盾构衬砌数字化设计平台的开发与应用研究

为了对盾构隧道结构设计过程进行降本增效,基于SaaS模式和B/S架构开发了一个Web端的盾构衬砌辅助设计平台(TIM-SAP)。TIM-SAP面向盾构衬砌结构设计业务进行功能交互设计和算法开发,基于生成式建模、网格划分、结构计算、渲染后处理等模块设计程序流程、函数及其调用接口。TIM-SAP能提供衬砌建模、衬砌拼装、隧道建模、荷载计算、横向结构计算、纵向结构计算、衬砌配筋和衬砌出图共8个功能,覆盖建模、计算、配筋、出图的相关作业。其功能模块开发主要用到的技术包括面向B-rep的参数化建模、基于KNN的围岩解析、参数化结构计算和基于RF的配筋方案生成。先通过武汉地铁12号线工程算例对TIM-SAP进行计算结果的调试,然后在武汉新港线盾构隧道设计工程进行了项目应用。研究结果表明,现有成熟的土木工程设计功能模块可以被进一步地集成以实现数字化设计平台和系统的开发。基于算例进行功能调试后,TIM-SAP的计算结果能与现有软件保持一定吻合。结合项目应用情况,TIM-SAP能免去复杂的网格处理、收敛优化、检索查表等操作过程,并提供“一键”生成式建模以支持设计文档中的附图和三维表现。经过与现有软件的操作对比,TIM-SAP减少设计人员的8~60 min工作耗时。该研究成果能提升地下工程的数字化、自动化设计水平。

浅埋超近接上下重叠隧道开挖面合理间距研究

研究目的:重庆鸡公咀上下层隧道近距离平行重叠,施工中存在相互扰动问题。针对上层隧道施工对下层隧道的扰动影响,本文采用数值模拟的方法研究上下层隧道开挖面合理间距,以降低近接隧道施工的相互影响,并达到缩短隧道施工总工期的目的。研究结论:(1)沿隧道纵向平面内,在上下层隧道开挖面水平净距为0跨时,上层隧道对下层隧道扰动最大,为最不利净距;(2)当隧道开挖面的间距在50 m以上时,随着间距的增加,上层隧道对下层隧道的扰动有较为明显的减小;(3)当上下层隧道开挖面的间距在50 m以下时,随着间距的变化,上层隧道对下层隧道的扰动变化并不明显;(4)当上下层隧道开挖面的间距为125~150 m时,下层隧道的竖向位移值稳定在13 mm左右;(5)本研究成果可为今后类似工程的设计与施工提供参考。

基于改进贝叶斯更新方法的边坡参数概率反分析及可靠度评估

某一特定场地的岩土力学参数在地质作用下普遍呈现固有的不确定性,融合现场观测数据进行概率反分析可有效缩减这一不确定性。虽然基于子集模拟的贝叶斯更新(Bayesian Updating with Subset simulation,简称BUS)方法可以将等量场地信息的高维概率反分析问题转化为等效的结构可靠度问题,但是当现场观测数据增多时,构建的似然函数值会变得非常小,甚至低于计算机浮点运算精度,会严重影响概率反分析计算效率与精度。为此,提出了一种基于并联系统可靠度分析的改进BUS方法,从基于乔列斯基分解的中点法出发,将接受率低的总失效区域分解为多个接受率高的子失效区域,从而避免因融合大量现场观测数据引起的“维度灾难”问题,实现对边坡岩土力学参数的准确概率反分析。最后,通过一不排水饱和黏土边坡案例验证了提出方法的有效性,结果表明提出的方法能够融合大量钻孔数据和边坡服役状态等观测信息高效进行岩土力学参数概率反分析及边坡可靠度评估,为高维空间变异参数概率反分析和边坡可靠度评估提供了一种有效的工具。

