Influence of confined water on the limit support pressure of tunnel face in weakly water-rich strata

In the process of shield tunneling through soft soil layers,the presence of confined water ahead poses a significant threat to the stability of the tunnel face.Therefore,it is crucial to consider the impact of confined water on the limit support pressure of the tunnel face.This study employed the finite element method(FEM)to analyze the limit support pressure of shield tunnel face instability within a pressurized water-containing layer.Subsequently,a multiple linear regression approach was applied to derive a concise solution formula for the limit support pressure,incorporating various influencing factors.The analysis yields the following conclusions:1)The influence of confined water on the instability mode of the tunnel face in soft soil layers makes the displacement response of the strata not significant when the face is unstable;2)The limit support pressure increases approximately linearly with the pressure head,shield tunnel diameter,and tunnel burial depth.And inversely proportional to the thickness of the impermeable layer,soil cohesion and internal friction angle;3)Through an engineering case study analysis,the results align well with those obtained from traditional theoretical methods,thereby validating the rationality of the equations proposed in this paper.Furthermore,the proposed equations overcome the limitation of traditional theoretical approaches considering the influence of changes in impermeable layer thickness.It can accurately depict the dynamic variation in the required limit support pressure to maintain the stability of the tunnel face during shield tunneling,thus better reflecting engineering reality.

Deformation mechanism and limit support pressure of cutting steel plate during connection between pipes in large spacing using pipe curtain structure method

The pipe curtain structure method(PSM)is a novel construction method to control ground deformation strictly.Compared with the traditional pipe-roofing and pipe jacking method,the connection between pipes in large spacings using PSM is widely acknowledged as a unique construction procedure.Further study on this connection procedure is needed to resolve similar cases in that the pipes are inevitably constructed on both sides of existing piles.Cutting the steel plate during the connection procedure is the first step,which is crucial to control the safety and stability of the surrounding environment and existing structures.The deformation mechanism and limit support pressure of the cutting steel plate during the connection between pipes in large spacings are studied in this paper,relying on the undercrossing Yifeng gate tower project of Jianning West Road River Crossing Channel in Nanjing,China.A modified 3D wedge-prism failure model is proposed using the 3D discrete element method.Combined with Terzaghi loose earth pressure theory and the limit equilibrium theory,the analytical solutions for the limit support pressure of the excavation face of the cutting steel plate are derived.The modified 3D wedge-prism failure model and corresponding analytical solutions are categorised into two cases:(a)unilateral cutting scheme,and(b)bilateral cutting scheme.The analytical solutions for the two cases are verified from the numerical simulation and in-situ data and compared with the previous solutions.The comparative analysis between the unilateral and bilateral cutting schemes indicates that the bilateral cutting scheme can be adopted as a priority.The bilateral cutting scheme saves more time and induces less ground deformation than the unilateral one due to the resistance generated from the superimposed wedge.In addition,the parametric sensitivity analysis is carried out using an orthogonal experimental design.The main influencing factors arranged from high to low are the pipe spacing,the cutting size,and the pipe burial depth.The ground deformation increases with the increased cutting size and pipe spacing.The pipe burial depth slightly affects the ground deformation if the other two factors are minor.Cutting steel plates in small sizes,excavating soil under low disturbance,and supporting pipes for high frequency can effectively reduce the ground surface subsidence.

Analytical solutions of limit support pressure and vertical earth pressure on cutting face for tunnels

This paper focuses on theoretical analytical models to calculate the limit support pressure and vertical earth pressure on the cutting face for tunnels.The failure zone is divided into two parts:a sliding failure zone and an upper loosen zone,and the limit support pressure calculation equation is derived.To verify the rationality of the theoretical model,it was compared with the existing theory,numerical simulation,and centrifugal test,and then the parameter analysis was carried out.The results show that the results of this paper agree well with the existing theory,numerical simulation,and centrifugal test.The inclination angle of the proposed mechanism is determined based on the results of the existing centrifuge test,and the recommended inclination angle is between 52°+φ/2 and 54°+φ/2.The method is proven to be safe and accurate.It can provide a theoretical basis for similar projects.

