手掘式顶进法进洞施工顶进力计算与后背结构力学特性

顶进法施工中,顶进力的计算尤为重要。对于进洞施工埋深随顶进距离变化(洞口有一定坡度)的情况,尚未有相关理论公式,推导了洞口带有坡度情况下的顶进力理论计算公式,并与模拟结果进行对比,结果表明推导的顶进力理论计算公式较为准确,反映了洞口坡度对顶进力的影响。对3种不同的后背结构型式受力变形特征进行了模拟计算,结果显示连续墙+钢筋混凝土墙效果最好,连续墙+钢架次之,摩擦桩+钢架最差,采用连续墙+钢架后背结构时需着重注意钢架与连续墙的连接型式。

基于改进TOPSIS-GRA模型的岩爆倾向性预测

准确的岩爆预测对保障地下工程施工安全具有重要意义.针对此提出了一种基于改进TOPSIS-GRA的岩爆倾向性预测模型.在综合分析影响岩爆发生的主要因素以及现有的岩爆评价指标体系后,从地应力、岩性和岩体结构方面选取应力系数σθ/σc、脆性系数σc/σt、弹性能量指数Wet和完整性系数Kv等4个指标构建岩爆评价预测体系.分别选用层次分析法和CRITIC法求得主客观权重,并通过距离函数确定主客观权重的偏好系数以此得到组合权重.以国内外17组典型岩爆工程实例为样本,引入相对熵和灰色关联度对TOPSIS评价法改进,从而对岩爆烈度等级进行评价预测.最后通过冬瓜山铜矿等工程对模型的准确适用性进行验证.研究结果表明:改进模型的岩爆预测结果和实际情况一致,预测准确率为88.9%,相比传统TOPSIS岩爆预测法,改进模型的工程应用前景更加广阔.

基于理论承载性能与应力扩散计算的高强预应力锚索适配垫板设计方法

垫板是高强预应力锚索系统的核心组成构件,当其与锚索间适配性不足时,会出现结构可靠性低以及围岩支护效果差等问题。基于垫板的承载力学特性及其应力扩散作用,提出适配高强预应力锚索的垫板设计方法。为此,首先分析垫板的应力扩散作用与锚索的支护效应间的关联性。其次,基于不同形式垫板的结构受力特征,提出碗形垫板和平板形垫板的理论承载力计算公式,并由此计算得到满足高强预应力锚索承载性能需求的垫板型式及其结构参数。接着,通过建立“垫板(碗形、平板形)-围岩”三维数值仿真模型,分析不同型式及结构参数垫板的围岩应力扩散效果,并由此优选得到适配高强预应力锚索的垫板型式及其结构参数。最后,通过现场应用案例,分析适配垫板下高强预应力锚索系统支护效果。研究结果表明:提出的垫板设计方法实现了对高强预应力锚索系统中垫板的有效选用,适配加载300 kN的高强预应力锚索系统垫板为25 cm×25 cm×16 mm的碗形垫板,其拱高35 mm、孔口半径32 mm、碗底半径75 mm;同时,适配垫板下高强预应力锚索系统的围岩变形控制效果提升了11.9%~15.2%。研究结果有助于提升高强预应力锚索系统的可靠性与支护效果,并为预应力锚固系统中垫板的设计提供了一种可行且有效的方法。

基于回归正交试验的高地应力TBM隧道变形影响因素敏感性研究

依托某国家重点铁路工程隧道穿越高地应力TBM施工段,通过精细化三维数值模拟与回归正交试验相结合,运用多元线性回归方法对试验结果进行研究,分析不同支护因素的敏感性并判明其对控制围岩变形起到的利弊作用,同时得到该试验的一次回归方程,为结构优化提供快速计算公式,以此来调整参数,优化支护结构。一次回归正交试验选取短锚杆长度、长锚杆长度、钢拱架间距、锚杆环向和纵向间距、喷射混凝土等级与地应力水平作为研究影响因素,采用L8(27)正交表,不考虑交互作用进行回归正交试验,计算常数项与各偏回归项系数,建立回归方程,对试验结果进行方差分析与失拟性检验。检验结果表明:因素地应力水平F值大于F0.001,地应力水平对围岩变形起到决定性影响,短锚杆长度、钢拱架间距与锚杆纵向间距的F值均大于F0.025,其均对控制围岩变形有显著影响;所建立的回归方程显著,失拟性检验不显著,回归方程具有较好的拟合程度。在设计施工时首先应考虑采取措施释放地应力,其次在选取支护参数时应将短锚杆长度、钢拱架间距与锚杆纵向间距纳入重点考虑内容。

