地段无法绕避,给工程建设及运营安全提出了严峻挑战。文章在无人机三维倾斜摄影的基础上利用数字地质调绘技术对拟建济南至枣庄铁路杏花峪隧道进口危岩体的发育特征、规模、变形破坏模式进行了准确的判识,通过将3DEC数值模拟与层次分析法结合,获得了崩塌落石的影响范围和危险性分区图,开展了危险性分区评价,提出了防治措施。研究表明:三维倾斜摄影模型识别出的12处危岩带中,只有5号危岩带威胁隧道洞口和桥台安全,并建议采用“被动防护网+明洞”方式进行综合防治。研究成果为危岩落石灾害的危险性分区评价提供参考,为铁路选线及防灾减灾提供依据。

火成岩侵蚀对煤自燃特性及其结构的影响

为探究火成岩侵蚀对煤自燃特性及结构的影响规律,以陕西、辽宁区域两煤矿同工作面原生煤及火成岩侵蚀煤为研究对象,采用程序升温试验、红外光谱分析、低温氮气吸附和压汞实验,分别从宏观和微观角度对煤的氧化特性、自燃极限参数、活性官能团含量以及孔隙结构特征进行分析。结果表明:火成岩侵蚀增大煤的自燃风险,会提升煤体内部的气体流通性,火成岩侵蚀煤体具有更高的氧化活性;此外,火成岩侵蚀改变煤层赋存条件,增大煤层开采难度,提高采空区内漏风强度,延长采空区“氧化升温带”遗煤的氧化时间,从外部影响因素层面提升煤炭的自燃风险;火成岩侵蚀改变煤自身结构和煤自燃外部环境因素,加剧了侵蚀煤层的自燃风险。

基于改进KNN算法的有限钻孔预测全域地质特征的方法

为解决传统建模方法难以对原始钻孔数据进行深度挖掘和利用的问题,提出一种改进KNN(K-nearest neighbor)算法,它是在原有的KNN算法的基础上,通过实现k值根据不同地层自动选取以及对原始地质资料的进一步利用,形成的一套空间自适应插值拟合算法。将一铁路勘查工程数据作为数据源,导入该数据到改进KNN算法模型中并运行,成功获得了该地各地层的特征k值,并实现了地质建模。通过对比实际建模以及实际的钻孔柱状图与KNN改进前后预测的钻孔柱状图发现,改进KNN算法对于薄层的预测更加准确,总体准确率更高。并且通过机器学习指标的对比验证发现,相比于原始KNN算法以及其他常见分类算法,改进KNN算法能够获得更好的地层预测效果,做到了“求全”与“求精”,能够较好地指导地下三维空间的预测。

川中地区隧道有害气体致灾机理研究

研究目的:随着川中遂宁与资阳地区隧道工程的不断建设,有害气体问题逐渐突出。为了降低川中遂宁与资阳地区隧道的有害气体风险,本文以川中遂宁与资阳地区构造资料、地层资料、油气地质资料为基础,结合隧道勘探与有害气体测试成果,对川中遂宁与资阳地区地质特征与油气特征进行研究,探讨区内隧道有害气体的致灾机理。研究结论:(1)川中遂宁-资阳地区下伏多套油气储层,油气资源丰富,隧道有害气体来源丰富;(2)研究区有害气体运移模式以节理裂隙连通型为主,层理连通型为辅;(3)研究区背斜宽缓且核部遭受剥蚀,背斜构造储集有害气体较差,有害气体储集空间主要为节理裂隙与砂岩,泥岩为有害气体的盖层;(4)区内有害气体富集能力普遍较差,表现为大部分测试钻孔内有害气体浓度低,有害气体分布随机性强;(5)本研究成果可为四川盆地类似地层与构造区的隧道有害气体勘察与设计提供参考。