Numerical Simulation of Super-Resolution Structured Illumination Microscopy (SIM) Using Heintzmann-Cremer Algorithm with Non-Continuous Spatial Frequency Support

We report a comprehensive numerical study of super resolution (SR) structured illumination microscopy (SIM) utilizing the classic Heintzmann-Cremer SIM process and algorithm. In particular, we investigated the impact of the diffraction limit of the underlying imaging system on the optimal SIM grating frequency that can be used to obtain the highest SR enhancement with non-continuous spatial frequency support. Besides confirming the previous theoretical and experimental work that SR-SIM can achieve an enhancement close to 3 times the diffraction limit with grating pattern illuminations, we also observe and report a series of more subtle effects of SR-SIM with non-continuous spatial frequency support. Our simulations show that when the SIM grating frequency exceeds twice that of the diffraction limit, the higher SIM grating frequency can help achieve a higher SR enhancement for the underlying imaging systems whose diffraction limit is low, though this enhancement is obtained at the cost of losing resolution at some lower resolution targets. Our simulations also show that, for underlying imaging systems with high diffraction limits, however, SR-SIM grating frequencies above twice the diffraction limits tend to bring no significant extra enhancement. Furthermore, we observed that there exists a limit grating frequency above which the SR enhancement effect is lost, and the reconstructed images essentially have the same resolution as the one obtained directly from the underlying imaging system without using the SIM process.

虚拟同步机电流受限暂态电压支撑机理与改进故障穿越控制研究

针对虚拟同步机在电网低、过电压故障下所面临的无功电压支撑不足、特性差等问题,建立考虑电流限幅特性的虚拟同步机等效电路模型,并基于拓扑同伦原理,给出不同无功电压控制在等效电路相量图上的几何表征方法。利用该方法,揭示几种常见无功电压控制下的虚拟同步机电流受限暂态电压支撑机理,并由此提出一种改进的故障穿越控制策略,有效改善电网低电压、过电压故障下的暂态电压控制能力和支撑特性,进而缓解故障期间的暂态功角稳定问题。基于PSCAD/EMTDC仿真对所提机理和故障穿越控制方法进行详细验证,最后,在3机9节点系统中对其在近、远区电网故障下的支撑特性进行仿真验证。

水位变化下浅埋盾构隧道开挖面渗透力与稳定性研究

为分析临江地区透水地层浅埋盾构开挖面渗流作用下的稳定性,结合安庆市沿江东路管廊盾构段典型断面,建立浅埋盾构三维流固耦合数值模型,分析水位变化、土体力学性质对开挖面稳定性影响以及渗透力的变化规律,明确浅埋盾构渗透作用下开挖面的失稳形式,建立区别于传统破坏模型的圆台-弧转体数学模型,提出一种基于极限分析上限法且考虑渗透力作用的极限支护压力的计算方法,并与已有研究结果相对比,验证该方法的可行性;根据该方法分析水位、土体力学参数、盾构掘进参数对极限支护压力的影响。研究结果表明:黏聚力及内摩擦角增加会导致破坏区高度显著减小,而水位增加会导致破坏区高度及长度显著增加;开挖面上渗透力随开挖面与拱顶的距离增大而增大,渗透力随水位变化呈线性变化,平均渗透力随水位变化率为2.75 kN·m^(-3);极限支护压力随黏聚力、水位呈线性变化,随摩擦角呈非线性变化;结合开挖面前方土层土体力学性质,极限支护压力随水位变化率为5.11~5.75 kPa,与实测土仓压力变化率6.38 kPa较吻合,控制土仓压力在80 kPa以上时能有效保证开挖面稳定。

深埋老黄土隧道支护限阻器力学特性及其应用研究

为深入探究基于限阻器的隧道让压支护,即限阻支护的受力特征,基于室内试验结果,采用数值计算和数据拟合的方法,系统阐明了限阻器的力学性能和本构关系,提出限阻支护的数值模拟方法;并结合工程应用,分析不同参数下限阻支护的变形和受力特征。结果表明:限阻器的力学性能与竖板的高度和厚度相关,引入预制弯弧可使限阻器性能可控;限阻器采用应变软化/硬化实体单元和弹性正交异性膜单元模拟;限阻器较小的恒阻值降低了限阻支护的轴力但同时也增大了弯矩,有利于小偏心受压破坏防治但增加了大偏心受压破坏风险;限阻器的合理压缩量为7~12 cm,建议在工程应用中对限阻器做降高、增厚和弯弧优化,可进一步增效降本。

