机器视觉下多特征组合的围岩风化程度判定方法

针对围岩风化程度判定存在主观性强、准确率低的问题,开展基于图像识别和机器学习的围岩风化程度定量化判别技术研究。依托大广复线扩容工程搜集隧道施工期间掌子面的图像,采用数字图像处理技术对掌子面图像颜色信息、表面纹理信息、节理信息进行自动化提取。基于提取的指标参数,借助机器学习方法进行指标筛选,并建立围岩风化程度预测模型。通过研究可以得到:1)对预测模型准确率贡献度由大到小的指标分别为颜色、完整性和纹理,各单一指标预测模型准确率分别为71.91%、70.78%、47.19%;2)多指标组合模型相较单一指标模型判定准确率更高,采用颜色、纹理、完整性3个指标的组合模型,准确率达到86.52%;3)对13个二级指标进行特征筛选,剔除5个贡献度较低的纹理特征指标,采用剩余的8个关键指标构建预测模型,预测精度仍能达到85%,满足工程需求。研究结果表明:掌子面图像的颜色、纹理、完整性信息能够有效表征围岩风化程度,建立在这些指标之上的机器学习预测模型能够稳定有效地对掌子面的风化程度进行判定。

基于阻尼最小二乘法的盾构隧道围岩力学参数反演

在盾构隧道的建设和运营中,往往很难快速准确地通过测量获得盾构隧道管片结构的强度及外荷载,为了快速、准确地获取盾构隧道施工期和运营期的力学参数,基于盾构隧道管片的精确测量数据对结构的强度参数及外荷载参数进行反演的方法得到广泛应用。基于阻尼最小二乘法(Levenberg-Marquardt法,简称L-M法),对盾构隧道荷载结构法模型中的结构强度参数及外荷载参数进行了反演研究,基于同济曙光三维有限元平台研制了相应的参数反演软件,并对比了遗传算法、单纯形法与阻尼最小二乘法的特点和异同,讨论了多参数反演过程中的多值问题。最后结合实际工程案例,对局部荷载值和地层弹簧受压刚度进行了反演分析,都得到了稳定的结果。研究结果表明,基于阻尼最小二乘法对盾构隧道结构强度和荷载参数反演的结果较为稳定可靠,可为盾构隧道结构施工和维护工作中的参数确定提供计算方法。

隧道衬砌裂缝特征对承载力的影响分析

为明确松动荷载作用下,衬砌裂缝特征对结构承载性能的影响,通过1∶10模型试验和数值分析研究了带裂缝结构的受力变形特征、破坏模式和极限承载能力。结果表明:对于预制裂缝长度不超过L/3(试件纵向长度)、深度不超过0.7 H(试件厚度)的试件,裂缝发展存在阶段性特征,试件破坏由拱腰失效引起,属于延性破坏。对于预制裂缝长度不低于2 L/3或深度不低于0.9 H的试件,裂缝发展过程不存在阶段性特征,试件破坏由拱顶失效引起,属于脆性破坏;随裂缝长度和深度增加,结构极限承载力降低。当预制裂缝长度为L/3且深度为0.3 H、0.7 H、0.9 H,以及长度为2 L/3且深度为0.3 H、0.7 H时,试件极限承载力依次为完整试件的86.96%、78.26%、73.91%、69.57%、60.87%。相比于裂缝深度,纵向长度对结构承载性能影响更明显,可作为裂缝评价的重要指标;提出了基于裂缝特征的衬砌承载力预测公式,可明确带裂衬砌的极限承载力,为结构性能评估、加固时机及加固参数的选取提供依据。

基于WaveNet网络的盾构刀盘扭矩超前预测方法

[目的]刀盘扭矩是表征盾构掘进安全和设备运行状态的关键参数,为了解决刀盘扭矩预测难、掘进参数难以及时修正的问题,提出一种基于WaveNet网络的盾构刀盘扭矩超前预测方法。[方法]介绍了工况数据的预处理方法,并提出基于WaveNet网络的初始静态模型基本架构和构建方式;提取初始50 m掘进距离内的盾构施工监控历史数据,并构建训练集;基于当前状态前20个施工步的盾构监控数据,超前预测5个施工步后的刀盘扭矩;随着盾构掘进距离的增加,每隔5个施工步就利用新产生的数据集重新训练和更新模型,提出刀盘扭矩超前预测的长期动态模型;以济南轨道交通1号线玉符河站—王府庄站区间盾构隧道左线数据为例,对刀盘扭矩预测效果进行分析及验证。[结果及结论]前50 m掘进距离超前预测的刀盘扭矩值与实际值变化趋势基本一致,且其平均相对误差为10.07%,初始静态模型具有较高的预测精度。随着掘进距离的增加,初始静态模型相对误差从10%上升至30%左右,而连续更新的长期动态模型相对误差始终稳定在10%左右。长期动态模型每次的更新时间基本分布在1~6 s,平均耗时为3.92 s,可满足模型高效动态更新的需求。

