基于多域物理信息神经网络的复合地层隧道掘进地表沉降预测

复合地层中盾构掘进诱发地表沉降的准确预测是隧道工程安全建设与施工决策的关键问题。基于隧道施工诱发地层变形机制构建隧道收敛变形与掘进位置的联系,并将其耦合至深度神经网络(deep neural network,简称DNN)框架,建立了预测盾构掘进诱发地层变形的物理信息神经网络(physics-informed neural network,简称PINN)模型。针对隧道上覆多个地层的地质特征,提出了多域物理信息神经网络(multi-physics-informed neural network,简称MPINN)模型,实现了在统一的框架内对不同地层的物理信息分区域表达。结果表明:MPINN模型高度还原了有限差分法的计算结果,可以准确预测复合地层中隧道开挖诱发的地表沉降;由于融入了物理机制,MPINN模型对隧道施工诱发地表沉降的问题具有普适性,可应用于不同地质和几何条件下隧道诱发地表沉降的预测;基于工程实测数据,提出的MPINN模型准确预测了监测断面的地表沉降曲线,可为复合地层下盾构掘进过程中地表沉降的预测预警提供参考。

结合型式对地铁车站上盖物业的振动响应影响

为研究地铁振动对不同结合类型地铁车站及其上方的动力反应影响,基于地铁车站与上盖物业连接型式的主要承载区别,提出“软结合”“硬结合Ⅰ”“硬结合Ⅱ”3种结合型式;然后,采用车-轨耦合模型得到列车荷载谱,利用有限差分软件FLAC^(3D)建立地铁车站-上盖物业数值仿真模型,并与实测数据进行对比,验证数值仿真模型与参数的正确性;最后,基于数值仿真,从时域、频域出发,研究3种结合型式下上盖物业的振动响应.研究结果表明:软结合型式下站厅层到上盖物业一层加速度峰值减小69.10%,硬结合Ⅰ型减小2.08%,硬结合Ⅱ型增大2.94%,硬结合型式下上盖物业振动加速度较软结合型式大;3种结合型式下上盖物业振动的频率主要在40~90 Hz,且对于上盖物业同一楼层,振动随距振源距离的增大而逐渐减小;软结合型式下上盖物业一层加速度级最大值为68.2 dB,较站厅层减小11.3 dB;硬结合Ⅰ型、硬结合Ⅱ型的上盖物业加速度级最大值分别为83.4、79.4 dB;地铁振动造成上盖物业附加第一主应力很小,且在向上传播过程中衰减很快;从站厅层到上盖物业,软结合型式第一主应力衰减85.81%,硬结合Ⅰ、Ⅱ型式分别衰减63.46%、72.27%,间隔土对附加应力有明显衰减作用.在地铁实际建设工程中建议选用软结合型式.

高速列车突出隧道过程中横风效应研究

为研究横风效应对突然驶出隧道过程中高速列车气动特性的影响,基于列车流场的三维、可压缩性的非定常特性,建立隧道-列车-横风三维数值模模型,研究横风效应对驶出隧道过程中高速列车流场分布和列车表面压力的影响,揭示列车气动荷载变化机理。通过与动模型试验结果进行对比,验证数值模拟的合理性。研究结果表明:横风下列车驶出隧道过程中流场分布具有显著空间效应,受列车与隧道相互作用影响,隧道出口附近流场具有明显非定常特性;相较于无风情形,横风下列车底部压力变化幅值增大60%,列车迎风面、顶部压力变化幅值分别增大38.1%和28.6%,背风面压力变化幅值差异为4.8%,背风面压力分布受横风影响最小;横风效应导致列车气动特性发生显著变化,气动荷载变化幅值远比无风情形的大,无风时尾车横向力、升力变化幅值最大,横风作用下头车横向力变化幅值最大,倾覆风险最大。

