陈湘生:轨道交通效能最大化倡导者

陈湘生,男,1956年6月出生于湖南湘潭,研究员,博士。地下工程、岩土工程、地层冻结和地铁工程专家,博士生导师、国务院政府特殊津贴获得者。现任深圳地铁集团有限公司总工程师。2017年当选为中国工程院院士。

机器学习方法在盾构隧道工程中的应用研究现状与展望

随着盾构隧道工程信息化水平的提升,隧道掘进设备作业过程监测技术日益完善,记录的工程数据蕴含了掘进设备内部信息及其与外部地层的相互作用关系。机器学习因其数据分析能力强,无需先验的理论公式和专家知识,相较于传统的建模统计分析方法具有更大的应用空间。通过机器学习方法对收集的信息与数据进行深度挖掘并分析其内在联系,有助于提升盾构隧道工程建设的效率和安全保障水平。简述机器学习方法的基本原理,总结和分析机器学习方法在盾构工程中的应用研究状况,综述基于机器学习的盾构设备状态分析、盾构设备性能预测、围岩参数反演、地表变形预测和隧道病害诊断等5个方面的进展,并分析当前研究的不足。最后,分析盾构隧道工程向智能化方向发展需重点攻克的难题。

地铁双线隧道下穿既有车站冻结加固冻胀控制措施

针对城市长距离大断面地下空间冻结工程的冻胀特性问题,依托上海地铁18号线国权路站双线隧道下穿既有车站冻结工程,基于热力耦合方程,利用有限元软件建立三维数值模型,结合室内试验所得物理参数,研究该工程的冻胀位移场演化规律,并探究错峰冻结、调整盐水温度等措施对冻胀位移场的影响规律。在本试验条件下,研究结果表明:①冻胀引起的车站底板变形主要发生于积极冻结期;双线隧道同时冻结模式下,冻结45 d时车站底板竖向位移量达到冻结90 d时竖向位移量的77.72%。②冻结90 d时,错峰冻结工况下车站底板竖向位移量较双线隧道同时冻结时减小了7.7%,表明错峰冻结避免了同一时间段内的冻胀叠加效应,一定程度上降低冻胀效应。③冻结90 d时,调整盐水温度工况下车站底板竖向位移量较温度调控前减小34.2%;表明调整盐水温度可控制冻土扩展速率,有效降低冻胀效应。实际工程中,采用错峰冻结、调整盐水温度等措施协同控制冻胀,车站底板最大竖向位移为25.41 mm;数值模拟所得车站底板抬升规律与实测数据基本一致,有效指导了工程施工。

极端环境隧道建造面临的主要问题及发展趋势

聚焦艰险山区、深水海域与城市敏感区3类极端环境,全面梳理和总结了在此环境下隧道建造面临的主要问题、相关技术突破和未来发展趋势。针对艰险山区中极高地应力、高地温、高海拔以及活动断裂带等极端条件,总结分析围岩和隧道的变形机制、破坏机制及防护措施,并指出未来可通过大数据、机器学习等手段建立更精准的预测模型,以实现隧道建造过程的实时监控和风险评估;针对深水海域中高水压、高烈度地震、强侵蚀环境等极端条件,分析多因素耦合下沉管法及盾构法隧道管片及接头的劣损和破坏机制,总结提升其力学和耐久性能的主要技术措施,并提出未来仍需针对海底隧道管片接头的防水、抗震及抗侵蚀性能开展更深入的研究,以形成完整的理论和技术体系;针对城市敏感区隧道穿越既有隧道、敏感建构筑物、地下障碍物等挑战,总结分析盾构法和顶管法施工环境响应规律、地层变形评估方法和控制技术措施,提出未来可采用机器学习等技术辅助隧道建设,以提升预测和控制的准确性,减小建设过程对城市环境的扰动。目前,相关研究成果为极端环境下的隧道工程建设提供了重要支撑,但部分技术仍需进一步在实践中完善并形成规范,以指导后续的工程建设;而随着新一代信息技术的发展,未来隧道建造必将朝着数字化、智能化、自动化的方向发展,从而保障极端环境下隧道建设的安全、绿色、高效。