深埋高地应力TBM隧道岩爆发生机理研究

为分析高地应力隧道岩爆发生机理,以西南山区某新建TBM隧道为工程背景,通过室内岩石力学试验分析围岩基本力学特性,然后基于弹性力学理论建立板裂屈曲岩爆的力学失稳模型,最后通过离散元UDEC软件对隧道岩爆演化过程进行分析。结果表明:①隧道围岩满足发生岩爆的岩性条件,岩爆倾向性为中等~强烈;②拱顶板裂屈曲岩爆可视为围岩板裂结构在水平切向应力作用下断裂失稳所导致,劈裂岩体厚度为岩爆主要影响因素;③隧道开挖卸荷后洞壁围岩开裂剥离弹射破坏主要是张拉破坏造成。为保障隧道施工安全提供理论依据。

隧道装配式仰拱V型接头衬砌结构受力特征研究

利用“荷载-结构”模型,采用ABAQUS分析软件建立了隧道马蹄形断面装配式仰拱衬砌结构三维模型,分析了在Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ级围岩荷载下,仰拱块与边墙连接处V型接头凸起长度分别为3、5、8、10 cm时仰拱块及二次衬砌拱墙的受力特征和安全系数。研究发现,当V型接头凸起长度为5~8 cm时,仰拱块接头处受到的压力、摩擦力最小;二次衬砌与仰拱块接头处的接触程度随V型接头凸起长度的增加而减小,随围岩等级的降低而增加;仰拱块顶板的最大水平拉应力会随接头凸起长度的增加而增大,当围岩等级为Ⅴ、Ⅵ级时,仰拱块腹板上方的顶板处可能会出现受拉破坏;装配式仰拱衬砌结构的安全系数会随接头凸起长度的增加而先增大后减小,并且Ⅴ、Ⅵ级围岩中不宜采用装配式仰拱衬砌。

冻土地区铁路路基主动供热防冻胀方法现场试验研究

路基冻胀是冻土地区铁路运营的顽疾,在防排水、土质改良和保温等措施难以消除冻胀的情况下,人工供热是一种备选方案。依托准池铁路K44+970—K45+020冻害路段,设计基于地源热泵的分布式供热方案,建设1个长度为20 m的现场试验段。在2021—2022年冬季开展1个冻融周期的供热试验,基于监测数据对热泵换热温度、路基温度场、冻结深度、轨道变形量等指标进行分析。研究结果表明:热泵的供热温度可达50℃以上,热源品位高且供热量稳定。供热试验段内路基冻结范围和温度极值比天然工况显著减小,线路中心处最大冻结深度由148 cm减小为88 cm,冻结锋面保持在地下水毛细迁移高度以上。试验段路基横向冻结深度差值由天然条件的49 cm减小为13 cm,有利于消除横向冻胀差异引起的水平不平顺。试验段纵向上的冻结深度差值基本控制在20 cm以内,可以避免次生高低不平顺。天然路基呈先发育深层冻胀、后在降雪融水入渗时发育浅层冻胀的规律,最大冻胀量达9.4 mm。试验段内路基未发育深层冻胀,且浅层冻胀量得到有效控制,轨道变形量控制在±3 mm以内,没有超出作业验收管理值,有效缓解了试验段冻害问题。

铁路沿线光伏供电系统优化设计方法研究

离网式太阳能光伏系统是解决铁路沿线设施电气化运维用电需求的必要途径。《光伏发电站设计规范》(GB 50797―2012)等相关规范的规定或建议一般以年最大发电量为目标,主要面向均衡性负载和并网发电,直接用于铁路沿线时存在盲目性。针对铁路沿线特殊的用电场景与负载需求,提出了铁路沿线离网式光储系统的组件匹配原则及设计流程,构建了面向任意时间跨度的光伏供电系统优化设计模型,并基于Python语言编制了计算程序。模型包括太阳辐照量模型、光伏阵列倾角及间距模型、发电量模型、光伏组件数量及串并联方案模型、蓄电池模型、控制器模型及逆变器模型等。计算程序实现了光伏阵列最优倾角的自动搜索,可以针对不同地理位置、用电量和用电时间跨度(月、季节、年等)的负载需求,并考虑气象条件、组件性能衰减等因素的影响,完成光储系统的设计选型和安装方案优化。在准池铁路的实际应用表明,一年中光伏阵列在各月对应的最优倾角存在明显差异,6月达到最小值16°,12月达到峰值69°。以全年、夏半年、冬半年的最大总辐照量为目标时,最优倾角分别为46°、25°、61°。对于案例中冬季型负载,采用基于本文模型的设计方案相比规范建议方案节省投资8.8%。研究成果可为铁路沿线光伏供电系统应用提供一种便捷的设计方案。

