地下工程数字孪生研究进展与若干关键理论技术

智慧化转型对地下工程数字化与信息化提出了新的要求,数字孪生可有效支撑地下工程真实特征感知、高保真建模、虚实映射与多物理仿真,但目前地下工程数字孪生研究仍处于初始阶段,概念框架、关键理论与技术方向仍不清晰。基于文献调研,分析地下工程数字孪生的研究现状,提出地下工程数字孪生的定义与三维结构,指出其在信息、时间、物理与技术四个维度的关键特征。结合地下工程特点与智慧化转型需求,提出地下工程数字孪生研究中复杂系统精准映射、高保真孪生建模、多物理耦合分析等关键理论技术问题,以期为地下工程的数字孪生理论与技术发展提供参考,推进地下工程全寿命周期智慧化。

基于iS3平台的隧道工程数据融合分析方法与案例研究

针对目前隧道工程数字模型中地质数据、工况数据和监测数据缺失,以及数字模型与数值分析程序难以自动对接的问题,基于iS3平台提出了结合隧道工程数字模型与勘察、施工和监测全过程数据的无缝融合方法,实现隧道工程多源、异构数据的可视化高效管理,并为自动化数值分析奠定基础。基于此数据融合方法,对海口文明东越江隧道各类型的数字模型进行搭建,可实现项目工程计划的动态调整。研发与工程信息管理平台相关联的工程二维数值计算的自动建模程序,将其作为平台的工具模块并进一步扩展功能,可将计算结果数据接入平台中,并实现计算结果的自动绘制。通过将该程序部署在该工程中,完成勘察、设计、施工、力学等多源异构数据的融合,最终实现工程的自动化数值分析,提升工程的数字数值一体化水平。

60°倾角正断层黏滑错动对山岭隧道影响的试验研究

通过1∶50室内模型试验,模拟了60°倾角正断层黏滑错动下,与之正交的隧道结构的受力变形破坏过程,并布置传感器监测了隧道顶部和底部的地层压力、隧道轴向的应变和隧道环向的应变。试验结果表明,地层的永久变形和地层-结构的相互作用,导致了围岩压力在剪切带附近发生显著变化,上盘和剪切带范围内拱顶压力显著增大,下盘拱顶压力次之,上盘和剪切带隧道底部压力减小,下盘底部压力显著增大,隧道与下部围岩可能局部脱空以适应断层的剪切位移;上盘和剪切带范围内纵向弯矩为正,下盘范围内为负,隧道偏心受压;以原型混凝土压坏来判定衬砌破坏,初步确定原型结构破坏所容许的最大断层位移D=0.3m,理论上该值略偏大;隧道衬砌破坏区域,在剪切带和下盘范围分别为0.75和1.5倍隧道宽度。

75°倾角正断层黏滑错动对公路隧道影响的模型试验研究

通过1∶50室内模型试验,开展75°倾角正断层黏滑错动影响下隧道的受力变形机制研究,并监测隧道顶部和底部的地层压力、隧道轴向和环向应变。结果表明,地层的永久变形和地层–结构的相互作用,导致围岩压力在剪切带附近发生显著变化,上盘范围内拱顶压力显著增大,下盘拱顶压力次之,上盘隧道底部压力减小,下盘底部压力显著增大,隧道与下部围岩可能局部脱空以适应断层的剪切位移;上盘范围内为正,下盘范围内纵向弯矩为负;以原型混凝土压坏来判定衬砌破坏,初步确定原型结构破坏所容许的最大断层位移D=1.25 m,理论上该值略偏大。

75°倾角逆断层黏滑错动对公路隧道影响的模型试验研究

针对公路隧道正交穿越75°倾角逆断层的情况,通过模型试验得到逆断层黏滑错动对公路隧道的影响规律。由试验结果可知:在逆断层黏滑错动影响下,隧道衬砌结构的主要受拉区为下盘距离断层迹线0.3D～1.2D(D为隧道洞径)范围内的隧道衬砌底部,受压区主要在下盘距离断层迹线0.6D～1.6D范围内的隧道衬砌顶部。逆断层黏滑错动引起的围岩压力变化最大发生在隧道底部上盘距离断层迹线1D位置,增幅可达2倍的初始围岩压力。在逆断层黏滑错动影响下,隧道衬砌结构的破坏形式是弯曲张拉和直接剪切组合破坏,其中在断层迹线附近的2条倾角为50°和45°斜裂缝为隧道结构破坏的主控因素。