复杂山区水平绳索取心定向钻进聚合醇绿色防塌冲洗液研究

在西部艰险山区相关隧道及地下工程的勘察施工中,与传统垂直孔相比,水平定向绳索取心钻进勘察效率更高。在地质条件复杂、生态环境脆弱区,钻进过程中易出现塌孔、漏失等问题,要求所用冲洗液在保证流变性能的同时需具备抑制性强、无毒无害、绿色环保等特点。针对绳索取心水平定向钻进冲洗液性能问题,选择环保易降解、抑制性强的聚合物多元醇为主要研究对象,选择环保纤维素及纳米SiO_(2),以提升其自身流变性能。所研制的聚合醇防塌冲洗液体系:2%PVA+0.5‰甲基纤维素MC-9+0.5‰纤维素羟烷基醚LE-5+0.1%SiO_(2)+0.3‰淀粉类降滤失剂DD-1+0.2%有机硅消泡剂DS-957+0.8%KCl,由环保型材料构成,流变性能良好,防塌抑制能力也可达到定向取心钻进工程要求,为解决水平绳索取心定向钻进中的冲洗液工艺技术难题提供了新思路,对类似工程具有借鉴意义与参考价值。

成渝中线高铁主要工程地质问题及减灾选线

研究目的:成渝中线高铁位于四川盆地内,是继川藏铁路后推动时速400公里级高速铁路关键技术研究的新纪元工程,沿线工程地质和水文地质条件较为复杂,需要详细查明主要工程地质问题,开展减灾选线研究,从源头规避地质灾害风险,以期为成渝中线高铁防灾减灾服务。研究结论:(1)成渝中线高铁建设主要面临煤矿及锶矿采空区、岩溶及岩溶水、缓倾软质岩层、有害气体、高温热水等工程地质问题;(2)针对本线对地基变形控制、结构可靠度、安全风险防控等要求极为严格,创新提出了各类主要工程地质问题立体空间绕避或通过的地质选线原则;(3)根据地质选线原则,选择了工程地质条件相对较优、工程风险可控的铜梁取直和经大足、铜梁方案;(4)本研究成果对类似工程地质条件的高速铁路建设具有借鉴意义。

复杂艰险山区铁路隧道精细化工程地质勘察研究

西部艰险山区铁路隧道建设面临复杂的地形地貌条件、恶劣的气候条件、强烈的内外动力地质作用、活跃的新构造运动以及频发的地质灾害等问题,隧道勘察难度大。本文梳理了艰险山区5条铁路隧道工程勘察期间在物探布置、钻探布置以及勘探成果的综合分析方面存在的不足,通过对导致勘察工作不足的原因进行剖析,提出了针对艰险山区铁路隧道勘察阶段物探与钻孔的布置要点,总结了勘察成果综合分析存在的不足与解决方法,以期为复杂地质艰险山区隧道工程精细化地质勘察工作提供借鉴。

高速铁路路基上拱变形危险性评价方法研究

研究目的:近年来,红层软岩地区高速铁路路堑基底上拱变形病害已严重影响铁路运营安全,迫切需要对基底上拱变形危险性进行准确预测,本文以既有高速铁路基底上拱病害为研究对象,通过分析基底上拱病害致灾主要因素,采用AHP-熵值法-专家打分的方法,构建红层软岩地区高速铁路路堑基底上拱变形危险性预测评价系统。研究结论:(1)选取路堑特征、岩性特征、膨胀特征3个方面及6个指标构建危险性预测评价体系;(2)系统中各指标权重,路堑中心高度为0.17,堑底宽深比为0.21,泥岩单轴饱和抗压强度为0.30,岩层倾角为0.04,砂泥岩互层特征为0.18,泥岩膨胀性为0.10;(3)将基底上拱危险性等级划分为Ⅰ(低)、Ⅱ(中)、Ⅲ(高)级,能较好地应用于红层软岩地区后续新建高速铁路基底上拱变形危险性预测,为基底上拱风险防控措施提供技术支撑。