隧道围岩分级特征智能识别及可视化研究

准确、快速获取隧道围岩级别对工程设计、施工及运营意义重大。结合多个四川高速公路隧道项目,共采集7000余张隧道掌子面图像,并利用数据增广方法将数据集扩充至20000余张。按节理裂隙特征、风化卸荷情况、地下水发育情况3种像特征对数据集进行分类标注,并按8:2的比例划分为训练集与验证集。结合深度学习方法,实现掌子面围岩分级特征参数提取识别。搭建了VGG系列、ResNet系列、DenseNet系列、GoogleNet、InceptionV3等卷积神经网络分类模型,并引入准确率、查准率、召回率及F1值等多种评价指标对比分析多种卷积神经网络分类模型的围岩特征(掌子面图像的节理裂隙特征、风化卸荷特征以及地下水发育特征)识别效果。研究结果显示基于DenseNet模型分类识别效果最好,分类准确率分别为:围岩节理裂隙特征87.5%,风化程度特征90%,地下水发育程度特征91.5%,且各特征的F1值均在0.789以上,最高为0.944,平均值为0.852。此外,对DenseNet系列分类模型进行可靠性验证,基于CAM以及Grad-CAM对模型进行分类决策可视化研究分析,分类决策热力图结果显示分类结果与标签特征的强度、位置及范围强相关,为掌子面围岩智能分级提供一定的可解释性,同时也证明了分类模型的预测效果理想。研究成果为利用深度学习进行围岩特征提取提供了新思路。

基于壳单元的盾构隧道参数化结构计算与验证

三维壳单元较二维梁单元能更精细地模拟管片结构受土体作用下的力学行为。为了推广三维壳单元隧道结构计算模型在大直径盾构隧道结构计算中的应用,提出基于壳单元的参数化隧道结构建模方法(Shell element-based Parametric Tunnel Structure Modeling,SPTSM)。SPTSM基于隧道中轴线及截面半径参数,能自动生成由壳单元所组成的隧道模型。在模型中,相邻环之间的壳单元公共边被定义成线性铰,以此模拟管片环缝间的接头刚度;管片纵缝间的接头刚度通过均质圆环法引入折减系数进行替代;壳单元节点被施加荷载压力、地层弹簧及约束支座,以模拟管片结构与围岩之间的力学行为。SPTSM提供了结构自动建模算法和壳单元节点荷载的自动计算算法,并通过调用Karamba3D有限元结构计算内核,实现盾构隧道结构的建模−计算一体化。将SPTSM应用于杭州某大直径盾构隧道工程76 m区间段,对比结构变形的计算和实际检测结果,验证SPTSM的合理性。SPTSM能自动建立精细的三维壳单元盾构隧道结构模型,并同时完成荷载压力、地层弹簧、线性−铰刚度以及约束支座的布置和设定。对比点云扫描的结构位移检测结果和SPTSM计算出的结构变形结果,SPTSM输出的结构变形云图属于合理范围,结合SPTSM输出的内力云图和荷载分布云图,SPTSM可以近似反映隧道结构局部位置的变形或位移趋势。综上,SPTSM可为盾构隧道的智能化结构设计提供有力支撑。

螺纹桩加固风积沙地基液化特征试验研究

研究目的:随着我国的西部交通建设不断发展,线路工程将难以避免地穿越风积沙河谷地区,路基工程将面临地基液化的问题。螺纹桩作为近年来出现的新型桩基,在地震作用下加固可液化场地的桩土相互作用力学机制和抗液化效果的研究相对较少。本文通过振动台试验,首次从小波包能量变异角度研究了螺纹桩加固风积沙地基的液化特征,并验证了其适用性。进一步分析了螺纹桩复合地基液化易发部位的时频-能量演化规律,并探讨了风积沙的微观液化过程。研究结论:(1)在地震作用下,螺纹桩能提高风积沙地基的刚度和整体抗液化能力,抑制风积沙骨架结构的变化或重组;(2)小波包能量变异特征与孔压响应呈现的液化规律联系紧密,评价地基液化具有适用性;(3)螺纹桩可将风积沙地基的液化易发区从中部转移到浅层,有利于通过地基加固人为干预地基液化;(4)螺纹桩-风积沙复合地基未发生液化时,震动响应能量主要集中在第一频带(0.1~6.26 Hz),而发生液化时,低频(2~5 Hz)积聚的能量逐渐向高频(10~15 Hz)发散,并伴随在时间节点上出现新的能量尖点;(5)在微观层面,风积沙液化过程是剪胀剪缩循环交替的过程,颗粒排布从紧密接触到相互分离,而螺纹桩桩身的螺纹对风积沙的体积应变有抑制作用,降低其液化势;(6)本研究成果可为液化地基螺纹桩加固技术设计提供一定参考。

