Reasonable compensation coefficient of maximum gradient in long railway tunnels

This paper deals with the theory and calculation methods for compensation of the gradient in railway tunnels through theoretical analysis, numerical calculation, and statistic regression methods. On the basis of the principle that the resultant force is zero, the formula of the maximum calculated gradient was derived for the freight and passenger line and high-speed passenger special line. The formula of aerodynamic drag in tunnel is provided using the domestic and foreign relevant experimental investigations, and revised with modem train and engineering parameters. A calculation model of aerodynamic drag when the train goes through a single-tracked tunnel was built. Finally, the concept of maximum calculated gradient was adopted to revise the formula for compensation of the gradient in railway tunnels.

基于波动应力信息的隧道地质三维超前探测技术

在隧道施工过程中,地质超前预报技术是必要手段和工序,也是制约隧道施工技术发展的关键技术难题。地震波法隧道超前地质预报施作是一个力学过程。本文将隧道围岩假设为固、气(孔隙)双相介质,在Biot波动理论的基础上,通过分析人工地震波引起的围岩应力应变关系,结合反射面处的地震波入射、折射、透射连续方程及波阻抗与反射系数关系,得到了围岩广义应力梯度与地震波瞬时振幅与瞬时频率之间的关系表达式,并建立了围岩应力信息与地质信息的联系。在此基础上,将隧道围岩广义应力梯度作为评价地质灾害的重要指标,形成了基于围岩应力信息的地震波超前地质预报方法,解决了现有预报多解性问题。经过现场试验验证,围岩应力信息能够很好地表达地质岩性变化,结合波速和走时,可以准确判定地质灾害规模、类型及位置。

穿断层破碎带隧道围岩大变形控制双梯度注浆机制

近些年,中国西部大量深埋隧道工程因关键线路控制无法避让一些活动性断裂,常常在跨越断裂带范围内出现围岩大变形破坏现象,例如侵限、偏压、塌方、底鼓等灾害,严重影响隧道工程施工和运营的安全可持续发展。为了控制断层破碎带隧道围岩大变形,隧道工程设计者和建设者采用了多种控制方案,例如超前注浆、多层钢拱架被动支护、锚杆索主动支护等,但是都因断层破碎带围岩强度过低而出现超前注浆诱发围岩拉裂破碎、主动支护锚杆锚固力不足等现象。为解决上述难题,首先,提出一种增强穿断层破碎带隧道围岩强度的双梯度注浆技术,建立双梯度注浆概念模型,构建3种双梯度注浆模式;然后,确定特定工况下注浆材料粒径梯度与注浆压力梯度的适配条件;最后,通过理论分析、物理模型试验和现场试验,探索双梯度注浆机制及其控制效果。研究结果表明:1)随着开挖步序的增加,穿断层破碎带隧道拱肩变形最大,构造应力对围岩稳定性影响较大。2)在双梯度注浆作用下,浆液扩散效果良好,围岩未出现大面积脱落破坏,隧道周围岩体应力分布均匀。3)双梯度注浆形成了坚硬交叉浆脉骨架,达到了应力补偿效果,将围岩变形量从原来的3 100 mm控制到278 mm以内,实现了“零换拱、零侵限、零突涌”的目标。

基于随机变量概率分析的铁路隧道紧急救援站间距计算方法

考虑着火列车位置和残余运行时间两个随机变量,构建基于列车残余运行的紧急救援站间距定量计算方法并进行验证,分析隧道纵坡、列车制动性能、列车动力损失对紧急救援站间距的影响,以及不同紧急救援站间距的适用条件。研究结果表明,列车动力损失增大、制动性能减弱、隧道纵坡增大均会导致紧急救援站间距减小,其重要性排序为列车动力损失>列车制动性能>隧道纵坡;紧急救援站间距15 km的适用条件为列车动力损失≤1/4;间距20 km的适用条件为列车动力损失≤1/4,且隧道坡度为30‰时,通行列车制动性能应与CRH5相当;间距30 km的适用条件为99.97%保证率的列车残余运行时间≥21.5 min。

