2023年度新工艺/新设备创新技术盘点

隧道工法方面的创新一直备受国际隧道业界的关注,2023年有不少新工法得到了改进和推广。仰拱施工新方法。日本京都地区的1处隧道工程,因施工距离长、工期紧等难点,无法采用常规现浇模式开展。施工团队采用了1种“预制L型挡墙+能早期形成强度的泡沫系填充材料”的新工法。

复合地层地铁隧道结构抗震安全评价分析

为适应地铁工程抗震防灾的要求,对隧道结构进行抗震安全评价分析。首先,基于隧道抗震性能受地质环境、隧道结构、地震力等多因素影响的特点,通过划分地层组段表征复合地层围岩;其次,采用有限元时程分析法计算衬砌的横向弯矩、剪力、轴力以及直径变形率等4项力学性能参数;再次,依据衬砌材料的强度和变形要求,确定以上参数相应的安全因子并将其作为抗震安全单项评价指标;最后,将进一步分析评价指标的抗震敏感值作为权重,得到综合评价系数,从而建立复合地层地铁隧道结构抗震的定量安全评价方法。通过工程应用分析发现:1)相对于衬砌弯矩和轴力,直径变形率和剪力对地震动水平的敏感度更高;2)地层组段的整体刚度越低、地层分布越均匀,则越有利于提高隧道抗震安全性。

强风化软岩地层盾构隧道荷载及受力特性分析

为探明既有隧道衬砌设计理论能否较好契合强风化软岩盾构隧道并获取管片实际受力特性,依托南昌地铁1号线北延段区间盾构隧道工程开展现场测试,对管片所受外荷载及结构内力进行长期监测。同时,建立相应的盾构管片精细化数值模型,并与实测数据对比验证,进一步探究管片受力特性。结果表明:1)管片环外水土压力受同步注浆影响最显著是在脱环5环内,隧底土压力小于隧顶,水压力占总土压力的绝大部分;2)管片所受竖向土压力呈“中间大、两头小”的分布模式,拱顶附近实测值最大,与太沙基理论、普氏理论、隧规法计算值分别相差近20%、30%、42%,故该地层下隧道竖向土压力按太沙基理论计算较为合适;3)数值模拟所得管片内力与实测值吻合较好,管片弯矩整体呈“蝴蝶形”,拱顶弯矩值略大于拱底。

极小覆岩厚度条件下地铁隧道逆台阶法开挖稳定性分析

为减少台阶法施工时爆破扰动对隧道上覆围岩稳定性的影响,针对极小覆岩厚度条件下的隧道塌方问题,提出适用于极小覆岩厚度条件下的逆台阶开挖工法(下台阶先行开挖,再通过爆破控制技术开挖上台阶),并依托青岛地铁某区间隧道,通过有限元软件FLAC 3D对逆台阶法开挖稳定性进行数值模拟分析。模拟结果与工程实践表明,在极小覆岩厚度条件下,采用逆台阶法先行开挖下台阶可额外为上台阶提供开挖临空面,从而有效减少上台阶爆破扰动对上覆围岩力学性能和完整度的影响,充分保护上覆围岩的承载能力,保障地铁隧道开挖安全。

日本地下空间防洪排涝设计方法综述

介绍日本地下空间涝灾历史与防洪涝政策。分析地下空间涝灾事故发生的原因,包括地下空间敞口处涝水漫溢导致地下空间进水、无法及时有效地排水导致地下空间积水、地下空间疏散困难导致救援困难。通过文献和工程设计文件阅读的方法,总结归纳出:1)日本为抵御洪涝灾害提出了一套完整的地下空间防洪排涝设计体系,包含提出敞口防进水措施、优化排水蓄水设计、提高建筑空间应灾性;2)在出入口、通风口、下沉广场、采光井等敞口安装各类挡水措施可从“源头”有效防水,并且根据敞口的进水时间和进水程度选择合适的挡水对策;3)建设城市级排水系统、地下空间储水设施可防止地下空间积水;4)良好的地下空间设计可以有效避免疏散困难所带来的事故。为应对近年来全球性气候变化所带来的洪涝灾害,建议从源头防水、过程治理、工程应用3个方面形成完善的防灾体系,有效提高地下空间的防洪排涝能力。