单向应力作用下地下采空区顶板破坏规律特征

针对单向应力作用于地下采空区顶板的破坏规律特性问题,基于弹性薄板理论和压力拱理论,利用单轴压力试验机对顶板模型进行了试验,并探究了不同荷载条件下顶板模型的受压过程和变形特性。结果表明:顶板的破坏过程与峰值应力是否超过疲劳强度密切相关,超过疲劳强度时会出现加速破坏阶段;顶板的变形过程可以分为三个阶段,分别对应于不同的应力和应变变化规律;顶板的失稳破坏位置与荷载条件有关,周期荷载条件下更容易导致整体垮落塌陷;侧帮支撑作用对顶板的承载能力和稳定性有正面影响,但也会增加应力集中和变形。研究结果对于理解顶板在不同荷载条件下的力学行为和提高顶板的安全性具有重要意义。

超长定向钻注装备关键技术分析及发展趋势

定向钻技术起源于石油钻井工业,经多年发展已拓展至隧道工程地质勘察及灾害处置、煤矿底板含水层改造、蓄能电站抽水通道施工、市政管道铺设等多个领域。地面注浆技术结合定向钻长距离精准穿越的优势,可实现地下工程不良地质高效预加固与灾害安全处置,具有广阔的应用前景。系统综述了定向钻注装备技术的发展历程、研究现状和待突破关键技术。首先,介绍了定向钻与地面注浆技术的发展历程;其次从重大科研项目、学术论文、授权专利以及工程实践等方面进行了分析与总结。结果表明:我国现阶段定向钻注技术总体已达到自主化、实用化的国际先进水平,但在千米级长距离快速钻进、复杂地质条件精准导向、地下工程精准注浆处置等核心技术方面仍存在“卡脖子”难题。面向战略性重大工程建设需求,提出了超长距离定向钻注一体化装备“预报、钻进、注浆、检测”四大功能模块,围绕随钻感知预报、快速钻进与卡钻预测、精准导向技术、远距离凝胶可控注浆材料、稳压控制分段注浆工艺、随钻检测系统六方面,开展了分析与讨论,可为我国定向钻注一体化装备技术发展和地下工程灾害防控提供参考。

弱胶结宽级配卵漂石工程地质特性及边坡稳定性研究

青藏高原山区河流阶地发育,区域内卵漂石具有弱胶结、宽级配、超大粒径颗粒含量较多等特点,工程地质特性及边坡稳定性研究难度大。采用现场原位试验、室内试验和地质调查测绘等方法,初步查明西藏扎拉水电站工程区卵漂石颗粒级配及抗剪强度。通过近景测量摄影、图像处理技术与常规颗粒分析试验相结合可确定颗粒级配,基于实测边坡地形和调查稳定坡角,结合稳定性反演计算可获得抗剪强度参数。结果表明:天然和饱水条件下卵漂石的内摩擦角差别不大,但饱水条件黏聚力仅为天然条件的25%~40%,由此对正常蓄水位以下、以上的库坝区边坡分别采取不同的支护措施,确保了处理方案的安全性与经济性。研究结果可为库坝区卵漂石边坡稳定性计算评价及处理方案设计提供地质依据。

金星金矿深部巷道岩体质量评价及支护系统优化

针对金星金矿深部岩体质量评价及支护系统优化的问题,基于地质力学RMR分级系统,以金星金矿-450 m中段巷道为研究对象,在金星金矿7号脉-450 m中段巷道应用,得出岩体的RMR评分为45,岩体质量属于Ⅲ级,岩性较好。对巷道支护材料选型进行服役效率分析与思考,基于岩体质量分级结果,提出了理论计算与数值模拟结合,选定区域现场工业分级分区多层级支护应用试验,选择最佳的支护材料及参数,以保障矿山经济效益。