海拔对隧道救援站列车火灾烟气蔓延特性的影响

采用三维非定常N-S方程和完全浮力修正的RNG k-ε湍流模型,基于滑移网格技术实现列车在隧道内的运动过程模拟,构建高海拔隧道紧急救援站列车火灾数值模拟方法,并利用现有动模型试验和隧道静止火灾试验数据验证数值模拟方法的可靠性和正确性,研究海拔对事故隧道、紧急救援站和列车中部车厢附近横通道内的烟气流速和温度分布的影响规律。研究结果表明:当着火列车驶入隧道紧急救援站时,活塞风主导了火灾烟气的蔓延趋势;在列车停车瞬间,随着海拔增大,事故隧道拱顶处和列车中部车厢附近横通道拱顶处的烟气流速峰值及温度峰值逐渐增大;列车停车后,活塞风逐渐衰减,烟气开始在隧道拱顶处向火源上游逆流;随着海拔增大,紧急救援站下游高温区域蔓延范围逐渐扩大,事故隧道拱顶处温度峰值随之升高;随着时间推移,高海拔与低海拔隧道拱顶处的温度峰值差异逐渐增大,可能对更高海拔隧道救援站内的人员安全造成更大的威胁;不同海拔处列车中部车厢附近横通道内人眼高度处的温度均超过330 K(对人体有危害),且在同一时刻,海拔越高,横通道内高温烟气层高度越低,烟气沉降速度明显加快。

山区铁路隧道工程资源环境影响效应评估研究

山区地质复杂、环境敏感、生态脆弱,致使铁路隧道建设难度大,且在资源节约、环境保护等方面面临较高要求。绿色设计作为绿色建设的先行环节,对减少隧道建设对资源环境的扰动作用,达到资源节约、环境友好的目的起关键引领作用。为定量评估山区铁路隧道工程的资源环境影响效应、衡量隧道设计的绿色程度,提出一种山区铁路隧道工程资源环境影响效应分析方法。首先,基于“驱动力-状态-响应”模型(Driving force-State-Response,DSR),以隧道设计参数为驱动力指标、资源环境状况为状态指标、隧道设计措施为响应指标,构建山区铁路隧道工程资源环境影响效应评估指标体系,并建立各指标分级标准;其次,运用一种具有自学习自调整能力的支持向量回归模型(Support Vector Regression,SVR)对隧道工程的资源环境影响效应进行评估;再次,以驱动力指标和响应指标为分析对象,运用考虑指标间关联关系及叠加效应的敏感性分析法,甄别对隧道工程资源环境影响效应优化具有重要影响的隧道设计因素;最后,以某山区铁路隧道工程为例,得到该隧道工程的资源环境影响效应值为4.7157,对应等级为较好,表明该隧道工程绿色设计水平较好,资源集约节约利用较合理、环境保护力度较大,可为其他类似工况隧道工程的绿色设计提供借鉴。此外,分析结果显示,注浆加固效果是导致该隧道工程资源环境影响效应变化最敏感的因素,其次为清污分流比例,可着重从这2个方面进行优化设计,以实现隧道工程资源环境影响效应的进一步优化。研究结果验证了本文研究方法的适用性和可操作性,可为山区铁路隧道工程资源环境影响效应评估及明确隧道工程优化设计方向提供科学依据。

基于总安全系数法的系统锚杆支护承载能力试验研究

鉴于隧道现行规范缺乏系统锚杆支护的承载能力分析方法,总安全系数法提出了锚−岩承载拱的荷载结构模型与承载力计算方法,在理论上实现了锚杆的量化设计,但缺少试验验证。基于此,从结构试验角度研制了大型隧道结构模型试验系统,开展了毛洞与不同间距系统锚杆支护下的锚−岩承载拱结构承载试验。通过监测围岩内部应力−应变、隧道位移与锚杆应变,分析了围岩与锚杆材料的破坏状态与破坏荷载,研究了锚−岩承载拱变形与受力特征、锚杆轴力分布。对比分析了模型试验的结构承载力与总安全系数法理论下锚−岩承载拱的计算承载力。研究结果表明:锚杆能有效地与围岩协同承载,显著增加围岩的侧限力,提高围岩抗压强度与承载能力;试验得到的锚−岩承载拱承载能力与理论计算结果较为吻合,表明了总安全系数法的锚−岩承载拱计算模型是合理的,并具有合适的安全性。

