复杂场地盾构区间隧道块石探查和处理技术

研究目的:覆盖层中存在的块石群对地铁区间盾构施工造成很大影响。采用常规的钻探或物探手段探查块石群的效果较差,选择合适的探查手段及清障技术是类似工程的主要难点。本文以杭州地铁7号线吴山广场站—江城路站区间为依托,系统介绍在复杂场地条件下覆盖层中块石的综合探查技术,分析基于超前注浆加固和爆破预处理的地铁盾构隧道块石清障相关技术。研究结论:(1)在大量既有地表建筑物的条件下,探查块石需要钻孔与物探结合的手段;(2)微动探测在覆盖层中探测块石具有比较明显的优势;(3)在有条件的场地采用爆破预处理,在不具备爆破场地条件下可能遇块石时采用超前注浆加固预处理,盾构掘进通过后采用长管注浆加固管片周围土体,必要时进行带压进仓清理;(4)本研究成果可为类似复杂场地条件下盾构隧道工程的勘察、设计与施工提供参考。

基于计算机视觉的溢洪道块石堵塞识别研究

溢洪道是水利工程中重要的泄水结构,保障其稳定地泄流对调节水库水位、保障挡水建筑物安全等具有重要意义。现阶段溢洪道检测自动化水平低、缺少专门的管理人员,发生堆积险情上报难以满足即时性要求。因此,利用计算机视觉技术建立了一种便捷、轻量化的溢洪道块石堆积检测方法。先通过室内试验模拟可能出现的块石堆积情况,建立一套图像采集系统拍摄不同形态块石造成的溢洪道泄槽堵塞;然后以常规DeepLabV3+模型为基础,将模型中backbone替换为Res Net50和Mobile NetV2网络结构。通过对比试验表明,修正后模型的分类准确率和平均交并比均有所提升。综合考虑模型性能和图像分割效率,最终采用Mobile Net V2网络结构作为改进的DeepLabV3+模型的backbone。试验结果表明,改进的DeepLab V3+模型的平均交并比较常规模型提升了12.61%,测试集中的平均图像分割时间为277.93 ms。研究所用方法能够为溢洪道自动化检测提供基础。

黔西南石漠化地区散点状块石变形机理与InSAR早期识别方法

在黔西南石漠化地区,普遍存在一种表层发育区域性散点状块石变形但山体整体稳定的现象,造成在利用InSAR技术进行地质灾害隐患点识别时这些变形区往往被误判为滑坡,导致该地区地质灾害InSAR早期识别的准确率很低。以贵州黔西南州兴义市2个典型石漠化地区为例,首先简要概述了石漠化地区的区域构造地质背景和工程地质条件;其次介绍了石漠化地区散点状块石变形识别方法、分布现状及其野外验证方法;然后揭示了石漠化地区散点状块石变形的机理,分析了散点状块石变形容易在InSAR识别中被误判为滑坡隐患的原因;最后根据石漠化地区散点状块石变形的规律,提出了利用InSAR技术特别是PS-InSAR技术在石漠化地区早期识别散点状块石变形的方法。结果表明,该方法提高了石漠化地区InSAR识别地质灾害隐患点的效率和准确率。研究结果对我国其他岩溶地区的地质灾害早期识别具有重要的参考价值。

湿空气对开放块石层湿热特性影响的试验研究

青藏高原暖湿化趋势日益加剧,空气中的水汽质量分数随季节变化差异较大致使空气物性参数、焓值等产生变化,可能会间接影响块石路基的换热过程。本文基于模型试验及空气热力学理论,对等压条件下干、湿空气中块石层内湿热特性进行了分析。结果表明:在等压条件下干、湿空气温差与水汽质量分数呈正相关关系,且水汽质量分数变化速率低于温差变化速率8%。基于地表能量平衡方法计算了考虑水汽影响的块石表层感热通量,发现两种空气条件下的感热通量差值与水汽质量分数也呈正相关关系,此时水汽质量分数变化速率高于感热通量差值变化速率9.8%。日出后干、湿空气与深层块石的对流换热差值主要受空气相对湿度控制,日落后由于干、湿空气温差较大则受空气温差影响。水汽质量分数较低时,干、湿空气焓值差变化速率高于水汽质量分数变化率约87%,焓值差变化率高于水汽质量分数变化率约21%,该现象随着水汽质量分数下降而愈加明显。研究结果对于评价和预测湿空气条件下块石结构路基的长期热稳定性具有重要工程意义。

