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海水与高温环境对膨润土泥浆流变特性的影响研究

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现代隧道技术 2024年第1期61卷 174-181,199页

作者：周骥王希浩康松代镇洋中交隧道工程局有限公司北京100088 青岛国信胶州湾第二海底隧道有限公司青岛266000

泥水盾构在海底掘进时,配制合适的泥浆以确保其在海水入侵和高温条件下良好的流变性能和渗透特性具有重要意义。为探明高温环境与海水侵入对膨润土浆液流变性能的影响,利用博勒飞RST软固体流变仪开展一系列流变测试试验,分析高温环境与... 详细信息

泥水盾构在海底掘进时,配制合适的泥浆以确保其在海水入侵和高温条件下良好的流变性能和渗透特性具有重要意义。为探明高温环境与海水侵入对膨润土浆液流变性能的影响,利用博勒飞RST软固体流变仪开展一系列流变测试试验,分析高温环境与海水侵入条件下泥浆的流动形式与本构模型。结果表明:在高温环境下,膨润土泥浆具有明显的升温稀化特性,随着温度的升高,膨润土泥浆的流变模型未发生变化;随着海水的侵入,泥浆的保水能力和物理稳定性被削弱,并出现离析现象,膨润土泥浆近乎丧失了幂律流体与屈服性流体的流变特征,泥浆的流动形式劣化为牛顿流体;此外,电镜扫描结果显示淡水泥浆的空间结构呈结块团絮状,结块密集且相互连续,空间结构较为完整且致密;50%海水泥浆的空间结构主要以薄片形式出现,且薄片之间存在明显的空隙,局部出现离散颗粒堆积。

关键词：海底隧道泥水盾构海水侵入高温环境流变特性室内试验

泥水盾构排浆系统输送大粒径卵石管道的压力损失

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华南理工大学学报（自然科学版） 2024年第7期52卷 135-144页

作者：李兴高郭易东孙宇刘泓志北京交通大学土木建筑工程学院/城市地下工程教育部重点实验室北京100044 中交隧道工程局有限公司北京100088

泥水盾构在砂卵石地层掘进时,排浆管道将输送大量大粒径卵石,导致浆体产生不稳定湍流,这给管道压力损失的确定带来了挑战。该研究设计了环流试验装置,以CMC透明黏性浆液为实验用泥浆,建立了基于计算流体动力学与离散单元法(CFDDEM)耦合... 详细信息

泥水盾构在砂卵石地层掘进时,排浆管道将输送大量大粒径卵石,导致浆体产生不稳定湍流,这给管道压力损失的确定带来了挑战。该研究设计了环流试验装置,以CMC透明黏性浆液为实验用泥浆,建立了基于计算流体动力学与离散单元法(CFDDEM)耦合的三维数值模型;以粒径为5~80 mm的卵石为对象,分析了卵石粒径级配、浆液流速、卵石体积分数以及管道倾角对管道沿程压力损失的影响规律。研究结果表明:同一卵石粒径级配、卵石体积分数与管道倾角下,管道沿程压力损失随浆液流速的增加大致呈指数函数规律增加;对于水平管道,不同卵石粒径级配下的管道沿程压力损失差别较小;在低浆液流速(v <2 m/s)下,管道沿程压力损失随卵石体积分数的增大呈线性规律增加,在较高浆液流速(v≥2.0 m/s)下,管道沿程压力损失随卵石体积分数的增大呈指数函数形式增加;对于倾斜及竖直管道,同一卵石粒径级配、卵石体积分数与浆液流速下,管道沿程压力损失随着管道倾斜角度的增大首先表现为缓慢增加,然后呈急剧增加,其转折点的管道倾角为60°。此外,在泥浆浮力以及湍流的作用下,大粒径的卵石难以克服自身重力达到完全悬浮的运动状态,因此,大粒径卵石主要沿管道下壁面运动,且在管道弯头处压力存在明显的分层现象。

关键词：泥水盾构大粒径卵石排浆管道压力损失模型试验 CFD-DEM耦合

400km/h高铁隧道出入口缓冲结构开口率对微压波影响研究

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铁道科学与工程学报 2024年第2期21卷 433-443页