超深硬岩地层井壁失稳的动力学分析模型:本征频率和高应力的影响

针对超深致密砂岩地层井壁动力学失稳难题,考虑孔隙流体和硬岩的压缩性、惯性及黏滞耦合作用,建立井筒压力波动条件下井周应力分布公式,建立了超深致密硬岩地层井壁坍塌指数的孔隙弹性动力学模型,分析地层本征频率与高应力对井壁失稳的影响规律。本文提出的孔隙弹性动力学模型预测的地层较传统模型预测的地层更易失稳,且高本征频率、最大地应力高的地层比一般地层更易失稳;揭示了超深硬岩地层井壁突发性失稳力学本质,可为钻井过程中井筒压力控制参数调整提供科学依据。

钢渣和石灰改良膨胀土的工程特性研究

在天然膨胀土中添加钢渣和石灰以改良工程性质。对改良后膨胀土进行界限含水率、压实性、膨胀性以及承载比试验,研究钢渣和石灰作为添加剂对膨胀土工程特性的影响。结果表明,随着钢渣/石灰掺量的增加,液限、塑限等界限含水率降低,最优含水率下降而最大干密度增加;掺钢渣和石灰后,改良土的膨胀性能显著降低,承载比明显增加。相同条件下,钢渣对膨胀土工程特性的改良作用优于石灰,而两者结合使用时效果更佳。这是由于钢渣除了与膨胀土发生离子交换,产生絮凝作用外,还可生产C-S-H等胶凝物质,加入石灰可以激发钢渣胶凝物质的反应。

综合管廊燃气爆炸超压及温度变化规律数值模拟

为了研究综合管廊燃气舱燃气爆炸后超压及温度的变化规律,采用数值模拟的方法,建立燃气舱模型,分析了超压及温度的时空演化规律和不同燃气浓度对超压和温度的影响。结果表明,随着时间的增加,超压呈现上下反复波动的趋势,温度先增加再减小后保持稳定;随着传播距离的增加,超压峰值先增大后减小再增大,温度峰值先增大后减小,然后保持相对稳定。火焰传播距离约为预混气体积聚长度的2.5倍。随着燃气浓度的增加,超压峰值先增加后减小;浓度越高,温度峰值下降越慢,火焰传播距离越远。研究结果可为评估燃气入廊风险、完善燃气舱的安全设计理念,提高综合管廊燃气舱安全防护的科学性和合理性提供参考。

泥岩隧洞仰拱矢跨比对围岩稳定性的影响

针对隧洞(道)工程中广泛存在软岩地层造成支护结构变形甚至破坏的问题,结合印度尼西亚佳蒂格德水电站引水隧洞现场监测的顶板沉降和边墙收缩变形数据,提出底板设置仰拱的支护方案.利用有限元软件MIDAS GTS建立不同仰拱矢跨比和侧压力系数的数值模型,反演佳蒂格德水电站引水隧洞的侧压力系数,并分析两台阶开挖隧洞围岩和初期支护结构的变形和应力规律.研究结果表明:(1)反演的佳蒂格德水电站泥岩段引水隧洞围岩的侧压力系数为1.2;(2)泥岩隧洞的仰拱矢跨比宜为1/10~1/8;(3)拱脚局部有应力集中的现象,必须对拱脚进行加固处理;(4)综合考虑佳蒂格德水电站引水隧洞的施工条件、围岩及支护结构的变形和应力、施工经济性,得出佳蒂格德引水隧洞最优矢跨比为1/10.

浅述地震条件下挡土墙土压力计算的理论与试验研究发展

地震条件下的挡土墙土压力的计算是岩土工程领域一个重要的问题,多年来国内外学者也对其进行了诸多研究,包括大量的理论研究和实验研究,无论是其理论还是试验研究都是纷繁复杂。文章对其相关理论及试验研究进行归纳,同时阐明了个人对相关理论和试验研究的肤浅理解,以便为我们行业内工程技术人员提供参考。

岩石吸水特性及水岩耦合力学特性试验

为了研究凝灰岩、泥炭质砂岩和泥质砂岩的吸水特性以及吸水引起的力学性能变化,利用X-射线衍射试验、SEM试验和压汞试验对3种岩样的矿物成分、微观结构和孔径分布特征进行了测试分析,在此基础上利用软岩水理作用试验系统对岩样的吸水特性进行了研究,并对吸水前后岩样的强度进行了测试。试验结果表明,3种岩石的吸水过程都可分为非线性吸水和线性吸水两个阶段,吸水特征曲线函数均为负指数函数,岩石的吸水量与其黏土矿物含量和其有效空隙数量之间为正相关;吸水后岩石强度的减小量和其吸水量与黏土矿物含量之间为负相关,较小的吸水量也会对岩石的力学特性产生较大的影响。

