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。

冻结立井井筒机械化掘进现状及发展趋势

针对我国“富煤贫油少气”的能源赋存结构及煤炭未来一段时间将长期占据能源消耗主导地位的特点,回顾了我国煤炭井工开采领域冻结立井井筒机械化掘进发展历程。钻爆法凿井作为我国立井井筒施工的主要工法,炸药的应用大幅提高了冻结井筒的掘进效率,配套的伞钻打孔、抓岩机装岩、大型井架及设备提升、大模板砌壁等大型机械化设备的应用,大幅提高了井筒成井速度;竖井钻机、反井钻机及竖井掘进机作为特殊地层条件下立井井筒特殊凿井方式,也有各自应用范围。面对我国西部富水弱胶结地层特点及智慧矿山发展趋势,采用冻结+钻爆法施工难以满足千米级弱胶结岩层立井井筒智能化无人化的建设需求,而采用冻结+竖井掘进机钻井是未来超深立井井筒技术发展方向之一。结合国外冻结+竖井掘进机凿井工程案例,针对我国西部富水弱胶结岩层立井井筒建设,提出了冻结+竖井掘进机凿井在冻结壁厚度和强度设计理论、双层钢筋混凝土井壁永久支护、低温环境下竖井掘进机掘进破岩形式以及分级上排渣方式等冻-掘-支-运协同作业方面提出了合理化建议;明确了井壁结构与弱胶结围岩相互作用机理,优化双层井壁结构方法,构建竖井掘进机掘-支-运同步作业模式等,提升井筒建设综合效率,提高信息化水平,推动立井井筒向机械化、绿色化和智能化发展。

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。

开挖面失稳导致地下结构变形破坏的离心模拟

城市密集地下工程结构群下进行地下空间开发遭遇复杂地质环境时,可能会导致隧道开挖面失稳从而对既有结构的安全造成巨大威胁。开展了三个离心模型试验,模拟均质粉土地基和有黏土夹层的粉土地基中多层既有地下结构,研发了模拟隧道开挖面失稳的试验技术,再现了施工扰动引发的土体破坏模式和既有结构变形破坏机理。试验表明,控制开挖面位移(0.48H,H为开挖面高度)或者开挖面附近存在黏土夹层时,其附近形成的土拱有效地控制破坏区域,显著降低既有隧道的变形和应变,最终竖向变形为0.3~0.35 m,最大拉应变为850微应变;如果开挖面位移增大至0.86H,均质粉土地基出现整体失稳,既有隧道的最终竖向变形0.48 m,最大拉应变达到1900微应变。

基坑开挖导致邻近既有隧道变形的主动控制研究

采用有限元分析方法对新型支撑轴力主动控制系统进行了研究,提出了一种支撑轴力设计方法;在对支撑不施加主动轴力的情况下,研究了花岗岩残积土地层中基坑开挖对既有隧道的影响,根据基坑侧边不同位置隧道在基坑开挖作用下的位移划分了基坑开挖影响区;基于提出的轴力设计方法,研究了基坑开挖过程中支撑轴力主动控制对既有隧道位移的影响规律;获得了隧道位移控制到预警值10 mm以下的临界控制比,分析了其在不同隧道位置时的分布规律。结果表明:该地层中的影响区范围相对已有研究的影响区更小;隧道位移与地连墙位移的控制比近似呈正比关系;基坑腰部0.6倍挖深位置附近隧道的水平位移需进行最严格的控制,靠近基坑且深度较深的区域通过水平位移控制得到的临界控制比更小,应以隧道水平位移控制为主,而远离基坑且深度较浅的区域应以隧道竖向位移控制为主;花岗岩残积土中的基坑开挖影响区以及对临界控制比的量化研究成果可为类似工程提供参考。

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。

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。

临界状态土的物理标度律

土的临界状态理论描述了土有效应力、抗剪强度与土密实度之间的对应关系,大量土力学试验还揭示了土体强度与加载速率存在相关性。考虑到颗粒物质是自然土体的实际载体,从颗粒物理本源出发,将流态颗粒惯性数I发展为考虑砂土密实程度(即初始颗粒体积分数Ф0)的准静态颗粒物理惯性数Q=Ф0[ln(I)+α]。以砂土的经典三轴试验数据为基础,探究了处于临界状态土的颗粒物理标度律,发现颗粒的摩擦系数μ与准静态颗粒惯性数Q之间满足简单的μ=ξQ线性关系。新建立的简单物理标度律能够统一刻画处于临界状态砂土的密实状态、剪切速率、围压和粒径等因素与土内摩擦角间复杂的经验关系。为描述受剪颗粒准静态变形的体变规律,进一步探索了临界状态下土颗粒体积分数与准静态颗粒惯性数间的相关性。对三维应力状态情况,引入一个新的无量纲量“中主应力数”对标度律进行拓展,可揭示中主应力对临界状态砂土摩擦特性的影响。