基于案例推理的隧道洞门智能设计方法研究

为将以往隧道案例的经验应用到新建隧道设计中,以解决传统设计方法工作量大且效率低下的问题,提出基于案例推理的隧道洞门智能设计方法。结合隧道洞门工程特点,选取影响洞门设计的主要因素,将影响因素划分为12个属性单元来表征工程案例,运用三角模糊数的层次赋权计算方法对各属性单元权重进行赋值,借助相似度理论建立隧道洞门设计方案相似决策模型。基于GIS技术开发了隧道洞门工程案例库,实现对既有工程的存储管理,同时利用SQL查询语言及Python计算脚本实现案例的属性特征值计算与最相似匹配,进一步修正后可实现隧道洞门修建方案的设计决策。以某山区隧道为例对智能设计方法进行验证,结果表明:根据属性单元特征值计算结果,在案例库中比选得出与拟建隧道相似度最高的既有工程为凤凰山隧道,且相似度为0.707。因此,设定阈值为0.7时能加快案例库的检索速率与匹配准确率,该方法吸取了既有工程案例的经验,能应用于隧道洞门施工方案的决策设计,可供今后隧道洞门方案的智能化设计参考。

高速铁路泥岩隧道仰拱底鼓控制技术研究

研究目的:为分析基底围岩劣化作用下泥岩隧道仰拱底鼓变形的控制效果,运用数值模拟的研究方法,建立高速铁路泥岩隧道有限元模型,考虑隧道开挖条件下模拟基底围岩吸湿膨胀和软化作用,选用底板与锁脚锚杆加固的控制技术,对比分析加固前后隧周围岩的竖向位移、填充层及仰拱的变形特性。研究结论:(1)锚杆加固基底可有效控制隧底围岩隆起,对隧底隆起的控制效果膨胀阶段优于软化阶段;(2)锚杆加固前后仰拱、填充层的底鼓位移曲线均呈“钟形”对称分布;(3)仰拱、填充层中心位置处的底鼓变形最大;(4)本研究结果可为高速铁路泥岩隧道仰拱底鼓病害防治与加固提供参考依据。

风向角对高速列车驶出隧道过程中气动效应的影响

为研究风向角对驶出隧道过程中高速列车气动效应的影响,以某型高速动车组列车为研究对象,采用数值模拟方法对隧道内气动压力、列车风风速、流场分布及列车气动荷载进行分析。通过与动模型试验结果进出对比,验证数值模拟方法的准确性。研究结果表明:隧道壁面气动压力峰值及变化幅值最大值出现在隧道内部,且出现位置到隧道出口距离与风向角有关;背风侧气动压力受风向角影响更大,气动压力变化幅值随风向角增大呈现先减小后增大再减小的趋势;出口处列车风风速随风向角增大基本呈现先增大后减小的趋势,30°风向角时列车风风速最大,但迎、背风侧列车风风速峰值出现时刻不同;随着风向角增大,流场分布不对称性增强,列车绕流特性由流线型绕流逐渐过渡到钝体绕流,流动分离点到头车鼻尖的距离呈现先增大后减小最后再增大的变化规律,隧道内流动结构愈加复杂;气动横向力、升力变化幅值随风向角增加呈现先增后减趋势,头车横向力系数最大变化幅值分别是中车、尾车的2.4倍和2.6倍,升力系数最大变化幅值分别是中车、尾车的1.1倍和1.5倍,故保证头车安全是控制整车运行安全的关键;侧风下高速列车驶出隧道情形下的最不利风向角为30°,此时头车发生列车事故风险最高。

