以课程设置及教学优化提升本科毕业设计质量——以西南交通大学土木工程专业城市与地下空间工程方向为例

以西南交通大学土木工程专业本科毕业设计地下方向为例,统计分析了本科生课程体系中各种类型课程学分在四个学年中每个学年总学分占比及分布情况。针对专业方向特色提出了均衡各个学年总学分设置,前置专业基础课内容或在第一、二学年中的通识课中增加不需要基础课支撑的专业课内容,从而达到为学生打开一扇“专业之窗”的效果。在专业基础课教学方面,提出专业基础课理论联系应用及实践课校外教学为主的创新教学模式。提出的提升策略对提升本科毕业设计质量具有积极促进作用,可供全国其他开设城市与地下空间工程专业的院校及相关教职人员参考和借鉴。

城市地下综合交通枢纽站及周边隧道防灾救援管理体系探究

城市铁路隧道多以地下综合交通枢纽站为中心,包含多条放射状铁路线路,因周围地面建筑物复杂、紧急出口设置困难、多交通方式汇集等特点,防灾疏散救援难度极大。因此,为满足复杂城市铁路隧道的防灾疏散救援需求,基于城市铁路隧道结构、灾害类型等特点,结合资料调研及理论分析,对城市铁路隧道防灾疏散救援区段、事故等级、分区分级运营管理机制等内容开展研究。结果表明:1)考虑结构型式、隧道连接的目标城市的方向及防灾疏散救援功能和特点等因素,建立地下综合交通枢纽站及隧道区段划分方法;2)依据处置措施类型,可将城市铁路隧道事故划分为日常事故及紧急事故2类,紧急事故又可依据预计影响程度和实时灾情信息进一步划分为特别重大事故、重大事故、较大事故及一般事故,并进行分级管理;3)建立城市铁路隧道防灾疏散救援分级分区运营管理机制,在综合交通枢纽站内特设综合交通枢纽站专职应急组织机构,以实现多交通方式联动救援。

铁路隧道工程节能减排技术研究现状及展望

考虑到铁路隧道工程的施工运营过程具有高能耗、高温室气体排放的特点,本文通过统计调研近10年来的相关文献,总结了目前常用的几种铁路隧道节能减排技术。从施工、运营两个方面介绍了铁路隧道所采用的节能技术:包括增大施工废渣回收利用率、利用可再生环保建材等绿色施工技术;应用智能控制系统和变频调速等方式降低风机能耗的节能通风技术;通过智能化控制灯具实现隧道按需照明的节能照明技术。

隧道工程课课程思政教育探索与实践

在“一带一路”和“高原铁路”建设背景下,为培养具有创新科学精神和社会主义新时代高素质复合型的隧道工程人才,高等院校需要在专业知识和技能教育的同时,加强隧道工程课程思政教育,帮助学生树立大德、功德创新科学精神,培养社会主义新时代高素质复合型人才。隧道工程作为专业性较强的工科学科,思政教育一直是薄弱环节,传统的教学模式已不满足发展要求。结合作者近年来在教学一线积累的经验,从隧道工程课程思政建设目标出发,详细阐述隧道工程课程思政建设思路,并给出课程思政的详细教学案例,以期为隧道工程和类似工科专业课程思政教育提供借鉴和参考。

城市轨道交通列车轮轨垂向力测量方法

[目的]城市轨道交通运营中通常会出现大量的隧道病害,列车轮轨力是各种病害的主要成因,因此,需在不影响城市轨道交通列车正常运营的条件下,对列车轮轨垂向力的测量方法进行研究。[方法]以成都地铁7号线茶店子站—一品天下站下行区间道床剥离病害为研究对象,基于弯矩差法理论,采用ANSYS有限元软件建立了静荷载及动荷载作用下的钢轨有限元模型,并对其进行了数值模拟分析。在室内对1根长2 m、3跨布置的钢轨进行了标定试验。[结果及结论]静荷载数值模拟分析表明,钢轨测点可选择在钢轨跨中轨底上表面边缘两侧位置;当钢轨跨中位置受到垂向力作用时,该点沿钢轨方向的应变最大,且应变随垂向力线性增加。通过标定试验测得的标定系数为0.6260×10^(6)kN,而数值模拟测得的标定系数为0.6441×10^(6)kN,两者偏差仅2.8%,可通过静荷载标定试验确定标定系数。轮轨垂向力的测量方法可以更好地评估轨道结构和列车运行的安全性,及时发现安全隐患,并采取相应措施进行修复和改进。