隧道不同损伤衬砌套拱加固对比试验研究

研制马蹄形隧道套拱加固模型试验加载装置,对衬砌任意位置加载,在损伤衬砌受力同时进行套拱加固,实现了衬砌"二次受力"试验过程。采用破坏性模型试验,研究松动荷载作用下,不同损伤状态衬砌套拱加固构件变形特性、力学响应、加固效果和破坏模式。研究结果表明:衬砌结构刚度随荷载增加逐渐退化,衬砌承受极限承载力时,套拱加固后承载力提高86%;衬砌在剩余承载力13.8%时套拱加固后,极限承载力提高110%。起拱线以上30°位置可作为地层抗力分界线,加固时机越早,最终破坏荷载越高。套拱加固构件呈延性破坏,关键控制截面是拱顶和拱脚;拱顶易发生大偏心压弯破坏,建议增加套拱拱顶内侧纵向配筋,提高抗拉承载力;拱脚出现压剪破坏,应增设套拱拱脚箍筋,以提高抗剪切能力。

附加荷载引起大跨扁平隧道变形破坏的模型试验研究

文章以深圳大跨扁平马峦山隧道为工程背景,采用模型试验法研究了Ⅳ级、Ⅴ级围岩条件下隧道结构在附加荷载作用下的破坏过程,分析了围岩压力、衬砌变形和结构内力的变化规律。研究结果表明:(1)拱顶围岩压力先增大后减小,当附加荷载达到至某一值时,拱顶围岩压力最大,且衬砌变形较小;(2)随着附加荷载的增加,衬砌变形均经历弹性阶段、塑性阶段、破坏阶段三个阶段,且Ⅴ级围岩衬砌变形较大;(3)随着附加荷载的增加,衬砌结构内力增大,衬砌弯矩分布形状近似呈"蝴蝶型",轴力分布形状近似呈"菱形",且分布不均匀性增大。

逆断层黏滑错动对跨断层隧道影响机制的模型试验研究

为指导隧道穿越活动断层时的抗错断设计,避免逆断层黏滑错动造成跨断层隧道结构的严重破坏,以棋盘石隧道为工程背景,通过1∶50相似模型试验,研究逆断层黏滑错动所引起的山岭隧道破坏模式,分析隧道和地层变形过程及破坏特征,得到以下结论:1)逆断层错动在断层迹线附近地层形成剪切带,剪切带沿着断层线略微凸向试验装置上盘的弧线方向发展。2)断层错动对试验装置上盘内隧道变形破坏的影响大于下盘,最大土压力和最大纵向应变主要分布在上盘隧道中;土压力和纵向应变变化规律相似,均随错动位移的增加而不断增加。3)隧道最终破坏为逆断层下的剪切破坏,局部伴随张拉破坏,剪切破坏主要表现为变形缝两侧隧道衬砌脱落和纵向裂缝;断层错动对隧道影响区域主要集中在断层破碎带及附近2 D(D为隧道洞径)区域,尤其是试验装置上盘部分,在跨断层隧道的设计阶段需引起足够重视。

隧道不同损伤状态二次衬砌预养护试验研究

采用1∶10破坏性模型试验,研究隧道不同损伤状态衬砌预养护构件变形特性、破坏模式与承载力.研究表明:预养护试件整体破坏由原衬砌拱腰极限承载力控制;预养护损伤衬砌受力过程为"加载—原裂缝贯通—套拱拱顶裂缝贯通—试件破坏",整体结构刚度逐渐退化.关键部位破坏顺序为"拱顶开裂—拱腰脆性断裂—拱顶延性破坏".裂缝深度为1/3衬砌厚度损伤状态可作为合理预养护时机;不同损伤状态衬砌预养护曲率突变点一致,可作为加固构件养护控制基准;提出衬砌预养护构件破坏荷载与损伤状态关系简易计算公式,计算结果与试验误差约5%.