周边眼偏位空孔爆破设计优化研究与应用

依据已有研究对空孔效应和设置空孔时裂纹扩展规律进行探讨,发现空孔有利于裂纹贯通,对提升爆破效果有一定帮助,但也发现传统的直线型空孔布置会导致裂纹偏向,即在空孔附近转向、偏离原发展路径,影响原设计开挖轮廓。若设置偏位空孔,则可充分利用空孔效应及导向作用以提高开挖质量。对于偏位空孔在爆破中的效应,采用数值模拟研究了不同炮孔间距、空孔偏位角下的裂纹扩展规律和炮孔间贯通情况,探讨了最优偏位角度设计,并根据模拟结果对现场爆破方案进行优化,研究实际应用效果。研究结果表明:偏位空孔对爆生裂纹具有较直线空孔更明显的导向作用,主要表现在爆生裂纹尖端向空孔本身发展或被空孔裂纹引导偏向、最终主裂纹与空孔连通或在空孔范围之外主裂纹相贯通,更利于炮孔主裂纹扩展与贯通;通过提取模拟结果并测量裂纹范围,对于孔间距在60 cm及以下时,适用于周边眼爆破设计的最优偏位角为15°,在此情况下炮孔连线方向形成了与孔心连线相平行的裂纹,能显著提升贯通效果;对于优化后的福厦铁路某隧道爆破施工方案,通过振速监测及超欠挖断面扫描分析,发现周边眼起爆引起的爆破振速降低了超过50%,超欠挖值也由平均25 cm降低至15 cm以内,整体应用效果良好。该项研究可为隧道爆破减振及超欠挖控制研究提供一定参考。

基于可拓理论的隧道洞口段动力响应规律研究

隧道洞口段存在偏压浅埋、围岩破碎等情况,为探究隧道洞口段在地震作用下的动力响应规律并给出安全性定量评估指标,以雅万高铁6号隧道为依托建立数值模型,分别输入雅万人工合成波、EI波、KB波以及WL波4个地震波,基于可拓理论,建立可拓物元模型,对采用数值模拟方法得出的隧道洞口段在最不利地震波作用下的弯矩、轴力、相对位移、加速度4个安全评估指标结果创建分区,以综合定量指标对雅万高铁6号隧道洞口段进行安全性评估,并提出了抗震设防长度。同时,分析了在不同地震波作用下的雅万高铁6号隧道洞口段的动力响应规律。结果表明:(1)在雅万人工波作用下,隧道各评估点动力响应程度约为其余3种天然波作用下动力响应程度的1.2倍;(2)各地震波计算所得4个评估指标沿纵向方向变化规律基本相同,轴力及弯矩峰值均出现在拱肩拱脚位置,相对位移峰值均发生在洞口处仰拱至拱顶测线,评估指标峰值发生时刻略微滞后于地震波峰值加速度对应时刻;(3)在雅万人工合成波作用下,雅万高铁六号隧道洞口段抗震设防长度为45~55 m,为隧道洞径的3.5~4倍。研究成果可为通过综合定量指标对隧道洞口段进行抗震安全性评估提供参考。

隧道竖井高度对高速列车火灾烟气输运特性的影响

为研究隧道竖井高度对高速列车火灾烟气输运特性的影响规律,采用带有浮力修正的RNG k-ε双方程模型和体积热源模型,构建隧道高速列车运动火灾数值仿真方法,并通过动模型试验验证数值模拟方法的可靠性。研究结果表明:对于着火列车迫停于竖井上游的火灾场景,竖井高度变化对烟气输运特性的影响主要体现在停车后期;列车停车360 s时,随竖井高度增大,竖井烟囱效应增强,隧道拱顶纵向流速正峰值增大,而隧道拱顶温度峰值呈减小趋势。对于着火列车迫停于竖井下游的火灾场景,竖井烟囱效应以及隧道内活塞风对火灾烟气输运起主导作用;列车停车90 s时,烟气出现逆流现象,随着竖井高度增大,火源上游烟气逆流速度峰值增大,烟气逆流长度先增大后保持不变,当竖井高度由20 m增大至100 m时,火源上游高温烟气逆流至竖井底部所需时间缩短253 s;列车停车360 s时,隧道拱顶处温度峰值的变化规律发生改变,当竖井高度由20 m增大至100 m时,隧道拱顶处温度峰值先增大后减小。