航道整治工程中块石抛填振夯整平一体技术的应用

为研究风浪较大、传统抛石工艺并不适用的航道整治段切实可行的块石抛填工艺技术,以具体的航道工程为例,对抛填振夯整平一体方案展开设计,并对包括船舶选型、水下抛石、基床振平处治等在内的施工要点进行分析。结果表明,所设计出的抛填振夯整平一体化船舶抛填系统能进行块石抛填路径的事先规划,对大高差适用,并能展开连续性作业,可保证水下高精度振夯整平。此技术完全实现了块石抛填全过程自动化操作和控制,值得推广应用。

基于机器学习算法的块石形状分类及土石混合体数值模拟

现有块石形状特征的数值模型或过于简化块石形状或未进行块石形状的频率统计,为此基于主成分分析算法(PCA)和K均值聚类算法,提出新的建模方法.利用Matlab对土石混合体断面照片进行数字图像处理,得到块石轮廓样本;对块石轮廓进行形心原点化、长轴水平化、最大极径归一化等标准化处理,得到标准化后的块石轮廓向量.分别采用PCA和K均值聚类算法对块石轮廓向量进行降维和聚类,对得到的分类块石形状进行频率统计.建立考虑块石形状分类及频率、颗粒级配、块石倾角的土石混合体随机模型,进行双轴压缩数值模拟,分析塑性应变和应力-应变曲线特征.在较高含石量和较大块石粒径情况下比较模型的变形和抗压强度,考虑块石形状的土石混合体模型与传统含多边形块石的土石混合体模型差异明显.

基于高空隙率的嵌卡力对块石护面结构稳定性的影响

为研究块石护面结构的抗风浪能力,引入块石间嵌卡力及空隙率因子,构建了块石护面临界稳定力学平衡方程,开展了块石护面现场抗脱稳定试验。结果表明,在工程应用中,块石护面结构的抗风浪能力与护面厚度、块石间的嵌卡力成正比,与块石下表面面积、空隙率成反比;采用C40混凝土“嵌缝”优化后,单位面积嵌卡力平均值为68.53kPa;空隙率为45%、40%的混凝土生态嵌缝块石失稳时,其抗脱临界值分别为抛理块石的8.87、12.86倍,其失稳时所受的嵌卡力约为重力与摩擦力之和的2.76、7.78倍;块石护面结构现场抗跳脱稳定试验与理论计算结果及变化规律一致;在保证护面结构空隙率大于40%的前提下,采用侧砌或竖砌的抛理工艺、“对角式”或“三角式”嵌缝工艺,可有效提高块石护面结构的抗风浪能力。研究结果为块石护面结构设计及加固提供理论参考。

盾构排浆管道内块石流速分析与沉积临界泥浆流速公式推导

为了明晰排浆管道内各种块石的流速情况,探讨块石沉积形成的管道堵塞和泥浆流速的关系,首先,根据流体力学基本方程推导出泥浆液动力计算式;然后,从运动力学角度对水平、斜向上、斜向下、垂直向上管道内的石块取最难排出的状态进行受力分析;最后,对不同形状、不同粒径石块,在不同倾斜角度的泥浆通道内随泥浆流动,达到受力平衡时和泥浆流速差值计算公式进行推导,进而分析推导出各种块石沉积临界泥浆流速计算公式,并设定工程数据试算。得出以下结论:1)不同尺寸、不同形状、不同密度的块石在不同倾角排浆管道内差速流动、流动速度自动分级、沉积临界泥浆流速不同;2)密度小、体积小的块石运动速度快、沉积临界泥浆流速小;3)相同重量、密度的块石,球形的运动速度最快、沉积临界泥浆流速最小,正方体形的次之,长条形的运动速度最慢、沉积临界泥浆流速最大,长径比越大流速越慢、沉积临界泥浆流速越大;4)同一块石,在向下管道流速最快、沉积临界泥浆流速最小,水平管道次之,在垂直上升管道流速最小、沉积临界泥浆流速最大。重点控制始发井和地面垂直向上管道内的泥浆流速至关重要。通过计算以适用经济的泥浆流速来预防排泥管道堵塞。

复杂环境下大型块石混凝土拱桥爆破拆除

待拆除桥梁为块石混凝土拱桥,桥面宽23.5 m,桥梁全长198 m,周边存在多处民用建筑、医院以及军用雷达等,环境较为复杂。为保证大桥顺利拆除,设计采用“逐跨分段逐孔延时精确控制爆破技术”:利用“深孔浅孔相结合”的方式,在桥墩处钻凿垂直深孔,在拱脚以及拱顶处钻凿垂直浅孔,针对不同尺寸、材料的爆破部位选择不同的爆破参数,以此破坏大桥各跨的关键承重部位,同时使得大桥不同部位分批垮落,将爆破与塌落振动等有害效应控制在安全范围内;采用竹笆、悬挂以及毛竹帘对桥梁爆破部位进行防护,有效降低了飞石距离,确保了周边建(构)筑物的安全。

