基于钻进参数和岩性的钻爆法隧道围岩智能分级模型

为进一步提高基于钻进参数的围岩智能分级模型判识准确率,引入围岩岩性作为已知条件,对不同岩性分别建立基于钻进参数的围岩智能分级模型。首先,依托宜兴高铁、郑万高铁隧道工程中凿岩台车采集到的钻进参数,将其根据围岩岩性划分为白云岩、花岗闪长岩、灰岩、砂岩、页岩5类子数据集;然后,进行数据清洗、特征提取,对各子数据集及原始数据集按照4∶1的比例拆分为训练集和测试集,分别以提取的特征和原始特征均值2类特征集合作为输入;最后,使用机器学习随机森林算法建立5个基于钻进参数和岩性的围岩智能分级模型以及基于钻进参数的围岩智能分级模型,评估每个模型的泛化性能。结果显示:1)以提取特征集合为输入的白云岩、花岗闪长岩、灰岩、砂岩、页岩5种围岩智能分级模型在测试集上的准确率分别为85.48%、92.16%、88.62%、85.00%、89.47%,不考虑岩性的围岩智能分级模型的测试集准确率为84.91%。2)相比不考虑岩性的围岩智能分级模型,基于钻进参数和岩性的围岩智能分级模型测试集准确率提高0.09%~7.25%;相比不进行钻进参数特征提取,围岩智能分级模型准确率提升1.61%~13.82%。由此表明:进行钻进参数特征提取能够有效提升围岩智能分级模型的准确率;相比不考虑岩性的围岩智能分级模型,考虑岩性的围岩智能分级模型稳定性提高,模型的泛化能力提升。

土石交界地层隧道双侧壁导坑法施工围岩压力与变形研究

为探究土石交界地层双侧壁导坑法施工围岩变形与压力分布规律,通过现场监测对白塔山隧道围岩压力与收敛沉降变形进行研究分析。结果表明:下台阶施工易导致拱腰和拱脚围岩压力产生突变,最大增量可达70%,而对拱肩影响较小;相较于岩石地层,黄土层稳定性差,更易受隧道施工扰动影响导致围岩变形大、稳定距离长,黄土层稳定距离比岩石层长4~9 m;土石交界地层围岩压力呈现快速增加→缓慢增加→逐渐稳定的变化趋势,在快速增长阶段岩石层荷载释放率高达80%,大于黄土层荷载释放率;断面围压分布呈现出明显的不对称性,表现为“黄土侧大,岩石侧小”的分布规律。因此,双侧壁导坑法下穿土石交界地层时,建议在下台阶工序交替时保留部分土体进行反压控制,并提高下台阶锚杆布设密度,黄土层应做好超前支护预加固,并提高初期支护强度。

基于数字钻探与多尺度模型融合的隧道岩体完整性自动解译技术研究及应用

在多岩性与多指标钻探数据收集的基础上,综合考虑解译精度与预报效果,借助机器学习工具,提出一种基于数字钻探与多尺度模型融合的隧道岩体完整性自动解译技术。首先,对原始钻探数据有针对性的进行降噪与等距分割(0.5,1,2 m)等预处理,形成多尺度、高质量机器学习数据集;然后,进行模型参数自动寻优、训练、评估与可解释性等操作,验证模型的准确性与可靠性;最后,采用加权平均的方法进行多尺度模型解译结果的融合,以增强该技术的工程实用效果。为方便实际工程应用,以上述技术为核心开发轻量化数字钻探智能解译平台,经多条灰岩与砂岩隧道应用结果表明:对比地质雷达与常规钻探解译,多尺度模型融合解译在解译效率、预测效果等方面总体表现优异,可为隧道施工的开挖与支护提供可靠的岩体完整性信息。

钻爆法隧道上台阶爆破炮孔装药量精细计算方法

目前隧道钻爆法施工技术日趋成熟,但炮孔装药量的精细计算仍缺乏可靠的经验或理论公式。基于利文斯顿爆破漏斗理论,考虑隧道上台阶爆破方案设计中的炮孔孔距、排距和倾角等因素,提出了倾斜与垂直炮孔负担爆破岩石体积的计算方法。考虑岩石坚固性系数、爆生临空面方向等因素的影响,建立了炸药单耗优化计算方法。最后,基于炮孔装药量经验体积计算公式,提出了隧道上台阶爆破炮孔装药量精细计算的方法。依托临沂至滕州高速公路寨山隧道开挖试验段,验证了炮孔装药量计算方法的可靠性,研究成果对指导隧道精细爆破具有重要意义。

