基于数据驱动的盾构竖向姿态预测深度学习模型

在盾构掘进过程中,竖向姿态控制难度较大,盾体常与设计轴线产生偏差。为解决既有盾构姿态预测模型无法准确提取数据特征和有效去除数据噪声的问题,充分挖掘盾构掘进实测数据时间序列信息,依托合肥地铁7号线耕耘路站—清潭路站区间盾构隧道工程,对收集的掘进数据进行预处理,包括去除停机状态数据及异常数据,提出用于盾构竖向姿态预测的CNN-LSTM组合模型,并将测试集上的模型预测结果与传统回归模型进行对比,最后对不同样本数量及固定网络参数时的模型性能进行研究。研究结果表明:CNN-LSTM组合模型对盾构竖向姿态的预测效果较好,在测试集上的预测平均绝对误差E_(MA)和均方根误差E_(RMS)较低,同时预测的决定系数R^(2)较高,表明模型具有较小的预测误差和较高的预测精度;与ARIMA、LSTM和SVR模型相比,CNN-LSTM模型在测试集上预测的R^(2)分别提高了1.04%、19.75%和79.63%,此外,模型的预测E_(MA)和E_(RMS)较低,并且训练耗时显著降低;不同训练集样本数量对CNN-LSTM模型性能有一定影响,当训练集样本数量与测试集样本数量之比为4:1时,模型预测的R^(2)最高,表明此时模型具有最佳的预测性能;增加训练集样本数量可能导致过拟合问题,降低模型的泛化能力,减少训练集样本数量则可能导致欠拟合问题,使模型在测试集上的预测精度下降;固定部分网络参数可以有效减少训练参数量和训练时间,同时提高模型的预测精度,当固定4层网络参数时,模型预测性能最佳,预测的R^(2)为0.93,预测的E_(MA)和E_(RMS)分别为0.029和0.048,训练耗时为46 s。

基于深度学习的超大直径盾构姿态预测研究

传统的盾构姿态纠偏措施多是在盾构机实际轴线已经偏离设计轴线之后采取的被动控制措施,具有一定的滞后性,而盾构姿态纠偏不及时会给施工过程和完成后的隧道本身带来严重的危害。为了准确预测盾构姿态偏差,为提前纠偏提供决策支持,本文依托江阴—靖江长江隧道超大直径盾构施工项目,提出一种基于CNN-EMD-LSTM的深度学习模型,该模型既能捕捉时间序列的维度特征和时变特征,又能提高盾构姿态数据分解重构方法的预测精度;通过消融实验对CNN-EMD-LSTM模型中每个部分的重要性进行探讨,并对CNN-EMD-LSTM模型在不同窗口长度、不同滑动步长下的预测效果进行对比。研究结果表明:CNN-EMD-LSTM模型对超大直径盾构姿态的预测效果较好;可以通过调节不同推进区间的压力进行盾构姿态纠偏;CNN-EMD-LSTM模型中各个部分按重要性从大到小排序依次为EMD、CNN、LSTM;窗口长度过大或过小都会增大模型预测误差,而滑动步长越小模型的预测效果越好。

盾尾刷-油脂腔密封系统油脂逃逸规律研究

油脂逃逸导致油脂腔内压力降低,由此诱发的盾尾密封系统漏水、漏浆等安全责任事故屡屡发生。研制盾尾刷密封系统油脂逃逸的单元体试验装置,采用逐级加压将油脂注入盾尾密封系统油脂腔内,每级压力持续420 s,记录不同盾尾间隙及不同油脂锥入度工况下腔内的密封油脂开始逃逸时的油脂注入压力值、以及逃逸后储油装置中密封油脂的稳定损耗速率,最终获得了盾尾密封系统的油脂逃逸规律,并总结了盾尾油脂的逃逸模式。研究结果表明:1)油脂逃逸速率主要受油脂锥入度和油脂压力的影响,根据油脂逃逸规律变化曲线,油脂逃逸速率可以分为不逃逸、低速逃逸、快速逃逸3个阶段。油脂不逃逸至低速逃逸的油脂压力称为油脂逃逸压力,油脂低速逃逸与快速逃逸之间的油脂压力值为油脂腔内外压差控制值;2)建立了油脂逃逸速率和工程中油脂消耗量的对应关系,结合工程中每环盾尾油脂允许消耗量可实时判断盾尾刷密封性能;3)当油脂锥入度小于286.4(1/10 mm),盾构姿态与管片姿态控制良好时(盾尾平均间隙为75 mm),在水土压力及同步注浆压力基础上最大可增加0.3 MPa的油脂压力,提出的油脂腔内外压差控制值可指导实际工程盾尾油脂压力设定最大值;4)油脂逃逸模式可划分为无逃逸、非均匀逃逸和均匀逃逸3种模式并得出其发生条件。该研究对于指导盾尾密封性的设计及施工有着基础性的意义。