城市轨道交通隧道双护盾TBM施工适应性研究

双护盾TBM施工具有速度快、安全性高等优点,已成为山岭隧道建设的重要选择。通过对已建的双护盾TBM隧道调研得到了双护盾TBM施工中常见的问题,并结合青岛地铁2号线提出了基于地质适应性、线路适应性、周边环境适应性的双护盾TBM城市轨道交通隧道适应性分析方法。研究得出了以下结论:采用双护盾TBM施工的隧道多为特长、深埋隧道,施工过程中受高地应力和地下水影响,经常发生卡机、涌水、渗水等灾害;和山岭隧道相比,城市轨道交通隧道采用双护盾TBM施工时灾害发生率更低且处治措施更为灵活;双护盾TBM施工技术在城市轨道交通隧道建设中具有速度快、对环境影响小的优点;针对施工过程中出现的回填层质量较差和TBM过站与车站施工协调难度大的新问题提出了设置止浆环和曲线过站的处治方式。

联络通道施工盾构机接收对已建盾构隧道影响试验研究

联络通道机械法施工中盾构机接收对已建盾构隧道受荷变形影响机制暂不明确问题,通过设计1∶10的缩尺模型试验,开展了联络通道机械法施工中盾构机接收对已建盾构隧道影响试验研究。试验结果分析表明:联络通道机械法施工时,盾构机开挖面附加水平土压力将导致接收端已建盾构隧道对侧的土压力在中部有显著的增大,而两端则减小,即导致顶推对侧发生了水平被动土拱现象;在中间附加水平土压力作用下,隧道在中间发生了显著的竖椭圆变形,而在两端则发生了一定的横椭圆变形;隧道中间发生竖椭圆变形对上下地层形成挤压,在竖向上同样形成了被动土拱现象;隧道纵向挠曲变形时出现了一定的反弯现象。盾构隧道作为地层中的管状结构物,在地层中纵向变形分析时需要考虑横断面变形的影响。

带定位榫盾构隧道管片接头剪切力学行为研究

外套于盾构隧道管片螺栓的空心圆锥筒定位抗剪构件定位榫能有效控制盾构管片错台量和错台值,与管片、螺栓共同形成“管片-定位榫-弯螺栓”接头.为探明盾构隧道管片受压工况、“管片-定位榫-弯螺栓”接头在剪切荷载作用下的结构力学特征和破坏机理,以内径7.5 m、外径8.3 m、弯螺栓连接的盾构隧道衬砌环的纵向接头为例,首先,建立三维有限元模型,对轴力分别为196、392、588和784 kN4种工况的接头剪切破坏全过程进行数值模拟;然后,对接头剪切破坏过程、定位榫和螺栓力学及变形特征、管片接缝面变形破坏特征进行分析;最后,采用原型剪切破坏试验对数值模拟结果进行印证和补充研究.研究结果表明:盾构隧道“管片-定位榫-弯螺栓”接头剪切破坏全过程分为接触面静摩擦、定位榫弹性变形、定位榫塑性错动和螺栓剪切破坏4个阶段;定位榫弹性变形阶段,定位榫表现为“压扁”形态,定位榫塑性错动阶段,定位榫拱顶外侧首先出现塑性屈服区,随着剪切荷载的增加,塑性区将扩展到定位榫端部和横断面内大部分区域,塑性破损过程中定位榫将超过其承载能力的外部剪切荷载转移给螺栓;螺栓杆体受力从定位榫塑性错动阶段开始,最终加载侧杆体将发生“拉直”破坏、固定侧杆体将发生弯剪破坏;管片接缝面混凝土从定位榫塑性错动阶段后期出现塑性区,初始位于榫槽内水平两侧,随着剪力增加,塑性区将向周边扩展,最终与管片内弧面手孔塑性区连通,形成“手孔-螺栓孔-手孔”塑性破坏域.

