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Automatic Road Tunnel Crack Inspection Based on Crack Area Sensing and Multiscale Semantic Segmentation

Computers, Materials & Continua 2024年第4期79卷 1679-1703页

作者： Dingping Chen Zhiheng Zhu jinyang fu Jilin He College of Mechanical and Electrical Engineering Central South UniversityChangsha410083China Department of Geotechnical Guangdong Hualu Transportation Technology Company LimitedGuangzhou510000China National Engineering Research Center of High-Speed Railway Construction Technology Changsha410075China

The detection of crack defects on the walls of road tunnels is a crucial step in the process of ensuring travel safetyand performing routine tunnel maintenance. The automatic and accurate detection of cracks on the surface of roadtunnels is the key to improving the maintenance efficiency of road tunnels. Machine vision technology combinedwith a deep neural network model is an effective means to realize the localization and identification of crackdefects on the surface of road *** propose a complete set of automatic inspection methods for identifyingcracks on the walls of road tunnels as a solution to the problem of difficulty in identifying cracks during manualmaintenance. First, a set of equipment applied to the real-time acquisition of high-definition images of walls inroad tunnels is designed. Images of walls in road tunnels are acquired based on the designed equipment, whereimages containing crack defects are manually identified and selected. Subsequently, the training and validationsets used to construct the crack inspection model are obtained based on the acquired images, whereas the regionscontaining cracks and the pixels of the cracks are finely labeled. After that, a crack area sensing module is designedbased on the proposed you only look once version 7 model combined with coordinate attention mechanism (CAYOLOV7) network to locate the crack regions in the road tunnel surface images. Only subimages containingcracks are acquired and sent to the multiscale semantic segmentation module for extraction of the pixels to whichthe cracks belong based on the DeepLab V3+ network. The precision and recall of the crack region localizationon the surface of a road tunnel based on our proposed method are 82.4% and 93.8%, respectively. Moreover, themean intersection over union (MIoU) and pixel accuracy (PA) values for achieving pixel-level detection accuracyare 76.84% and 78.29%, respectively. The experimental results on the dataset show that our proposed two-staged

关键词： Road tunnel crack inspection crack area sensing multiscale semantic segmentation CA-YOLO V7 DeepLab V3+

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基于深度学习的小麦抗旱相关根系表型原位测量与分析

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农业机械学报 2024年第5期55卷 207-217页

作者：段凌凤傅金阳王新轶施家伟李为坤杨万能华中农业大学工学院武汉430070 华中农业大学作物遗传改良全国重点实验室武汉430070

根系是植物吸收水分的主要通道,根系表型与植物抗旱能力息息相关。为了快速准确地获取小麦根系表型指标,利用土培根盒法进行了小麦干旱胁迫实验,共采集18个时间点的根系时序图像。设计了一套基于深度学习的根系图像处理与分析流程,针对... 详细信息

根系是植物吸收水分的主要通道,根系表型与植物抗旱能力息息相关。为了快速准确地获取小麦根系表型指标,利用土培根盒法进行了小麦干旱胁迫实验,共采集18个时间点的根系时序图像。设计了一套基于深度学习的根系图像处理与分析流程,针对土壤遮蔽引起的断根问题,提出了一种融合目标检测网络和沙漏注意力网络的检测-修复两阶段断根修复方法,以修复根系断裂区域,并通过多尺度训练和自适应迭代法提高修复精度和鲁棒性。提取了小麦在干旱胁迫和对照处理下的根面积、总根长、根宽、根深、根宽深比、根密度6个表型性状,分析了小麦根系对干旱胁迫的表型响应。结果显示,干旱胁迫下,小麦会有更低的根系生物量、更深的根系扎根深度及更分散的根系构型。同时计算了小麦根系干旱胁迫耐受性指数,结合主成分分析法,对小麦品种的抗旱能力进行了描述和排序。

关键词：小麦根系表型原位测量抗旱性分析断根修复深度学习

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尾矿库坝面安全隐患智能巡检机器人研发及应用

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矿业研究与开发 2024年第7期44卷 230-238页

作者：孟庆胤王浩宇聂明哲余小军陈荣健傅金阳伊春鹿鸣矿业有限公司黑龙江铁力市152500 中南大学土木工程学院湖南长沙410075 中南大学高速铁路建造技术国家工程研究中心湖南长沙410075

拉沟、冲沟等病害的及时检测是确保尾矿坝安全性的关键。以尾矿坝为工程背景,基于履带式底盘系统、自动化控制等技术研制了一款用于坝面拉沟与冲沟检测的智能巡检机器人。针对坝面病害检测目标,提出了一种在YOLOv5m主干网络和颈部网络... 详细信息