高地应力-化学侵蚀耦合作用下炭质板岩蠕变试验及非线性蠕变损伤模型

为克服高程障碍并降低施工风险,可采用长大隧道穿越崇山峻岭,但这些隧道往往处于深埋高地应力环境,并受到化学侵蚀影响。为了解决此问题,以丽江—香格里拉炭质板岩大变形隧道为研究对象,采用室内试验和理论推导,研究深埋炭质板岩隧道受化学侵蚀作用下的围岩变形特性。在Poyting-Thomson体蠕变体的基础上,根据模型元件的力学特性,叠加了损伤元件、化学损伤元件和非线性元件,提出高地应力-化学侵蚀耦合作用下炭质板岩非线性蠕变损伤本构关系。研究结果表明:1)炭质板岩试样受化学侵蚀影响显著,侵蚀90 d试样所产生的轴向蠕变应变为侵蚀0 d试样的2.02倍,侵蚀60 d试样所产生的径向蠕变为侵蚀0 d试样的1.85倍;2)受侵蚀的炭质板岩试样在三轴压缩状态下破裂以斜向贯通裂隙为主,并产生一定的滑移错动裂隙,且沿轴线的拉伸劈裂破坏受围压作用抑制明显,未产生竖向贯通裂隙。

城市深层地下空间地质环境韧性评估模型与应用

[研究目的]评估城市深层地下空间地质环境韧性有助于提高城市地下空间开发利用的安全性,减少灾害事件造成的经济损失。[研究方法]本文从城市深层地下空间的灾害事件严重度、地质体脆弱性、抵御力、恢复力和适应力等方面出发,建立了城市深层地下空间地质环境韧性多因素综合评估模型,并结合某城市一起突发事件的相关数据对评估模型进行了应用。[研究结果]评估模型具有较高操作性和可行性,可在各种复杂地质环境的城市中开展深层地下空间韧性评估工作;所评价灾害事件的严重度为5.601,属严重水平;地质体的暴露性为5.735,灾损敏感性为6.146,脆弱性综合评价结果为35.247,属脆弱地质体;预警能力指数为1.00,防灾能力指数由原来的5.66提高至灾后的7.00,故抵御力综合评价结果由15.38提高至19.02;通过填砂、地下注浆等措施后,恢复力为2.00,且由于地质环境趋于稳定,地质环境适应力综合分析为1.00。[结论]若受灾害影响,地质环境韧性水平的演化可分为正常、受灾、抵御、恢复、适应和新的正常水平6个阶段,韧性水平曲线呈现出先减小再增大后趋于稳定,且在受灾和抵御的节点处达到最小值。

地面堆载下盾构隧道结构韧性演化规律研究

韧性理论的提出和发展为盾构隧道结构性能评估提供了新思路。在提出考虑历史最大变形的衬砌性能指标基础上,建立包含管片、接头和非线性土弹簧的精细化三维有限元分析模型,研究了地面堆卸载作用下,不同埋深盾构隧道结构响应特征和韧性演化规律。结果表明:地面堆载下拱顶、拱底内弧面受拉,拱腰外弧面受拉,受错缝拼装影响,结构内力和损伤集中于边环纵缝相邻的中环管片处;卸载阶段隧道水平收敛减小,完全卸载后的残余变形随堆载量增加而增大,相同水平收敛情况下浅埋隧道卸载后变形恢复率大;隧道结构韧性随着水平收敛的增大快速降低,而缩短响应时间、提高修复措施效率可以提升隧道结构韧性;将隧道结构韧性分为4个等级,当结构进入极低韧性阶段时,应采取更加高效快速的综合修复方案,同时避免造成结构的二次损伤。