隧道突出气体特征及形成机理研究

为研究高原隧道不明突出气体特征及形成机理,本文采用资料收集、现场调查测试与监测、室内岩石学、地球化学试验等方法与手段,研究突出气体赋存地质环境,揭示突出气体成分、演化过程及演化规律,结合区域地质条件演化过程,建立突出气体形成、演化模式。研究结果表明:(1)该横洞及周边地区不具备发育大规模油气资源的岩性条件,该突出气体应属有机成因与无机成因混合气范畴;(2)突出气体含量随时间呈逐渐减小趋势,气体储量有限,不具有易燃性,具有微~中等腐蚀性;(3)该横洞突出气体是一类成分多样、形成演化过程复杂的有机成因和无机成因混合气,其形成先后经历有机成因阶段与无机成因阶段,区域地质历史时期活跃的岩浆活动和出气孔处发育的碳酸盐岩为突出气体的无机成因提供了证据。研究成果可为类似高原隧道突出气体研究和评价提供参考。

铁路隧道爆破对临近特高压铁塔的振动影响研究

为研究隧道爆破开挖对临近既有特高压铁塔的影响,本文采用现场试验和数值模拟相结合的方法,对铁塔塔基的振动速度进行研究,并且详细讨论了爆心距与振动速度峰值的关系。通过数据拟合,得出本工程条件下隧道爆破质点的振动传播规律及衰减公式。结果表明:塔基的振动速度峰值随爆源与塔基距离的接近而增大,在爆心距为0 m时出现最大振速;竖直方向的振速普遍高于水平方向的振速;三座铁塔最大轴应力均出现在塔基处,最大轴应力随铁塔高度的增加而逐渐减小。数值模拟结果与现场试验结果相近,研究可为实际工程提供参考依据。

隧道断层破碎带突水灾害防治措施研究

隧道工程既可缩短运行距离,又可节省地面用地,特别是在城市地铁建设中更具有优势。受地形地貌、水文地质条件等因素影响,在隧道断层破碎带易引发突水灾害,严重威胁施工安全。结合工程实际,研究灾害成因,提出治理方案,对监测数据进行分析研究,为隧道施工提供参考。

基于改进Faster R-CNN的隧道衬砌中离散实体目标自动检测研究

隧道衬砌中离散实体目标的检测精度和时效性直接关乎隧道的运营安全,采用图像视觉技术进行图像自动解译可极大提升检测效率和结果的准确性,因此基于离散实体目标的雷达图像数据构建自定义雷达数据集合,并提出一套改进的Faster R-CNN算法对隧道衬砌中的离散实体目标进行自动检测。该算法首先对现有Faster R-CNN网络的特征提取模块进行改进,提出一套全新的轻量化特征提取网络ResNet_FMBConv对雷达图像特征进行深度挖掘;基于ResNet_FMBConv网络改进现有特征金字塔(FPN)结构,实现对多尺寸下目标的精准辨识。其次,基于实测和仿真的雷达图像数据构建离散实体目标的自定义雷达数据集合,通过几何变换方法对雷达图像进行数据增强后用于算法验证。结果表明,改进算法在IOU=0.50∶0.95情况下的检测精确率、召回率、F 1分数和FPS分别为45.1%、54.0%、49.1%和21.65 fps。在保证召回率基本持平的情况下,同比YOLOv3_spp、SSD、Retinanet和Faster R-CNN等目标检测算法的精确率和F 1分数分别提升2%~9%和1%~6%。同时,试验结果表明改进后的特征提取网络ResNet_FMBConv也优于现有Resnet-50、VGG16、Efficientnet_b0和Mobilenetv3等目标分类网络。