上覆土石混合体地层隧道稳定性分析

为了探究隧道进出洞区域遭遇上覆土石混合体这一土岩复合地层下隧道的稳定性,以泸石高速青极坝隧道为工程背景,采用有限元差分计算不同土岩交界层与隧道距离对隧道的稳定性影响。主要结论如下:土石混合体由于稳定性较差,抗剪能力不足,隧道开挖后容易形成剪切滑移带导致隧道拱部发生塌方。隧道拱部以上的岩体层作为承载层,受力模式类似固端梁,随着厚度的降低,隧道拱部沉降以及安全强度折减系数逐渐降低,当距离小于2 m后,塑性区发生贯通,承载能力失效。当上部岩层厚度小于2 m时,需要采用双层超前小导管加固岩层使得岩层达到安全厚度,并采用三台阶与及时支护控制围岩变形。

软弱围岩隧道三台阶预留核心土带仰拱一次开挖工法定额测定研究

在软弱围岩隧道施工过程中,合理确定隧道开挖施工技术及投资是铁路建设者需要关注的重点问题之一。本文选取玉磨铁路立新隧道和月牙田隧道相关工点进行现场调研和数据统计,采用写实统计法和现场测定法,分析工法方案和要求,收集测定现场工料机组成及费用情况,并与正常施工条件下的数据进行对比分析,提出三台阶预留核心土带仰拱一次开挖工法定额。为铁路相关部门下一阶段造价标准修订补充、完善隧道工程的预算定额体系、促进我国铁路投资控制良性发展提供了技术支撑。

寒区隧道地源热泵型供热系统岩土热响应试验

为解决寒区隧道冻害问题,将地源热泵型供热系统应用于内蒙古博牙高速林场隧道中。通过开展寒区隧道地源热泵供热系统岩土热响应试验,研究热交换管管内循环介质的入口温度、流量和管间距对换热量的影响以及热交换对隧道围岩和衬砌温度场的影响。试验结果表明:管内循环介质的流量一定时,换热量随着入口温度的增加而呈线性增加;管内循环介质的入口温度一定时,换热量随着流量的增加而呈指数增加。增加流量可以提高热交换管内循环介质的换热能力,但却增加管内循环介质与管壁之间的阻力,建议热交换管管内循环介质流量不宜超过0.75 m3/h。热交换管间距为100和50 cm时,围岩温度场的影响深度分别约为75和100 cm。热交换管间距越小,围岩温度场的影响范围则越大,温度增量也越大。

压力隧洞衬砌-围岩(土)相互作用研究

基于Biot理论,采用多孔弹性介质的渗流-力学耦合模型,研究了内水压力作用下隧洞衬砌-围岩(土)相互作用问题。考虑衬砌和围岩(土)的相对渗透性,隧洞处于半封闭状态。提出采用取决于岩土介质孔隙率的应力系数来确定隧洞边界上衬砌(围岩)介质和孔隙水分别承担的内水压力值。在Laplace变换域中得到衬砌分别为柔性和刚性条件下隧洞的应力和变形解答。通过算例分析了应力系数及衬砌的相对刚度对隧洞应力和变形以及孔隙水压力场的影响。

软岩挤压型大变形隧道锚杆施工特性及工艺优化

以渭武高速木寨岭隧道大变形段为工程依托,基于对岩石可钻性与钻机性能间关系的分析,选择5种不同类型的锚杆施工机具,进行现场钻孔试验。研究结果表明:低强度炭质板岩挤压型大变形隧道,旋转式钻机应优选额定钻速较高的液压型钻机,冲击-旋转式钻机应优选冲击频率f较高的钻机;钻孔深度以5 m左右为界,超过此深度,钻孔易出现塌孔、卡钻及钻机钻进效率低下等问题,建议5 m以上长锚杆采用自进式;对于5 m内短锚杆的施工,MYT-125/330液压锚杆钻机施工拱顶部位锚杆的有效钻速(除去钻杆加长耗时)约0.8 m/min,YT28钻机施工边墙部位锚杆的有效钻速(除去钻杆加长耗时)约0.4 m/min,施工效果均较为理想;对于10 m长锚杆,采用“大功率台车式钻机+自进式锚杆”,施工功效可达10 m/30 min。

考虑钻孔速率的公路隧道围岩类别超前分类研究

为了有效的进行公路隧道围岩稳定性超前分类,将台车钻孔速率引入到围岩稳定性评价指标体系中,通过增加动量因子和设置自适应调整学习率的方法建立了改进型BP神经网络的围岩分类模型。该模型考虑了钻孔速率这一实测性、超前性的数据,为模型注入了更为丰富的信息量,提高了围岩分类的可靠性,能较准确的预测出掌子面前未开挖段的围岩类别,弥补了施工地质超前预报中靠主观经验观察、分析的不足。通过实例分析,所得的分类结果与实际吻合,对施工的指导性强。