拉沟、冲沟等病害的及时检测是确保尾矿坝安全性的关键。以尾矿坝为工程背景,基于履带式底盘系统、自动化控制等技术研制了一款用于坝面拉沟与冲沟检测的智能巡检机器人。针对坝面病害检测目标,提出了一种在YOLOv5m主干网络和颈部网络插入卷积块注意力模块的改进网络模型YOLOv5m-ECA,并在尾矿库坝面无人巡检作业中开展了应用研究。结果表明,改进YOLOv5m-ECA算法使模型的准确率、平均精度均值、F_(1)分数相较于改进前分别提高12个百分点,6.1%和3.6个百分点,与目前4种主流目标检测算法的性能相比,YOLOv5m-ECA的综合性能更强,且易于部署在移动检测装备,更适用于坝面拉沟病害的检测。现场应用表明,该方法能够代替人工实现尾矿库坝面的无人化作业,能够为坝面病害的快速检测提供智能化方案,所检测病害位置与实际坝面位置相符,具有很好的现实意义和应用价值。

关键词：尾矿库坝面安全智能巡检机器人研发拉沟识别注意力机制

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Experimental investigation on the invert stability of operating railway tunnels with different drainage systems using 3D printing technology

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Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering 2022年第5期14卷 1470-1485页

作者： Linyi Li Junsheng Yang jinyang fu Shuying Wang Cong Zhang Maolong Xiang School of Civil Engineering Central South UniversityChangsha410075HunanChina National Engineering Research Center of High-speed Railway Construction Technology Changsha410075China School of Civil Engineering Central South University of Forestry and TechnologyChangsha410004China

In recent years, the invert anomalies of operating railway tunnels in water-rich areas occur frequently,which greatly affect the transportation capacity of the railway lines. Tunnel drainage system is a crucial factor to ensure the invert stability by regulating the external water pressure(EWP). By means of a threedimensional(3D) printing model, this paper experimentally investigates the deformation behavior of the invert for the tunnels with the traditional drainage system(TDS) widely used in China and its optimized drainage system(ODS) with bottom drainage function. Six test groups with a total of 110 test conditions were designed to consider the design factors and environmental factors in engineering practice,including layout of the drainage system, blockage of the drainage system and groundwater level fluctuation. It was found that there are significant differences in the water discharge, EWP and invert stability for the tunnels with the two drainage systems. Even with a dense arrangement of the external blind tubes, TDS was still difficult to eliminate the excessive EWP below the invert, which is the main cause for the invert instability. Blockage of drainage system further increased the invert uplift and aggravated the track irregularity, especially when the blockage degree is more than 50%. However, ODS can prevent these invert anomalies by reasonably controlling the EWP at tunnel bottom. Even when the groundwater level reached 60 m and the blind tubes were fully blocked, the invert stability can still be maintained and the railway track experienced a settlement of only 1.8 mm. Meanwhile, the on-site monitoring under several rainstorms further showed that the average EWP of the invert was controlled within 84 k Pa, while the maximum settlement of the track slab was only 0.92 mm, which also was in good agreement with the results of model test.

关键词： Operating railway tunnels Invert stability Tunnel drainage system Three-dimensional(3D)printing technology Model test

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水压与动载耦合作用下高铁隧底结构裂损机理分析

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中南大学学报（自然科学版） 2024年第2期55卷 525-537页

作者：傅金阳张寅初谢佳伟阳军生刘浩中南大学土木工程学院湖南长沙410075 高速铁路建造技术国家工程研究中心湖南长沙410075 中国中铁股份有限公司北京100039 济南轨道交通集团建设投资有限公司山东济南250013

高速铁路隧道底部结构隆起变形开裂是多方面影响因素叠加作用的结果。综合利用扩展有限元方法、流固耦合理论和现场实测结果,采用激振力荷载拟合函数施加于轨面模拟列车振动荷载作用效果,分析在水压和列车动荷载耦合作用下的高铁隧道底... 详细信息

高速铁路隧道底部结构隆起变形开裂是多方面影响因素叠加作用的结果。综合利用扩展有限元方法、流固耦合理论和现场实测结果,采用激振力荷载拟合函数施加于轨面模拟列车振动荷载作用效果,分析在水压和列车动荷载耦合作用下的高铁隧道底部结构不协调变形机理,揭示水压与动荷载作用下隧道底部结构的变形特征与水压力变化规律。研究结果表明:在既有隧底结构型式与排水条件下,水压变化是隧道底部结构变形与开裂的诱发原因,列车动荷载导致的裂缝水压交替变化是隧道底部结构持续性隆起裂损的间接原因。隧道底部结构开裂一般首先发生在仰拱填充层中央排水沟处,然后在轨道板、仰拱填充层与衬砌仰拱结构存在刚度差异的各交界面上出现裂缝。高速列车动荷载周期性的上下振动与水压力耦合作用下隧道底部结构界面和各裂缝过水处产生超静水压力,其周期性抽吸变化将对裂缝产生水力压裂效应,加剧隧道底部结构的裂损。高水压高铁隧道底部结构隆起开裂的整治措施应综合考虑泄水降压、裂缝封堵以及底部多层结构体系的层间锚固。

