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基于钻进参数和岩性的钻爆法隧道围岩智能分级模型

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隧道建设（中英文） 2024年第7期44卷 1410-1421页

作者：夏覃永王明年孙鸿强林鹏赵思光西南交通大学极端环境岩土和隧道工程智能建养全国重点实验室四川成都610031 西南交通大学土木工程学院四川成都610031 中国铁路经济规划研究院有限公司铁路工程技术标准所北京100038

为进一步提高基于钻进参数的围岩智能分级模型判识准确率,引入围岩岩性作为已知条件,对不同岩性分别建立基于钻进参数的围岩智能分级模型。首先,依托宜兴高铁、郑万高铁隧道工程中凿岩台车采集到的钻进参数,将其根据围岩岩性划分为白云... 详细信息

为进一步提高基于钻进参数的围岩智能分级模型判识准确率,引入围岩岩性作为已知条件,对不同岩性分别建立基于钻进参数的围岩智能分级模型。首先,依托宜兴高铁、郑万高铁隧道工程中凿岩台车采集到的钻进参数,将其根据围岩岩性划分为白云岩、花岗闪长岩、灰岩、砂岩、页岩5类子数据集;然后,进行数据清洗、特征提取,对各子数据集及原始数据集按照4∶1的比例拆分为训练集和测试集,分别以提取的特征和原始特征均值2类特征集合作为输入;最后,使用机器学习随机森林算法建立5个基于钻进参数和岩性的围岩智能分级模型以及基于钻进参数的围岩智能分级模型,评估每个模型的泛化性能。结果显示:1)以提取特征集合为输入的白云岩、花岗闪长岩、灰岩、砂岩、页岩5种围岩智能分级模型在测试集上的准确率分别为85.48%、92.16%、88.62%、85.00%、89.47%,不考虑岩性的围岩智能分级模型的测试集准确率为84.91%。2)相比不考虑岩性的围岩智能分级模型,基于钻进参数和岩性的围岩智能分级模型测试集准确率提高0.09%~7.25%;相比不进行钻进参数特征提取,围岩智能分级模型准确率提升1.61%~13.82%。由此表明:进行钻进参数特征提取能够有效提升围岩智能分级模型的准确率;相比不考虑岩性的围岩智能分级模型,考虑岩性的围岩智能分级模型稳定性提高,模型的泛化能力提升。

关键词：隧道工程围岩智能分级随机森林算法钻进参数特征提取岩性

基于钻进参数多变量特征挖掘的隧道围岩智能分级模型研究

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隧道建设(中英文) 2024年

作者：赵思光王明年童建军霍建勋夏覃永易文豪中国铁路经济规划研究院有限公司技术标准所西南交通大学土木工程学院

隧道智能建造是未来隧道工程发展的重要方向之一，隧围岩智能分级是隧道智能建造的关键和核心。既有研究表明，凿岩台车钻孔施工过程中自动采集的钻进参数和隧道围岩质量有良好的响应关系，可通过大数据训练建立的机器学习模型，实现隧... 详细信息

隧道智能建造是未来隧道工程发展的重要方向之一，隧围岩智能分级是隧道智能建造的关键和核心。既有研究表明，凿岩台车钻孔施工过程中自动采集的钻进参数和隧道围岩质量有良好的响应关系，可通过大数据训练建立的机器学习模型，实现隧道施工阶段围岩智能分级。为进一步提升基于钻进参数的围岩智能分级模型精度，综合考虑钻进参数间耦合影响作用、围岩地质非均一性等因素影响，从进给速度、推进压力、打击压力、回转压力等原始钻进参数特征变量出发，通过特征组合、统计方式，研究构建了多变量的钻进参数特征体系并进行了特征重要性评估。然后利用6种常见的机器学习方法，进行了围岩智能分级应用，并比较分析了特征挖掘前后不同围岩级别样本类间距离及分级模型准确率。结果显示，相比原始特征，多变量特征体系下，不同围岩级别样本类间距离均值提升66.09%～85.41%，各模型分级总体准确率由75.5%～87.5%提高到90.0%～92.5%，表明基于钻进参数多变量特征体系对围岩分级精度有很好地提升作用。

