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。

隧道初期支护模袋混凝土抗压强度试验研究

为研究隧道新型支护模袋混凝土的抗压强度,设计了高流态混凝土配合比,对4个不同试验工况的混凝土试件,以3,7,28 d抗压强度为考察指标,分析在相同排水条件下模袋以及在相同模袋条件下有压排水对于混凝土抗压强度的影响。对比分析养护龄期对不同试验工况混凝土抗压强度的影响,揭示了不同试验工况混凝土破坏形态。结果表明:模袋对混凝土抗压强度影响不大,但可以提高其整体变形能力;有压排水可大幅度提升混凝土抗压强度,且提升随养护龄期增长呈现先增加后减少的规律;不排水混凝土抗压强度前期增长较慢后期较快,而有压排水混凝土恰好相反;无模袋混凝土破坏时形成两个对顶的角锥形破坏面,有模袋混凝土破坏时裂缝沿着平行于力的作用方向产生,但两者边缘都有贯穿裂缝。研究成果可为探究模袋混凝土力学性能及强度试验方法提供一定参考。

基于科教融合理念的药学专业建设探索与思考

经过五年的科教融合探索实践,齐鲁工业大学(山东省科学院)在学科建设、科研创新、人才引育、成果转化和社会服务等方面获得快速发展,充分彰显科教融合的独特优势。科教融合学院-药学院紧跟国家科教融合政策导向,紧贴地方药学专业建设需求,深挖自身人才和科研优势,从明晰育人方向、构建课程体系、创新培养模式、夯实师资力量和强化校企合作五个方面入手,探索实践药学专业科教融合建设的新路径、新形态。该文以药学专业建设为例,梳理专业在科教融合方面所做的工作、取得成效,以及存在的矛盾问题和发展方向,为下一步创新推进科教融合发展,合力培育优质人才,加快科教成果落地提供参考借鉴。

考虑地层变异性的新建隧道下穿引起既有盾构隧道纵向变形的随机分析方法

沿盾构隧道纵向的地层变异不可避免,现有对于新建隧道引起既有盾构隧道纵向变形计算的解析模型大多将隧道下卧土体视为均质地基,忽略了地层变异性。本文针对新建隧道施工引发的既有盾构隧道纵向变形问题,构建考虑地层变异性的盾构隧道纵向力学解析模型,基于随机场理论,结合蒙特卡罗模拟策略提出隧道下穿引起既有盾构隧道纵向变形的随机分析方法。依托1个工程案例,基于所建立的盾构隧道纵向变形随机分析方法,开展新建隧道下穿施工影响下既有盾构隧道纵向变形随机分析,并与实测结果进行对比。最后,分析地层刚度变异系数和水平波动距离对既有盾构隧道纵向变形的影响规律。研究结果表明:地层变异性对盾构隧道纵向变形的影响不可忽略;地层刚度变异系数对既有隧道纵向位移均值和离散程度影响较敏感,地层刚度变异系数对可靠度指标的影响较显著。

富水砂卵石地层盆形冻结止水技术研究

为解决全断面砂卵石地层地下工程的地下水控制问题,提出盆形冻结止水技术。首先,采用三轴力学试验研究冻结砂卵石的压缩力学特性和蠕变力学特性;然后,采用大尺度物理模型试验和数值模拟方法研究盆形冻结的温度场扩展规律,并根据研究结果进一步提出盆形冻结积极冻结期的群孔布置技术和维护冻结期的精细化控制技术。结果表明:1)低围压(小于3 MPa)条件下,三轴抗压强度与围压呈正线性相关,然后围压继续增大时,强度基本不变;基于损伤理论建立冻结砂卵石全过程蠕变模型。2)荷载对冻胀率及融沉系数影响最大,细粒土质量分数次之,原状饱和砂卵石是不冻胀材料,并由此建立饱和砂卵石冻胀率及融沉系数三维预测模型。3)基于大型物理模型试验及数值模拟结果,盆形冻结可以在地下水渗流条件下形成完整的盆形结构,起到有效止水的效果。4)盆底冻结管在冻结过程中表现出与单管冻结迥异的“群孔效应”,根据试验结果提出包含冻结管间距、土体导热系数、渗流速度3因素的积极冻结期冻结管合理间距的确定与布置技术。5)为节约维护冻结期的能源,提出隔排切割冻结管、仅保留盆壁冻结管2种维护形式以对冻结区域进行精细化控制,经过分析,2种方式均可以有效满足盆形结构维护期的冷量供给,保持完整的盆形形态。