公路隧道衬砌病害分析与处治方案研究

文章以G35济广高速公路安徽段隧道衬砌病害问题为背景,针对桃墅岭隧道定期检查过程中发现的衬砌病害问题,通过外观检查、雷达检测等检测手段,系统分析了隧道衬砌病害产生的原因,并结合以往隧道维修加固的经验,制定了隧道衬砌病害处治方案,取得了良好的效果,可为今后类似隧道衬砌病害的处治方案设计与施工提供参考。

节理化炭质页岩地层隧道围岩大变形及控制技术研究

某高速铁路XHS隧道穿越节理化炭质页岩地层,在施工过程中围岩大变形、失稳坍塌现象显著,现场采用强支护和仰拱加深等措施后围岩变形控制效果不佳。针对XHS隧道节理化炭质页岩地层地质条件,结合现场监测手段、离散-连续耦合数值模拟分析围岩大变形及破坏特征,基于数值模拟提出以采取地层预加固为主的围岩变形控制措施,并通过现场试验探讨该控制措施的应用效果。研究结果表明:隧道开挖后,围岩变形具有变形量大、变形速率快的特点,围岩拱部沉降量大于水平收敛量且变形具有非对称的分布特征;受三台阶法多次开挖扰动影响,围岩卸荷范围动态发育并不断向全环扩展,松动区逐渐由浅部围岩向深部转移,并呈现出非对称的破坏特征,最终引发围岩大变形;采取地层预加固后,模型中围岩变形和松动区范围明显减小,围岩非对称变形破坏也得到了有效控制;在采用地层预加固、管棚超前支护、三台阶临时仰拱法开挖的控制措施后,围岩变形得到控制,施工效果良好,隧道恢复正常施工,保证了隧道的顺利贯通;以地层预加固为主的控制措施是此类节理化炭质页岩地层围岩变形控制的有效手段。

地下水位变化对砂土地层地铁隧道沉降影响试验研究

为考察地铁运营后列车载荷和地下水对隧道造成的影响,对某砂性土地层城市中某一地铁盾构隧道区段运营6年间的沉降变形进行实测观察;根据实测所得沉降规律,设计并开展缩尺模型试验,研究车致振动条件下因地下水位变化产生的隧道沉降规律。结果表明:随着时间推移,隧道各测点所得数据呈现一定的周期性上升与下降变化趋势,前2年隧道总体上浮,之后略有沉降,第3年后虽有波动但基本未发生进一步沉降,第6年后隧道最大沉降不超过3 mm;砂性土地层中,地下水位变化会造成重塑土层内部应力变化,且振动荷载会导致土体颗粒结构重新调整至密实,易导致隧道发生沉降,因此不能忽视地铁周围施工降水给隧道带来的不利影响;土体振密及因地下水产生的浮力共同作用,导致隧道的上浮及沉降。相比于软土地层,砂性土地层中盾构隧道的沉降速率明显更低且沉降基本稳定时间更短,2种地层下的沉降规律、影响因素完全不同,各地层下的沉降分析理论亦无法相互适用。

富水裂隙围岩隧道涌水量计算方法与规律分析

富水裂隙区隧道涌水量预测精度较差,涌水问题尚未得到较好的解决。针对此问题,视裂隙围岩及注浆区为非均质各向异性介质,初期支护及二次支护结构为均质各向同性介质,构建了裂隙围岩下隧道涌水简化计算模型,基于地下水力学理论及流体质量守恒定律推导了富水裂隙区隧道涌水量计算公式。通过退化分析及案例工程现场实测数据验证了构建富水裂隙区隧道涌水简化计算模型的合理性及涌水量计算式求解的正确性,最后基于解析解揭示了各特征参数对富水裂隙区隧道涌水的影响规律,探讨了富水裂隙区隧道涌水机制。结果表明:理论计算值与现场实测值最大相对误差为8.1%,验证了构建模型的合理性及公式推导的正确性;隧道涌水量随裂隙最大宽度的增加而增大,受堵水结构的联合制约,两者近似呈线性关系;注浆区厚度与隧道半径比值在2倍以内时,隧道涌水量受注浆区厚度的影响显著;富水裂隙区隧道涌水受裂隙分布规律及支护结构的制约,应重视对裂隙分布的调查。