城市结构抗震韧性评估研究新进展

城市结构是城市抵御地震灾害的关键载体,其抗震韧性要求在地震作用下具有快速恢复结构使用功能的能力。通过抗震韧性评估定量反映结构地震损伤及恢复程度,可为制定城市结构韧性提升策略提供依据。本文系统地梳理了城市结构抗震韧性评估研究现状。首先,介绍了结构抗震韧性的基本理念,从韧性指标、韧性模型、韧性水平及韧性评估四个方面总结了国内外关于城市结构抗震韧性评估的研究成果;其次,探讨了城市结构抗震韧性评估的发展趋势。已有研究表明:结构抗震韧性评估的研究在评估方法高效化和韧性模型精细化方面取得了较大进展,但仍然面临功能恢复模型不完善和韧性评估工程实践案例较少等诸多挑战;最后,对未来研究方向进行了展望,可为后续城市结构抗震韧性评估研究提供参考。

多工况车辆荷载下嵌入式压电传感路面结构动态响应分析

嵌入式智能装置与路面结构在车辆荷载作用下的动态响应对其服役性能和使用寿命意义突出。为此,采用1/4车辆振动模型,构建车辆动荷载作用下的嵌入式压电系统-路面结构有限元模型。基于足尺加速加载试验路段实测应变数据和文献振动数据,对有限元模型的响应结果进行了验证;进一步考虑了不同车辆轴载、车速和路面平整度等工况下,嵌入式路面结构的动态响应变化和压电系统的电压峰值输出。结果表明,路面结构的竖向加速度峰值、嵌入式压电系统的输出峰值随着车辆荷载的增加而增加,线性度良好;超载带来的横向应变峰值变化和竖向应变拉压交替峰峰值变化,需重点考虑;行驶速度对路面的振动和应变响应影响明显,均不为单调变化;随着路面等级从A级降为C级,路面各结构层平均竖向加速度从-10×10^(-3) g增加到-39×10^(-3) g,其中深度200 mm以内的三向振动增幅最为明显。该研究为嵌入式压电系统的实际应用和布置优化提供了支撑,也为智能道路的长期服役性能分析提供了依据。

海底软弱地层浅埋大直径盾构对接开挖面失稳灾变机制研究

为探明对接距离对海底大直径盾构开挖面失稳机制及规律的影响,依托甬舟铁路金塘海底盾构隧道工程,建立考虑渗流的盾构隧道对接有限元模型,研究对接距离L对开挖面失稳机制以及极限支护压力的影响,并基于极限平衡法建立考虑渗流的盾构近距离对接开挖面极限支护压力理论模型。随着对接距离的增大,开挖面失稳形状和极限支护压力的变化可分为3个阶段。1)快速增长阶段(0<L/D≤0.4)(D为隧道直径):该阶段与单个隧道工况区别最明显,失稳区域由楔形体与仓筒组成;此时受对接隧道的阻碍作用最大,且开挖面附近水头场变化剧烈,渗流力占据主要部分。2)缓慢增长阶段(0.4<L/D≤0.7):失稳区域由对数螺旋体与仓筒组成,此时对接隧道的阻碍作用减小,因此极限支护压力在该阶段受对接距离的影响减小,增长缓慢。3)趋于平缓阶段(0.7<L/D≤1.5):失稳区域由对数螺旋体与倒棱台组成,此阶段对接隧道的阻碍作用可忽略不计,极限支护压力、失稳区域形状与非对接情况相近,可视为单个隧道工况。建立的理论模型得出的结果与数值模拟的结果接近,两者误差在10%以内,验证了该模型的可行性。

