隧道原位扩建施工力学与围岩松动圈演变规律:以广西贺州—巴马高速公路廷心隧道原位扩建工程为例

交通量的激增导致的早期建成的高速公路隧道已不能满足通行需求,通过高速公路原位改扩建形式来解决这个问题。但是目前在隧道原位扩建时的围岩松动圈演变规律、应力重分布规律还不明确,常常会导致大变形甚至塌方等安全事故、工程质量等诸多问题。针对隧道原位扩建施工力学与围岩松动圈演变规律,采用离散元软件GDEM建立新建两车道、三车道及四车道的模型和“两扩三”及“两扩四”的隧道模型,并模拟结果与现场应力监测分析定性对比验证,开展公路隧道原位扩建施工力学行为与围岩松动圈展开研究。结果表明:围岩应力大小顺序为拱顶<拱腰<拱脚,开挖宽度增加或者围岩等级的降低会导致围岩应力增大;在相同开挖宽度下,新建隧道的围岩应力小于原位扩建隧道;隧道围岩的松动圈随着围岩等级的降低而逐渐扩大,其形态由“点”形扩大为“耳”形,再扩大为“蝶”形;当围岩等级相同,新建隧道围岩松动圈范围小于扩建隧道的围岩松动圈范围。扩建隧道施工会使围岩从原来多次应力重分布的基础上再进行多次应力重分布,而这种应力的复杂演变将导致了新建隧道和扩建隧道的应力、应变场将完全不同,同时扩建隧道导致原本已经处于稳定状态的围岩松动圈再次向外扩张。

基于Topsis改进因子分析的公路隧道入口段视觉负荷研究

为探究直线公路隧道入口段驾驶者的视觉负荷,首先,通过实车试验采集5种视觉指标,采用Topsis改进因子分析法建立视觉负荷评价模型;然后,分析不同时间及位置下视觉负荷的变化特征,基于构建的视觉负荷曲线提出行车舒适评价标准,并运用已发表数据验证构建负荷模型的泛化能力;最后,通过敏感度分析探究视觉指标对视觉负荷的影响程度。结果表明:当驾驶者位于距洞口-13~55 m(12:00)、-10~49 m(15:00)时,视觉负荷超过临界值(0.906),驾驶者的行车舒适度和安全性极低;洞口驾驶者的视觉负荷值和接近度远大于洞内和洞外;18:00的视觉负荷和接近度远低于12:00和15:00。视觉指标的敏感度参数从大到小依次为注视时间、瞳孔面积、注视次数、扫视幅度、扫视速度。

隧道爆破作用下堆积层边坡稳定性的耦合数值分析

隧道施工爆破荷载会对地表边坡产生较大的动力扰动,加上堆积层边坡自身稳定性较差,极易形成堆积层滑坡、隧道塌方等工程事故。以渝湘高速樵坪山隧道工程为背景,结合CT扫描技术和PFC中clump命令,建立土石混合体颗粒流堆积层边坡数值模型并开展动三轴试验对堆积体模型的力学参数进行标定,运用FLAC^(3D)-PFC^(3D)耦合分析方法研究隧道开挖爆破作用下不同堆积层厚度边坡的稳定性。结果表明,在爆炸应力波的作用下,随着堆积层厚度从0.25倍隧道跨径增加至1.0倍时,堆积层颗粒速度减少4倍左右且颗粒松动范围几乎消失,颗粒沉降量从2 cm缓慢降至1 cm后保持稳定,颗粒间粘结与张拉力链比值从2.2迅速增加至4.5,此后颗粒间的张拉破坏作用较小,颗粒间不易发生滑移,堆积层稳定性较好;在超过1.0倍隧道跨径后,爆破产生的塑性区面积基本呈对称分布,且接近于隧道横断面面积,塑性区位于基岩范围内且集中在拱顶和拱底附近;总体上,当堆积层厚度超过1.0倍隧道跨径后,可显著降低隧道开挖爆破对边坡的动力扰动影响,研究结果可为隧道洞口段的设计与施工提供理论依据。