基于深度学习的盾构机土舱压力场预测方法

土舱压力是盾构机受力状态和掌子面稳定等核心问题中的关键因素。土舱压力具有显著的空间变异性,其形成演化机制源于装备与岩土之间的复杂耦合作用,与地质特征、掘进参数等多源参数相关。然而,现有土舱压力预测方法一般未考虑空间分布特征或地质参数影响。针对该问题,提出了一种基于空间分布物理特征函数导引深度学习的盾构机土舱压力场预测方法。该方法构建物理特征函数用于解耦土舱压力空间分布特征,采用卷积神经网络和门控循环单元分别提取多源参数历史信息的空间特征和特征系数的时序特征,结合多源参数实时信息对特征系数进行预测,从而实现土舱压力场的预测。以长沙地铁四号线某区段为案例,利用该方法准确预测了土舱压力空间分布实测数据,准确率高达0.98,验证了所提方法的有效性。敏感性分析表明,不同地层中土舱压力空间分布特征系数的主要敏感参数基本一致,但其敏感度随地层地质条件的变化规律差异显著,可为复杂地层盾构机土舱压力精细化调控提供参考。

盾构隧道衬砌结构偏心破坏转化临界锈蚀率预测

盾构隧道管片中的钢筋锈蚀会对结构的承载性能和破坏形态产生重要影响。一般盾构隧道结构多呈现小偏心受压状态,当钢筋锈蚀发展到一定程度时会出现小偏心向大偏心受力状态的转变,导致结构承载力下降、危及隧道运营安全。基于盾构隧道衬砌结构压弯受荷特点,设计小偏心加载的锈蚀试验柱,等效地模拟隧道衬砌的实际受力状态,分析不同锈蚀程度下试验柱跨中应变、极限承载力及裂缝的全过程演变。随锈蚀程度加重,试验柱承载力、混凝土应变、受压区高度下降速度逐渐加快,最大锈蚀率达到68.32%时,承载力最大降幅达到53.23%。试验发现高锈蚀程度(η≥46.25%)试验柱由小偏心破坏转化为大偏心破坏的现象。基于受弯构件正截面承载力理论分析,提出隧道衬砌结构由小偏心向大偏心破坏转化的临界锈蚀率理论计算方法,通过设计有限元计算流程验证了该方法的正确性。研究结果可为盾构隧道衬砌结构耐久性设计和安全评价提供理论支撑。

基于螺栓拉伸刚度的地铁盾构隧道纵向刚度计算

针对现有盾构隧道纵向刚度计算方法缺乏试验验证且未考虑螺栓拉伸刚度等因素影响的不足,首先,理论推导盾构隧道纵向刚度的解析计算方法;然后,以上海地铁盾构隧道为背景,设计并开展缩尺模型试验,通过实测结果验证解析计算方法;最后,以珠三角地区盾构隧道为工程背景,计算盾构隧道纵向刚度。结果表明:由于螺栓预紧力的存在,跨中加载较小时的实测隧道纵向刚度偏大,但随着跨中加载的增加,实测结果与理论计算结果趋于接近,验证了解析计算方法的合理性;珠三角地区盾构隧道在弹性阶段、塑性阶段和塑性变形后的纵向螺栓拉伸刚度依次为2.1255×10^(6),0.9859×10^(6)和3.1856×10^(6) N·m^(-1),纵向刚度依次为3.3068×10^(8),1.5345×10^(8)和4.9543×10^(8) N·m^(2);考虑到地铁盾构隧道发生纵向变形时,一定范围内的纵向螺栓所处变形阶段存在差别,在实际纵向刚度取值时应根据隧道最大变形导致的纵向螺栓拉伸量来具体分析确定。