温度梯度对天平轴向力测量精度影响分析

应变天平作为风洞试验的测量元件,保证天平的测量精度是相关领域的研究重点。但在连续式风洞中,由于风洞运行时间长及马赫数连续变换,天平体的温度会出现分布不均匀的情况,产生温度梯度。这种温度梯度对天平轴向力测量精度的影响尤为明显。为探究在连续式风洞中温度梯度对天平轴向力应变输出的影响,根据实际工况,总结出3种温度加载情况,利用ANSYS Workbench对80A天平进行热-固耦合分析。研究结果表明:在不考虑后支杆热传导的情况下,温度梯度基点的温度越高,温度输入越快,天平体的温度分布越不均匀,温度梯度越大,轴向力应变输出越大;在考虑后支杆热传导的情况下,天平体的温度分布相对均匀,温度梯度较小,轴向力热应变输出较小。

饱和多孔弹性深埋复合式衬砌抗震性能分析

目前国内外学者针对地震波扰动下隧道的衬砌动力响应解析解的研究多为单层衬砌,而实际工况中隧道一般包括初衬和二次衬砌。因此,研究复合式衬砌隧道的抗震性至关重要。以深埋复合式衬砌隧道为研究对象,建立了考虑尺寸效应和非均匀性结构效应的高阶应变梯度非局部孔隙弹性计算模型,用以描述多孔介质材料和结构的具体物理特性。通过引入2个长度参数、非局部参数及尺度因子来改进Biot理论。采用波函数展开法得到了复合式衬砌的解析解。考虑深埋复合式衬砌隧道的边界条件,确定复合式衬砌隧道周围的动力集中因子大小,分析了不同入射P波频率下,尺寸因子和非局部参数对衬砌动应力集中因子大小的影响,以及内外衬砌刚度和厚度对衬砌内外边界动应力集中因子(DSCF)值的影响。结果表明:高频下,非局部参数和尺寸因子对衬砌内DSCF值的影响较大,并且非局部参数对衬砌内DSCF值有削弱的影响,尺寸因子对衬砌内DSCF值有增强的影响;低频下外衬砌刚度越大,外衬砌内DSCF值越大,内衬砌内DSCF值越小,这说明在外层衬砌不被破坏的情况下,内层衬砌适当选择刚度小一点的材料有利于隧道衬砌的安全;低频下,衬砌厚度在合理范围内越大,衬砌内DSCF值越小。解析结果可为隧道复合衬砌设计提供参考。

水力管线渗漏侵蚀对隧道沉降的影响

为研究管线渗漏侵蚀对隧道沉降的影响,在流-固耦合的基础上用PFC2D模拟管线和隧道,用PFC中的测量圆监测不同颗粒骨架下土体渗透系数、孔隙率变化以及隧道周围土体中的孔隙水压力分布,并以此推断出应力集中位置,从而模拟隧道沉降情况。结果表明:在管线渗漏侵蚀下,可将隧道所受水的浮力、周围土的压力、水流动时的推力看作是一个剪切合力,其易对隧道的外部结构产生破坏;在土体颗粒级配相同、流体压力梯度不同时,隧道的沉降量与压力梯度呈正相关;试验中的模型相似比与应力相似比可有效减小室内试验的边界效应带来的误差。

高速铁路长大隧道音爆现象及斜井辅助泄压缓解效果研究

随着高速铁路隧道运营速度不断增大,隧道空气动力学问题日益凸显。为此,首先调研整理国内外典型高速铁路隧道音爆案例,并在国内某隧道开展一系列实车测试试验,分析200,250和300 km·h^(-1)3个典型速度条件下隧道内初始压缩波压力梯度与洞口微气压波峰值变化规律,并对比不同斜井启闭条件下的辅助泄压缓解效果。结果表明:音爆现象主要发生在长度大于5.0 km隧道;当列车速度低于300 km·h^(-1)时,测试隧道内初始压缩波压力梯度峰值与隧道洞口微气压波峰值相对较小,此时压缩波未发生激化,测试隧道洞口未监测到音爆;当列车速度达到300 km·h^(-1)及以上时,压缩波发生激化,初始压缩波压力梯度峰值与洞口微气压波峰值分别超过90 kPa·s^(-1),150 Pa,此时在测试隧道洞口监测到明显音爆现象;相同速度条件下,不同动车组通过测试隧道时隧道内初始压缩波压力梯度峰值与洞口微气压波峰值存在一定差异,CRH380系列动车组测试数据低于CR400系列动车组;开启斜井能够缓解压力梯度及微气压波峰值,但开启压力梯度峰值达到最大值位置之前的斜井缓解效果更好,而同时开启隧道进口、出口处2个斜井对于压力梯度峰值缓解率最大可达到27.5%。