暗挖扩大端内弃壳解体接收盾构关键技术研究

使用盾构法在城市中心修建地铁时,常面临地面空间不足,无法提供充足的工程场地进行常规盾构接收的问题,因此在预接收地点修建暗挖横通道+暗挖扩大端的辅助结构,进行盾构解体接收成为主流方案,但暗挖扩大端的修建尺寸并无清晰参考。以北京地铁19号线为例,分析了暗挖扩大端宽度和高度的设计问题,并针对弃壳接收和部分弃壳两种方案,对暗挖扩大端的最小设计尺寸做了规定,即高度应包含开挖垫层、盾构直径和吊装空间三部分,其中吊装空间至少应为1.5~2m;当采用弃壳接收时,暗挖扩大端宽度与刀盘直径和刀盘分块暂存方式有关。提出了一种新的适用于暗挖扩大端内狭小场地的刀盘拆解方案,能够显著减小占地面积,同时设计了一种适用于洞内拆解主驱动的专用滑移辅助工装,提高了拆解过程的安全性。

基于预应力场分布的锚杆支护参数设计

为优化隧道施工预应力锚杆支护参数,通过模型试验与数值模拟相结合的方法研究Ⅳ级围岩条件下锚杆支护参数对预应力场分布的影响。结果表明:预紧力对锚杆预应力场的影响显著,预紧力越大,预应力场分布范围越大,锚杆主动支护作用越好;锚固长度过长会减小预应力场分布范围,锚固长度过短则不利于形成连续的压应力区,建议锚固长度取锚杆长度的30%~50%;锚杆间距越小预应力场叠加效应越明显,锚杆间距过小时在锚杆末端会出现拉应力区,建议锚杆间距取锚杆长度的42%。

隧道分岔形式对分流局部通风阻力特性的影响

目的:随着城市建设水平和强度提高,带匝道的分岔隧道日趋增多。针对分岔隧道通风设计难题,亟待获取隧道分岔形式对分流局部通风阻力特性的影响规律。方法:通过搭建同步满足阻力和压力相似的1/13缩尺分岔隧道通风试验平台,构建分岔隧道三维CFD模型,探究了分岔隧道不同分岔形式气流的流动特征和局部阻力系数,并进一步分析了分流结构与减速车道等隧道分岔形式特征对局部阻力系数的影响。结果:表明主线与匝道局部阻力系数随分流比增大呈现先减小后增大的趋势,且在分流比为0.4时达到最小。平行分岔隧道相比定向分岔隧道,主线局部阻力系数差别不大,而匝道局部阻力系数存在较明显的差异,分流比较小时,平行分岔隧道匝道局部阻力更大,分流比较大时则相反。增设减速车道,分流比较小时会减小匝道局部阻力系数,但会增加主线局部阻力系数,分流比较大时则相反。结论:研究结果可为分岔隧道的通风设计提供参考。

上覆软弱路基加固对既有地铁隧道沉降的影响规律

为研究道路施工引起下方既有地铁隧道的沉降问题,在地铁隧道上方斜穿施工道路的基础上,进行了现场隧道沉降变形实测研究,分析了道路在路基注浆加固、路床和路面结构层施工阶段中地铁隧道的沉降曲线。建立地铁隧道-土体-道路模型对道路施工的注浆加固过程及路床和路面结构层施工进行模拟,通过比较地铁隧道沉降计算结果与现场实测值,验证了该精细化模型的准确性。基于此,分析了路床和路面结构层总施工厚度、道路土体性质、隧道下卧土层、隧道衬砌强度等关键参数对地铁隧道的沉降影响规律。结果表明:地铁隧道的沉降值与施工厚度呈正相关关系;道路的存在对隧道的沉降影响越小,其弹性模量和泊松比对地铁隧道沉降几乎没有影响;卧土层的弹性模量越大,土层越不易变形,且地铁隧道沉降越小;衬砌弹性模量增大对地铁隧道沉降影响反而越小。