基于移动荷载谱的高速铁路简支梁桥基频限值分析

控制桥梁振动响应是保证高速列车安全稳定运行的关键,遵循梁体不发生共振或较大位移响应的原则,提出了简支梁桥基频限值频域分析法。首先基于移动荷载列模型,通过傅里叶变换得到了桥梁振动响应谱和移动荷载谱,并从时域角度验证了谱的正确性;然后通过引入间跨比γ和无量纲速度κ,探究了在不同移动荷载列作用下桥梁自由振动发生最大位移响应时,无量纲速度κ和间跨比γ之间的关系;其次根据γ-κ关系曲线分析了24 m、32 m、40 m简支梁桥最大位移响应下的无量纲速度κ;最后为了避免列车激励下桥梁发生共振或较大位移响应,参考国际铁路联盟基频限值规范,基于移动荷载谱给出了移动荷载列在不同设计时速下24 m、32 m、40 m简支梁桥基频限值建议值。研究表明:移动荷载幅值谱与时域计算的桥梁自由振动位移幅值响应规律一致;单节车长25 m左右的移动荷载列以共振速度激励桥梁时,24 m、32 m简支梁桥自由振动都能达到最大位移响应,而40 m简支梁桥仅产生较大位移响应,且在列车运营速度范围内达不到产生最大位移的条件;桥梁基频限值随着列车时速的增加而增大,当最大设计时速400 km/h时24 m、32 m、40 m简支梁桥基频建议下限值分别为6.00 Hz、4.94 Hz、5.66 Hz。

级联型混合直流与UPFC的柔性潮流协调控制策略

级联型混合直流输电系统具有能抑制换相失败、传输大容量功率的优势。但当级联型混合直流低端模块化多电平换流器(MMC)采用主从控制时,若系统发生交直流故障或负荷突增,可能会产生电流不平衡问题,导致受端交流侧功率出现大范围反向传输及电压支撑能力下降。为解决该问题并增强受端电网的稳定性,针对级联型混合直流输电系统,提出一种基于统一潮流控制器(UPFC)的柔性潮流协调控制策略。研究了基于柔性交流输电(FACTS)设备统一潮流控制器(UPFC)的级联型混合直流系统柔性潮流控制特性,针对系统故障及大扰动时出现的功率返送及电压稳定性问题,提出基于UPFC的频率支撑策略和基于动态限幅的电压支撑策略。该策略将送端侧故障带来的功率扰动转移到受端交流系统UPFC所在线路,利用UPFC功率补偿能力进行协调,同时基于动态限幅控制策略,采用无功优先控制方式提高换流站无功输出能力。最后,在PSCAD–EMTDC平台搭建了含受端交流系统的级联型混合直流输电系统模型。首先,仿真了LCC直流电流指令值下降过程,结果表明,本文所提基于UPFC的协调控制策略可以有效地减小交流系统频率波动,抑制功率返送现象;其次,仿真了系统负荷突增过程,验证了动态限幅控制策略能更好地提升MMC对交流系统的电压支撑能力;最后,仿真了连锁故障过程,结果表明,所提协调控制策略能有效地实现对系统频率和电压支撑,抑制功率波动,提高了级联型混合直流系统及受端电网的稳定性。因此,本文提出的级联型混合直流与UPFC的柔性潮流协调控制策略具有有效性和可行性。

基于桨距角控制的永磁风电机组高电压穿越控制策略

为解决传统永磁风电机组高电压穿越控制策略存在超速脱网风险问题,提出一种基于桨距角控制的高电压穿越控制策略。高电压穿越期间,首先,按照并网要求向电网提供无功支撑;其次,考虑转子转速限制,当转子转速达到参考值时启动桨距角控制,抑制转子转速上升;最后,通过仿真试验,验证了所提控制策略的有效性。基于桨距角控制的永磁风电机组高电压穿越控制策略,既能向电网提供无功支撑,又能避免超速脱网。

基于多对数螺旋曲线破坏机构的富水软岩隧道开挖面支护应力分析

为了避免对胡克-布朗准则进行任何线性化处理,将广义胡克-布朗(generalized Hoek-Brown, GHB)强度准则直接引入到开挖面稳定性分析中,基于极限分析理论构建了富水地层浅埋隧道开挖面多对数螺旋线破坏机构。在考虑孔隙水压力的作用下,推导出能量平衡方程,得到开挖面极限支护应力表达式,并且通过程序优化得到支护应力最优上限解。在此基础上,分析了GHB强度参数、孔隙水压力系数、岩土体重度以及隧道埋深比对开挖面稳定性的影响。最后通过归一化处理得到不同情况下的开挖面极限支护应力稳定性图表,通过该图表能够快速便捷地获得富水地层隧道开挖面维持稳定性所需的极限支护应力,为盾构隧道初步设计提供理论依据。