关键词：隧道围岩分级钻进参数特征挖掘钻进能量指标机器学习

基于路径概率的桥梁全寿命成本计算方法及例证

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公路交通科技 2024年第6期41卷 101-108页

作者：王崇交姚昌荣赵思光徐川李亚东四川路桥建设集团股份有限公司四川成都610041 西南交通大学土木工程学院四川成都610031

为解决传统桥梁全寿命设计方法在工程实践中遇到的设计概念模糊、计算方法不明确及与相关规范脱节的不足,以提高公共安全与交通舒适度,降低建造和运营综合成本,提出了基于路径概率并与可靠度结合的混凝土桥梁全寿命成本计算方法。首先,... 详细信息

为解决传统桥梁全寿命设计方法在工程实践中遇到的设计概念模糊、计算方法不明确及与相关规范脱节的不足,以提高公共安全与交通舒适度,降低建造和运营综合成本,提出了基于路径概率并与可靠度结合的混凝土桥梁全寿命成本计算方法。首先,在深入研究桥梁全寿命设计的基础上,依据调研所得桥梁管养投入实际数据,拟合了不同服役地区不同桥梁等级的检测成本计算公式,以及不同公路等级不同养修成本的养修成本取值区间,以此构建了桥梁全寿命成本计算基准。其次,以钢筋在氯离子侵蚀和碳化耦合作用下的锈胀开裂模型为基础,采用路径概率方法构建了桥梁全寿命养修概率模型。然后,通过蒙特卡洛法进行求解,并将养修方案、养修成本通过可靠度指标联系起来,结合规范中关于正常使用极限状态指标的相关规定,提出基于可靠度的全寿命成本计算方法。最后,采用所提方法计算了不同桥梁设计方案在设计使用寿命期内的养修概率,综合建造成本、检测成本和养修成本估算全寿命成本及其对应的可靠度。结果表明:不同可靠度指标的取值对设计方案的全寿命成本有显著影响,随着可靠度指标的提高不同设计方案的经济性均出现先上升后下降的趋势。因此,设计过程目标可靠度的取值不宜过大,可通过一个较低的可靠度指标,适当放宽耐久性设计准入,以允许桥梁在使用过程出现一定的耐久性问题,并通过后续养修进行矫正,这样对于全寿命成本而言,更具有经济性。

关键词：桥梁工程全寿命成本计算方法路径概率模型全寿命设计方法全寿命成本分析可靠度

基于实测数据的公路桥梁动态养修策略自适应优化模型

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运筹与管理 2024年第3期33卷 22-27页

作者：王崇交姚昌荣赵思光赵实达强斌李亚东西南交通大学土木工程学院四川成都610031 四川路桥建设集团股份有限公司四川成都610041

为了有效利用桥梁管养资源以确保桥梁在运营期的服役安全,本文构建了适用于公路桥梁的管养策略优化模型。基于1996—2020年间国内沿海地区208座及内陆地区176座存在历史养修工作的公路桥梁性能检测数据,建立了考虑养修时服役时长与养修... 详细信息

为了有效利用桥梁管养资源以确保桥梁在运营期的服役安全,本文构建了适用于公路桥梁的管养策略优化模型。基于1996—2020年间国内沿海地区208座及内陆地区176座存在历史养修工作的公路桥梁性能检测数据,建立了考虑养修时服役时长与养修频次的养修增益系数计算方法,并通过极大似然估计法计算出养修增益系数的取值范围。通过将改进逆高斯过程与贝叶斯更新方法结合建立了桥梁动态养修策略模型,并利用大量实测数据对模型性能进行评估,结果表明:模型预测平均相对误差为11.1%,可在一定程度上满足工程需要。采用改进后的灰狼算法对动态养修策略模型中的决策向量进行自适应优化,寻找使得剩余寿命累积成本最低的决策向量,并通过实际桥梁优化算例证实了决策向量最优解的存在以及自适应优化模型的有效性。