面向基础设施的三维探地雷达属性成像及信息可视化研究

为解决探地雷达(GPR)三维图像(C-scan)信息维度低、成像效果主观等问题,以图像像素值的有效测量信息阈值及信息映射函数为研究对象,建立GPR C-scan的成像优化策略。通过以图像的SSIM和PSNR为评价指标,以室内钢筋混凝土墙体和道路路面为试验案例,量化分析变成像参数的可视化效果。试验结果表明,适合城市典型应用场景的GPR信息可视化方法包括映射阈值为70%及投影函数为平方函数。此外,提出融合振幅和频率的属性成像方法,丰富C-scan图像信息,组合信息可视化方法,实现准确表现目标物体几何形状并缓解噪声干扰的GPR C-scan成像,有助于减少人为判读误差,提高C-scan解译的可靠性。

设置控制排水量泄压阀的单护盾TBM管片衬砌排水新技术应用研究

高水位山岭TBM隧道常伴随管片接缝渗漏、开裂漏水等结构病害,为解决上述问题并尽可能保护隧道周边地下水环境,提出一种新型TBM隧道排水技术,通过使用可控制排水量的泄压阀来调节隧道排水量并消减管片衬砌背后地下水压力。首先,在福州至长乐机场城际铁路大象山隧道开展现场试验研究,试验结果表明:当试验段排水孔间距为3 m且泄压阀压力为0时,可有效地将管片衬砌背后水压力降低至静水压力的30%,并将地下水排放量控制在3.144 m^(3)/(d·m)以下。其次,建立水力耦合数值计算模型,引入泄压排水单元,模拟排水管片在拱脚排水孔处安装泄压阀以控制地下水排放量,将数值计算结果与现场试验结果相比较,两者相对误差保持在8%以下。最后,开展参数分析,研究排水孔间距、泄压阀阀门压力对隧道排水量和管片衬砌背后水压力的影响,计算结果表明:1)当隧道排水孔间距由15 m减小至3 m时,相较于静水压力,仰拱处水压力降低率由40%提高至78%,而排水量由1.284 m^(3)/(d·m)提升至3.362 m^(3)/(d·m)。2)在排水孔间距为3 m的隧道排水口处安装泄压阀,当阀门压力由0逐级增加至800 kPa时,隧道排水量由3.362 m^(3)/(d·m)降低至0.678 m^(3)/(d·m);而作用在管片衬砌的地下水压力反之呈线性增大,其中仰拱处的水压力值变化较为显著,其增长率由0%提升至77%。

一种新型长距离精密跨海高程传递测量觇标的设计及在深中通道工程中的应用

为解决海上复杂观测环境下长距离精密跨海高程传递准确照准观测目标的难题,在采用全站仪三角高程测量方法进行长距离跨海高程传递中,设计了一种便携式远距离照准觇标,该设备结构简单、尺寸小、质量小,可根据观测路线长度和大气环境调整光线宽度与亮度,满足不同路线长度下的夜晚观测要求,解决了长距离照准目标模糊和观测数据离散问题,并辅以数据采集软件进行观测数据的自动验算,大幅度提升了测量工作效率。经深中通道工程5.5 km跨距的跨海高程传递测量实践验证,该方法满足长距离高精度跨海高程传递测量的需要,测量结果可达二等水准测量的精度要求。

管片接缝螺栓孔外侧双道密封垫合理布置型式研究

目前普遍使用的单道三元乙丙橡胶密封垫防水型式无法满足水下盾构隧道管片接缝防水新要求,而既有的双道密封垫防水体系受螺栓孔防水性能的限制无法充分发挥其应有的防水性能。依托江阴靖江长江隧道,提出将双道密封垫均放置于螺栓孔外侧的新型防水体系,并结合设计对比分析双层密封垫连续布置和间隔布置2种型式的防水性能。基于不同的沟槽布置形式,设计可更换内胆的T字缝耐水压测试设备,并开展室内物理模型试验,研究结果表明:1)螺栓孔外侧连续布置的双道密封垫的防水性能表现不佳;2)在讨论连续布置双道密封垫的匹配策略时,发现“外主内辅”对整体防水性能有2.02%的提升,“外辅内主”则导致整体防水性能下降4.71%;3)较单道密封垫,螺栓孔外侧间隔布置双道密封垫防水体系的整体防水性能可提升9.68%~16.13%。