工程结构三维重建中数字影像采集基站布设优化

为优化无人机影像采集基站布设方式,以提高工程结构三维逆向建模效率。提出了控制参数BHR(breadth height ratio),设置了总计25组对比分析工况;然后设计了一个能够有效模拟实际工程结构三维重建情景的实验,对比了各工况在点定位,移动轨迹和线形变化3类特征测量的误差,从工作效率和模型精度两方面对基站的合理布设方式进行了评估;最后对一个装配式钢框架结构进行三维重建,以验证提出的最优布设方法在工程应用中的有效性。结果表明,25组工况在3类特征测量中表现出相似的规律,即误差随着BHR和拍摄距的下降而减小;25组工况的误差变化率有显著差异,其中拍摄距离>0.8 m的工况绝大多数表现出了负贡献;结合建模时间,综合评估最合理的布设方式为BHR=0.18,H=H_(eff)/2的工况,将其应用到实际工程中得到了良好的效果。所提出的无人机基站布设方式可以在保证三维重建精度的前提下大幅缩减建模时长。

水热活动带下的隧道热害特征与成因分析

滇西地区的地热资源丰富,部分隧道工程在穿越水热活动带时会面临高温挑战,严重影响施工质量与进度。为揭示水热活动带下的隧道热害特征,以腾越隧道为例,采用地质构造勘察法和温泉地球化学分析方法对该区域内的水热活动循环模式进行了研究;基于大地热流值对区域地温带进行了划分,利用SiO_(2)地热温标对隧道热害进行了预测。分析结果表明:受地质构造影响,该区域水热活动的热源来自火山岩浆,褶皱与断裂是热水循环增温的主要通道,水源补给则来自大气降雨,热水循环、增温、径流期间的水岩反应导致水体Ca^(2+)上升;腾越隧道沿线以中、低温地热系统为主,该区域内的热量传递以热传导为主,隧道全线的热害占比高达87.3%。

穿越煤系地层隧道预留岩墙破坏力学行为与安全厚度研究

为研究穿越煤系地层隧道在瓦斯压力和地应力作用下的力学行为变化,以贵州的天成坝隧道的瓦斯煤系地层为工程案例,通过相似模型试验搭建三维试验物理模型,分别研究预留岩墙在2种不同隧道跨度下的力学行为变化,并与数值模拟相结合研究不同因素下隧道开挖岩墙厚度变化规律。结果表明:1)隧道开挖改变了围岩的原始应力状态,在隧道掌子面前方的岩墙出现应力集中,且隧道在开挖后掌子面一侧的应力卸载使竖向应力和水平应力差值最大。2)隧道所在的地质环境相同时,预留岩墙上部垂直地应力越大,隧道的开挖跨度越大,预留岩墙的厚度越小,预留岩墙发生破坏失稳的可能性越大。3)隧道开挖过程中,预留岩墙垂直应力与位移监测点竖向位移同步变化;垂直应力达到峰值时,竖向位移变形最大;随后垂直应力减小,竖向位移变形趋于稳定;垂直应力突变导致预留岩墙破坏,位移量急剧增大。4)建立不同瓦斯压力、不同围岩等级、不同隧道跨度情况下的数值计算模型,通过正交试验法,设计8种不同工况,得到不同因素组合下预留岩墙厚度的变化规律;最后通过多因素回归分析法,拟合得到最小预留岩墙厚度的计算经验公式。

基于TVFEMD-IMF能量熵增量的桥梁监测数据降噪方法

针对桥梁监测数据受多重噪声干扰、影响结构真实响应获取的问题,提出了一种基于时变滤波经验模态分解(time-varying filtering empirical mode decomposition,简称TVFEMD)和本征模函数(intrinsic mode function,简称IMF)能量熵增量的桥梁监测数据降噪方法。首先,利用TVFEMD分解桥梁原始监测数据,得到多个子序列;其次,采用IMF能量熵增量确定多个子序列中的有效子序列;然后,划分子序列中的结构响应分量和噪声分量,对结构响应分量重组实现监测数据降噪;最后,利用平均绝对误差(mean absolute error,简称MAE)、均方根误差(root mean squared error,简称RMSE)和信噪比(signal-noise ratio,简称SNR)对不同方法的降噪效果进行评价。仿真算例和工程实例结果表明:TVFEMD相比经验模态分解(empirical mode decomposition,简称EMD),有效解决了模态混叠问题;TVFEMD结合IMF能量熵增量方法,有效抑制了多重噪声影响,对结果精度有较大提升;与EMD-IMF能量熵增量和Kalman滤波降噪法相比,TVFEMD-IMF能量熵增量法所得到降噪信号的MAE和RMSE值分别提升了23%和21%以上,降噪效果更好,信噪比提升38%以上,抗噪性能更佳。