关键词：公路桥梁逆高斯过程养修增益系数养修策略优化贝叶斯更新灰狼算法

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软弱围岩隧道机械化全断面施工超前支护体系设计方法研究

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铁道学报 2020年第8期42卷 146-154页

作者：王明年张霄赵思光王志龙刘大刚童建军西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室四川成都610031 西南交通大学土木工程学院四川成都610031

保证掌子面的稳定是实现软弱围岩隧道机械化全断面施工的前提,合理的超前支护措施及参数是控制掌子面稳定性的有力手段。针对目前隧道超前支护设计方法不完善且多依赖于工程经验的现状,提出隧道超前支护体系定量化设计方法。基于经典楔... 详细信息

保证掌子面的稳定是实现软弱围岩隧道机械化全断面施工的前提,合理的超前支护措施及参数是控制掌子面稳定性的有力手段。针对目前隧道超前支护设计方法不完善且多依赖于工程经验的现状,提出隧道超前支护体系定量化设计方法。基于经典楔形体模型,推导了考虑四种常用超前支护措施(掌子面喷混凝土、超前管棚、掌子面锚杆、掌子面预注浆)时掌子面稳定系数K的计算公式,提出了掌子面喷混凝土支护力P1、掌子面锚杆支护力P2、管棚支护下围岩压力折减系数α1、掌子面预注浆加固后围岩黏聚力增大系数α2的计算方法,制定了隧道超前支护体系设计流程,并以郑万高速铁路荣家湾隧道为背景验证了该计算方法的合理性。研究成果可以为软弱围岩隧道超前支护体系设计、优化提供理论支撑。

关键词：全断面法掌子面稳定性超前支护体系超前管棚掌子面喷射混凝土掌子面锚杆掌子面预注浆

郑万高铁大型机械化施工隧道位移控制基准研究

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隧道建设（中英文） 2018年第8期38卷 1271-1278页

作者：王明年赵思光张霄西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室四川成都610031 西南交通大学土木工程学院四川成都610031

依托郑万高铁湖北段大断面隧道洞群,针对其开挖断面面积大、软弱围岩占比高、采用大型机械化大断面法施工的特点,开展初期支护位移现场监控量测,对监控量测数据进行分类统计、包络回归分析,得到Ⅳ、Ⅴ级围岩深、浅埋不同大断面法(全断... 详细信息

依托郑万高铁湖北段大断面隧道洞群,针对其开挖断面面积大、软弱围岩占比高、采用大型机械化大断面法施工的特点,开展初期支护位移现场监控量测,对监控量测数据进行分类统计、包络回归分析,得到Ⅳ、Ⅴ级围岩深、浅埋不同大断面法(全断面法、微台阶法)开挖下初期支护位移沿隧道纵向的函数表达式及各工况下分段位移占极限位移的比值。最后结合Q/CR 9218—2015《铁路隧道监控量测技术规程》中初期支护极限位移值,给出郑万高铁大型机械化施工隧道各工况下初期支护位移控制基准建议值。结果表明:郑万高铁隧道Ⅳ、Ⅴ级围岩采用深、浅埋不同大断面法开挖时,按距掌子面距离的分阶段位移控制基准相差较大,现行Q/CR 9218—2015《铁路隧道监控量测技术规程》中统一规定不合理;围岩级别、埋深及开挖方法相同时,拱顶沉降和洞周水平收敛规律基本一致。

关键词：郑万高铁隧道大断面隧道全断面法微台阶法机械化施工初期支护位移控制基准监控量测

基于凿岩台车钻进速度的隧道围岩基本质量指标计算方法

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中国铁道科学 2023年第2期44卷 83-91页

作者：赵思光王明年罗丽菊王志龙易文豪童建军西南交通大学交通隧道工程教育部重点试验室四川成都610031 西南交通大学土木工程学院四川成都610031

为保证隧道施工中岩体识别的准确性,针对冲击-旋转耦合式破岩的凿岩机提出1种基于钻进速度的隧道围岩基本质量指标(BQ)计算方法,包括基于钻进速度的BQ拟合计算式和钻进速度分级模式。首先,从能量角度分析冲击-旋转式凿岩机的破岩机理,... 详细信息