SV波斜入射下海底沉管隧道地震响应研究

为避免近场斜入射地震波对海底沉管隧道造成灾难性后果,对沉管隧道及其剪力键在斜入射地震作用下的动力响应规律进行深入研究。首先,基于时域有限元方法并结合黏弹性人工边界,将地震波转换为模型边界节点的等效节点力,建立基于波动理论的三维平面SV波斜入射方法,并采用半空间算例验证该方法的准确性;然后,在该地震波输入方法的基础上,利用ABAQUS软件建立土体-沉管隧道节段三维精细化有限元模型,研究地震SV波斜入射作用下不同入射角度对沉管隧道及其剪力键动力响应的影响。研究结果表明:1)当SV波入射角接近临界角时,斜入射对隧道竖向和纵向响应达到最大值,水平响应与入射角呈反比关系;2)斜入射会使结构中对称部位产生非对称剪力,剪力键的剪力承担比也发生改变;3)剪力键根部易产生拉伸裂缝,端角也可能因应力集中而产生局部破坏。

悬浮隧道管体运动对锚索涡激振动的影响

根据锚索式悬浮隧道的运动特性,将锚索假设为两端铰接的非线性梁模型,在海流作用下,锚索会产生顺流向与横流向的涡激振动。当海流方向和管体轴向存在夹角时,管体运动可简化为作用在锚索上部端点的质点运动,并将质点运动沿锚索坐标系方向逐一分解。根据Hamilton原理建立锚索三向振动方程,并通过Galerkin方法和Runge-Kutta方法对该方程进行求解,选取典型悬浮隧道的结构进行数值分析。结果表明:当锚索上部端点的输入频率与锚索固有频率的比值为整数时,锚索会发生共振现象;如上部端点除锚索轴向方向外的某一方向质点运动与锚索振动方向一致,则锚索在该方向上的振动会出现显著变化,而对另一方向振动的影响较小;在多数情况下,锚索振动平衡位置的偏离与上部端点所输入的运动频率有紧密联系,但与幅值联系不大。

悬浮隧道管体运动对锚索涡激振动的影响规律

根据锚索式悬浮隧道的运动特性,假设锚索是两端铰接的非线性梁模型,并将管体运动简化为两自由度的质点运动,将其视作一种参数激励。考虑锚索长期处于海流环境下,其顺流向涡激力和管体横荡运动方向一致,锚索的运动响应可能会产生明显变化。建立锚索的非线性顺流向涡激振动方程,并通过Galerkin方法和Runge-Kutta方法对该方程进行求解,选取典型悬浮隧道的结构进行数值分析,结果表明:在锚索前三阶模态中,相比于一阶模态幅值,二阶和三阶模态幅值是一个很小的量,可以忽略不计;参数激励可以使锚索更快进入稳定状态,且对振动幅值的增加有显著影响;参数激励对顺流向涡激振动的影响程度与锚索顶端的端部激励幅值和频率有关。

砾砂地层盾构切削大直径群桩的刀具研究

刀盘刀具是盾构机实现切削功能并保证其顺利推进的主要部件,合适的刀具选型与设计在保证盾构机成功切削大直径钢筋混凝土群桩的过程中至关重要。依托沈阳地铁4号线盾构切桩工程,结合盾构穿越砾砂地层的工程特点以及切削大直径钢筋混凝土群桩的工程需求,对刀盘刀具进行选型,采用LS-DYNA软件模拟不同刃宽、刃角及前角的贝壳刀切削钢筋的效果。将分析结果应用于该工程,通过对比切桩前后既有隧道沉降变化规律论证刀具选型设计的合理性,并根据切桩后的贝壳刀磨损规律及盾构机排出钢筋情况,评估刀盘刀具切削效果,从而优化刀盘的刀具布置。研究结果表明:盾构刀盘采用面板+辐条复合式直角刀盘,切桩刀具采用前角-45°零后角、5 mm刃宽、90°刃角的双面刃贝壳刀,可提升盾构切桩效果;盾构切桩过程中既有隧道的变形波动控制在1.1 mm内,切桩完成后既有隧道的最大沉降仅为1.96 mm,未对既有隧道造成明显影响;刀盘布置贝壳刀时,应增加高度为210 mm的贝壳刀数量,尤其需要避免单个辐条上仅有1把高度为210 mm贝壳刀的情况,可有效提高刀盘刀具切削钢筋的能力并降低崩刃风险。刀具选型设计结果成功应用于沈阳地铁4号线切桩工程,可为今后类似工程提供参考。