渗流条件下曲线盾构隧道开挖面稳定性分析

为研究渗流条件下曲线盾构隧道开挖面稳定性,在筒仓理论和极限平衡法的基础上,对传统楔形体模型进行改进,建立了斜梯台-楔形棱柱体模型,推导出受渗流作用影响的浅埋曲线盾构隧道开挖面极限支护力的解析式,通过数值模拟及工程实例对模型结果进行了验证,并进行了参数影响分析。研究发现:在渗流条件作用下,渗流力构成了浅埋盾构隧道开挖面极限支护力的重要部分,本工程地质情况下,渗流力最高可占极限支护力的46%,且渗流力受地下水位的影响较大。本研究模型理论计算结果与数值模拟结果较为接近且误差在5%以内,证明本研究所提出的三维计算模型的合理性,实际施工中为保障工程安全,盾构隧道实际支护力大于极限支护力理论值,本研究公式解可为实际工程施工提供支护力参考值。曲线隧道极限支护力与土体内摩擦角、黏聚力及线路半径均呈负相关趋势,当隧道线路半径小于300 m时,隧道极限支护力波动幅度较大,而当线路半径大于600 m时,开挖面极限支护力逐渐接近直线隧道。在急曲线盾构隧道及不良地质情况下施工时需注意及时调整盾构参数来维持隧道开挖面稳定。

地震作用下高桩码头岸坡整体稳定性拟静力分析

高桩码头是一种常见的沿海水工建筑物,在强震作用下码头岸坡可能产生较大的侧向位移乃至整体失稳。采用极限分析上限法,从拟静力角度分析地震作用下高桩码头岸坡的整体稳定性。将码头排桩对岸坡的稳定作用简化为梯形分布力,采用对数螺旋破坏机制推导出临界地震系数理论公式,并通过优化分析确定临界地震系数的最小上限解和对应的临界破坏面。通过具体算例分析,将提出的理论方法与有限元极限分析结果对比,验证了其合理性。进一步地,结合强度折减法,研究了排桩布置和土体强度变化对地震作用下岸坡稳定性和破坏模式的影响规律。

高速公路隧道初支变形侵限分析及处置对策

本文以某隧道为研究对象,重点阐述了对该隧道初期支护的变形量测和变形侵限原因的分析,针对隧道初步设计风险进行了影响因素的中层次分析评估,再基于进一步论证分析,制定了应对措施以控制变形的发展。分析结果表明:缓倾水平页岩和持续降雨是对初支变形影响较大的因素,而施工不当和监控量测预警不及时直接加速了变形的发展,最终造成初支侵限。为此,针对此类隧道变形侵限的特点和产生原因,制定临时支撑、双液注浆的应急处置措施,并紧跟二次衬砌的换拱整治方案,为其他类似工程可提供较好的经验借鉴。

富水浅埋方形隧道围岩稳定性分析

方形隧道由于空间利用率较大,被广泛应用在城市隧道修建中。受限于复杂的边界条件,且方形拐角易出现应力集中现象,方形隧道围岩稳定性分析更为困难。因此确定合理的极限支护压力对于防止隧道塌方事故的发生和保证施工安全具有重要的意义,尤其是对于穿越富水地层浅埋隧道。在极限分析上限定理的框架下,构建了方形隧道围岩平移破坏机制,该机制考虑了土体破坏延伸至地表的情况。与现有结果表明,当前方法计算精度更高,最高提升了10.5%,且对于隧道围岩稳定性问题具有更强的适用性。采用系数法考虑了孔隙水压力的不利作用,结果表明:隧道围岩极限支护压力随着摩擦角和黏聚力增大而线性减少,随着孔隙水压力系数增大而增大。最后给出了系数选取方法,以便工程中使用。

三维激光扫描辅助隧道大变形控制研究

为解决在高地应力软岩大变形隧道控制研究中,传统监测方法有限断面有限点、监测结果以点带面、难以发现最大最小平均变形,无法为隧道初支优化调整提供有效数据支撑等问题,以沙嫰山二号隧道为依托,采用三维激光扫描仪对隧道初期支护进行全息变形监测,获取隧道初期支护的变形全貌,并进行沉降收敛和断面轮廓变形分析。同时依据三维激光变形监测结果,设计适应隧道变形特征的限阻耗能支护结构,对软岩大变形隧道初期支护破坏问题进行控制。结果表明:(1)三维激光扫描仪与全站仪沉降监测方差为3.03 mm、收敛监测方差为3.42 mm,两种仪器监测精度相当;(2)三维激光扫描仪监测结果显示,初期支护左侧出现受围岩剪切滑移带影响的局部鼓出问题,鼓出影响范围为左拱脚至左拱腰,且沿里程方向呈现明显的时空效应,监测段初期支护变形包络结果显示,拱顶左侧变形平均值35.2 cm、右侧变形平均值16.4 cm;(3)依据三维激光扫描仪监测结果不对称的设计限阻耗能支护结构,与设计支护段相比,对初期支护破坏取得了较好的控制效果,同时通过变形加速度来判断隧道变形速率的发展,避免累计变形和变形速率预警中假型性预警现象。