块石层与碎石层降温效果室内试验研究

多年冻土区道路病害主要是由路基下多年冻土融化下沉引起,降低路基土体温度、保护冻土是连续多年冻土区的主要建筑原则.通过室内试验研究了在边界温度周期性波动及一定风速条件下块石层和碎石层的降温效果.结果表明:在负温及正温期结束时,块石层中温度沿深度方向是单调变化的,而在碎石层中是非单调变化的;正温结束时,块石层孔隙中的空气温度比块石表面温度低;一定厚度的块石层和碎石层均具有明显的降温效果,在相同边界条件下,平均粒径约7cm的碎石层的降温效果比平均粒径约为22cm的块石层好.因此,选择降温层的最佳粒径及厚度对实际工程具有重要意义.

青藏铁路块石路基结构的冷却效果监测分析

块石路基是青藏铁路积极保护多年冻土极为重要工程措施之一,60%的高温高含冰量路段采用了这种工程措施。通过对青藏铁路沿线块石路基下部土体温度监测分析,块石路基正在积极地发挥冷却路基的工程效应,极大地促进了多年冻土上限的抬升,但也引起了多年冻土温度升高。多年冻土温度升高随着工程热扰动的降低和块石路基"冷量”积累,已逐渐被抑制。然而,对于低温多年冻土来说,块石路基下部多年冻土上限附近温度有了较大的“冷量”积累,多年冻土正在朝着有利于热稳定方向发展。对于高温多年冻土来说,尽管多年冻土上限也得到了较大幅度的抬升,但升温过程和土体年收支的不平衡都在朝着不利于多年冻土热稳定方向发展。块石路基结构在高温多年冻土区适应性问题仍值得讨论,应采取相对应的补强措施,确保高温多年冻土区路基稳定性。

边界温度周期波动下块石的温度变化规律

将块径为 6～ 8cm、4～ 6cm和 2～ 4cm的块石分别装入直径为 15cm、高度为 5 9cm的有机玻璃筒内 ,进行了边界温度周期波动条件下块石体中一维温度场的测试 ,以考察多孔块石体中温度变化规律。试验表明 ,开放系统条件下 ,块石体温度随时间变化具有不对称性 ;温度随深度变化不符合基于热传导理论的傅立叶第一定律 ,具有迟缓性 ;块石体中的平均温度经过几个周期会低于其表面平均温度 ,说明其中存在对流换热机制。封闭系统条件下 ,三种块径的块石体的温度变化均无上述规律 ,表明其中对流换热机制尚不存在或十分微弱。

青藏铁路块石路基冷却降温效果对比分析

基于现场地温监测数据,对青藏铁路两种主要块石路基(块石护坡及U型块石路基)在不同年平均地温分区的冷却降温效果进行对比分析,发现不论是在低温基本稳定区(年平均温度-2.0℃≤TCP<-1.0℃)还是高温极不稳定区(TCP>-0.5℃),两种块石路基的应用都能够有效地提升路基下部多年冻土上限。但两种不同块石结构路基表现出不同的冷却降温效果,其中U型块石路基冷却降温效果较好,在路基下多年冻土上限提升及下伏浅层多年冻土降温的同时,深层多年冻土温度保持稳定;而块石护坡路基下人为多年冻土上限的提升及浅层多年冻土温度的降低一定程度上消耗了下伏深层多年冻土的冷量,从而导致其温度有所升高。同时,在不同的年平均地温分区块石路基表现出不同的冷却降温效果:年平均地温较低断面,块石路基冷却降温效果显著。在年平均地温较高的断面,尤其是高温极不稳定多年冻土区,块石护坡路基下伏深层多年冻土温度升高明显,路基长期稳定性难以得到保证。

块石路基对流特性实验研究

利用块石层调控冻土路基地温是冻土工程主动冷却路基的一种重要措施,并在青藏铁路重大工程建设中得到广泛应用.通过块石层中空气流动特性的深入研究,对其结构优化和效能提升具有重要意义,而不同温差条件下块石层中空气的流动特性,以及微风速的实际测定一直是其中亟待解决的问题.通过高精度微风速探测,首次获得封闭条件下块石层的空气流动特征.结果表明:在边界温度波动条件下,块石层内的降温过程与其内部自然对流过程密切相关,在对流作用下快速完成降温过程;升温过程则在相对较长时段内主要由内部的热传导换热完成,由此导致温度变化曲线非对称这一特殊现象的出现,并随深度增加而愈加明显.块石层上下端面的温差是对流发生及强度的关键控制因素,当温差达到一定量值时流速随温差的增加而加大,同时空气温度的变化也会对空气流动过程产生影响;块石层内整个空气流动过程是一个传递过程,也是热量传递的过程.该实验研究结果将对该种工程措施机理的进一步认识和改进、相关模拟计算参数的选取,以及在冻土区高等级公路等重大工程建设中的进一步有效应用均具有重要意义.