华北地区铁路路基冻胀监测及冻害发育特性

为掌握中国华北地区铁路路基冻害机理,在准池铁路K45+010建立路基监测断面,监测并分析华北地区路基温度场、冻结深度和冻胀量的变化规律,探究其与大气环境、地下水的关系;提出路基温度估算式,计算分析中国华北地区路基冻害发育特性,并与东北、西北地区进行对比。结果表明:准池铁路冻结期持续约141 d,最低气温达-24.7℃,冻结深度增大速度为1.11~2.89 cm·d^(-1),路肩冻结深度最大为197 cm,轨道冻胀量最大为9.4 mm;华北地区铁路冻结期轨道变形分为初始波动、快速冻胀、稳定冻胀、冻融循环和融化回落5个阶段,快速冻胀和融化回落阶段历时均为15~20 d,为线路维护的重难阶段;东北、西北和华北地区路基冻害发育特性存在显著差异,东北地区多属温带季风气候,降水量大,冻胀量最大;西北地区多属大陆性气候,路基冻胀持续时间最长,冻结深度最大,主要发育深层冻胀;华北地区纬度相对较低,冻结期最短,表现为先发育深层冻胀、后在降雪融水入渗时发育浅层冻胀的规律,冬季降水容易融化入渗加剧冻害。华北和东北地区冻胀防控应优先以水分为对象,西北地区优先以温度为对象。

季节性冻土区铁路路基保温材料应用现状及展望

路基冻胀是冻土区铁路建设与运营的主要基础病害之一,保温是路基冻害防控的一种常用措施。在总结路基保温材料使用性能要求的基础上,综述目前无机类与有机类保温材料、超高性能绝热材料、相变材料、泡沫轻质土及泡沫混凝土等5大类19种保温材料的常规性能及改性或实用化工艺的发展现状。总结了目前我国铁路路基既有的保温方案及适用场景,提出了新建铁路与运营铁路保温方面存在的问题以及发展方向。最后,结合近年新型保温材料的技术优势及发展趋势,提出复合强化层等6种新型铁路路基保温方案,以期为铁路路基保温技术的创新和发展提供参考。

敞开式TBM穿越高地应力隧道支护优化研究

依托国家重点铁路工程雅林段孜拉山隧道穿越高地应力TBM施工段,通过精细化三维数值模拟,分析在高地应力条件下,不同支护体系对围岩变形、塑性区深度、支护结构受力情况的影响规律。研究结果表明,在高地应力条件下,围岩的超前变形在总变形量中占比较高;较早的施作刚性较大的支护,支护结构所受压应力过大,进而导致初期支护的变形与破坏,降低施工安全性。选用超前支护、多次喷混凝土与长短锚杆相结合的支护体系,与原有施工方案相比,较好地控制了掌子面前方岩体超前变形,减小了围岩总变形量,降低了支护结构的应力水平,提高了围岩及支护的稳定性。

寒区路基主动热调控系统的试验研究

针对寒区路基冻胀病害,提出1种利用地温能的主动供热方法。采用地源热泵技术,设计1款路基专用热调控系统及分布式供热方案。搭建足尺路基试验平台,并制作与安装实体热调控系统,测试其在冬季的供热性能和路基热学调控机制。试验表明:在启停比2h∶1h运行模式下,热调控系统可以输出17-33℃的供热温度,在冬季寒冷天气下的运行性能稳定;集热温度范围为-18--8℃,能够高效收集地温能。供热段向路基的热扩散过程具有空间滞后性,竖向升温效应可以在4d内扩散至整个基床表层,升温幅度随着与供热段距离或时间的增大而逐渐减小。路基纵向升温效应在第4d时的扩散距离为125cm。供热段的倾斜布置形式有助于平衡路肩和路基中心的冻结差异,防止不均匀冻胀。路基冻结深度变化受到大气环境和热调控系统的双重控制,供热16d后冻结深度由74cm降低至17cm以内。热调控系统制热系数可达5.8以上,但随着运行时间的延长而减小。建议路基采用人工供热和保温措施相结合的复合热防护方案。