钢筋锈蚀作用下隧道衬砌结构力学性能劣化研究

考虑锈蚀引起的钢筋力学性能劣化、混凝土有效截面减少、两者黏结性能退化等因素,建立围岩压力作用下钢筋锈蚀隧道衬砌模型,对不同锈蚀率下衬砌结构变形、损伤、内力重分布和裂缝宽度变化进行分析。研究结果表明,锈蚀对衬砌结构各部位损伤严重程度表现为拱顶>拱肩>拱脚>拱腰>仰拱;锈蚀引起结构内力重分布,当锈蚀率由0%发展到20%时,衬砌结构临空侧受拉处弯矩逐渐减小,围岩侧受拉处的弯矩逐渐增大,衬砌轴力整体变化不大,最大变化量仅为7.53%;拱顶裂缝宽度发展最快,拱肩和拱脚次之,当锈蚀率发展到2.7%时,拱顶最大裂缝宽度已不满足耐久性要求;开裂区钢筋锈蚀对衬砌力学性能劣化起主导作用,仅开裂区钢筋发生锈蚀时,衬砌结构力学性能劣化规律与钢筋全长锈蚀情况类似,但锈蚀导致的内力变化幅度和裂缝宽度减小。

盾构隧道衬砌结构偏心破坏转化临界锈蚀率预测

盾构隧道管片中的钢筋锈蚀会对结构的承载性能和破坏形态产生重要影响。一般盾构隧道结构多呈现小偏心受压状态,当钢筋锈蚀发展到一定程度时会出现小偏心向大偏心受力状态的转变,导致结构承载力下降、危及隧道运营安全。基于盾构隧道衬砌结构压弯受荷特点,设计小偏心加载的锈蚀试验柱,等效地模拟隧道衬砌的实际受力状态,分析不同锈蚀程度下试验柱跨中应变、极限承载力及裂缝的全过程演变。随锈蚀程度加重,试验柱承载力、混凝土应变、受压区高度下降速度逐渐加快,最大锈蚀率达到68.32%时,承载力最大降幅达到53.23%。试验发现高锈蚀程度(η≥46.25%)试验柱由小偏心破坏转化为大偏心破坏的现象。基于受弯构件正截面承载力理论分析,提出隧道衬砌结构由小偏心向大偏心破坏转化的临界锈蚀率理论计算方法,通过设计有限元计算流程验证了该方法的正确性。研究结果可为盾构隧道衬砌结构耐久性设计和安全评价提供理论支撑。

膨胀力对合肥市轨道交通浅埋暗挖隧道的影响研究

以合肥轨道交通1号线为工程依托,采用数值模拟与工程实测相结合的方式,以开挖过程中地表沉降和隧道变形为评价指标,分析了膨胀土地层对浅埋暗挖台阶法施工过程的影响。

粉煤灰堆积体大断面连拱隧道失稳破坏模式及施工力学研究

国内目前并无在粉煤灰堆积体中采用暗挖法修建大断面连拱隧道的先例,给隧道的设计和施工带来了巨大挑战。依托盐坪坝隧道工程,开展了室内相似模型试验,探讨了该地层下大断面连拱隧道塌落拱演化规律及开挖施工力学行为。研究结果表明:连拱隧道在粉煤灰堆积体中开挖极易发生失稳,将失稳过程划分为4个演化阶段,破坏模式具有突发性、剧烈性、对称性、同步性特征;塌落拱高度约为隧道开挖跨度的40%。采用单侧壁导坑法开挖时粉煤灰堆积体承载力严重不足,根据相似换算关系左、右洞拱顶沉降分别为16.86,14.91cm,需对地层实施注浆加固;地层沉降呈对称“双峰状”,先行洞相较于后行洞受开挖影响较大,中隔墙的承载作用能够有效降低地层位移,单洞压力拱向双洞压力拱转换过程中,中隔墙受到偏压作用容易向先行洞侧偏转,建议在先行洞开挖时中隔墙添加支撑物。