浅埋矩形顶管背土效应全过程理论分析模型

针对浅埋矩形顶管顶进的背土效应,提出覆盖背土竖向扩展阶段、水平扩展阶段和整体背土阶段的全过程理论分析模型,确定顶管顶进的松动土压力、管土摩擦力、侧壁剪切约束力和前端阻力的计算方法,得到背土启动和发展全过程的理论计算公式.结果表明:背土是否启动主要由顶管上覆土层的厚度、地层土体特性和管土摩擦特性决定,与顶进长度无直接关系;背土竖向扩展阶段的背土区域厚度和水平扩展阶段的地表扩展宽度都随着顶进长度的增加而非线性增长;理论分析结果与矩形顶管顶进全过程三维有限元模拟结果和现场实测结果吻合较好,理论公式可为矩形顶管背土发展全过程预测分析提供一种有效而简便的方法.

水下超大直径盾构联络通道建设方案对比研究——以广州海珠湾隧道工程为例

针对在越江海高水压水下超大直径盾构隧道联络通道施工过程中缺乏足够的工程技术标准和案例经验、设计与施工面临众多挑战问题,以广州海珠湾超大直径盾构隧道区间的6条联络通道工程为例,对工程地质补勘资料及现场施工情况进行分析,揭示原矿山法设计施工方案存在的不足,并基于此提出“矿山法结合地层冻结加固方案”和“机械顶管法施工方案”2种优化方案;随后在安全性、经济性、施工工期等方面对不同工法进行综合优选分析,同时引入碳排放指标进行绿色低碳评估。研究结果表明:1)机械顶管法在安全性和施工效率上优于其他方案,能够显著缩短施工周期;2)相比矿山法结合地层冻结加固方案,机械顶管法方案碳排放量减少了2 747.51 t CO_(2e)。

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。

换挂模式下的公路卡车货运优化问题

本文深入研究了换挂模式在公路卡车货运中的应用,通过卡车间的挂车交换,有效减少卡车空载现象,进而降低运输总成本。为了探讨卡车个体特征对换挂模式的影响,基于一般换挂模式扩展了受限换挂模式,并构建了两种模式下公路卡车货运优化问题的混合整数线性规划模型。该模型旨在最小化卡车的总成本,包括卡车运输成本和货物延迟送达惩罚成本。鉴于原模型无法在可接受的时间内求得问题最优解,引入两个辅助参数,将原模型转换为纯整数规划模型。然而,受限换挂模式下的卡车个体收益四维约束求解难度依然很大,因此,基于卡车潜在换挂节点集和节点潜在换挂卡车集的分析,对卡车个体收益约束进行了拆分和删减。实验结果显示,相较于传统模式,一般换挂模式和受限换挂模式在降低总成本、减少油耗、降低卡车空载率、缩短行驶时间方面均取得显著效果,具体地,两种模式分别使总成本平均降低28.3%和25.1%,油耗减少33.3%和29.7%,空载率下降33.1%和29.4%,行驶时间缩短35.0%和27.6%。然而,换挂模式在货物时效性方面略显不足,延迟送达率平均为15.4%和12.9%。此外,一般换挂模式下,部分卡车的行驶时间会略微延长,平均增长率为7.4%。最后,卡车空载系数灵敏度分析结果显示,在不同系数下换挂模式的性能仍然显著。

上方基坑施工引起新运营隧道变形与病害分析

花岗岩残积土层基坑施工极易引起下方盾构隧道产生上浮变形和结构病害。该文依托深圳地区深基坑长距离上跨新运营地铁隧道施工案例,建立三维有限元模型,研究了深基坑开挖引起下方盾构隧道上浮量和水平收敛变化规律,并对衬砌结构纵向受力和病害相关性进行分析。结果表明:基坑卸载引起的隧道变形以整体上浮为主,断面变形为辅。采用跳仓开挖并对隧道拱顶上方土体进行抽条加固后,隧道上浮量平均减小了14.4%,围护结构侧移减小了49.1%。上方卸载造成的盾构隧道病害主要为集中于拱顶的环缝掉块,分析原因为拱顶环缝接头在弯矩-剪力共同作用下,内侧混凝土产生压剪裂缝并逐渐发展。

加载条件和粒径对颗粒材料黏结–滑移特征影响的研究

将自然断层中常见的黏结–滑移现象和颗粒材料特性相结合,采用玻璃珠颗粒材料开展室内直剪试验和离散元数值分析,通过改变法向应力、剪切速率以及颗粒粒径,探究了加载条件和粒径大小对颗粒材料黏结–滑移特征的影响。模型试验和数值模拟结果表明:玻璃珠颗粒在受剪状态下发生周期性黏结–滑移,摩擦愈合和黏结–滑移周期是表征颗粒黏结–滑移特性的关键参数;摩擦愈合随剪切速率的增大而减小,随颗粒粒径的增大而增大,而法向应力对摩擦愈合影响较小;黏结–滑移周期和摩擦愈合表现出正相关,黏结–滑移周期随剪切速率增大而明显减小;颗粒间的摩擦咬合作用是影响黏结–滑移行为的重要因素。