山岭铁路盾构隧道荷载及结构受力特性研究

研究目的:为研究山岭盾构隧道的荷载分布特征及其衬砌结构力学行为,依托某铁路工程,基于FLAC3D建立数值模型,研究山岭铁路大断面盾构隧道管片上的荷载分布及大小,分析不同影响因素下双层衬砌的内力分布特征。研究结论:(1)衬砌周边围岩应力在盾构通过前后,有瞬间增大再减小再增大最后保持不变的趋势,且稳定后衬砌上竖向和侧向地层压力均呈两端大中间小形状分布;(2)隧道在不同赋存条件下应选用与其相适应的荷载计算理论,如在50 m埋深(Ⅴ级围岩)条件下宜采用普氏理论,100 m埋深(Ⅴ级围岩)条件下宜采用铁路隧道规范理论;当围岩条件较差及埋深较浅时荷载计算理论结果略微偏于不安全,当埋深较大以及围岩条件较好时荷载计算理论结果均偏保守;(3)双层衬砌结构中二次衬砌相比管片内力很小,且围岩稳定性对二次衬砌的受力特性影响较大;(4)本研究成果可为山岭盾构隧道结构设计提供技术支撑。

小净距隧道掘进爆破及其振动响应规律研究

为了研究爆破荷载作用下小净距隧道中夹岩区的动力稳定性问题,依托小龙门隧道爆破工程,开展了现场爆破振动监测试验。通过改进的变分模态分解(variational mode decomposition,VMD)与多尺度排列熵(multi-scale permutation entropy,MPE)算法对爆破振动信号进行消噪处理,基于此分析了掏槽孔与周边孔爆破在后行洞左拱腰(非中夹岩区)、右拱腰(中夹岩区)中产生的振动特征差异。结果表明:采用改进的自适应VMD-MPE算法可以有效消除振动信号中的噪声,并降低了主观决策的影响;此外,相对于非中夹岩区,中夹岩对爆破振动具有明显的放大效应,其质点峰值振速明显大于非中夹岩区,但中夹岩区的振动衰减速度更快;同时,通过对比非中夹岩区与中夹岩区各测点振动频率特征可以发现,中夹岩区小于40 Hz的低频振动能量占比较大,更易引起支护结构的共振,发生损伤与破坏的风险更高,应重点关注;受“转角削弱”作用以及地震波传播路径的影响,在比例距离SD小于等于11.57 m·kg^(1/3)范围内,周边孔爆破在掌子面后方围岩中产生的振速大于掏槽孔。

软土地层三线小角度叠交盾构隧道施工影响规律及位移控制

天津地铁6号线入出段线盾构隧道上穿既有隧道,通过现场实测和数值模拟对既有隧道结构变形规律、变形影响因素、不同变形控制措施的效果进行了研究。结果表明:盾构上穿过程中既有隧道竖向位移整体呈现出隆起-沉降-隆起的变化规律;刀盘距叠交部位断面距离L=2.0D(D为隧道直径)时,叠交部位断面轴力达到最大值,L=0~2.0D时,叠交部位断面弯矩逐渐由L≤0时的横8字形转变为L≥2.0D时的三叶草形;新建隧道与既有隧道的叠交角度在15°~60°、竖向净距小于1.0D时,既有隧道竖向位移受新建隧道影响较大,实际工程中应使叠交角度大于60°,竖向净距大于1.0D;设置支撑台车后,支撑台车影响范围约为2倍台车长度,在影响范围内横断面位移得到控制,但随着支撑台车离开,原来位置处对位移的控制效果逐渐消失;与不注浆相比,深孔注浆加固后既有隧道竖向位移最大值和水平位移最大值分别减小了67.4%、76.0%。