基于实测位移的水下大直径盾构隧道外荷载反演研究

【目的】为了实现水下盾构隧道整断面结构力学状态的长久监测。【方法】依托江苏某过江大直径盾构隧道工程,利用ATS激光跟踪的盾构隧道管片变形高精度测量与数据预处理方法,基于变形实测数据,结合遗传算法和阻尼最小二乘法优化方法,对盾构隧道横断面外部荷载状况进行反演,并与监测结果进行对比分析。【结果】工程应用表明:通过遗传算法与阻尼最小二乘法所反演的外部荷载数值均介于现场实测与太沙基理论之间。与两者相比,水平荷载最小误差为1%,最大误差为13.54%,平均误差为5.98%;顶部竖向荷载最小误差为6.11%,最大误差为13.2%,平均误差为10.47%。【结论】基于现场实测位移数据,反演水下盾构隧道任意断面、任意时间段的外部荷载状况的技术路线是可行的,为隧道外荷载状态及时监测提供了一种新途径。

爆破振动对隧道不同级别围岩松动范围影响分析

文章依托某双车道公路隧道工程,采用现场测试手段获取不同级别围岩区段的节理发育特征及开挖爆破参数,通过爆破荷载分析得到洞壁的爆破振动应力波,将其施加于考虑节理特征的隧道离散元计算模型上,分析爆破振动效应下围岩应力分布特性和松动范围。研究结果表明:(1)对于V级围岩区段,考虑爆破振动后,隧道不同部位松动圈高度增加了15%~45%,松动圈范围增加了34%;(2)Ⅲ级、Ⅳ级、V级围岩动力、静力计算松动圈面积比值分别为1.17,1.34和1.5,呈线性增长。

节理发育岩体隧道支护的动态设计方法与应用

动态设计方法对隧道工程的重要性不言而喻。然而,利益分配与协调管理机制的不完善、岩土体的复杂多变特性,致使隧道工程的动态设计仍处于尝试阶段、相关理论亦不成熟。基于理论分析与试点工程总结,针对节理发育地层,将隧道支护动态设计方法划分为预分析、支护参数的初步调整、节理特征的精细化描述、支护参数的优化分析4个步骤,并明确各阶段的实施要点。依托井冈山、桦树墕等隧道,开展试点工程,阐述动态设计方法的实施流程与要点,分析其应用成效。结果表明,基于动态设计方法提出的支护方案与实际围岩情况吻合,经济安全性更为合理,该方法已在江西井睦高速井冈山隧道、内蒙古榕乌高速桦树墕隧道、窑沟隧道及贵州独平高速的多条在建公路隧道建设过程中推广应用,获得良好成效。

妈湾跨海通道工程隧道选线快速评价模型研究

为解决滨海地区跨海隧道选线难题,依托妈湾跨海通道工程,在分析影响海底隧道建设安全的地质因素的基础上,从隧道线位地质适应性角度出发,综合考虑地质条件、设计方案、施工方法等因素,基于打分制提出选线快速评价模型。模型包含平面曲率半径、纵坡坡度、抗浮安全系数、隧道埋深、与平面控制因素水平距离、差异沉降6项评价指标。选线快速评价模型前5项指标不满足设计要求时采用一票否决制,差异沉降指标考虑地下水位、土层性质、土层厚度、先期固结压力、车辆荷载等因素的影响,依据分层总和法计算隧道沉降;同时,结合经验法推导出沉降曲率半径计算公式,并将沉降曲率半径划分为5个等级,从而构建出妈湾跨海通道工程隧道选线快速评价模型,并将其嵌入到三维参数化选线分析平台,实现隧道地质参数快速选取和隧道线位快速评价。采用选线快速评价模型对妈湾跨海通道3条盾构线位进行选线评价,评分分数分别为79. 3、71. 3、84. 1,对隧道选线设计具有一定的参考意义。

对称型节理发育岩体隧道锚喷支护形式分析

针对近对称型节理发育的Ⅳ级围岩区段,建立二维离散元计算模型,分析公路隧道开挖时不同支护参数下围岩深部位移、锚杆轴力及初支内力的分布特征及变化规律,探究该类地质条件下锚喷支护的必要性,明确合理的支护形式及设计参数。分析表明:施作格栅拱架后,必须设置锁脚锚杆,以减小围岩受扰动程度,确保落底安全;设置锁脚锚杆后,再增设系统锚杆、局部锚杆,支护效果提升不明显,建议原设计方案优化为"喷射混凝土+格栅拱架+锁脚锚杆",现场监测数据验证了该方案的可行性。