考虑寒区隧道围岩冻结温度渐变的冻胀力解析解

为考虑寒区隧道围岩单向冻结和径向冻结温度渐变会引起的不同方向和不同冻结深度处的非均匀冻胀变形,通过引入冻胀围岩径向冻结温度T(r)和平行与垂直冻结方向的非均匀冻胀系数k反映围岩的非均匀冻胀性,理论推演建立了寒区隧道冻胀力解析解,并进行了案例和影响因素分析。研究表明:忽略冻结温度渐变影响时冻胀力明显偏大,考虑冻结温度渐变可有效提高冻胀力计算的可靠性;考虑冻结温度渐变影响的冻胀力随着非均匀冻胀系数k的增大呈对数函数增大,随冻结与未冻围岩的弹性模量比EⅡ/EⅢ的增大而线性减小,且EⅡ/EⅢ越大时冻胀力产生所需围岩达到的临界k值也越大;隧道冻胀力随围岩冻结圈外径、未冻围岩弹性模量和原岩应力的增大而增大,但随衬砌内径、冻结围岩单位温度冻胀系数的增大而逐渐降低。

不同隔热材料下的深井巷道隔热降温模拟研究

为解决煤矿开采深度不断延伸带来的热害问题,揭示深井巷道温度场分布特征,选用5种矿用隔热材料开展深井巷道隔热降温模拟研究,分析不同厚度隔热层、不同围岩初始温度对围岩温度场、调热圈半径及巷内风流温度变化的影响,并探究隔热层附近围岩温度场的演变特征。结果表明:添加泡沫混凝土的材料隔热性能最佳,经济成本最低;隔热层选用导热系数较低的隔热材料有助于提高隔热层的隔热效果,5~10 cm为最佳隔热层厚度;温度场与围岩层、锚喷层、隔热层在空间上分布一致,隔热材料导热系数与巷道围岩的温度梯度呈负相关,隔热层厚度、原岩温度与巷道围岩温度梯度呈正相关,隔热材料、隔热层厚度和原岩温度对调热圈半径有一定程度的影响,相比无隔热层巷道,巷道隔热和降温效果显著。

高速铁路隧道洞口微气压波计算模型的修正

隧道洞口微气压波随列车运行速度提高显著提升,可能影响周围建筑及居民。隧道洞口微气压波与隧道内压力波首波压力梯度密切相关。根据实车测试数据,分析隧道内不同位置压力梯度,修正了辐射立体角模型(Radiation Solid Angle Model,RSA),给出模型关键参数空间立体角的取值方法。结果表明:列车以350 km/h通过无砟轨道隧道时,从隧道入口至隧道中心附近压力波首波压力梯度逐渐提高;采用随机森林方法分析RSA模型参数特征权重并修正模型,修正后的RSA模型相对原模型对隧道洞口微气压波压力峰值的计算精度更高。提出了采用无人机或测距仪等设备测量计算隧道洞口空间立体角的三种方法。