高应力软岩隧道锚杆(索)成孔钻具研究

为解决高应力软岩隧道锚孔,尤其是深锚孔的稳定有效成孔难题,以渭武高速木寨岭公路隧道为工程依托,对围岩钻孔机理进行分析,选择适宜锚杆钻机与不同型号和不同参数的钻具,开展现场钻进和锚索安装试验。从钻具失效模式、钻进工效、使用寿命及成孔效果等方面研究高应力软岩隧道适宜成孔钻具。研究结果表明:钻孔直径增加导致钻具螺纹连接处的应力复杂化,钻具出现了连接处断裂的非常规失效模式。后倾角是PDC钻具钻进工效和使用寿命的关键影响因素,设计应以20°为基准,软岩条件下适当减小其值可显著提升钻进功效,但会减小钻具的使用寿命。小、大组合式钻具由导向钻具(28 mm)和扩孔钻具(45 mm)组成,其中的导向钻具起到了增强钻具定位、提前释放围岩高应力作用,且采用较小后倾角(17.5°)设计以实现快速钻进。扩孔钻具采用3 PDC片形式以实现锚孔圆顺性的提升,使得小、大组合式钻具在使用寿命和成孔效果等方面较单一直径钻具均有显著提升,单个使用寿命达到60 m,10 m锚索的机械推入率降至9%。研究成果可为适配高应力软岩隧道(深)锚孔有效钻进需求的成孔钻具选型提供支撑和实践基础。

阳城隧道土砂分界地层隧道围岩变形特征及控制工法研究

为解决采用三台阶法施工的土砂分界地层隧道围岩变形控制难题,以浩吉铁路阳城隧道为依托,采用室内试验、数值模拟和理论分析等方法对不同隧道埋深及土砂分界位置(土砂比,即土层厚度与砂层厚度之比)下的隧道围岩变形规律进行研究,并提出围岩变形控制工法的选取原则。研究结果表明:1)不同隧道埋深及土砂比情况下的围岩变形曲线可分为变形预发展阶段、变形快速发展阶段、变形缓慢发展阶段和变形稳定阶段4个阶段,且均可采用Boltzmann函数进行良好拟合;2)当土砂比由0∶1增至1∶0时,隧道拱顶沉降、边墙水平收敛和仰拱隆起对土砂分界面的位置变化具有不同的响应规律;3)提出适用于采用三台阶法施工的土砂分界地层隧道围岩变形控制工法选取原则,并通过计算证明,该原则可有效指导围岩变形的控制。

高应力破碎巷道仿根系固土支护与控制对策

针对深部高应力破碎巷道支护难度大、维护费用高的问题,以金川镍矿为工程背景,通过理论分析、室内实验和井下试验等手段,借鉴植物根系固土力学机制,深入探讨高应力破碎围岩巷道支护方法,得出如下结论:(1)仿根系固土力学原理设计巷道支护,视金属网的作用类似于植物浅根的作用,将锚杆视为植物的深根,而随机分布的注浆则相当于根系中密布的侧根与支根,因锚网注而增加了巷道围岩的抗剪强度,其增量部分主要取决于根粘聚力cR。(2)预应力锚杆、TECCO网、注浆等与围岩有机结合,形成了能承受高应力的围岩复合体。(3)试验巷道支护20天后,围岩变形速率小于0.05 mm/d,表明该支护方法能有效控制巷道变形。(4)巷道支护后19个月里,巷道完好无损,无需任何返修,返修周期提高了近3倍。

土岩组合地层基坑开挖对下卧隧道变形影响模拟分析

目的 以济南CBD中心绸带路-礼耕路站区间基坑工程为背景,探究土岩组合地层中基坑开挖对下卧隧道运营安全影响。方法 通过三维数值模拟着重分析土岩组合地层中土岩分界面上下岩土强度参数黏聚力c、内摩擦角φ和弹性模量E、土岩交界面位置、围护桩嵌固深度等变化对隧道变形的影响规律。结果 基坑开挖下卧隧道拱顶和拱底均向上浮动,拱腰向内压缩;当土岩分界面处于基坑开挖范围内时,改变土岩地层强度和刚度参数、围护桩嵌固深度、对隧道变形影响较弱;随着土岩组合地层分界面从基坑范围下移到坑底以下隧道拱顶以上以及隧道开挖范围内,隧道拱顶上浮增幅量会逐渐非线性增大,收敛变形会线性增加。结论 土岩组合基坑开挖相较于纯土层基坑开挖对下卧隧道影响显著减小,但受土岩组合设计参数影响大。