为保证隧道施工中岩体识别的准确性,针对冲击-旋转耦合式破岩的凿岩机提出1种基于钻进速度的隧道围岩基本质量指标(BQ)计算方法,包括基于钻进速度的BQ拟合计算式和钻进速度分级模式。首先,从能量角度分析冲击-旋转式凿岩机的破岩机理,推导由钻进参数和BQ值表达的凿岩机破岩功能关系计算式;其次,依托郑万高铁湖北段隧道工程获得92组样本,通过现场试验和室内试验,采集样本的钻进速度和可用于计算BQ值的岩石坚硬程度和岩体完整程度数据;最后,采用数理统计方法建立钻进速度与BQ值之间的关系,并在此基础上提出钻进速度分级模式。结果表明:钻进速度和BQ值之间具有良好的响应关系,当钻进压力一定时,可直接用钻进速度表示围岩BQ值;基于钻进速度的BQ值计算方法,包括中值拟合计算式及可覆盖95%数据的上、下限值计算式;钻进速度分级模式及选择原则可直接用于现场围岩级别的快速判定。

关键词：隧道施工围岩基本质量指标钻进速度岩石坚硬程度岩体完整程度围岩级别

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深埋隧道围岩形变压力计算方法研究

岩土工程学报 2020年第1期42卷 81-90页

作者：王明年王志龙张霄赵思光刘大刚童建军西南交通大学隧道工程教育部重点实验室四川成都610031 西南交通大学土木工程学院四川成都610031 西南交通大学峨眉校区土木工程系四川峨眉山614202

通过大量的深埋隧道围岩形变压力现场实测数据,采用数理统计方法,分析了围岩级别、隧道跨度、隧道埋深对围岩形变压力的影响及其变化规律。通过多元非线性回归分析方法,推导建立了竖向形变压力计算公式。通过分析可知,形变压力约为《铁... 详细信息

通过大量的深埋隧道围岩形变压力现场实测数据,采用数理统计方法,分析了围岩级别、隧道跨度、隧道埋深对围岩形变压力的影响及其变化规律。通过多元非线性回归分析方法,推导建立了竖向形变压力计算公式。通过分析可知,形变压力约为《铁路隧道设计规范》计算荷载的84%~92%,且围岩级别越高两者比值越小。形变压力侧压力系数近似服从正态分布,与《铁路隧道设计规范》中侧压力系数相比,各围岩条件下侧压力系数均有一定的增大。研究成果对我国隧道及地下工程支护结构设计具有一定的参考指导作用。

关键词：深埋隧道现场实测形变压力隧道埋深隧道跨度围岩级别

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下台阶含仰拱一次开挖工法特性研究

铁道科学与工程学报 2018年第3期15卷 727-733页

作者：蔡闽金刘大刚邓涛赵思光何伟西南交通大学土木工程学院四川成都610031 西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室四川成都610031 中铁隧道集团有限公司勘测设计研究院河南洛阳471000

基于传统台阶法中仰拱单独开挖会造成初支封闭滞后存在的安全隐患,提出一种台阶法下台阶和仰拱一次开挖支护的施工方法,通过数值模拟和现场实测分析,探明新工法中支护结构施工力学特征及工程应用经济性,验证新工法施工的安全可行性,确... 详细信息

基于传统台阶法中仰拱单独开挖会造成初支封闭滞后存在的安全隐患,提出一种台阶法下台阶和仰拱一次开挖支护的施工方法,通过数值模拟和现场实测分析,探明新工法中支护结构施工力学特征及工程应用经济性,验证新工法施工的安全可行性,确定其对沉降变形起控制作用的关键工序。研究结果表明:新工法结构的应力值量值变化不大,应力分布状态改变;新工法结构变形明显减少,施工工效显著提高;新工法在控制沉降变形、地层适用性、施工组织方面具有综合优势,具备一定的工程推广价值。

关键词：台阶法一次开挖有限元模拟现场实测力学特性经济性安全评定关键工序