基于磁处理法的隧道永磁体排水管防结晶试验

为预防隧道排水管结晶堵塞,提出永磁体排水管关键技术指标,通过自制的永磁体排水管开展室内试验和现场试验,研究磁场强度、流量、磁体布置间距对永磁体排水管内结晶的影响,根据不同条件下结晶物的质量变化和SEM图像进行试验分析。结果表明:1)磁场强度为0.1~0.3 T时永磁体排水管具有较好的防结晶效果,磁场强度超过0.2 T后防结晶效果逐渐降低,当磁场强度为0.4 T时永磁体排水管内结晶量反而大于普通排水管;2)随着试验管段内溶液流量增大,永磁体排水管的防结晶效果增强,但当流量超过450 m L/s之后,防结晶效果不再随流量增大而增强;3)经永磁体处理后,管道内的结晶物由规则的立方体形状转变为粗糙松散的不规则体,由硬质块状转变为粉末状,有从方解石向文石、球霞石转化的趋势;4)随着管道永磁体布置间距减小,管道内最终结晶量呈下降趋势,在10、40、70 cm 3种永磁体布置间距中,最佳布置间距为40 cm。

大断面公路隧道穿越构造煤层瓦斯抽放技术研究

为有效降低隧道煤层的瓦斯含量,消除隧道揭煤施工的突出危险,以兰海国家高速公路重庆至遵义段某公路隧道为工程依托,采用超前钻探的方法准确探测煤层的赋存情况与隧道揭煤掌子面前方的局部地质构造特征;在此基础上确定钻孔的有效抽放半径与瓦斯抽放控制范围,并对局部构造煤层抽放钻孔进行加密布置;最后采用顶板穿层钻孔预抽煤层瓦斯技术进行瓦斯抽放,并对抽放效果和区域防突措施进行检验。结果表明:该隧道瓦斯抽放效果良好,区域防突措施效果显著。

适用于模拟复杂地质条件的微型TBM试验系统研制及应用

为研究TBM掘进隧道复杂地质的演化过程及破坏特征,研制了适用于复杂地质条件的微型TBM模型试验系统,主要由微型掘进装置、多功能岩箱、微型掘进机工位平移装置、四联液压系统以及微型掘进机掘进控制系统组成。该系统可实现推进速度0~50 mm/min可调、刀盘转速0~10 r/min可调、刀盘最大转矩可达1000 N·m、刀盘最大安全掘进距离可达1100 mm;可以进行半断面可视化掘进和全断面高地应力模拟掘进,并提前了解TBM掘进复杂地质时隧道应力的变化规律,为现场高地应力大埋深复杂地质下TBM掘进提供可靠的参考资料。

复杂艰险山区隧道施工长大溜槽运渣技术

为解决某复杂艰险山区在建铁路隧道施工弃渣二次倒运无运输通道的难题,提出一种长大溜槽运渣技术。通过现场试验及数值计算方法对溜槽运渣关键技术进行研究,结果表明:1)石渣颗粒从溜槽滑出的速度随粒径的增大而增大,其在溜槽滑动的平均摩擦因数为0.16;2)单个鱼刺状挡板受力,前、后24 m鱼刺状挡板所受合力及石渣颗粒速度均随着鱼刺状挡板间距、鱼刺状挡板角度及折形消能机构角度的增大而逐渐增大,但随着鱼刺状挡板宽度和折形消能机构长度的增大而逐渐减小。

基于围岩虚拟支护力特性的隧道塌方机制及控制研究

为研究隧道塌方事故的典型模式及其演化规律,基于塌方案例统计分析结果,阐明隧道开挖面失稳塌方和关门塌方2类安全事故的基本特性,推导隧道围岩虚拟支护力纵向分布曲线,进一步从围岩应力释放角度揭示了虚拟支护力与2类塌方事故的关系,并给出了塌方事故的控制要求。研究表明:(1)开挖面失稳塌方和关门塌方2类由围岩和结构失稳引发的隧道塌方事故在事故次数(68%)、死亡人数(53.7%)和涉险人数(68%)方面占比较大,其中关门塌方事故单次事故涉险人数最多,潜在危害最大。(2)隧道开挖面处的围岩虚拟支护力随着黏聚力的减小而降低,开挖面后方2倍半径处围岩的虚拟支护力已大部分释放(<5%pi)。(3)围岩变形和虚拟支护力释放的第2阶段内,围岩变形急剧,围岩虚拟支护力急剧释放且释放量较大,此阶段是隧道塌方控制的重点。