关键词：高铁隧道底部结构不协调变形扩展有限元流固耦合

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有变形缝工况下地铁左右线盾构并行下穿对既有明挖公路隧道变形及应力的影响

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城市轨道交通研究 2024年第9期27卷 31-39页

作者：张亮亮孙前辉傅金阳孙文昊李亚楠刘任杨州中铁第四勘察设计院集团有限公司武汉430063 中南大学土木工程学院长沙410075 黄河勘测规划设计研究院有限公司郑州450003

[目的]为确保有变形缝工况下地铁盾构隧道并行下穿既有明挖公路隧道工程的顺利实施,须对该工况下既有明挖公路隧道的变形情况及应力特征进行分析。[方法]建立了济南济泺路下穿黄河隧道工程中市域轨道交通S2线左右线盾构隧道并行下穿既... 详细信息

[目的]为确保有变形缝工况下地铁盾构隧道并行下穿既有明挖公路隧道工程的顺利实施,须对该工况下既有明挖公路隧道的变形情况及应力特征进行分析。[方法]建立了济南济泺路下穿黄河隧道工程中市域轨道交通S2线左右线盾构隧道并行下穿既有明挖公路隧道的精细化模型,分析了既有明挖公路隧道车道结构底板的z向(竖向)沉降、x向(水平向)位移及车道结构底板的应力变化情况。选取有无变形缝2种工况,对2个施工步完成后测线的x向位移和z向沉降变化情况进行对比。进一步选取工程中的2号变形缝,分析施工过程中2号变形缝两侧的结构沉降差和变形缝的应力状态发展历程。[结果及结论]与无变形缝工况相比,有变形缝工况降低了既有明挖公路隧道结构的整体性,改变了其变形及受力特征;变形缝始终受到拉应力及剪应力的影响;有变形缝工况下,变形缝两侧沉降随地铁盾构掘进呈现出明显的变化,地铁盾构掘进至该变形缝正下方时,沉降达到最大值。

关键词：地铁盾构隧道变形缝隧道下穿既有明挖公路隧道结构变形结构应力

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既有基坑围护结构再利用技术研究与应用

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建筑结构学报 2021年第11期42卷 165-171页

作者：刘守花阳军生傅金阳石庆能中南大学土木工程学院湖南长沙410075 中国水利水电第八工程局有限公司湖南长沙410004

在工程结构大规模建设背景下,地层中遗留了大量基坑围护结构,如何利用既有基坑围护结构,实现绿色环保施工,是目前工程技术人员亟待解决的问题。为利用既有基坑围护结构的剩余价值,依托某地铁车站基坑工程,提出将既有基坑围护结构重新用... 详细信息

在工程结构大规模建设背景下,地层中遗留了大量基坑围护结构,如何利用既有基坑围护结构,实现绿色环保施工,是目前工程技术人员亟待解决的问题。为利用既有基坑围护结构的剩余价值,依托某地铁车站基坑工程,提出将既有基坑围护结构重新用作基坑围护结构设计思路,介绍了具体设计实施方法,并总结既有基坑围护结构再利用流程。研究表明:施工期间基坑始终处于安全稳定状态,提出的既有基坑围护结构再利用设计方法安全可靠;既有基坑围护结构再利用流程主要包括可行性研究、初步设计、安全性分析、辅助改造强化措施和现场实施;与采用常规支护结构相比,基坑利用既有围护结构,节省了施工成本,缩短了工期,减弱了施工对环境的影响,可实现安全、经济、绿色施工。

关键词：深基坑既有基坑围护结构数值模拟安全性

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复合岩层大直径越江盾构隧道管片施工裂损特征及影响因素分析

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现代隧道技术 2020年第5期57卷 30-42页

作者：龚琛杰阳军生傅金阳中南大学土木工程学院长沙410075 高速铁路建造技术国家工程实验室长沙410075

在复合岩层中进行盾构隧道施工,极易发生管片裂损病害,对隧道结构的正常使用和长期安全影响显著。文章以某大直径越江盾构隧道为背景,开展了施工阶段管片开裂破损情况现场调查,总结归纳了典型管片裂损模式及分布规律。选取全断面强风化... 详细信息