深部煤巷围岩三向应力差异梯度致冲机理

以深部煤巷围岩为研究对象,针对冲击地压灾害严重、致冲机理研究尚不完善、防冲工程缺少更具针对性指导依据等问题,采用室内试验、数值模拟、理论分析等方法,从三向应力差异角度揭示深部煤巷围岩冲击致灾机理。基于采掘活动扰乱煤岩体三向等压状态导致围岩破坏的特点,通过PFC模拟试验和理论推导研究了不同应力路径下的煤体单元体响应特征,得到单元体失稳的应力差异判据,进一步提出煤巷围岩应力差异梯度D_(g)和应力差异梯度变化率D_(gc)的概念,基于Drucker-Prager准则分析了巷道围岩D_(g)演化特征,进而得到巷帮煤体D_(g)集中致冲的作用机理,并结合冲击地压事故案例进行分析验证。结果表明:煤体的应力差异承受能力随着应力路径的不同而存在显著差异;围岩应力演化的目标是D_(g)峰值降至极小值,围岩的破坏和屈服是D_(g)驱动作用的结果;围岩内应力差异梯度D_(g)随埋深增大和煤层冲击倾向性等级升高而增长,体现出明显的“上升—跌落—下降”梯度性质;D_(gc)表征围岩内D_(g)集中程度,D_(g)升高区煤体在应力扰动作用下,满足D_(gc)0<D'gc<k1D_(gc)0时发生较稳定的变形、位移,满足k1D_(gc)0≤D'gc<[D_(gc)]时发生较稳定的整体失稳,满足D'gc≥[D_(gc)]时发生冲击地压;巷帮煤体冲击是围岩变形、破坏的一种极端演化形式;防冲机制应以弱化围岩D_(g)水平为核心,以D_(gc)控制为主要着力点。

风压通风中排风风帽的影响

为了研究建筑高位排风口排风时风压影响因素以及风帽的作用,设计太阳能烟囱建筑缩尺模型,通过风洞试验,对比普通弯管出口和2种风帽(百叶型和挡板型)对建筑风压分布及烟囱内通风量的影响.结果表明:在梯度风下,进出口高度差对风压通风的影响不可忽视,当出口位置高于入口位置时,出口处风压往往大于入口处风压.当屋顶普通弯管出口遇到迎面风向时,产生的与烟囱热羽流方向相反的倒灌通风会破坏烟囱的气流组织设计.2种风帽均可阻止气流倒灌,其中挡板型风帽综合性能更优.通风量除了在侧风向低于弯管出口28%外,在迎风和背风方向上均为三者最大,并分别高出弯管出口57%与33%.在包括太阳能烟囱在内的建筑高位排风设计中,除了入口应尽量处于主流风向的迎风面外,出口应布置在高位,并推荐使用挡板型风帽.

高速列车通过高海拔大坡度隧道车内外压力波特性

为研究高速列车通过高海拔、大坡度和特长隧道下压力波的特性,基于一维可压缩非定常不等熵流动模型的广义黎曼变量特征线法模拟列车通过隧道时的车外压力,采用时间常数法计算车内压力;分别利用国外数值模拟结果和国内西成高铁实车试验数据,验证方法的合理性和准确性;以速度200 km·h^(-1)的单列8编组高速列车为研究对象,分析列车通过4种海拔、5种坡度和4种长度组成的不同隧道时,车内外压力波动和最值的变化规律。结果表明:隧道内初始压力是影响车内外压力幅值的根本原因;车内外最大正、负压均随隧道海拔的升高而线性减小,随隧道坡度和长度的增加而线性增大;与下坡相比,列车上坡运行时车内的压力舒适性更为恶劣、气密性要求更高;列车上、下坡通过坡度30‰、进口端海拔4500 m、长42 km隧道时,车外最大正、负压分别为9.85和-9.63 kPa,列车动态气密时间常数不应小于1713 s。

公路隧道正交下穿边坡与软弱夹层围岩稳定性分析

为分析山岭地区公路隧道-正交体系下,围岩内含软弱夹层导致施工过程易发生衬砌变形开裂甚至隧道塌方等问题,以某隧道边坡拟扩建公路为工程背景,基于抗拉剪强度折减法理论,采用FLAC^(3D)有限差分软件,研究不同边坡坡度和隧道埋深对该隧道-边坡围岩稳定性和安全系数的变化规律。结果表明:随着边坡坡度的不断增大,围岩最大剪切应变数值和分布范围逐渐增大,塑性区范围不断增大,围岩稳定性安全系数不断减小。随着隧道埋深的增大,围岩最大剪切应变数值先增大再减小后增大,但剪切应变范围不断增大,塑性区范围不断增大,围岩稳定性安全系数呈现先减小再增大。当无软弱夹层时计算的安全系数最大,当存在软弱夹层时,采用非同步折减法理论计算的安全系数比同步折减法较高。