大盾构管片最不利上浮状态下三维形变特征模型试验方案设计

隧道施工期管片所受浆液浮力并非恒定,壁后浆液压力的不均匀分布会导致管片变形和隧道环的位错损伤。为减弱或避免因管片上浮造成的结构病害,通过自主设计研发一种考虑千斤顶水平推力、围岩压力以及同步注浆上浮力作用的管片三维加载模型试验系统,对大直径管片最不利上浮状态下的瞬时变形进行分析。试验装置由围压加载装置和非均布上浮力加载装置组成,可实现单点或多点同步加卸载;模型试验采用不同刚度弹簧模拟上浮期隧道与地层之间的相互作用;根据相似理论对管片模型和连接螺栓进行精细化设计和加工;根据实际工程中试验段的围压对模型围压初始值进行换算,并将动、静态上浮力相结合,提出更符合工程实际的盾构隧道横、纵向上浮力分析模型。结果表明:在拱底非均布上浮力的作用下,拱底竖向位移和收敛变形沿纵向均近似呈对数正态分布,其最大值均出现在脱出盾尾后第3环;各环管片的收敛变形与拱底竖向位移近似呈线性关系,斜率介于0.63~1.49之间;模型试验结果与实测数据相吻合。研究成果可为盾构隧道管片抗浮设计和施工提供一定的技术支持。

环端面不平整条件下衬砌管片抗剪承载特性研究

在衬砌管片拼装过程中难免出现环端面不平整(或环缝间垫片局部脱空)的情形,进而在顶推力作用下管片容易产生局部开裂破损,严重时甚至危及衬砌结构安全。鉴于此,以衬砌管片抗剪原型试验为基础,在ABAQUS数值分析平台上建立P2型标准块管片的精细化模型,管片上部设置千斤顶靴板,底部设置垫片并使右侧垫片脱空。在靴板上逐级施加均布荷载,以分析局部脱空情况下衬砌管片在逐级顶推力作用下的力学响应,探讨环端面不平整条件下衬砌管片的裂缝发展过程及抗剪承载特性。数值模拟结果表明:顶推力加载至850 kN,管片脱空端竖向位移达到2 mm,管片内弧面上部出现第1道裂缝,内置钢筋仍处于弹性阶段;加载至1120 kN,脱空端竖向位移达到6 mm,内弧面上出现2道新裂缝,同时第1道裂缝进一步扩展形成内外贯穿性裂缝,即管片裂缝发展过程大致为内弧面→上环端面→外弧面,且裂缝附近上层纵向钢筋达到屈服强度;考虑到内外贯穿裂缝给衬砌管片带来较大渗漏水隐患,认为P2型标准块管片的抗剪承载力(即屈服荷载)约为1120 kN。将数值模拟结果与原型试验结果进行对比,二者所得管片裂缝分布与扩展规律大致一致,抗剪承载力基本相符,验证了数值模拟结果的可靠性。研究成果可为盾构隧道的衬砌设计与掘进施工提供参考依据。

盾构隧道下穿高铁路基变形影响规律及加固优化研究

为研究盾构隧道下穿高铁路基施工时对路基的影响规律,探究在隧道开挖过程中运用不同加固措施对既有高铁路基的影响程度。以西安市某地铁工程为依托,利用室内模型试验对比分析盾构隧道下穿高铁CFG桩复合路基过程中,无加固、超前管幕工法加固与地表袖阀管注浆加固3种隧道施工条件下,地表沉降值和沉降槽的空间分布规律;采用数值模拟分析验证超前管幕工法加固工况下盾构隧道下穿时,高铁路基、道床的位移变化规律。室内模型试验结果表明:盾构隧道施工中采用管幕工法加固后复合地基正上方的地表沉降最大值减小28.6%,采用袖阀管注浆加固后减小18.0%,并且采用两种加固措施后的CFG桩最大附加轴力均减小20%以上。因此,在隧道掘进过程中采用一定加固措施,可改善围岩稳定性,其中管幕工法加固效果更为显著。数值模拟分析表明:采取管幕工法加固施工与不采取加固措施相比,路基最大沉降量减少33.78%,道床最大沉降量减少45.08%。因此,管幕工法加固能够有效减小对既有高铁路基的影响。