成渝客专石材采空区的勘察与评价研究

研究目的:成都至重庆铁路客运专线荣昌至永川段通过侏罗系中下统自流井组(J1-2z)夹石灰岩地层,石灰岩被大量开采后形成石材采空区,石材采空区分布广、埋深浅,地表易变形、开裂、塌陷,对客运专线工程危害极大,因此有必要查清其工程地质条件并进行正确的评价和处理。研究结论:通过对成渝客专荣昌至永川段分布的大量石材采空区进行勘察与评价研究,得出以下结论:(1)石材采空区勘察难度大,应进行综合勘察,在推测的采空区域和物探解译的采空疑似区域布置大量的钻孔验证,成果资料应综合分析研究;(2)影响石材采空区稳定的不确定因素多,应坚持定性评价和定量评价相结合的评价方法,结论应相互验证;(3)对于高速无砟轨道,应选取边界角来计算安全距离,并预留一定的围护带宽度,确保工程安全;(4)本研究成果可为类似通过采空区的铁路、公路工程勘察设计提供借鉴。

昭通隧道岩溶水文地质特征及突涌水危险性评价

昭通隧道是渝昆高速铁路的控制性工程,也是全线高压富水岩溶隧道的代表性工程,其地形、地质及岩溶水文地质条件较为复杂,有必要查清隧道的岩溶水文地质条件。本文通过对隧址区地形地貌、地层岩性、地质构造、水文地质等条件的研究,分析了岩溶发育程度和岩溶发育规律;根据岩溶水补径排条件,进行了水文地质单位的划分;并在水文地质分区的基础上,进行了隧道涌水量预测和隧道涌突水危险性评价。昭通隧道涌突水危险性总体上为中危险,高危险段主要位于栖霞组(P 1q)、上石炭统(C 3)、岩关阶(C 1y)地层中,占总长度的5.2%,主要与岩性、地形及构造有关。本文岩溶水文地质条件的研究成果对岩溶地区高压富水隧道的勘察设计具有重要参考价值。

重庆至昆明高速铁路减灾选线研究

重庆至昆明高速铁路跨四川盆地、云贵高原及高原斜坡过渡段,穿小江活动断裂带,地形地质条件极为复杂,崩塌、滑坡、泥石流、高烈度地震及活动断裂、岩溶及岩溶水、采空区及煤层瓦斯构成了控制线路方案的主要工程地质问题。本文在现场地质勘察及相关地质专题研究工作的基础上,提出了高速铁路大高差上高原面减灾选线、活动断裂带减灾选线、岩溶区减灾选线、崩滑泥区减灾选线、采空区减灾选线、特殊岩土区减灾选线原则。合理确定了高县至昭通、会泽至寻甸等8段线路方案,最大程度降低了小江活动断裂带、岩溶及岩溶水、东川泥石流等对铁路工程的影响。地质选线效果显著,对在类似地质条件下新建高速铁路的减灾选线具有重要参考价值。

成渝客运专线主要工程地质问题及地质选线

成都至重庆客运专线跨成都平原、川中平缓低褶带及川东高褶带,区内地形地质条件复杂,本线重大工程地质问题有煤矿采空区、石材采空区、岩溶及岩溶水、浅层天然气等,严重地制约了铁路选线与重大工程设置的可行性。文章在充分总结西南复杂艰险山区铁路地质选线经验的基础上,提出了高速铁路地质选线定线原则。根据这些原则本线共绕避煤矿采空区5座、石材采空区2处,优化线位5段,最大限度降低了岩溶及岩溶水、浅层天然气对铁路工程的影响,地质选线效果显著,可为后续在相似地质环境下新建高速铁路勘察提供借鉴。

成渝客专跨越既有铁路危岩落石高边坡稳定性评价

成渝客运专线响滩子双线大桥上跨既有成渝铁路,不可避免地需要开挖既有路堑边坡,但路堑边坡分布大量危岩落石,工程有安全风险。通过对危岩进行测绘和调查,分析形成条件,判断崩塌类型,进行力学计算,评价危岩的稳定程度。总体上,危岩体均处于稳定状态,但是,为了确保工程安全,应采取有效措施进行治理。