矩形顶管上坡掘进开挖面稳定及支护压力研究

为研究上坡条件下矩形顶管开挖面稳定性,基于传统筒仓模型,引入隧道线路坡角对模型进行优化,同时考虑舱内压力在上坡条件下的作用效应,建立矩形顶管上坡掘进开挖面失稳模型。基于极限平衡理论推导隔板土舱压力表达式,讨论土体抗剪强度参数及线路坡角对开挖面稳定性的影响。参数分析表明,土舱压力随土体有效内摩擦角的增大而非线性减小,随线路坡度角的增大而线性增大。与既有理论模型及数值模拟的对比结果表明,提出的理论模型对隧道底部破坏滑移面的预测较好,土舱压力计算值优于既有模型和数值解。依托杭州某上坡掘进矩形顶管工程对失稳模型进行验证,对比结果表明,失稳模型具有较好的工程适应性。

基于SGD算法优化的BP神经网络围岩参数反演模型研究

为充分利用现场监测数据所反馈的围岩变形信息,对岩体力学参数进行反演,以贵州省剑河至黎平高速公路TJ-1标段牛练塘隧道为工程背景,选择围岩弹性模量、黏聚力、泊松比及内摩擦角为影响因素,通过设计正交试验及有限元模拟,获取25组围岩物理力学参数组合及其对应的拱顶沉降值和拱腰收敛模拟值。基于随机梯度下降算法(stochastic gradient descent algorithm,简称SGD算法)对传统BP神经网络模型进行改进,建立以拱顶沉降值和拱腰收敛值为输入参数,以围岩弹性模量、黏聚力、泊松比及内摩擦角为输出值的基于SGD算法优化的BP神经网络模型,实现围岩参数的反演分析。将反演所得的围岩参数代入有限元模型,验证优化BP神经网络模型的可行性和准确性。最后,分析围岩变形及初期支护受力特性并给出施工建议。结果表明:1)基于SGD算法优化的BP神经网络模型计算得出的拱顶沉降值、拱腰收敛值、拱肩收敛值与现场实测值的相对误差率在2.50%~24.01%,均低于传统BP神经网络模型计算得出的误差率(11.51%~93.71%),验证优化BP神经网络模型的可行性和优越性;2)上、下台阶拱脚处的喷层和锚杆有应力集中现象,有破坏风险,建议施工中加强拱脚支护,防止发生工程事故。

超长电力隧道被遮挡固壁间接吸热效果分析

为量化隧道被遮挡固壁间接吸热的效果,采用数值模拟的方法,研究超长隧道与土壤内部温度分布特征。结果表明,被遮挡固壁内部会形成明显的切向温度梯度,通过切向传热间接吸收隧道内空气中的热量,相当于将吸热面积增大15%~30%。为将间接吸热效应纳入隧道固壁吸热量的计算中,引入遮挡修正系数,并根据数值结果给出遮挡修正系数与隧道长度间的关联式,以便于工程实际中的应用。

不同车高时速400公里高速列车对隧道初始压缩波的影响特征

高速列车驶入隧道时产生初始压缩波并向隧道出口方向辐射形成压力脉冲波,影响居民的身心健康,带来了严重的环境问题。文章以国内时速400公里的高速列车为研究对象,基于CFD(计算流体动力学)软件搭建三维数值模拟计算模型,研究高速列车驶入隧道时产生初始压缩波最大压力梯度值的时空演变过程,并分析比较不同车高和在隧道洞口增加缓冲结构对隧道初始压缩波的影响。模拟计算结果显示:车高越高,高速列车驶入隧道时产生的初始压缩波压力峰值越大,对应的最大压力梯度值也越大;隧道洞口设置缓冲结构时,不同车高对初始压缩波最大压力梯度值的影响规律与无缓冲结构情况下基本保持一致,但最大压力梯度值大幅下降。

三维激光扫描技术在高铁盾构隧道调线调坡中的应用

为解决传统高铁盾构隧道调线调坡方法数据获取效率不高、不可重复利用等缺陷,文章依托实际工程案例,在阐述三维激光扫描技术测量原理的基础上,采用基于控制点的测站拼接方式来规避点云拼接过程中产生的累积误差,经过点云数据去噪后,利用基于正交回归的圆曲线拟合方法实现对中心坐标的获取。结果显示,在高铁盾构隧道工程中应用三维激光扫描技术进行调线调坡具有一定的可行性,中心坐标精度优于10 cm,符合工程相关规范要求,技术应用效果良好。