隧道入口段不同颜色路面照明亮度试验对比研究

为了缓解“黑洞效应”对行车安全的不利影响,采用现场测量试验和仿真模拟相结合的方法,研究隧道入口段彩色路面对其照明亮度的影响规律。研究结果表明:不同颜色彩色路面对隧道入口段整体环境的亮度均造成不同程度的提升,其中黄色路面提升效果最明显;隧道入口段高压钠灯提供的环境、路面亮度均比LED灯高;布灯间距对亮度有显著影响,但其增加并未与彩色路面亮度提升成比例关系。研究结果可为高速公路隧道工程的明色化路面设计提供参考。

基于光环境室内仿真和视觉功效实验的公路隧道照明评价方法研究

随着我国公路隧道里程急剧增加,运营过程中照明能耗大、质量低、交通事故频发等问题日趋突出。笔者结合当前公路隧道照明设计和运营现状,从驾驶员视觉“静态空间视野感知”和“动态视亮度适应”这2个角度开展公路隧道光环境室内仿真,以基于反应时间的视觉功效定量表征公路隧道照明光环境参量如相对光谱能量分布、环境相对色温等对被测样本视觉状态的影响。实验结果表明:在公路隧道(尤其是长、特长隧道)中间段,被测人员的视觉功效随视野感知域内光环境相对光谱能量分布SPD1、SPD2、SPD3依次升高,随环境相对色温的升高而升高,亮度梯度降低时刻视觉目标所对应的视觉功效显著低于其它目标对应的视觉功效,动态暗适应下短暂的适应时间有助于提升被测样本在亮度梯度降低过程中的视觉功效;动态暗适应下驾驶员视觉系统光谱灵敏度最大值逐渐向短波方向过渡。

地震作用下隧道工程失稳判定方法探讨

为寻求地震作用下隧道工程失稳判定方法的突破口,对隧道工程现有静力和动力失稳判定方法的原理、优缺点及适用范围进行了探讨,力求提出切实可行的判定思路。阐述了隧道工程在地震作用下的响应特性和破坏机理,以及7种类型隧道工程静力失稳判定方法的研究现状;结合隧道工程地震响应特性和静力失稳判定方法,从定性判定、理论推断、振动台模型试验判定3个方面阐述了隧道工程动力失稳判定方法发展概况;总结了当前隧道工程动力失稳判定方法存在的问题和不足,包括定性判定标准缺少理论支撑,由静力判定法发展来的动力判定理论方法研究深度不够,缺乏动力失稳判定方法的振动台破坏试验专项研究;最后提出了隧道工程在地震作用下的失稳判定方法的研究展望,为从事该领域研究的科研人员提供一定参考。

暗挖隧道与基坑交界处的管棚拆除技术研究

由于城市环境复杂,暗挖隧道施工风险极大,暗挖转明挖时有发生。为了保障暗挖转明挖施工过程中隧道段安全,通过数值分析,研究了对管棚已施作的情况下,明挖施工时先拆除管棚后放坡开挖、施工围护桩后先拆除管棚后开挖、施工围护桩后拆除管棚和开挖同时实施3种方案。结果表明,明挖施工导致管棚受力增加40%,先行洞的管棚受力不利于后行洞的管棚受力,先行洞的管棚轴力最大增加了50%;在围护桩完成后管棚拆除和开挖同时施工中的管棚弯矩变化比先拆管棚后开挖施工中的管棚弯矩变化大约10倍;基坑围护桩的施作能够减小管棚拆除产生的弹性变形,管棚拆除改变了其位移曲线形状,管棚拆除前后的最大变形从0.7 cm减小到0.1 cm;隧道暗挖管棚段转明挖后建议设置基坑围护桩和先拆管棚后开挖施工的方案。研究结果可为类似项目提供理论依据和施工经验。