考虑土体剪切与接头剪切效应的盾构隧道纵向变形计算模型

针对紧接盾构隧道或盾构穿切桩基工程中附加外力作用下的盾构隧道纵向非均匀变形和受力问题,利用计算解析方法,将盾构隧道视为置于Pasternak双参数地基上的铁摩辛柯梁,同时引入修正等效连续化模型和传递矩阵法,提出一种新的盾构隧道纵向变形计算模型,并采用室内模型试验的方法进行验证。结果表明:模型试验中,在集中荷载与围压共同作用下,整个隧道处于弹性变形阶段,各环管片收敛变形、拱顶和拱底竖向位移、环缝错台量均随集中荷载的增加而近似线性增大,并以集中荷载为中心沿纵向呈对称分布,变形趋势与计算结果相同,且2种方法下环缝错台量最大相对误差仅为8.75%;2种方法得到的结果在分布特征和量值上基本一致,验证了计算模型的可行性。该计算模型能够反映土弹簧间的剪切作用、收敛变形对隧道纵向变形刚度的影响及接头的非连续性,可对盾构隧道纵向变形和内力进行预测分析,并为紧接盾构隧道工程中既有盾构隧道的安全评估提供理论指导。

深中通道钢壳-混凝土组合沉管浇筑变形研究

深中通道沉管管节采用钢壳-混凝土组合结构形式,通过向空钢壳浇筑混凝土预制而成。为评估沉管管节施工后的整体变形,建立了热-结构顺序耦合的分析框架,基于ANSYS APDL及UFPs二次开发模块,分别建立了考虑水化度、日照辐射、大气温度变化的精细温度场模型和考虑混凝土硬化及收缩特性的结构分析模型。通过对足尺管节的温度及应变模拟结果与监测数据的对比,验证了有限元模型的可靠性。在此基础上,分析了日照辐射、大气温度变化等对于管节温度场的影响,同时分析了管节的整体变形模式,以及温度效应、混凝土收缩及自重三种因素对管节整体横向、纵向及竖向变形的影响。结果表明:管节施工过程的温度场表现为时变和空间分布的特征,格仓边部温度受外界气温变化和日照辐射的影响存在周期性波动,而格仓中部温度峰值主要受混凝土自身水化放热特性的控制;管节最终表现为顶板横向及纵向内收,竖向下挠,底板横向及竖向变形不显著;太阳辐射对于结构温度场影响较日气温变化更显著,建议在混凝土温度峰值预测中予以考虑,而日气温变化可采用日平均气温值予以简化;温度效应及材料收缩对管节横向及纵向整体变形影响显著,自重因素导致的变形在横向及纵向的比例为44.3%、11.7%,而在竖向所占比例达92.5%,因而温度效应及材料收缩在管节横向及纵向变形分析中不可忽视;该分析方法可适用于大体积混凝土等结构的温度效应的预测和评估。

黄土盾构下穿不同地下非连续管线的模型试验

针对城市盾构隧道施工下穿既有输气管线引起管线沉降与受力问题,以河南省某在建高速公路为工程背景,进行室内模型试验和有限元数值模拟.考虑不同非连续管线接头间距、接头刚度和管隧间距的影响,探讨管隧正交工况下,隧道开挖对非连续管线沉降、弯矩及管土接触应力的影响.研究结果表明:黄土盾构正交下穿管线存在沉降集中区,在该区范围内,管线接头与管段相对刚度比的大小对管线平均沉降增长速率影响较大,相对刚度比由1.30减小至0.21,非连续管线平均沉降增长速率增大1.5倍;相对刚度比相对大小对非连续管线沉降和弯矩起到决定性作用;通过定义非连续管线综合刚度比,揭示不同综合刚度比下非连续管线最大沉降变化规律和管线最大正负弯矩相对变化规律,其中综合刚度比与管线最大沉降服从3次多项式拟合函数,管线的最大正弯矩值随着最大负弯矩值的改变服从4次多项式拟合函数;管线的管土接触应力变化均呈现“双峰型”变化,管土接触峰值应力随着接头间距的增大而增大;数值模拟表明,管线最大沉降随着管隧间距增大而呈现折线型减小,该转折点出现在管隧间距与隧道开挖直径比为1处.