水下盾构隧道管片拼装质量控制方法研究现状与展望

针对大型水下盾构隧道施工阶段可能存在的管片拼装质量问题,综述国内外相关水下盾构隧道管片拼装的重要研究,主要涵盖管片拼装质量控制指标、管片拼装对隧道衬砌力学性能的影响、管片拼装质量控制以及质量检测的应用等方面。针对管片拼装质量控制指标,探讨管片尺寸和几何要求、裂损性、水密性及防渗性能要求等关键内容。通过现场监测、相似模型试验与原型试验归纳管片拼装对水下盾构隧道衬砌力学性能的影响。在拼装质量控制方面,介绍管片拼装设备、盾构隧道管片传感监测系统、盾构姿态预测方法以及管片定位技术的发展和应用。同时,总结近期管片拼装缺陷检测方法的研究成果,包括三维激光扫描、图像三维重建以及计算机视觉等技术在管片衬砌裂缝及渗漏方面的应用。最后,讨论管片拼装的尚存问题以及研究趋势。目前存在的主要问题包括:1)缺乏有效的拼装质量实时监测与评估方法;2)对水下环境中管片拼装力学性能影响研究不足;3)自动化控制技术的成熟度不够;4)隧道缺陷检测精度及其风险评估方法仍需进一步优化。展望未来,将通过对管片拼装质量评估手段、自动化与智能化拼装技术以及高精度缺陷定量分析方法的不断创新和改进,实现对拼装质量的实时监测、数据分析和定量评估,从而提高管片拼装的效率、精度和安全性。

双洞密贴顶管法装配式地铁车站建造方案及其力学性能研究

为解决采用较小断面的矩形顶管施工大断面装配式地铁车站的难题,以深圳市轨道交通12号线沙三站为工程背景,对双洞密贴顶管法装配式地铁车站建造方案及其力学性能开展研究。首先,介绍该新工法的设计理念及总体方案,包括车站断面分割、结构转换及施工工序等,结合新型结构体系特点,提出双洞车站子结构向整体车站结构转换的竖向、横向受力体系转换方法,并对相应的施工工序进行介绍;然后,介绍顶管法装配式地铁车站结构的管节分块、接头和结构防水体系等方面的设计;最后,采用ABAQUS有限元软件建立基于荷载-结构法的车站结构三维有限元模型,分析施工过程中车站结构的弯矩变化规律。研究表明:1)车站左、右洞子结构在各施工工况下弯矩峰值变化不大,说明了施工工序设计的合理性;2)由于左、右洞子结构接头位置的非对称设计和施工时边界条件的不同,其弯矩具有较大的差异,设计时需注意对控制截面的校核。

城市轨道交通生命周期碳排放强度与碳减排潜力研究

城市轨道交通在促进城市交通绿色低碳发展、大幅提升出行便利度的同时也产生了一定的碳排放。如何合理量化城市轨道交通碳排放水平并测度其减排潜力是实现交通部门碳达峰、碳中和的首要问题。本文基于生命周期评价理论构建了地铁全生命周期碳排放评价方法,对地铁的碳排放强度与碳减排水平进行了定量化分析,并进一步探讨了地铁的低碳、近零碳排放路径与策略。研究结果表明:近年来全国地铁建设和运营阶段碳排放总量为2500万~3500万t CO_(2)e,地铁隧道单位里程碳排放约为1.3万t CO_(2)e/km,单位面积地下车站碳排放约为371 t CO_(2)e/100 m^(2),地铁出行碳排放0.7 kg CO_(2)e/人次。以2020年为例,全国地铁运营碳减排当量约为730万t CO_(2)e,预计到2025年将达到1240万t CO_(2)e,过去20年居民选择地铁出行方式累计减碳量约占全国能源领域化石燃料碳排放总量的1%。2020年因地铁建设释放地上土地资源形成的城市绿地碳汇量约为30万t CO_(2)e,预计到2025年将达到44.8万t CO_(2)e。研究结果可为交通领域科学实现绿色低碳转型及制定地铁系统节能管理政策提供理论支撑及数据参考。

