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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

机械通风及地温对寒区隧道防冻长度的影响

为揭示通风参数及地温对寒区隧道冻害的影响,基于传热学理论推导了隧道围岩-衬砌-风流三维非稳态数值传热控制方程,分析了不同节点的数值传热差分方程,建立了高地温寒区隧道三维温度场数值计算模型;基于数值分析研究了机械通风速度、机械通风时间和地温对高地温寒区隧道防冻长度的影响.结果表明:1)不考虑机械通风,孜拉山隧道的防冻长度超过1200 m;地温每升高5℃隧道防冻长度将减小约100 m.2)考虑机械通风影响,当地温为10~30℃时,每天以2.5 m/s的速度通风2.0 h可减少防冻长度215 m;不同地温下机械通风速度每增大0.5 m/s,防冻长度减小约20 m,地温对防冻长度衰减速率影响很小;当机械通风时间小于2.0 h时,不同地温条件下增大机械通风速度对防冻长度的影响不大.

穿越多断层破碎带隧道自适应结构走滑错动特性研究

在活动断裂构造带地区,断层运动往往是沿断层带发生,自活动盘到破碎带错动位移表现出逐级传递的特征,因此穿越活动断裂带的隧道结构应力、变形特征也受到断层错动形式的影响。依托西部高烈度区某穿越大型活动断裂带的公路隧道工程,通过数值模拟分析穿越多断层隧道结构在断层多级走滑错动下的位移、应力响应规律,得出隧道结构纵向基于多断层蠕滑错动的影响分区;建立基于柔性初支、刚性二衬和节段铰接的穿越蠕滑断层隧道自适应结构,探究在错动区和缓冲区内设置隧道自适应结构的抗错性能。研究表明:隧道围岩性质的差异是影响穿越断层破碎带隧道结构变形和应力的最重要因素,隧道自适应结构在蠕滑错动过程中,柔性初支能够吸收部分围岩传递至隧道结构的变形,柔性接头的剪切变形和衬砌节段的刚性转动能够承担较大的位错,随着隧道衬砌节段长度的减小、接头数量的增加,各个接头的剪切变形角和衬砌节段偏转角都将减小,大幅提升结构的抗错安全性。

高海拔铁路隧道斜井机械化配套与快速施工

为解决高海拔高寒地区斜井施工存在气压低、含氧量低、温差大、严寒干燥等问题,以某高海拔铁路隧道斜井工程为背景,结合围岩等级、断面大小、海拔高度,根据斜井施工机械化配套原则,提出高海拔陡坡长斜井机械化安全快速进洞施工工法,并选配超前支护、钻爆、装运、喷锚支护、衬砌等机械化作业线的成套设备。基于高度机械化的设备配套,提出“快挖、快运、快支”的高效施工技术以及各工序快速衔接工艺。以控制围岩变形为核心,构建一套积极干预加固围岩、注重早期支护并快速闭合的主动支护体系。结果表明:与普通钻爆法施工相比,采用三臂凿岩台车高度机械化配套施工效率高,月最快进尺为180 m,较人工钻爆法施工月进尺为130 m相比提高了近30%,施工质量稳定,作业人员投入少,且拱顶沉降和周边收敛均小于规范要求值,衬砌强度可靠,可实现高海拔小断面隧道“快挖、快支、主动支、快封闭”。

岩石隧道掘进机不良地质施工处置技术

岩石隧道掘进机(Tunnel Boring Machine,TBM)凭借其高效优质、作业安全等特点在铁路、公路、地铁、水利水电等领域广泛应用,在普通地质环境下推广顺利。复杂地质环境下致灾源多,如硬岩岩爆、软岩大变形、断层破碎带、涌水突泥等不良地质使TBM施工频繁出现围岩坍塌、支护失效、卡机淹井、设备损伤等问题。本文结合工程案例,从超前主动加固、注浆及锚固、管片支护、撑靴加固4个方面总结现有施工技术,以应对TBM穿越不良地质导致的刀盘卡机、护盾抱死、初期支护变形过大、撑靴打滑等问题,提升TBM在不良地质环境下的适应能力,为类似工程提供参考。