基于水平旋喷桩处置优化的地铁隧道施工变形控制分析

为研究富水砂层隧道中水平旋喷桩+超前小导管组合预加固的效果,以青岛地铁某区间段隧道为依托,采用有限元数值模拟方法,对比分析了无预加固、单独使用水平旋喷桩及旋喷桩配合超前小导管组合预加固三种工况的加固效果。结果表明,与无预加固方案相比,单独使用水平旋喷桩预加固可使地表沉降、拱顶沉降、掌子面纵向位移分别相应减少约61%、59%、38%;而水平旋喷桩与超前小导管组合预加固方案可使地表沉降、拱顶沉降、掌子面纵向位移分别相应减少约66%、77.6%、38.9%,典型开挖断面处与拱脚处地下水渗流量分别减少93.4%、96.7%,预加固效果与止水效果显著。

基于改进CSM模型的硬岩掘进机刀盘危险点应力分析方法

TBM刀盘受载后的危险点应力获取缺少直接的测量方法,工况复杂的情况下也难以测量,这就制约了刀盘载荷分析在刀盘寿命分析及其再制造方向上的应用问题,为此本文提出了一种基于改进CSM模型的TBM刀盘危险点应力分析方法.在CSM模型基本压力假设的基础上,提出了滚刀刀刃侧面基本压力的概念,推导计算了滚刀刀刃侧面受到的压力和摩擦力,并将二者逐个引入CSM模型中的三向力的计算,建立了改进的CSM模型;通过与公开的滚刀载荷实验数据对比,计算得到的三向力误差均在5%以内,弥补了CSM模型不能预测侧向力的不足.基于改进的CSM模型,通过分析滚刀载荷三向力的差值关系,建立了滚刀载荷差值与滚刀刀间距离的指数关系,得到了计算刀盘滚刀载荷的理论模型,使用ABAQUS的实体耦合功能,加载上各滚刀的载荷,分析整个刀盘的载荷分布,进一步获得刀盘危险点的位置.由此建立了一套刀盘滚刀群载荷获取及危险点应力分布计算的方法.通过与辽宁大伙房水库引水隧道工程中公开的实验数据及危险点统计数据对比,验证了基于改进CSM模型的TBM刀盘危险点应力计算方式的有效性.该研究对经典的CSM模型进行了改进,所提出的刀盘危险点的应力分析方法可为刀盘再制造寿命预测提供可靠的载荷分析依据,并指导刀盘服役阶段的操控参数设置.

银西高铁黄土含水层隧道群井降水模拟研究

研究目的:银西高铁上阁村隧道穿越董志塬黄土含水层施工中出现的渗涌水,受地下水渗流影响,引起了洞身黄土含水率增加、围岩自稳性变差等问题。为解决上阁村富水黄土隧道施工难题,论文首先分析了上阁村隧道黄土含水层分布特征,其次介绍了地表降水施工辅助措施及其效果,最后应用MIDAS/GTS建立隧道工程群井降水模型,实现了不同流量以及渗透系数工况下的隧道开挖渗流模拟计算。研究结论:(1)上阁村隧道长大段落通过软塑黄土含水层,通过地表降水梳干隧道洞身范围内地下水,提高了隧道洞身黄土围岩稳定性,确保了隧道施工的安全和进度;(2)不同单井流量(80 m^(3)/d、90 m^(3)/d、100 m^(3)/d)的群井数值模拟结果表明,地下水位降深在短时间内达到了设计要求,验证了降水设计参数及效果;(3)本研究可为黄土等低渗透岩体富水隧道工程施工处置及设计提供依据。