基于超大断面矩形顶管法的地铁车站建造方案

为解决繁华城区地铁车站采用明挖法施工带来的管线迁改、交通拥堵等难题,以下穿大型箱涵的深圳市轨道交通12号线沙三站为工程背景,采用有限元方法进行基于超大断面矩形顶管法的预制装配式地铁车站机械化暗挖建造方案研究。结果表明:顶进工况、结构转换工况和永久结构工况下,单柱方案最大变形分别为5.07,6.50和6.63 mm,双柱方案最大变形分别为5.53,5.20和10.50 mm,施工全过程中单柱方案车站结构整体变形较小;单柱、双柱方案的混凝土结构最大压应力分别为15.7和29.2 MPa,双柱方案须增大柱截面积以满足强度设计要求,因此单柱方案更经济合理;单柱方案中纵梁最大正、负弯矩绝对值均大于双柱方案,且满足强度设计要求,即单柱方案中纵梁受力更明确、抗弯性能充分发挥;预制管节环向接头分别按刚接、铰接设计时,单柱方案车站结构截面设计控制弯矩分别为最大正弯矩、最大负弯矩,考虑到接头实际刚度应介于刚接与铰接之间,结构设计时应按照接头刚接和铰接进行包络设计。

考虑城市地质环境影响的深圳市地下空间开发适宜性评价

为了深入分析深圳市城市地下空间开发的适宜性,本文在系统归纳深圳市地质环境、地表环境、经济发展及地质灾害等特征的基础上,研究了地下空间开发利用适宜性与各因素之间的关系,建立了浅层地下空间开发利用适宜性评价体系,并采用指数标度、层次分析法确定了指标权重,运用综合指数法对深圳市浅层地下空间开发利用适宜性进行了评价。研究结果表明,深圳市浅层地下空间开发利用适宜性评价指标可划分为6大类14个指标,其中工程地质条件、水文地质条件、地质灾害条件和区域发展条件对适宜性的评价结果的影响较大,而地形地貌条件和地质构造条件的影响相对较小。适宜性评价结果共分为适宜、次适宜、一般和较差4种等级,其中适宜与次适宜集中在福田区、南山区和宝安区,且适宜与次适宜的区域总面积占全市约80%,说明深圳市地下空间开发整体适宜性较好。该评价结果可为深圳市城市地下空间发展规划提供理论依据,且评价体系可应用于与深圳市地质条件相似城市的浅层地下空间开发适应性分析中。

浅埋超大断面矩形顶管顶进对既有箱涵的影响

针对浅埋超大断面矩形顶管顶进引起的环境影响效应,以深圳市某拟建顶管法地铁车站为背景,建立了顶管施工全过程三维有限元数值模型,研究了浅埋超大断面矩形顶管施工的背土效应及其对上方既有箱涵的影响。结果表明:顶管下穿箱涵前,箱涵的不均匀沉降增长缓慢,箱涵迎土面所受土压力不断增大;顶管下穿箱涵时,箱涵的不均匀沉降量急剧增大,箱涵迎土面所受土压力逐渐降低;顶管穿出箱涵后,箱涵的不均匀沉降量和迎土面所受土压力均先下降而后趋于稳定。浅埋超大断面矩形顶管施工的背土效应使得箱涵的最大水平位移大于最大竖向位移,实际工程中应采取措施减少背土效应的影响。

基于gprMax的衬砌脱空三维正演分析

衬砌脱空是一种常见的施工缺陷,会导致结构的劣化,降低隧道的安全性,需要在施工及运营阶段对隧道衬砌进行检测.利用基于时域有限差分法的gprMax软件,建立含脱空的隧道衬砌模型,对三维探地雷达的衬砌检测过程进行正演模拟,获取脱空的三维数据体.对脱空的响应特征进行分析,讨论了脱空对电磁波波形及波场分布的影响,结合工程实例验证了正演结果的可靠性.结果表明,脱空区电场强度随测线靠近中心而增强,依据这种变化可实现对脱空三维尺寸的探测;电磁波在脱空内部产生多次反射,引起围岩层中电磁波信号的多次震荡;金属部件会对脱空区信号产生较强的干扰,电场极值从大到小依次为无金属部件、单层钢筋网和双层钢筋网.研究结果对于推动三维探地雷达在隧道衬砌脱空检测中的应用,提高脱空检测的准确性具有参考价值.