基于地基梁理论的断层非线性错动下隧道纵向响应研究

为研究走滑断层错动作用下隧道结构的纵向响应,采用Pasternak双参数地基和弹性梁理论,建立穿越多破裂面断层隧道在断层强制位错作用下的纵向响应微分方程,通过数学方法求解获得隧道结构在断层位错作用下的纵向变形、内力响应,并通过模型试验和数值模拟对理论解析模型的有效性进行验证。在此基础上,采用理论解析模型对隧道结构纵向响应的影响因素进行敏感性分析。主要得出以下结论:1)理论解析模型计算得到的隧道纵向变形和弯矩变化趋势与模型试验和数值模拟结果完全一致,但数值上趋于保守;2)断层错动的位移形式和围岩-隧道结构的刚度匹配关系对隧道结构纵向响应的影响较大,应根据具体的断层破碎带形式选择合适的断层错动位移函数;3)随着围岩-隧道结构刚度比的增大,围岩对隧道结构的约束作用随之增大,隧道结构纵向内力集中现象增加,但受断层错动影响的范围减小,在具体工程设计中应结合施工成本、抢通时间等来选择合适的围岩-隧道结构刚度匹配关系。

无导洞法连拱隧道先行洞仰拱开裂及受力分析

研究目的:为探明无导洞法连拱隧道先行洞仰拱衬砌开裂的原因,本文首先通过现场监测得到先行洞的受力规律,然后基于该受力特征提出一种考虑后行洞开挖的先行洞荷载-结构计算模型,进而结合现场监测和数值计算分析先行洞仰拱衬砌的开裂原因,最后评价先行洞二衬的安全性并给出相应的控制措施。研究结论:(1)当后行洞开挖前,先行洞二衬对称受力且各截面的安全系数大于2.4;当后行洞开挖后,先行洞二衬处于偏压受力状态,仰拱右侧的安全系数仅为1.25,其内表面恰是最大拉应力所在位置,与现场仰拱衬砌的开裂位置吻合;(2)先行洞仰拱衬砌开裂的原因是由于后行洞开挖导致的隧道偏压受力以及仰拱不均匀沉降;(3)提高支护抗力系数有助于改善衬砌结构的安全性,但支护抗力系数高于某值后安全系数变化不大;(4)本研究成果可为相关连拱隧道的设计和施工提供参考。

基于螺栓拉伸刚度的地铁盾构隧道纵向刚度计算

针对现有盾构隧道纵向刚度计算方法缺乏试验验证且未考虑螺栓拉伸刚度等因素影响的不足,首先,理论推导盾构隧道纵向刚度的解析计算方法;然后,以上海地铁盾构隧道为背景,设计并开展缩尺模型试验,通过实测结果验证解析计算方法;最后,以珠三角地区盾构隧道为工程背景,计算盾构隧道纵向刚度。结果表明:由于螺栓预紧力的存在,跨中加载较小时的实测隧道纵向刚度偏大,但随着跨中加载的增加,实测结果与理论计算结果趋于接近,验证了解析计算方法的合理性;珠三角地区盾构隧道在弹性阶段、塑性阶段和塑性变形后的纵向螺栓拉伸刚度依次为2.1255×10^(6),0.9859×10^(6)和3.1856×10^(6) N·m^(-1),纵向刚度依次为3.3068×10^(8),1.5345×10^(8)和4.9543×10^(8) N·m^(2);考虑到地铁盾构隧道发生纵向变形时,一定范围内的纵向螺栓所处变形阶段存在差别,在实际纵向刚度取值时应根据隧道最大变形导致的纵向螺栓拉伸量来具体分析确定。

400 km/h高铁隧道出入口缓解微气压波综合效果分析

为准确预测高速铁路隧道出口微气压波幅值,以三维、非定常、可压缩流动理论为基础,利用Fluent软件模拟时速400 km的列车驶入100 m2端墙式双线隧道时,分析列车在不同入口侧部开口缓冲结构、出口侧部开口缓冲结构及出口仰坡斜率下对出口微气压波的影响效应,并结合出入口缓冲结构综合分析微气压波联合缓解效果。结果表明:1)对出口微气压波峰值、出口缓冲结构、仰坡斜率进行相关性分析,结合辐射立体角公式线性拟合立体角变化趋势,得出立体角随缓冲结构开口率、洞门仰坡斜率的增大均呈现由急到缓的2段式上升曲线;2)数值分析得到在不同入口缓冲结构开口率下初始压缩波压力梯度变化规律和出口微气压波缓解效率规律,再结合隧道出口缓冲结构、仰坡斜率提出微气压波联合缓解效率预测公式,预测分析微气压波联合缓解效果在不同影响因素下的变化趋势;3)针对预测结果结合数值模拟验证工况进行误差分析,表明可以将出口立体角分析结果与入口缓冲结构缓解规律相结合。