集成卷积神经网络和视觉Transformer的隧道掌子面岩性判识研究

为研究综合高效的隧道掌子面岩性智能分类方法,首先,通过收集高铁沿线施工隧道高清掌子面照片、地质素描图及工程地质说明,筛选并统计出灰岩、泥岩、砂岩、玄武岩4种岩性,在此基础上,采用图像增强扩充样本数量并构建岩性样本集;然后,基于上述样本集分别构建ResNet50V2岩性分类迁移模型及VIT岩性分类模型,对比二者岩性分类效果,并采用Stacking方法集成2种模型的分类特点;最后,通过对比3种元学习器(逻辑回归、支持向量机、决策树)对2种模型的集成融合效果来选取最适用的元学习器。结果表明:采用逻辑回归集成ResNet50V2及VIT所构建的集成模型对岩性的分类效果最好,能充分融合掌子面岩性的全、局部特征来进行分类,模型准确率达到93.8%。

400km/h高铁隧道出入口缓冲结构开口率对微压波影响研究

随着高速列车运行时速的提升,车-隧气动效应加剧、微压波超限问题愈发严重。以往研究表明,隧道洞口设置缓冲结构是解决微压波问题的有效手段之一,但是随着隧道长度增加、列车时速提升,仅以入口缓冲结构作为标准的设计方法存在一定局限性。并且国内外的研究重点更多集中在入口缓冲结构,对出口缓冲结构及隧道出入口均设置缓冲结构的设计方法研究相对较少。针对这一问题,利用控制容积法分析出口开口式缓冲结构的关键影响参数。基于LES湍流模型和动网格技术建立三维数值仿真模型,对关键参数的正确性做出验证。分析隧道出入口对称、非对称设置缓冲结构对微压波特性的影响,提出适用于单线和双线隧道的洞口开口式缓冲结构的设计方法。研究结果表明:1)隧道出口缓冲结构开口率是影响出口缓冲结构对微压波压力缓解效率的关键参数,开口率越大,微压波压力最大值越低;2)隧道入口以压力梯度为控制标准设置最优缓冲结构、隧道出口提高缓冲结构开口率的形式,在单线隧道缓冲结构设计中对微压波有更高的缓解率,出口缓冲结构开口率越大,对微压波压力缓解效率越高;3)双线隧道洞口开口式缓冲结构设计时,应当增加其总开口率,同时选择小面积、多个数的开口形式并在隧道出入口对称设置。

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。

基于纤维混凝土材料试验的套拱加固隧道地震响应模拟

以一座山岭隧道为背景,选取钢纤维、玄武岩纤维、碳纤维为掺料进行纤维混凝土材料试验并确定纤维最佳体积掺量;结合试验数据与塑性损伤数值模拟结果,分析地震作用下有无纤维混凝土套拱加固隧道结构响应情况。结果表明:无套拱加固时衬砌拱脚、拱肩、拱腰处易发生拉裂损伤,拱顶与仰拱中心、左右拱肩的相对位移均较大。三种纤维混凝土套拱加固后,衬砌-套拱叠合结构拱腰、拱肩处损伤均有所改善,拉裂损伤向两端发展的趋势得到抑制;拱顶与仰拱中心,左右拱肩的相对位移较无套拱加固时有所降低,隧道结构稳定性提高。综合考虑衬砌损伤与测点位移,体积掺量为1.5%的钢纤维混凝土套拱加固效果最佳。