节理发育岩体大跨公路隧道锚杆支护参数研究

针对节理发育岩体的单洞三车道大跨公路隧道,以宁波将军山隧道为工程背景,通过离散元手段考虑岩体的非连续力学行为,分析锚杆环向布置范围、环向间距、径向长度对隧道围岩稳定性及支护结构受力的影响,以围岩变形、塑性区、锚杆轴力为评价基准,得到较优的锚杆支护方案。结果表明,Ⅴ级围岩节理发育岩体隧道拱顶超前注浆环向布置210°、间距1.0m、长度4.0m的系统锚杆支护较合理。

基于BIM+GIS技术的轨道交通工程信息化管理研究

针对轨道交通工程建设过程中各参建方缺乏沟通,信息传递不畅以及工程建设单位无法对项目整体进行有效管控的问题。以济南轨道交通为研究背景,通过Web service技术搭建BIM+GIS工程建设信息共享平台,并结合各类业务应用系统实现信息的集成,实现对工程档案、隧道管片、管线碰撞检测等业务的有效把控,创造了以BIM+GIS为平台的各参建方协同工作模式,达到轨道交通工程智慧化、轻量化管理的效果。

跨度与初衬厚度对节理岩体隧道稳定性影响研究

依托宁波将军山隧道采用数值计算手段研究节理发育岩体隧道开挖跨度、初衬厚度对隧道初期支护受力、变形的影响,量化隧道围岩变形与开挖跨度、初衬厚度的对应关系,研究表明:隧道沉降与收敛变形随着开挖跨度的增加而增加,3车道隧道拱顶沉降是两车道的2倍,收敛变形是两车道的1.21倍,最大锚杆轴力是两车道的1.6倍,衬砌截面应力是是两车道的1.41倍;单层衬砌支护条件下隧道拱顶沉降是双层衬砌的1.23倍,锚杆最大轴力是双层衬砌支护的1.23倍,衬砌截面应力是双层衬砌的1.51倍,同时结合现场监测数据论证了结论的合理性。

宁波将军山大跨隧道围岩压力特征分析

为了探究宁波将军山大跨隧道围岩压力的分布特征,采用理论分析、现场监测等手段讨论了围岩压力经验公式的适用性及其分布特征、释放规律。研究结果表明:1)对大跨隧道Ⅲ、Ⅳ级围岩深埋隧道围岩压力建议采用普氏理论或深浅埋法计算,Ⅴ级围岩浅埋隧道建议采用深浅埋法计算;2)大跨隧道在上台阶开挖后Ⅲ、Ⅳ级围岩压力释放比为0.4~0.6,Ⅴ级为0.7~0.8,围岩等级越高,先期围压释放比例越大。

地下工程上方沉降槽模型参数反演与分析

地下工程的施工常对地层中的原状岩土产生扰动,出现相应的地表移动,对地表的沉降范围和幅值进行预估,对确保周围环境的安全尤为重要,为了确定特定地层条件下地下工程掘进对邻近区域的影响,以实际工程为背景,基于Peck公式作为参数回归模型,将监测点平面位置与沉降值建立函数关系,采用参数回归方法分别研究盾构施工、顶管施工、暗挖施工沉降槽宽度系数,结果表明,相对应于盾构、顶管、暗挖的i值分别为7.45 m, 5.90~6.34 m和12.33~15.77 m,研究成果可用于地下工程掘进前分析施工影响范围、地表沉降量等,也可用于邻近管线变形曲率计算,以便采取可靠措施保护既有地下管线。

港珠澳大桥岛隧工程沉管隧道接头差异变形监测方案设计

文章介绍了港珠澳大桥沉管隧道管节接头差异变形的自动监测系统设计方案,包括测点测项、系统组成、系统架构以及关键子系统的设计。

城市轨道工程建设隐患排查治理系统的设计与应用

轨道工程建设具有建设规模大、施工环境复杂、不可预见因素多的特点,建设过程存在着高风险。如何高效开展施工现场隐患排查工作,成为安全管理优先思考的问题。文章从施工现场的管理要求出发,结合隐患排查的机制流程,设计了一套隐患排查治理系统,该系统突破传统的线下排查模式,开发出线上隐患排查治理模式,确保施工现场隐患排查治理的及时性、有效性,切实消除现场隐患,预防事故的发生。