考虑动态效应的隧道“零刷坡”顶进法进洞施工全过程数值模拟

顶进法数值模拟研究中,均采用静力学模拟方法,未见顶进法进洞全过程动态顶进模拟。采用显式动力学方法模拟了顶进法进洞动态全过程力学响应,对比了隐式静力学和显式动力学方法模拟结果,证明显式动力学结果可靠;并对显式动力学方法进行了进一步研究,在计算过程中使用基于时间和空间的单元删除算法,解决了ABAQUS显式动力学不能模拟开挖的问题。模拟结果表明,显式动力学方法可有效模拟顶进法进洞施工过程。综合顶进力大小、经济性和施工效率,顶进法进洞施工可不进行注泥浆减摩。推导了洞口带有坡度情况下的顶进力理论公式,较好地反映了洞口坡度对顶进力的影响。

基于结构重参数化与自适应注意力的复杂路面快速识别模型

在复杂行驶环境下快速准确地识别前方路面类型,是车辆主动控制系统及时做出预判的关键前提。针对现有方法未能兼顾精度和速度且难以在车端部署的问题,提出一种基于结构重参数化与自适应注意力的路面分类模型,可对车辆前方的沥青、水泥、冰雪、沙土、花砖、石板、湿滑等复杂路面进行快速准确的甄别。首先,构建以水平/垂直/方形/点形等多分支异构卷积为核心的特征提取骨干网络。其次,提出一种轻量高效的注意力机制,能够根据特征尺寸自适应地聚合空间上下文信息,并根据特征维度自适应地进行局部跨通道交互,使模型聚焦于高相关的路面特征。在此基础上,引入结构重参数化思想,对模型的训练周期和推理周期进行解耦,在训练时通过多分支学习获得高裕度的特征表示,而在推理时将多分支结构等价转换为直铺式单支路结构,在不牺牲模型性能的前提下获得轻量化的部署模型以及显著的推理加速。试验结果表明:提出的模型能够在复杂行驶环境下有效识别路面类型,以6.57×10^(6)的参数量取得99.14%的全场景分类精度和96.48%的新场景分类精度,同时具有496.28帧·s^(-1)的服务器推理速度和33.89帧·s^(-1)的边缘推理速度。与现有其他主流模型相比,提出的模型取得了准确性、实时性和轻量化的良好平衡,具备对复杂多变场景的高适应性,在车前路面类型识别任务上有明显优势。

铁路与新能源融合发展现状及展望

铁路资产能源化、用能绿色化是助力实现交通领域“碳达峰、碳中和”目标的重要途径。本文在分析铁路与新能源融合发展需求的基础上,梳理了铁路沿线太阳能、风能、地热能、声能、制动能、振动能等各类新能源的自然禀赋条件,总结了当前铁路与新能源融合形式、技术特征、设备水平的发展现状;分类汇总了铁路服务设施、运载体、基础设施与新能源融合的具体场景,讨论了车站站顶光伏、新能源机车、基础设施自供电监测设备等主力场景的发展规模及面临的问题。按照铁路新能源供给潜力分级,从微型、小中型、大型、超大型等不同规模新能源系统的角度,构建了铁路与新能源融合的系列场景及方式,重点讨论了铁路沿线基础设施病害防控电气化设备与小型、中型分布式离网光伏系统融合这一新型主力场景。进一步从能量捕获与转化、负载、储能、能源管理等技术方面,提出了铁路与新能源融合的未来趋势、关键技术、重点方向,以期为相关领域的规划建设、转型发展研究提供参考。

高速列车轴箱轴承健康监测与故障诊断研究综述

随着我国高速列车的发展,针对其运营维护中的故障预测与健康管理问题日益受到关注.轴箱轴承是高速列车走行部中的关键旋转部件,在复杂的轮轨相互作用下极易出现由疲劳、过载等原因导致的失效,影响列车的行车效率和运行安全.而现有诊断方法和技术难以满足高速列车动态化、系统化的安全保障需求,亟待进一步发展轴箱轴承健康监测和诊断技术.首先,介绍了工程中维修检测、轨边监测和车载监测系统的主要内容和发展现状.然后,从动力学正、反问题两个方面,分析和总结了在轴箱轴承的理论建模方法和轴箱轴承与列车耦合系统的动态特性分析、基于先进信号处理技术和机器学习技术的诊断方法等方面的研究思路和研究进展.最后,对轴箱轴承健康监测与故障诊断技术的发展趋势进行了展望,评述了在指导列车故障预测与健康管理方面的不足.