急曲线电力盾构隧道侧穿桥桩扰动特性研究

为探究急曲线电力盾构隧道施工对邻近桥梁桩基受力特性的影响,以转弯半径50 m的急曲线电力盾构隧道为例,建立不同水平净距下急曲线隧道侧穿桥桩的三维有限元模型,分析隧道和桥桩的水平净距对桩基变形和受力特性的影响。结果表明:数值模拟的地表沉降值与Peck公式理论值的计算相对误差在4%~19%之间,属于正常范围,说明数值计算结果是可靠的;当水平净距从3.6 m减小到1.2 m时,桩基的竖向变形值和横向变形值均增大,增率分别为143.24%和55.56%,同时最大轴力和最大弯矩分别增大了2.08倍和3.00倍;隧道埋深处曲线内侧的桩基附加弯矩最大,受力最不利,施工过程中应重点监测;墩柱在净距为1.2 m时的差异沉降值为0.32 mm,倾斜率为0.014%,均小于规范允许值。

瓦斯隧道多工作面施工通风死区控制方法研究

针对瓦斯隧道多工作面作业时,易形成施工通风死区这一安全问题,以阳宗公路瓦斯隧道为依托工程,对压入式通风方案中风管最优布设方式进行研究,并在此基础上确定射流风机的最佳布设距离,进而探究多作业面通风系统中的射流风机最佳布设方案。研究结果显示:在满足最低需风量的压入式通风方案中,不同的风管布设方案会使隧道内通风死区体积变化较大,为控制并消除通风死区,风管出口应尽可能靠近掌子面且风管直径不宜过大;随着隧道掘进距离的增加,在掌子面前方会形成固定范围的非通风死区,此时为布设射流风机的最佳距离;射流风机的布设能有效地消除通风死区,但其作用范围有限,当隧道距离过长时,应有序间隔布设射流风机。

基于水-岩相互作用的富水断层破碎带隧道突涌灾害演化特征

为研究开挖卸荷和水力荷载耦合作用下富水断层破碎带隧道突涌灾害演化特征,以沈白高铁西谷隧道工程为依托,考虑不同富水破碎带构造形式及地下水赋存特征,开展隧道突涌灾害演化过程研究。基于水-岩相互作用原理,建立三维离散元粘合块体-裂隙流耦合模型,明确不同地质构造特征下的隧道突涌灾害模式,分析破碎岩体裂隙扩展和地下水渗流的时空演化规律。研究结果有:引入黏合块体模型和裂隙流组合模型,建立了富水断层破碎带水岩相互作用力学模型,再现了富水破碎带隧道突涌灾害演化过程。不同富水破碎带构造形式引起的突涌灾变模式差异显著,且具有不同的触发条件和表现形式。断层破碎带倾角为45°时,破碎岩体沿掌子面下部溜塌涌入隧道,倾角为90°时,围岩向掌子面挤出,倾角为-45°时,表现为拱顶围岩垮塌。富水破碎带突涌灾害程度随着水头增大而加剧,其中倾角为-45°时,突涌灾害程度受水头高度的影响最显著,倾角为90°时,水头高度影响相对较弱,但突涌灾害程度最严重。

超高海拔隧道施工人员生理指标变化及劳动强度研究

为评估超高海拔隧道施工人员劳动强度,采用理论分析法确定施工人员劳动强度评价指标,并依托某超高海拔隧道采用可穿戴设备监测分析不同工序施工过程中人员生理指标变化,进而计算不同工序人员劳动强度及劳动效率。研究结果表明:不同工序施工人员劳动过程中生理指标变化存在明显区别,其中,二衬钢筋布设人员心血管负荷超过卫生限值,机械操作人员血氧饱和度(SpO 2)低于规范值;超高海拔隧道二衬钢筋布设劳动强度为Ⅴ级,底板施工与仰拱钢筋绑扎劳动强度等级为Ⅲ级,二衬防水布铺设与机械操作人员劳动强度等级为Ⅱ级;海拔4700 m时,隧道施工人员劳动效率仅为平原地区的76%~88%;完成与平原地区相同的工作量,相应工序的人工工日消耗需要增加13.63%~31.58%。