侧压系数对高应力破碎区隧道结构受力影响的试验研究

开展高地应力作用下隧道衬砌受力特性研究,对完善支护结构设计方法具有重要意义。采用室内物理模型试验方法,通过设置初始高地应力和变化侧向压力系数,对下穿断层破碎带隧道围岩与结构的力学响应规律进行系统研究。试验结果表明:在高地应力作用下,下穿倾斜破碎带的隧道围岩变形、应力和衬砌内力均出现明显的非对称性与偏压现象,近断层侧拱脚应力为远断层侧拱脚的2.4倍;当侧压力系数为0.5时,远断层侧拱脚弯矩为近断层侧拱脚弯矩的1.8倍;切向围岩应力受断层破碎带的影响较大,在0.1 D~0.3 D洞壁距离应力集中较为明显;侧压力系数增大,非对称性增强,受力最大的位置为近断层拱脚,受力最小的位置为拱底;同时断层破碎带导致衬砌结构受力差异性增大,拱顶沉降明显,衬砌结构逐渐失稳,建议对拱脚、拱顶与拱底进行构造加强。

隧道振动台试验数值模拟及振动输入方法分析

针对隧道振动台试验中的“模型体-模型箱”体系数值模拟问题,通过总结动力有限元阻尼计算分析了模型泡沫边界层的阻尼实现方法。对数值模型底部振动输入的实现方式进行了讨论,分别推导了大质量法、位移时程输入法等计算过程,通过单自由度体系对比分析了大质量法和位移时程输入法的计算精度,分别讨论了两种实现方式的优缺点和在应用中的合理性;并以某隧道振动台试验模型的数值计算为例,分别采用大质量法和位移时程输入法对计算模型进行了对比分析,这两种方法在实际试验模型的地震作用数值分析中整体计算精度相近,但大质量法易产生位移累积误差。

界面效应对PCSS剪力键滑移性能的影响实验研究

为考察栓钉界面、竖钢板界面对于预制装配抗剪栓钉(PCSS)剪力键抗剪性能的影响,进行了栓钉、竖钢板与混凝土全粘结(F),只有栓钉与混凝土粘结(H),栓钉、竖钢板与混凝土均无粘结(N)的剪力键推出实验研究,并建立了有限元模型,揭示了界面工作机理。实验结果表明:N、H、F型试件承载力和抗剪刚度依次增大,其中栓钉与混凝土间的粘结效应对剪力键抗剪承载力贡献了7.9%,对抗剪刚度贡献了10%;竖钢板与混凝土间的粘结效应对剪力键的抗剪承载力贡献了5.6%,对抗剪刚度贡献约50%。其中,竖钢板与混凝土间的粘结作用对剪力键的抗剪刚度和延性均影响较大。通过有限元Abaqus软件进行模拟分析,考虑零厚度内聚力单元模拟竖钢板与混凝土之间的界面接触,对比弹塑性阶段无粘结效应的界面横向应变,得出PCSS剪力键竖钢板与混凝土间存在约束效应,并且竖钢板与混凝土间的粘结作用能够强化这种约束效应。在计算其抗剪刚度和承载力时,需考虑这种约束效应。

混凝土超声测试温度效应量化方法与实验验证

为量化混凝土超声测试尾波信号的温度效应,将信号向量间的归一化夹角作为信号波动的评估指标,反映温度对信号的影响;通过向量残差矩阵奇异值分解(singular value decomposition,SVD),得到温度效应在高维空间的影响方向,利用向量投影建立效应指标和温度差的数学关系;在室内环境自然条件下采集混凝土梁尾波信号进行验证。结果表明:温度的非线性效应使超声尾波信号发生规律性时移;所提方法可提取得到温度效应的各阶量,基于量化结果可去除95%以上的温度效应。