盾构壁后注浆窜浆模型试验及发生条件研究

全断面围岩管片壁后注浆因向开挖面方向的窜浆现象会引起盾尾空隙注浆不饱满,管片上浮、错台及开裂,螺机喷涌等事故常有发生,已经引起广泛重视。通过设计自制壁后注浆液窜浆模型装置进行试验,分析浆液性质、缝隙厚度、注浆压力差对是否发生窜浆及窜浆量的影响,并探讨了不发生窜浆的临界条件。结果表明:(1)浆液压力与窜浆距离呈线性衰减,当浆液稠度较低时,窜浆量与缝隙厚度、浆液稠度呈近似线性正相关、与浆液的剪切屈服应力呈近似线性负相关,窜浆距离与注浆压力差呈近似线性正相关;当浆液稠度增大时,以上关系将逐渐转化为非线性关系;(2)通过极差分析表明浆液的窜浆量受盾壳与岩层间缝隙厚度影响最大,注浆压力与开挖面压力差影响其次,最后是浆液本身的性质;(3)建立了窜浆临界分析模型和计算公式,得到了窜浆发生条件和判别方法,可用于指导稳定围岩地层中盾构掘进时浆液的配制。

基于实测数据的地铁车站强电设备发热量影响因素分析

如果地铁车站强电设备管理用房的空调系统设计缺少可靠的设备发热量参数,不利于地铁空调系统的优化设计和节能减排。提出一种地铁车站强电设备管理用房空调设备发热量计算与分析方法,并在郑州地区4种地铁车站中进行应用,研究室内空气温度、地铁是否运营、设备额定功率和车站类型等因素对地铁强电设备管理用房设备发热量的影响。结果显示:室内气温虽然对设备外表面温度有较大影响,但是对设备外表面热流密度和设备发热量的影响较小。地铁运营期间的设备发热量大于非营运期间的设备发热量,设备发热量低于设备额定功率。

钻爆法隧道下穿既有双连拱隧道施工技术研究

钻爆法隧道穿越新建既有双连拱隧道结构,下穿隧道为大跨度隧道,高度大、埋深较深,且在穿越既有隧道时,不能影响其安全运营和造成结构破坏,施工难度大、风险高。采用有限元软件Midas GTS NX对钻爆法隧道下穿既有隧道的变形和受力情况进行数值模拟计算,并研究了下穿施工前对上方隧道间地层采用大管棚和锚杆联合加固产生的效果。研究表明:未加固时,施工侧隧道结构的沉降要大于另一侧,呈现出“一峰二谷”变形形状,既有隧道上下部极易发生结构破坏。采用大管棚及锚杆联合加固,有效地转移了应力集中现象,降低了结构破坏风险,并且既有隧道沉降量仅为前者变化量的1/1.83,在控制标准以内。

TBM岩渣几何特征与滚刀破岩效率相关性分析

在运用TBM进行隧道挖掘施工中,TBM破岩效率会受到围岩状况以及机械参数的影响。因此岩体不同节理间距、倾角以及滚刀间距对破岩工作效率的影响值得关注。首先,利用室内滚刀试验,在固定岩体节理倾角、间距或滚刀间距其中一个参数的条件下,对另外两个参数变化生成岩渣的粗糙度指数的变化规律进行模拟,分析和总结岩渣的形状与破岩效率之间的关系以及不同条件下TBM掘进产生的岩渣特征。再依托广州北江输水隧洞工程,现场量测该隧洞开挖施工过程中产生的岩渣,并对其进行筛分试验,然后分析统计数据,得出了不同围岩性质下TBM刀盘的磨损规律与岩渣粗糙度指数及颗粒级配系数之间的相关性。最后,把岩渣的粗糙度指数、扁平度与比能分别进行拟合,进一步说明节理倾角与间距对滚刀破岩效率的影响。

小净距换乘通道施工对既有车站隧道及地表影响研究

联络通道小净距上跨施工会对既有车站隧道及地表产生不利影响,合理的开挖方法可以有效控制施工产生的不利影响。以重庆轨道交通4号线西延伸段玉带山站换乘通道上跨工程为依托,采用三维数值方法,研究了全断面法与上下台阶法两种工法条件下换乘通道开挖对既有车站及周边环境的影响。研究结果表明:换乘通道的开挖会导致车站隧道支护结构安全性降低。换乘通道的开挖会引起地表沉降的增大与沉降槽的最低点由车站隧道正中向换乘通道一侧偏移,偏移量的值约在2.8~5.7 m。综合比较两种工法,在实际工程中推荐换乘通道初始开挖阶段(L1、L2段)采用台阶法施工,避开较大影响区以后,采用全断面法施工,可以在保障安全的前提下兼顾施工效率。