块石通风性能实验研究

青藏铁路广泛采用的块石护坡和块石路基是通过空气对流降低路基的温度起到保护冻土的作用。块石的粒径、孔隙率、通风能力直接影响块石路基的空气对流作用。孔隙率试验测试结果表明:孔隙率与粒径大小有关,随粒径增大而增大。粒径0.10～0.25m的块石,孔隙率大致在38%～48%。通过风洞试验发现,块石层内风压梯度与风速存在非线性关系,与速度的平方成正比;阻力系数随块石粒径增大而减小。通过青藏高原天然风速条件下块石通风基础通风能力分析,块石层起到很好的通风作用。因此,对于温度场的计算,建议考虑块石路基中风的强迫对流作用。

块石路堤、护坡导热系数的实验研究

讨论了块石路堤、护坡试样在表面温度周期波动时自然对流产生的条件,分析了开放系统和封闭系统块石试样内部的热传输机理,以说明其热扩散系数和导热系数的确定方法。指出开放系统的试样由于传热形式不单一而不利于热扩散系数和导热系统的精确测定,而封闭系统试样内部的传热形式以热传导为主。结果表明,可用封闭系统的细长圆柱试样来测试路堤、护坡块石的热扩散系数和导热系数。

路堤块石自然对流机理的室内模拟试验研究

为研究路堤块石在边界温度周期波动条件下的自然对流发生机理及降温效应的表征参数,采用室内模拟方法对50×50×65cm3尺寸的不同块石试样进行了试验和理论分析,结果表明:平均RAYLEIGH数能描述块石层自然对流的发生情况,不同厚度的块石层将产生不同的对流模式,厚度大的块石层所产生的自然对流降温效应也较大,上层砂砾加下层块石的结构自然对流效应最弱。块石层降温效果取决于块石粒径、层厚及铺筑在路堤中的位置,这一结论对多年冻土地区路堤设计、施工,合理确定块石铺筑层厚、铺筑层位具有现实指导意义。

土石混合边坡块石随机生成方法与稳定性分析

针对传统边坡稳定性分析方法未考虑土石混合体边坡内部块石的不足,采用MATLAB编制相应程序生成一定级配随机块石数据,再通过AutoCAD将数据文件转化为图形交互文件,导入Midas建立对应的块石边坡网格模型.最后,通过Midas_to_Flac3d接口程序,生成Flac3d模型,用Flac3d内嵌的有限差分强度折减法对块石边坡进行稳定性分析,并探讨土石界面强度等关键参数对土石混合边坡稳定性的影响.计算结果表明,忽略块石的存在将会给边坡稳定性计算结果引起较大的差异,坡体内塑性区并不像均质土坡那样为规则的类圆弧形态,而是在多种塑性区扩展路径的综合作用下呈现出多滑动带现象,滑动带在贯通过程中有明显的绕石效应,滑动带长度较等效均质土坡有明显延长;在所选定接触面参数变化范围内,接触面刚度参数(法向刚度、切向刚度)对边坡安全系数影响较小,而接触面强度参数(摩擦角、粘聚力)对边坡安全系数影响显著.

基于对流效应的寒区路堤块石层临界高度研究

为了研究块石路堤降温效应与块石层高度之间的关系,基于多孔介质自然对流理论和热传导理论引入了表征寒区块石路堤自然对流降温效应的自然对流指数,利用热传导温度分布函数获得了路堤自然对流指数随块石层高度变化的近似公式。分析表明:自然对流指数最小值对应于路堤块石层的最小高度,而其最大值对应于路堤块石层的最大高度。另外介绍了一种利用自然对流指数近似公式估算路堤块石层临界高度的方法,并具体给出了算例,最后进行了数值验算。结果表明:通过自然对流指数确定的临界高度可为寒区工程的路堤设计提供参考。

冻土块石路基的保冷效果数值计算研究

应用有限体积法,对一块石路基内的温度与速度特性进行了数值计算分析。计算结果表明块石路基的热稳定性较好。在路基内,越远离地表,监测点的温度变化越滞后于地表。而且离地表越远,温度变化幅度越小。在对块石路基内的块石层计算中采用了"块石"与"多孔介质"模型。两种模型计算的块石层内空气速度场在冬季都呈现一个逆时针旋转的涡,在夏季则是顺时针旋转的涡。由于块石模型计算的速度更加直接地反映了块石空隙中空气的真实速度,所以其计算结果大于多孔介质模型计算的速度。采用块石模型计算出路基内的整体温度略低于采用多孔介质模型计算结果。本文认为采用块石模型计算块石路基的速度场与温度场优于多孔介质模型。