桥梁索体钢丝外加电流阴极保护机理试验研究

拉吊索在侵蚀环境作用下易受氯离子、氧气、水等物质的腐蚀作用,严重影响了缆索系统的耐久性。本文通过开展镀锌平行钢丝外加电流阴极保护(Impressed Current Cathodic Protection,ICCP)试验,研究外加电流对桥梁索体钢丝的阴极保护效果,根据钢丝在侵蚀过程中的微观损伤演化以及腐蚀速率、抗拉强度、延伸率、瞬断电位、开路电位、极化曲线、疲劳性能等力学性能指标的变化规律,从而确定ICCP电压的施加范围。结果表明:随着保护电压的负向偏移,ICCP的保护效果更佳,当保护电压位于-1.3 V时对延缓钢丝腐蚀的效果最好,腐蚀速率最低,抗拉强度、延伸率和疲劳寿命的损失率最低,且延性得到显著提升。

考虑地层影响的市政桥梁与地铁车站合建方案研究——以重庆大学城南站合建工程为例

市政桥梁与地铁车站合建时,为满足2种不同构筑物的结构安全和正常使用需求,保证结构合理受力,对比“低转换梁连接”及“桥墩与车站顶板固结结合部分换填”2种方案,建立三维地层-结构模型并进行计算,对各结构承载能力、变形情况及抗震能力进行分析。研究结果表明,采用“低转换梁连接方案”进行合建存在设计、施工困难,且运营期转换结构有检测、维护需求;采用“桥墩与车站顶板固结结合部分换填方案”进行合建可有效避免此类问题,且车站板、墙、柱等结构受力情况较“低转换梁方案”得到改善,同时方案对车站及桥墩能起到更好的变形控制效果,各结构承载力强度及变形均满足规范要求。

库水位循环下岸坡-桥梁桩基相互作用致损机理

库水位循环作用下,库岸边坡岩土体物理力学性质劣化,引起岸坡变形、滑移,将对桥梁基础、桥墩及上部结构产生不同程度损伤,甚至会导致桥梁上部结构落梁、垮塌。针对重庆万州长江二桥库岸边坡失稳致灾问题,采用FEM-SPH(finite element method-smoothed particle hydrodynamics)转换耦合算法建立了岸坡-桥梁三维有限元模型,结合桥位处地质勘测数据模拟了变动水位条件下岸坡变形、滑移、失稳全过程,揭示了岸坡滑移与桥梁桩基相互作用机理,研究了桥墩偏位规律及下部结构失效模式。结果表明:以滑动带有限元网格悉数转换为SPH(smoothed particle hydrodynamics)粒子作为岸坡失稳判据,FEM-SPH转换耦合算法能够更直观、准确地模拟库岸边坡从变形、滑移至失稳全过程;桥位处岸坡将在第16、20次水位升降循环过程中发生失稳破坏;随着岸坡变形、滑移、失稳演化,桥墩偏位呈“缓增-激增”的变化趋势;岸坡发生第2次失稳时,桩基础在土-岩交界面上部发生剪切破坏,破坏面与水平面夹角约为60°。

复杂地质条件下山区悬索桥锚碇选型及设计

由于设计、施工的复杂性,大跨独塔悬索桥在实际工程中鲜有应用。虎跳峡金沙江大桥主桥采用766 m的单跨独塔钢桁梁悬索桥,受地质构造作用,丽江岸锚碇区地质条件异常复杂,同时规划电站的蓄水位导致水文条件不利于锚室防水及锚固系统的耐久性,锚碇选型难度大。因此,该文首先详细阐述复杂地质条件下的锚碇选型;然后介绍锚碇结构设计及高强钢拉杆锚固系统设计;最后列出锚碇计算的主要步骤及重要成果。

基于电场的隧道排水管防结晶堵管技术研究

设计了一种将电场附加在排水管上的装置,利用电场影响溶液内分子的运动,以达到防结晶堵管的目的。通过室内试验和现场试验,证明了该装置的可靠性和实用性,为隧道排水系统结晶堵塞的处治提供了一种思路。结果表明:电场能显著减少隧道排水管中的结晶量与结晶速率,并能改变碳酸钙晶体的形状,使其由结合紧密的六面体晶形转变为松散且不均匀的晶型,晶型改变后结晶物在管壁内难以附着,降低了结晶物堵塞的概率;在室内试验和现场试验中,设置了5、12、24 V 3种不同电压的静电场,试验结果表明,采用5 V电压可以起到最佳的防结晶效果,与未采用措施的空白组相比,防结晶效果达到了30%以上。