城市深部近接全过程变形控制设计方法

研究目的:城市深部(50 m以深)地下空间开发利用面临多硐室近接建造问题,稳定性与变形控制要求相较于常规地下空间更加严格,目前尚缺乏系统的设计方法指导工程实践。为此,本文提出针对城市深部近接地下空间的全过程变形控制设计方法。研究结论:(1)基于多硐室近接开挖对岩土体、既有硐室、新建硐室变形机制研究结果,提出了近接建造变形控制原则,建立了城市深部地下空间近接全过程变形控制设计流程,给出了硐室施工变形(含岩土体变形)和结构变形的控制标准,提出了考虑近接类型、围岩等级、近接间距的近接风险分区标准;(2)从施工工法、岩土体变形控制、既有结构变形控制、新建结构稳定与变形控制等方面着手,提出了典型地层、风险分区条件下的深部近接隧道变形控制设计建议;(3)将该设计方法应用于重庆地铁18号线富歇区间典型深部近接工程,结果表明:依据该方法给出的设计方案能够有效控制深部近接工程变形,确保新建硐室稳定、既有硐室变形处于标准规定的范围内,可用于指导城市深部地下空间近接变形控制设计,具备推广应用价值。

卡拉水电站地下洞室群稳定性分析及洞室间距优化研究

不利地质构造及软弱地层是卡拉水电站地下洞室群围岩稳定控制的关键性因素,鉴于此,采用离散元方法建立了包含不同级别结构面及软弱地层的节理岩体模型。在节理岩体模型的基础上,对处于优化设计阶段的卡拉水电站进行洞室群稳定性分析以及主副厂房洞和主变洞间距优化研究。数值计算结果表明:地下厂房洞室群整体稳定性较好,地下厂房区围岩具备成洞条件;但存在软弱地层T 3 z 2-5区域围岩变形较大,局部区域节理相互切割易造成块体滑落等工程地质问题,需要对其重点关注;结合洞群开挖后围岩内场量的分布情况以及经济指标和力学指标,从定性和定量角度对洞室间距进行了优选,最终确定主副厂房洞和主变洞间距50 m为最优方案。相关研究成果对于卡拉水电站洞室优化、安全施工具有一定指导意义。

基础设施系统脆弱性研究综述

基础设施作为一类为社会生产和居民生活提供服务的物质工程设施,是社会赖以生存和发展的一般性物质条件,也是典型的复杂系统。当今社会越来越依赖于基础设施系统提供的各种服务以维持其正常运行。然而近年来各类灾害频繁爆发,给基础设施系统的安全敲响了警钟。鉴于基础设施系统对社会生产和人民生活的重要性,分析基础设施系统的脆弱性,进而提出相应的抗干扰措施和改进策略,提高基础设施系统的可靠性,成为了当前研究的一个热点课题。基于此,对基础设施系统脆弱性相关研究进行了综述,并指出当前研究的一些不足和未来有待进一步研究的问题。

基于矿物加权硬度确定岩石磨蚀性的试验研究

准确预测岩石磨蚀性是隧道掘进机刀具设计和高效掘进的重要基础,岩石的矿物成分及含量是影响岩石磨蚀性的关键因素,采用岩石矿物加权硬度测试可为岩石磨蚀性评价提供一种新思路。选定白云岩、大理石、花岗岩等各种岩性岩石,平行开展矿物加权硬度试验和岩石磨蚀性试验,建立岩石磨蚀性指数和矿物加权硬度值的函数关系,并给出了岩石磨蚀性分级表。结果表明,岩石组成中莫氏硬度高的矿物比重越大,磨蚀试验中钢针磨损随之增加,宏观表现为岩石磨蚀性指数较高;基于矿物加权硬度确定岩石磨蚀性,能够避免使用钢针测试和磨损测量等繁杂工序,操作过程简单,结果准确;建立岩石磨蚀性指数和矿物加权硬度值的函数关系和分级表,可为隧道掘进机刀具参数选取提供直接依据,具有重要工程应用价值。