西(宁)成(都)铁路高地应力节理发育软岩地层隧道支护体系研究

为保证西成铁路高地应力节理发育软岩大变形隧道安全修建,采用现场勘察、室内试验、地应力测试、工程类比、数值模拟等方法展开研究,结果表明,西成铁路与毗邻兰渝线地质条件类似,均以二叠系、三叠系板岩与砂岩为主,层理清晰、节理裂隙发育,地应力以水平主应力为主导,水平主应力在10~30 MPa之间,竖直主应力在4~13 MPa之间,有较强水平构造应力作用,兰渝线控制围岩变形主要采用增加预留变形量、自进式长锚杆、钢花管加固、增加初支及衬砌刚度、钢纤维喷射混凝土等技术措施。在此基础上针对西成铁路节理发育软岩大变形主要发生在垂直节理倾角方向上的特点,提出首先增大矢跨比,然后增大钢拱架刚度,对于Ⅲ级大变形在垂直节理方向设置预应力锚索的非对称大变形隧道支护体系,该支护体系相比传统支护体系能够减小13.8%~21.2%软岩变形,对于控制节理发育软岩变形效果良好。

400 km/h高铁隧道联通式缓冲结构对微气压波的影响

随着高速列车运行速度的提升,隧道口微气压波幅值剧增,强烈的爆破噪声同时影响着周边环境和附近居民的正常生活。本文研究由平行导坑与横通道组成的联通式缓冲结构对400 km/h高铁隧道微气压波的缓解作用。首先,进行400 km/h动模型试验,验证数值模拟方法的准确性;其次,基于RNG k-ε湍流模型和滑移网格技术分析联通式缓冲结构位置距隧道入口的距离D与联通式缓冲结构长度L对微气压波的影响。研究结果表明:随着D增加,微气压波的缓解率逐渐增大,在D=25 m时达到最优,微气压波幅值减少34.4%;随着L增加,微气压波幅值缓慢增加;当L=30 m时,隧道口20 m处的微气压波幅值为91 Pa,缓解率为37.1%。联通式缓冲结构与既有350 km/h高铁线路上的断面扩大开孔型缓冲结构组合,可将隧道口20 m处微气压波幅值减小至47.3 Pa,降幅达67.3%。联通式缓冲结构合理利用了修建隧道时遗留的平行导坑,可在保障施工成本几乎不变的前提下,显著缓解微气压波,保护隧道周边环境。

米字型靠尺遍历离散点云检测隧道初支平整度

研究目的:为便捷、快速地开展隧道初支平整度检测,基于三维激光扫描的离散点云数据,提出运用米字型靠尺模拟人工检测的初支平整度全局检测方法,并对主要实现过程中的隧道设计轮廓嵌入、点云数据展开、米字型靠尺遍历、测站平整度计算、网格平整度评价等技术进行说明。研究结论:(1)本文方法直接基于离散点云进行模拟人工检测,不需要构建拟合曲面,能保持特征点云的位置不失真;(2)基于投影展开后的点云成果数据,可以从纵、横、斜向同步进行平整度检测,相比人工只能从纵向检测,该方法检测覆盖更全面,更贴近工程实际;(3)在桑园隧道应用本文方法进行初支平整度检测,检测结果的精度可以媲美人工检测,验证了本文方法的有效性,可为铁路隧道施工中的初支平整度质量检测提供实践参考。

纵向压力和加固钢板对隧道力学性能影响的解析解

为快速准确地评估纵向压力和加固钢板对盾构隧道力学性能的影响,基于隧道衬砌接缝面建立考虑纵向压力、弯矩和加固钢板耦合作用下的应力平衡方程,推导出了隧道力学性能的解析解。通过与经典抗弯刚度理论和数值模拟的计算结果对比,验证了该方法的可靠性。研究表明:隧道中性轴随纵向压力、加固钢板厚度和弹性模量增加而减小;隧道抗弯刚度随弯矩增大而减小(最大和最小隧道抗弯刚度与弯矩大小无关),与纵向压力呈S曲线正相关,与加固钢板厚度和弹性模量呈非线性正相关。有加固钢板的隧道抗弯刚度是无加固钢板的6.58倍;弯矩承载力与纵向压力、加固钢板厚度和弹性模量呈非线性正相关;衬砌接缝张开量与纵向压力、加固钢板厚度和弹性模量呈非线性反相关,与弯矩呈非线性正相关。该计算方法解析地诠释了纵向压力与加固钢板对盾构隧道力学性能的影响机制。