地库区域中超限高支模可调式支撑体系设计及施工研究

某地下车库工程存在高支模区域面积大、框架梁密集、框架梁及楼板超限等特点。基于工程难点及特点,对超限框架梁及楼板分别进行分类,提出了一套高支模可调式支撑体系,即轮扣式钢管支撑架结合主承重立杆的组合支撑。研究并详细介绍了支撑体系中可调托撑、布置方式、横向拉结及横纵向剪刀撑等的特点及要求,提高了架体的整体性及自身刚度,保证了架体的安全稳定。最后研究了混凝土浇筑及模架拆除的施工流程及要点,并基于上述研究结果总结了一套综合性监测方法。本项目运营结果表明:高支模可调式支撑体系强度、变形及稳定性均满足要求。

黄河茨哈峡导流洞进口边坡稳定性综合评价及处置优化

复杂地质条件下边坡稳定性受结构面、岩体性质等因素影响明显,其准确评价对边坡施工安全至关重要。依托黄河茨哈峡导流洞进口边坡施工工程,提出了一套综合赤平投影理论、二维极限平衡法与三维极限平衡法的边坡稳定性综合评价方法。首先基于赤平投影理论定性地描述了具有复杂结构面的导流洞进口边坡4#倾倒体失稳块体;随后分别采用二维极限平衡法与三维极限平衡法对施工期逐层开挖过程诱发边坡失稳风险进行了分析;最后根据“少开挖+强支护”的设计原则,从多方法综合评价和循环优化的角度,提出将原破碎体全部挖除的大开挖方案优化为保留部分破碎体的小开挖方案,并从安全性与经济性的角度对优化方案进行了评价。计算结果表明大开挖方案边坡稳定性安全系数约为1.17~1.19,小开挖方案安全系数约为1.078,大开挖方案边坡安全性高于小开挖方案;在对小开挖方案进行支护优化后边坡稳定性安全系数提高至1.159~1.183,边坡稳定性由临界稳定变为稳定,支护优化效果显著。综合边坡开挖安全性与经济性评价结果可见,所提“少开挖+强支护”边坡开挖方案符合相关规范安全控制标准,具有较好的经济效益与工程价值,可为相关工程提供参考。

全功率直驱风机电网友好型控制策略

基于构网型控制的电网友好型风电机组具有黑启动、电网支撑和弱电网运行等优势,近年来逐渐被广泛研究。为探究不同电网友好型控制在不同场景下的运行性能,以全功率直驱风机为研究对象,总结归纳了4种典型的电网友好型风电机组控制策略。基于不同控制策略的架构和特点,在PSCAD/EMTDC仿真平台上搭建了相应电网友好型风电机组模型。分别在黑启动、风速变化、功率减载、频率支撑、电压支撑、故障恢复以及故障限流7种工况下探究不同控制策略的运行性能。最后,综合不同工况下的仿真结果,得到了总体性能最优的控制策略。

受限空间内盾构始发反力架受力特性及设计优化

[目的]鉴于盾构隧道在空间受限环境下的始发作业中,反力架的尺寸受到严格限制,为确保能够承受大直径盾构机始发时产生的巨大反力,并有效控制受力变形,特提出研究设计一种具有足够强度和刚度,同时结构紧凑、适应空间受限环境的反力架。[方法]以上海机场联络线工程JCXSG-8标段为背景,针对反力架尺寸受限的实际情况,深入研究了不同后靠支撑方式下反力架的受力与变形特性。通过优化反力架的局部构造和传力撑的布置形式,提出了改进方案,并结合现场实际施工条件进行了验证,以确保设计的合理性和有效性。[结果及结论]在反力架后靠设置中,采用剪力墙相较于斜撑更为优越,能有效提升结构稳定性。此外,在下斜梁增设中支座,显著减小了下斜梁端支座的弯矩,进而有效降低了底梁和竖框梁的扭矩,提升了整体结构的承载能力。同时,上斜梁上传力撑的数量及其布置方式对反力架的最大弯矩和变形具有显著影响。本工程实际施工中,采用了1 m厚的反力架,并在其后靠位置设置了900 mm厚的剪力墙,同时在反力架下斜梁上增设了支座,并适当减少了上斜梁上传力撑的数量。