在复合岩层中进行盾构隧道施工,极易发生管片裂损病害,对隧道结构的正常使用和长期安全影响显著。文章以某大直径越江盾构隧道为背景,开展了施工阶段管片开裂破损情况现场调查,总结归纳了典型管片裂损模式及分布规律。选取全断面强风化砾岩、全断面中风化砾岩和强—中风化砾岩复合岩层3种典型岩层区间,基于调查结果和盾构掘进参数的挖掘分析,揭示了复合地层条件和掘进速度等7种关键施工参数对管片裂损的影响机制。研究结果表明:盾构隧道管片裂损包含纵缝破损、环缝破损、边角破损、螺栓孔破损、管片本体裂纹和环间错台。接缝破损占比最大,破损位置集中于拱顶及左右45°范围;接缝端面不平整和偏心顶力/拼装力作用下,局部应力集中导致的接缝破损机制为拉压开裂;岩层条件与管片开裂呈现负相关性,围岩级别较好时管片不易开裂,软硬不均复合岩层相较于均一岩层,管片易开裂;掘进速度过快、总推力过大、同步注浆量偏小以及参数的离散性,是导致管片裂损发生率提高的主要因素。选取合适的刀盘扭矩值并保持其稳定,可以减小管片裂损频率。

关键词：越江盾构隧道复合岩层管片开裂施工阶段掘进参数裂损因素

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基于局部粗粒化离散元的冰水堆积体隧道围岩破坏特征与加固措施研究

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岩石力学与工程学报 2021年第3期40卷 576-589页

作者：谢亦朋张聪阳军生陈彬傅金阳祝志恒中南大学土木工程学院湖南长沙410075 中南林业科技大学土木工程学院湖南长沙410004 中铁五局集团有限公司湖南长沙410007

以川藏铁路拉林段藏噶隧道穿越冰水堆积体段为工程背景,基于数字图像技术与离散元方法,在识别冰水堆积体的工程地质特征的基础上,提出一种考虑块石真实形态特征的冰水堆积体局部粗粒化模拟方法,并通过数值计算探讨隧道开挖引起的冰水堆... 详细信息

以川藏铁路拉林段藏噶隧道穿越冰水堆积体段为工程背景,基于数字图像技术与离散元方法,在识别冰水堆积体的工程地质特征的基础上,提出一种考虑块石真实形态特征的冰水堆积体局部粗粒化模拟方法,并通过数值计算探讨隧道开挖引起的冰水堆积体围岩破坏特征以及细观破坏机制,最终提出相应的预加固措施。研究结果表明,冰水堆积体隧道围岩在开挖后沿全环渐进式破坏,具体表现为"初始松动区形成-剪切破裂面发育-松动区扩展-剪切破裂面延伸"的动态循环过程,松动区内的颗粒接触劣化证明了土体间的剪切破裂的发育扩展。此外,力链结构特征的演化规律揭示了强力链结构由环状退化为链状,最终导致块石骨架失效、围岩松动破坏这一细观机制。工程应用结果表明,提出的"全断面帷幕注浆+超前管棚+小导管"的预加固措施可显著抑制冰水堆积体隧道围岩破裂面与松动区的发育,有效控制围岩开挖稳定,钻孔取芯与隧道变形监测均满足工程需求。

关键词：隧道工程冰水堆积体隧道局部粗粒化离散元模拟破坏特征围岩预加固

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EPB盾构开挖面稳定性的PFC-FLAC耦合分析

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华中科技大学学报（自然科学版） 2019年第5期47卷 116-121页

作者：傅金阳谢佳伟房雅楠阳军生中南大学土木工程学院湖南长沙410075 中南大学高速铁路建造技术国家工程实验室湖南长沙410075

基于离散元-有限差分(PFC-FLAC)多尺度耦合分析方法模拟盾构掘进的动态过程,根据开挖面土体颗粒进入土舱的速度状态提出了一种土压平衡(EPB)盾构开挖面稳定性评价方法.通过建立刀盘切削和出渣过程的盾构隧道掘进耦合模型,分析了不同掘... 详细信息

基于离散元-有限差分(PFC-FLAC)多尺度耦合分析方法模拟盾构掘进的动态过程,根据开挖面土体颗粒进入土舱的速度状态提出了一种土压平衡(EPB)盾构开挖面稳定性评价方法.通过建立刀盘切削和出渣过程的盾构隧道掘进耦合模型,分析了不同掘进模式和不同地层条件下开挖面的稳定性,并结合实际工程进行验证.结果表明:离散元与有限元耦合方案可以有效地模拟盾构渣土进出舱过程中的细观力学行为;地层因素对掘进模式选择影响较大,砂层或上软下硬地层中保持满舱或3/4舱模式掘进时能更好地控制开挖面稳定;在全断面粉砂地层和上部中砂下部风化岩地层中,开挖面失稳的临界支护压力比分别为0.41与0.29;在恒定排土条件下,掘进速度对开挖面稳定性影响较大.

关键词：盾构隧道耦合分析掘进参数掘进模式开挖面稳定

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