叠合式套拱加固组合梁模拟技术研究

基于公路隧道叠合式套拱加固的受力特性和刚度等效原则,文章对衬砌和套拱加固结构截面特征参数进行了组合修正,并探讨了组合截面梁单元的内力分配方法。利用共享节点的组合梁单元模拟衬砌与套拱的组合结构,分析结果可直接输出衬砌、套拱及组合体的内力值,数值验证算例及其与解析解、ANSYS解的比较表明了计算模型的可行性和正确性。依托实际公路隧道工程,利用组合梁模拟技术,进行了有限元分析,分析结果证实了基于组合截面梁分析的叠合式套拱加固效果评价的合理性、直观性,并对类似隧道加固方法效果评价具有一定的参考价值。

富水地区深基坑封底榫槽关键参数研究

为解决富水地区高承压水环境条件下深基坑抗浮稳定性技术难题,提出在封底与地下连续墙之间设置榫接结构的新思路,采用理论分析的手段,研究榫槽几何参数及布置方式对承载性能的影响,得出几何参数设计原则及双榫的参数设计步骤。同时,利用上述方法对上海某富水地区基坑风井封底进行双榫设计,并通过数值模拟方法对榫槽设计的合理性进行验证。结果表明:1)榫槽底部长度、榫槽宽度、榫槽侧向接触面高度是影响榫槽抗剪承载力的关键几何参数,且各参数之间不是独立的,而是存在相互影响、相互制约的关系;2)当封底受力不均衡时,对称分布的双榫几何稳定性更高;3)深基坑数值模拟结果显示,在榫接结构作用下封底稳定且受力合理,验证了榫槽设计方法的合理性,为基坑抗浮提供了一种新方法。

基于隧道快速检测车数据的公路隧道衬砌开裂识别模型研究

随着公路隧道的不断建设,公路隧道的病害识别问题、养护问题日益增多,传统的隧道衬砌裂纹识别工作需要大量人工参与内业工作,效率不高。文章采用隧道快速检测车所采集的图像数据,利用卷积神经网络,研究得出了一套用于定向识别隧道检测车所拍摄的公路隧道衬砌开裂的模型。根据训练过程中发现的问题,针对裂纹数据集对神经网络识别效果的影响进行了对比研究,证明了按照不同裂纹走势分类图像所训练的神经网络识别能力较好,具有较好的适用性。

岩石隧道工程地质数据标准化及其应用

岩石隧道工程建设与周边地质环境关系紧密,建设过程中积累了大量的地质数据。由于其格式各异,条块割裂严重,难以在参建各方高效共享并重复使用,时常造成勘探、试验和测量等工作的重复进行甚至是地质信息的错误解读。为了解决这一问题,建立适用于岩石隧道工程的地质数据标准,包含其各阶段工程地质信息,基于地质相关规范,通过规范字段语义、统一数据单位及类型构建数据表,有利于工程地质数据的交换共享。最后基于智慧基础设施iS3平台,依托云南老营隧道项目开展工程应用研究,实现工程地质数据的规范存储、组织、动态管理.

隧道智能施工研究的可视化分析与展望

随着信息化、人工智能等概念的提出,隧道智能施工的相关研究也逐渐成为一个热点话题,为总结我国隧道智能施工的阶段成果、明确未来的发展方向,利用文献计量分析的手段进行相关文献的可视化分析,并通过已有的研究,梳理智能施工的发展脉络和关键问题。首先,基于CiteSpace软件和中国知网的文献分析功能,对我国隧道智能施工领域的文献进行可视化分析,依据年发文量、关键词时间线图谱、关键词共现图谱及来源机构共现图谱,阐述我国隧道智能施工领域的研究现状。其次,通过阅读文献、调研、专家访谈等手段,梳理智能施工的研究框架,对智能施工的研究重点:施工设备机械化、施工数据的获取与处理、搭建信息集成平台,做进一步论述。在施工设备、数据获取与处理、信息管理等方面,我国已有一定成功的实践,但随着信息化和智能化技术的不断发展,智能施工也被赋予了更高的期待,我国的隧道施工距离实现全过程的智能施工还有较大发展空间。