重载铁路基床污染级配碎石临界动应力及动强度特性研究

重载铁路基床表层级配碎石受细粒土侵入污染后服役性将大幅劣化,掌握循环荷载下污染级配碎石临界动应力及动强度的演变特征,对揭示路基病害的产生机理至关重要。首先,以不同细粒含量的级配碎石为研究对象,开展一系列不同应力水平条件下的大型动三轴试验,探究细粒含量、围压及动应力幅值对试样累积塑性应变及临界动应力的耦合影响机制。然后,基于塑性安定理论,对试样在不同条件下的变形行为进行划分,并进一步建立考虑围压及细粒含量参数的塑性蠕变状态临界动应力计算模型。最后,分析细粒含量及围压对动强度的影响规律,并通过归一化方法建立了静、动强度间的计算模型。研究成果可为基于强度控制原则的重载铁路新型路基结构设计提供参考。

基于DRBF-EKF算法的车辆质心侧偏角与路面附着系数动态联合估计

车辆质心侧偏角和路面附着系数是实现车辆底盘智能化所需要的关键参数.车辆质心侧偏角对于提高车辆安全性和操控性至关重要,轮胎-路面附着系数决定轮胎力的峰值,进而确定汽车的动力学稳定性边界.本文针对四轮独立驱动电动汽车提出了一种基于惯性测量单元、轮毂电机内置转速/转角传感器的车辆质心侧偏角和路面附着系数动态联合估计方法.对四轮独立驱动电动汽车进行车辆动力学分析,结合Dugoff轮胎计算模型得到车辆质心侧偏角估计器;利用机器学习中高维数据降维PCA多元分析方法,提取主元特征参数,建立路面附着系数估计器.采用可自适应调节网络结构的双径向基神经网络和扩展卡尔曼滤波DRBF-EKF方法,通过K-means算法改进RBF神经网络结构,扩展卡尔曼滤波进行噪声滤波提高估计精度,实现车辆质心侧偏角和路面附着系数的动态联合估计.通过仿真和实车实验表明,所设计的DRBF-EKF动态联合估计器实时性和估计精度均优于扩展卡尔曼滤波算法,可以适应车辆行驶过程中路面附着特性与车速的变化,表现出较强的鲁棒性;与DRBF方法相比,显著提高了估计精度;并且分析了可以同时满足估计精度和实时性要求的最佳隐含层神经元个数.

柔性轮对的离散时间传递矩阵法建模及垂向振动

针对铁道车辆轮对系统的弹性振动及台架高频激振试验仿真问题,以离散时间传递矩阵法建立了柔性轮对振动模型.基于Newmark-β隐式法积分格式推导了分布质量弹性轮轴、集总质量车轮及弹簧-阻尼单元的离散时间传递矩阵,采用Riccati法、Newmark-β法实现轮对系统垂向振动加速度以及速度、位移的求解,将轮对模型与采用新型显式积分法求解的构架、轨道轮组动力学模型集成,完成机车车辆单轴滚振试验台的动力学建模,提出了混合积分模式下动态仿真求解流程.基于滚振试验台,开展了轨道轮初始表面粗糙度、打磨多边形及局部凹陷状态下300~400 km/h高速运行试验,同步开展了相应的动力学仿真,通过在时域-频域对测试和计算结果的比较,检验了理论模型.结果表明,在振动加速度的时域-频域特性和幅值分布上,单轮对柔体模型总体能够较好反映500 Hz频率下系统的中高频振动规律,有效捕捉车轮不圆、多边形磨耗、局部凹陷等动态激扰,三种轨面状态下计算的轴箱加速度幅值误差总体低于9%,模型具有较好的适应性和准确性.但相关建模方法如何在复杂空间结构中应用需要进一步探索.

集中荷载作用下简支组合梁荷载效应模型试验研究

通过同时考虑组合梁滑移效应和剪力滞效应双重影响分析,推导了组合梁的挠度曲线方程,并通过三片钢混组合模型梁模型试验,得出了集中荷载作用下简支组合梁跨中挠度和截面应变数据,并和理论计算值进行对比,二者符合良好。