“十一五”《探矿工程(岩土钻掘工程)》期刊文献分析

一个学科的技术发展现状和水平可以通过该学科的期刊文献来反映。通过对2006～2010年《探矿工程(岩土钻掘工程)》杂志刊登的论文情况进行统计,从一个侧面分析探矿工程行业期刊文献的现状,找出自身的不足以及与其他学科专业期刊文献的差距,以提高探矿工程期刊文献的整体质量和水平,促进学科学术影响力的提高。

利用随钻测量技术评估岩体结构形态

利用随钻测量(MWD)可以准确、快速地从钻孔中获取高分辨率的信息,以表征地下工程开挖过程中遇到的高度可变的岩体。目前利用随钻测量参数表征岩体强度的研究较多,但评估岩体结构形态的研究较少,且多停留在定性评估层次。本文依托玉磨铁路西双版纳隧道项目,采集了大量隧道内随钻测量及孔内摄像数据。利用主成分分析方法,将随钻测量参数集成到第1主成分中;利用孔内摄像数据,将孔内岩体结构形态划分为3类。建立了第1主成分与岩体结构形态之间的关系,提出了利用第1主成分划分结构形态的方法。结果表明:对于同一台钻机,监测到的钻进参数不是独立的,而是高度相关的。提出的第1主成分分析方法可以正确解释各钻进参数对岩石的响应;花岗岩地层中,当钻遇破碎岩体时,钻进速率均有不同程度的提高或剧增,钻进压力、旋转压力则会出现短暂的降低;利用第一主成分对岩体结构状态进行了定量划分,得到其分布范围及占比,其中完整岩体占比84.6%,破碎岩体占比8.2%,极破碎岩体占比7.2%。提出的基于随钻测量参数的主成分分析方法可以实现岩体结构形态的快速、准确划分,为隧道开挖和支护提供设计依据。

土质隧道围岩未支护段破坏模式分析

基于土质隧道围岩破坏模式的模型试验结果,通过临界尺度分析了未支护段围岩发生破坏的机理。根据围岩破坏形态和破坏机理建立了分析模型,推导了未支护段围岩发生自稳破坏、进尺破坏和不破坏的理论条件,并结合工程实例进行了分析。研究表明:围岩开挖的临界尺度控制了围岩的破坏模式,当开挖跨度或进尺分别大于相应的临界尺度时,未支护段就分别发生自稳破坏模式或进尺破坏模式;分别得到了发生自稳破坏、进尺破坏和不破坏的理论条件及破坏高度计算式;工程实例验证表明理论分析结果与实际相符。

把握专业应用需求 注重实践 触发创新——以“岩土钻掘工程”课程创新实践为例

本文以地质工程专业"岩土钻掘工程"课程本科课堂教学为例,从不同学科侧重点入手,尝试进行课堂授课设计,培养学生多学科交叉综合学习能力。探讨了现阶段该课程的创新教学实践,突出了以人为本、在满足课程核心内容的认知的基础上,力争打造以开放性、实践性为主的教学模式。以当前地质工科实践热点、难点技术为吸引力,鼓励学生打好专业应用基础,提高创新能力。

工程建设中的岩土工程问题与研究

本文分析了岩土工程在工程建设中的重要地位，并分别就岩土地基、岩土边坡、岩土洞室和岩土支挡等方面当代研究的主要课题及其发展趋势作了简要的考察。

深基坑土岩界面微型钢管桩受力特性试验研究

依托青岛地铁某基坑工程,在微型钢管桩外壁对称布置电阻式应变片,在桩身迎土面布置土压力盒,开展了微型钢管桩支护结构的现场试验,分别采集土层中、土岩分界面以及岩层中3个部位桩身弯矩与桩侧土压力数据;分析了基坑开挖过程中土岩界面桩侧土压力及桩身弯矩的演化特性;研究了第四系土层中、土岩分界面及岩层中内排微型钢管桩桩侧土压力与桩身弯矩随基坑开挖深度的变化规律。研究表明:随基坑开挖深度的增加,土层中、岩层中桩侧土压力值均呈现先减小后增大,再减小又增大,随后持续增大的变化趋势;土岩分界面处桩侧土压力呈波状递增变化,且增幅较大,属于岩土层受力的薄弱点;预应力锚杆(索)支护能够有效协调桩身内力并限制桩身产生大变形,避免了桩身弯矩的增长;位于土岩结合面附近微型钢管桩弯矩数值较小且增长较缓;桩侧土压力受基坑开挖的时空效应影响较大。