基于三点开口梁弯曲试验分析3D端钩钢纤维混凝土抗弯性能

选用7种不同3D端钩钢纤维掺量的混凝土开口梁构件为研究对象进行了三点弯曲试验,结合数字图像相关(DIC)技术研究了不同3D端钩钢纤维掺量对混凝土开口梁构件抗弯性能的影响。结果表明,3D端钩钢纤维混凝土开口梁构件具有优异的抗弯韧性,其荷载-裂缝开口位移(CMOD)曲线有两个峰值,除3D端钩钢纤维掺量为25 kg/m^(3)的构件的第二峰值与第一峰值之比为0.91外,其他含3D端钩钢纤维构件的第二峰值与第一峰值之比均大于1。基于分析得到了不同3D端钩钢纤维掺量下混凝土开口梁构件的CMOD-挠度关系以及耗散能分布情况。根据DIC数据分析结果,验证了平截面假定在不同3D端钩钢纤维掺量下混凝土开口梁构件抗弯分析中的适用性,并得出了弯曲过程中中性轴位置的变化规律。基于3D端钩钢纤维的拉拔过程分析了3D端钩钢纤维混凝土的拉伸与弯曲破坏机理。

破碎带地层盾构隧道建造关键问题

断层破碎带是引起盾构隧道施工灾害的关键因素之一,其形态各异、岩性复杂以及高渗透性,都极易导致隧道涌水、塌方等施工灾害,给隧道安全高效掘进带来了巨大挑战。总结分析断层破碎带的形成机理,包括破碎带地层的形成原因、破碎带地层的岩体性质及其与盾构施工安全之间的内在联系。重点介绍了近年来盾构隧道穿越破碎带所面临的刀具磨损、开挖面稳定控制、同步注浆质量控制、衬砌外水土压力确定、破碎带地质预报和地层处理等方面问题。结果表明:断层破碎带岩体破碎,黏聚力低,渗透系数从10^(-5)~10^(-3)cm/s不等,且含水率较高;对于高水压断层破碎带管片结构防水应采取防、排结合,以排为主、以防为辅;含断层破碎带盾构隧道工程建设应做好断层破碎带的综合超前地质预报,将传统的地质分析法、超前钻孔法等与新型探测技术、数字技术相结合。研究结果可为盾构隧道穿越断层破碎带提供借鉴与指导,对进一步提高中国隧道及地下工程建设水平有着积极意义。

煤层气排采非饱和流阶段煤粉–气泡耦合作用机理

揭示煤层气排采储层非饱和流阶段煤粉与气体相互作用机理,对制定排采制度和提高产气量具有重要意义。通过气泡–煤粉微观作用实验装置,系统开展了不同直径大小的气泡对不同粒度和密度煤粉的作用实验,分析了气泡对煤粉运移轨迹和速度的影响及捕获煤粉特征。结果表明,气泡产出能够影响煤粉的运移轨迹,甚至能够捕获煤粉;煤粉通过气泡时会产生3种运动类型:沿着气泡表面运移到气泡底部最后被捕获、沿着气泡表面运移到气泡底部最后脱落及接近气泡时被排斥而轨迹发生偏转。煤粉若被气泡捕捉,则运动速度呈现出减小–增大–减小的变化特征;若未被气泡捕获,速度呈现出减小–增大–减小–增大的变化特征。不同条件下气泡对煤粉的捕获效率高达64.38%~86.64%;在气泡表面最高点附近发生碰撞煤粉被捕获的概率最大,并且随着偏离角度的增大,气泡捕获效率均呈现出逐渐减小的趋势;在相同的碰撞位置下,气泡对煤粉的捕获效率随着煤粉密度、煤粉粒径的增大而减小,随着气泡直径的增大而增大。煤层气产气初期应根据储层的实际导流能力合理控制降压速率,若储层导流能力较强,应加大排采速率,增大气体解吸对煤粉的扰动和捕获作用,促使大量煤粉随地下水或气泡产出;若储层导流能力较弱,应该适当降低排采速率,以防气体快速解吸而引起大量煤粉启动运移;同时,可应用大气泡携煤粉能力强的特性,促使近井地带的煤粉产出以增大储层导流能力。