基于最小二乘支持向量机理论的凿岩台车地质预报系统研究

为了实现钻爆法开挖过程中对掌子面前方围岩岩性的准确、快速评价,研究了矿山法施工凿岩台车钻孔开挖过程中钻进参数与隧道围岩单轴抗压强度之间的关系。初步建立基于最小二乘支持向量机的凿岩台车地质预报模型,并优化模型参数提高模型精度,搭建了凿岩台车地质预报系统。通过岩石物理力学性能试验和厂内凿岩台车钻进试验,得到厂内试验钻进参数与隧道围岩参数数据库。厂内试验验证结果显示,模型预报围岩单轴抗压强度与试验实测参数相近,拟合优度R2=88.1%,平均绝对误差、均方根误差分别为MAE=2.39、MSE=4.21,表明凿岩台车地质预报系统对单轴抗压强度具备较好的预报效果,为后期提高钻爆法施工凿岩台车智能化控制程度及指导隧道安全施工提供基础。

大断面矩形顶管法地铁车站施工沉降控制技术实践——以上海轨道交通14号线静安寺站工程为例

大断面矩形顶管法在城市核心区轨道交通地铁车站建设中尚无相关工程经验,为满足其施工过程中的沉降控制要求,实现地铁车站施工的微扰动,以国内首个软土地区大断面矩形顶管法暗挖车站上海轨道交通14号线静安寺站为工程背景,详细介绍其已贯通的东线隧道施工沉降控制技术,即设定合理的推进参数、采用新型的管节止退装置、研发使用新型减摩触变泥浆和相应的压注工艺。其中,土舱上部土压力实际值略高于设定值,差异控制为-1.1%~7.5%,总推力、主刀盘转矩、推进速度与主刀盘转速等主要参数实际值严格控制在设定值范围内;新型的管节止退装置将管节回缩量控制在35 mm以内;新型减摩触变泥浆性能以满足间隙填充为主,兼顾减小土体与管节间的摩擦力。基于地表实测变形数据分析表明,东线顶管隧道施工过程中,纵向最大累计沉降发生在距接收井约18 m处,约为2倍主刀盘直径,地表整体沉降控制在-15~5 mm。

集约型地下综合空间一体化设计实践——以西安西咸新区能源金贸区地下综合空间为例

为解决城市地下空间粗放开发、用地效率低下的问题,打造集约型地下综合空间是有效途径,并且有利于推动基础设施高质量发展。以西安西咸新区能源金贸区地下综合空间为例,详细阐述地下综合空间一体化设计实践内容和关键技术。能源金贸区重点打造兼具市政、交通、文化、商业、休闲功能的集约型地下三维空间,包括:1)沿城市路网布设干线-支线-缆线的多级综合管廊;2)连接市政道路与地块的环形地下联系隧道;3)采用TOD模式围绕能源金融中心地铁站打造相互连通的双层四区绿廊地下空间。项目将整个地下空间打通,共构形成一个整体,在特殊拐点处管廊与环隧采用分离式结构形式。在缺乏针对性设计和建设标准现状下提出通风方式和疏散方案,并利用智慧统一管理平台对设备联控。

深中通道钢壳沉管自密实混凝土拌合物泵后性能评价及预测模型研究

为保证钢壳沉管自密实混凝土的入舱质量,对钢壳沉管E1-E4管节现场泵后的自密实混凝土拌合物性能进行取样测试,基于灰色关联分析、支持向量机和贝叶斯推断,对影响钢壳沉管自密实混凝土拌合物泵后性能关键参数的敏感性进行评价,同时建立自密实混凝土拌合物泵后性能预测模型。结果表明:1)泵送距离、弯头数量、输送时间和环境温度均与钢壳沉管自密实混凝土拌合物的泵后性能(入模温度、扩展度、V漏斗流动时间、L型仪H 2/H 1及含气量)存在关联性,且敏感性大小为环境温度>输送时间>弯头数量>泵送距离;2)经过工程实际验证,建立的支持向量机非线性预测模型和贝叶斯线性概率预测模型的精度均较高且具有较好的鲁棒性;3)支持向量机非线性预测模型的预测精度要高于贝叶斯线性概率模型,而贝叶斯显式概率模型的实用性强于支持向量机隐式模型,此2类预测模型的结合使用,成功指导了深中通道钢壳沉管自密实混凝土后续管节的施工质量控制。