自然条件下隧道衬砌浅层钢筋锈蚀的热效应与红外检测方法

隧道随着服役年限增加,衬砌渗漏水、开裂等病害已成常态,由此造成的钢筋锈蚀逐渐显现,钢筋锈蚀一定程度后将引起衬砌剥离剥落,因此,及时发现钢筋锈蚀程度及位置尤为重要。通过室内试验和数值模拟研究了自然温差条件下钢筋锈蚀衬砌的热传导规律,分析了衬砌内外温差、钢筋锈蚀程度对衬砌内表面温度分布的影响规律,探索了红外热成像技术检测衬砌浅层钢筋锈蚀的可行性和适用条件。结果表明:①衬砌内外温差1.0℃~11.9℃时红外检测具有可行性,冬季时衬砌内外温差可满足条件;钢筋锈蚀率为6.51%,19.02%和23.16%时红外检测所需的最小温差为3.8℃,1.8℃和1.4℃。②衬砌钢筋锈蚀率(ρ)与二次衬砌内表面温差(T_(1))、二次衬砌内外温差(T_(2))的关系式为ρ=1.1×10^(5)T_(2)^(-3.2)T_(1)^(3)+503.7T_(2)^(0.9T_(1))。衬砌内外温差为3~30℃时可检测的钢筋锈蚀率为9.78%~1.18%。③通过衬砌内外温差而产生的热传导效应,依据衬砌内表面温度分布可以综合判断钢筋锈蚀位置与锈蚀程度,为隧道衬砌浅层钢筋锈蚀提供了新的快速检测方法。

地面堆载作用下盾构隧道结构变形分析

影响地铁盾构隧道结构安全的因素有很多,诸如周边基坑工程施工、土体不均匀性、流塑性软土空间分布状态、地面堆载等,其中以地面堆载诱发的隧道安全事故屡见不鲜。因此,探究地面堆载对隧道结构变形的影响规律,对规避安全隐患具有重要意义。以苏州地铁某线某区间盾构隧道为工程实例,利用ABAQUS数值分析软件,采用地层结构法建立隧道三维模型,系统地分析了不同堆载位置下盾构隧道的变形规律。结果表明:地面堆载作用下,隧道变形沿隧道走向呈对称分布,隧道结构变形量随堆载大小的增加逐渐增大,随堆载偏离隧道外边线距离的增加而逐渐减小;当堆载的偏移距离为三倍隧道直径时,隧道竖向位移发生由下向上的方向转变,水平位移发生由右向左的方向转变;隧道正上方的地面堆载导致隧道变形过大,影响隧道安全使用,偏压堆载下隧道变形显著减小,其变形量满足规范要求,隧道处于安全状态。

大直径盾构隧道平行近接施工影响分析

目的:新建隧道近接施工会对周围土体产生扰动,引起地层发生位移及应力重分布,为既有隧道带来一定的安全风险。为了合理控制新建隧道近接施工对既有隧道的影响,有必要对隧道近接施工影响进行研究。方法:以海太长江隧道工程为例,分析后建铁路隧道平行近接施工对先建公路隧道的影响;建立三维隧道仿真模型,对先建公路隧道结构进行力学响应分析;研究不同施工净距下,平行近接施工引起的先建公路隧道结构变形和应力变化规律。结果及结论:①后建铁路隧道施工对先建公路隧道产生了侧向挤压作用;铁路隧道开挖对公路隧道的水平变形影响较竖向变形更为明显;铁路隧道开挖后,公路隧道的拱顶沉降、竖向、水平及收敛变形均有所减小,隧道整体发生背离后建隧道的刚体位移;铁路隧道开挖后,公路隧道的管片应力、钢筋应力及螺栓应力均有所减小。②不同施工净距下,铁路隧道施工对先建公路隧道受力变形性能的影响规律基本一致;随着施工净距的增大,铁路隧道开挖对公路隧道的影响程度逐渐减小,公路隧道变形及应力变化的幅值基本呈减小趋势。

不同损伤程度下公路隧道粘钢加固效果试验研究

衬砌裂损是隧道常见病害形式,直接影响到结构承载力,粘钢加固作为结构补强的方式应用较多,但公路隧道粘钢加固后结构的承载性能和不同损伤程度下的粘钢加固效果研究较少。采用1∶10模型加载试验,研究了公路隧道在不同损伤程度下加固后结构的承载性能、受力变形特征和破坏过程,分析了粘钢加固效果、加固时机。研究结果表明:(1)原结构和加固结构在松动荷载作用下的变形过程均可分为4个阶段,但破坏特征及形态存在差异。(2)剩余承载力为50%F,30%F(F为原结构极限承载力)时加固,破坏荷载相对原结构提升50%,51%。在结构失效前施作钢板可有效提升其极限承载力,且受加固点荷载影响较小。剩余承载力为50%F,30%F时加固,最终变形量比原结构增加59%,56%,可降低脆性破坏风险。(3)加固结构破坏模式为拱顶大偏心受压破坏。(4)加固过晚时,钢板会因衬砌的表面裂缝及变形速度而难以有效黏结或长时间协同变形,导致加速破坏。建议将结构剩余承载力介于62%F至50%F作为公路隧道合理加固时机。