基于可拓理论的隧道洞口段动力响应规律研究

隧道洞口段存在偏压浅埋、围岩破碎等情况,为探究隧道洞口段在地震作用下的动力响应规律并给出安全性定量评估指标,以雅万高铁6号隧道为依托建立数值模型,分别输入雅万人工合成波、EI波、KB波以及WL波4个地震波,基于可拓理论,建立可拓物元模型,对采用数值模拟方法得出的隧道洞口段在最不利地震波作用下的弯矩、轴力、相对位移、加速度4个安全评估指标结果创建分区,以综合定量指标对雅万高铁6号隧道洞口段进行安全性评估,并提出了抗震设防长度。同时,分析了在不同地震波作用下的雅万高铁6号隧道洞口段的动力响应规律。结果表明:(1)在雅万人工波作用下,隧道各评估点动力响应程度约为其余3种天然波作用下动力响应程度的1.2倍;(2)各地震波计算所得4个评估指标沿纵向方向变化规律基本相同,轴力及弯矩峰值均出现在拱肩拱脚位置,相对位移峰值均发生在洞口处仰拱至拱顶测线,评估指标峰值发生时刻略微滞后于地震波峰值加速度对应时刻;(3)在雅万人工合成波作用下,雅万高铁六号隧道洞口段抗震设防长度为45~55 m,为隧道洞径的3.5~4倍。研究成果可为通过综合定量指标对隧道洞口段进行抗震安全性评估提供参考。

基于离散-连续耦合的岩溶隧道防突岩体安全厚度预测

为有效预防岩溶隧道施工中的突涌水灾害,首先,调研近年来国内岩溶隧道突涌水典型案例,总结隧道突涌水形成机理及其影响因素;其次,建立离散-连续耦合模型并采用多元回归理论的方法,明确防突岩体破坏的判定准则,划分岩溶隧道防突岩体破坏模式并提出裂缝发育规律;然后,基于对防突岩体最小安全厚度造成影响的各因素,针对溶洞位于隧道上方、下方及侧方3种情况分别建立防突岩体最小安全厚度预测计算式;最后,依托德庆隧道工程进行验证。结果表明:防突岩体破坏模式主要有弯折破坏、整体剪切破坏和复合破坏3种,可基于裂隙发展速度将其破坏过程分为初始阶段、快速发育阶段、平缓发育阶段3个阶段;各因素按影响显著程度由大到小依次为溶腔内水压、围岩黏结参数、溶腔跨度、溶腔高跨比和隧道埋深;计算得到德庆隧道3处施工段的防突岩体最小安全厚度分别为2.964,5.263和0.961 m,突涌水评估结果准确。防突岩体最小安全厚度预测计算式可用于预测并评估岩溶隧道突涌水风险。

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。

隧道管棚支护承载特性及支护参数试验研究

为探究隧道管棚注浆钢管不同支护参数对管棚支护承载能力的影响,引入Pasternak双参数模型构建出更符合实际情况的管棚支护力学模型,通过多组室内试验,对管棚在不同注浆钢管管径、壁厚、注浆饱满度及加设钢筋笼条件下的承载能力进行定量研究。研究表明:1)管棚注浆钢管支护参数中,对管棚承载能力的影响排序为:管径>注浆饱满度>壁厚>钢筋笼。2)增大管棚注浆钢管管径可大幅提高管棚的承载能力,相比管径为108 mm的管棚,管径为159、219、299 mm时管棚承载能力分别增大183.58%、398.62%、874.86%。3)管棚钢管注浆不饱满会较大程度削弱管棚的承载能力,钢管注浆饱满度由100%降至75%、50%时,管棚承载能力分别降低29.8%、34.5%,注浆饱满度为50%时管棚的承载能力与未注浆时相差不大。4)管棚钢管壁厚和钢筋笼加设与否对管棚的承载能力影响较小。因此,在实际工程中,可通过增大管棚钢管管径提升管棚的承载能力,通过减小管棚钢管壁厚及不加设钢筋笼节约用钢量。