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。

海相软土循环荷载下累积塑性应变试验研究

文章针对软粘土累积塑性应变特征,进行了海相软粘土排水动三轴试验,分析了软土在循环荷载作用下累积塑性应变规律,探讨了饱和海相软土在不同荷载频率、不同围压以及不同动荷载作用下的累积塑性应变变化特征,构建了海相软土累积塑性变形模型。结果表明:低频荷载对软土变形有较大影响,软土累积塑性变形因荷载频率增加而减小,且初始应变受静偏应力的影响较大;根据试验结果拟合出海相软土变形发展规律的双曲线模型,揭示了软土在交通荷载作用下累积塑性变形规律。

盾构隧道结构三维参数化设计方法及平台研制

为解决当前盾构隧道三维正向设计地层-结构模型脱节、建模仿真效率低、数据跨系统调用丢失严重等问题,首先,提出基于地层层序全自动界定和子钻孔递归的三维地层建模方法,采用差异化建模技术在不同区域创建差异化三维地层模型;然后,提出基于布尔运算和虚拟钻孔探针的三维地层模型与隧道结构数物模型耦合方法,以及三维地层模型几何边界自动提取与有限元网格重构方法,构建基于三维精细化几何模型二维映射和轮廓拾取的二维自动出图方法;最后,集成盾构隧道结构三维参数化设计方法,开发集三维地层建模分析、结构三维设计、数值分析、自动出图为一体的盾构隧道三维参数化设计平台(FDP-ST3D)。FDP-ST3D已在济南地铁S1线、苏州轨道交通S1线、深圳市妈湾跨海通道工程盾构段、苏通GIL管廊隧道等工程中试点应用,应用表明:该平台数据传递高效准确、复用率高,管片结构二维出图只需要15 min,相比人工出图,设计效率与准确性显著提高。

柔性连接隧道在正断层黏滑错动下的变形特征

针对穿越60°倾角活动正断层情况,隧道采取节段长度为0.5D(D为隧道洞径)、节段间柔性连接的隧道抗断措施;并对柔性连接隧道在正断层黏滑错动作用下的受力、变形特征进行模型试验研究。试验结果表明:在距离土体主破裂面1D范围内,柔性连接隧道衬砌结构的纵向、环向应变变化较大。柔性连接隧道的主要破坏形式为节段间转动和错台,隧道节段连接处发生2处转角为33°和28°的转动破坏,破坏范围为2.5D。在相同条件下,与未采取抗断设计的完整隧道相比:柔性连接隧道衬砌结构纵向应变要小于完整隧道应变,其破坏范围也小于完整隧道的破坏范围。

基于数字图像处理的隧道渗漏水病害检测技术

以隧道衬砌渗漏水面积为检测目标,研究出包括去噪、锐化、分割、修正的一整套数字图像处理算法。依次通过预处理、灰度变换、阈值分割、形态修正等步骤,实现病害目标的识别。通过室内外试验建立数字图像像素与实际拍摄面积的换算关系,最后开发隧道衬砌表面病害数字图像识别系统,为隧道衬砌渗漏水病害检测提供一种便捷、低成本、直观、高效的方法。

纵向裂缝对隧道衬砌承载力的影响分析

基于隧道衬砌拱顶结构1∶1的荷载试验,建立衬砌裂缝深度与衬砌刚度的关系,提出裂缝处衬砌刚度计算的梁弹簧模型。基于梁弹簧模型分析裂缝位置、裂缝深度和地层抗力对衬砌结构承载力的影响。计算结果表明:隧道拱顶安全系数随裂缝深度增加呈线性降低,裂缝深度为衬砌厚度的50%时,安全系数则降低78%;相同裂缝深度情况下,裂缝在拱顶时最不利,裂缝在拱腰、边墙以及拱脚时对结构安全系数影响较小;地层抗力对拱顶、边墙以及拱腰的安全系数影响较大,对拱脚的安全系数影响较小。