作者：孙浩程王英学古理全张子为马伟斌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 中国铁道科学研究院铁道建筑研究所北京100081

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... 详细信息

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。

关键词： 400km/h高速铁路隧道出口缓冲结构微压波控制容积法出入口缓冲结构设计

高铁气动荷载作用下隧道衬砌开裂体动力响应分析

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东南大学学报（自然科学版） 2024年第5期54卷 1201-1207页

作者：高阳陈一铂徐伟铭石松翰石家庄铁道大学安全学院大型结构健康诊断与控制研究所石家庄050043 西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室成都610031

根据高速铁路隧道衬砌壁面气动荷载特性,在理论分析及模型试验基础上,采用数值模拟对列车风作用下衬砌开裂体固有频率和动力响应进行研究,分析了衬砌开裂体尺寸和气动荷载加载频率及峰值的影响,对气动荷载作用下衬砌裂损处的安全性进行... 详细信息

根据高速铁路隧道衬砌壁面气动荷载特性,在理论分析及模型试验基础上,采用数值模拟对列车风作用下衬砌开裂体固有频率和动力响应进行研究,分析了衬砌开裂体尺寸和气动荷载加载频率及峰值的影响,对气动荷载作用下衬砌裂损处的安全性进行辨识.结果表明:开裂体固有频率与自身厚度之间存在线性关系,并随其长度增加而快速降低,下降幅度最高可达70.29%;开裂体位移响应随外荷载峰值增加而增加,且与荷载加载周期数正相关.外荷载频率接近结构固有频率时,结构的位移和速度均显著增加.当荷载频率为1和5 Hz时,开裂体悬臂端位移峰值分别为荷载频率3 Hz时的10.75%和13.62%.

关键词：高铁隧道列车风固有频率动力响应衬砌开裂

400 km/h高铁隧道出入口缓解微气压波综合效果分析

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隧道建设（中英文） 2024年第7期44卷 1422-1430页

作者：王英学刘恒源金相海孙浩程章伟华方雨菲马伟斌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 中国铁道科学研究院铁道建筑研究所北京100081

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... 详细信息

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。

关键词：高速铁路隧道缓冲结构辐射立体角微气压波缓解效率

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滚刀滑移状态下的受力与磨损仿真分析

哈尔滨工业大学学报 2024年第5期56卷 93-102页

作者：方应冉李兴高刘泓志杨益郭易东城市地下工程教育部重点实验室(北京交通大学) 北京100044 北京交通大学土木建筑工程学院北京100044 中交隧道工程局有限公司北京100088

为探究滚刀滑移状态下破岩的受力与磨损的变化规律,基于离散单元法,建立了同时考虑滚刀自转和绕刀盘公转的滚动圆周切割模型。定义了一个滑移率参数η用于描述滚刀的滑移状态,对不同滑移率工况下滚刀破岩受力和磨损进行了对比分析,并结... 详细信息

为探究滚刀滑移状态下破岩的受力与磨损的变化规律,基于离散单元法,建立了同时考虑滚刀自转和绕刀盘公转的滚动圆周切割模型。定义了一个滑移率参数η用于描述滚刀的滑移状态,对不同滑移率工况下滚刀破岩受力和磨损进行了对比分析,并结合工程实例对数值仿真结论进行了验证,结果表明:数值仿真中垂直力F_(V)和滚动力F_(R)在CSM模型计算值附近波动,两者较为吻合,表明了本文模型的合理性。数值仿真结果表明,随着滑移率η的增大,垂直力F_(V)呈轻微减小趋势,滚动力F_(R)明显变大,从滚动破岩到滑动破岩,垂直力F_(V)降幅为23.6%,滚动力F_(R)增幅达83.7%,滑动破岩将导致滚刀偏磨。工程实测数据表明,刀盘上大量滚刀处于正常磨损状态时,主要表现为推力增大。大量滚刀处于偏磨状态时,主要表现为扭矩增大,其中偏磨滚刀占比19.05%和28.57%时,扭矩增幅分别为55.85%和261.51%。滚刀正常磨损和偏磨均大量存在时,表现为扭矩推力同步增大,其中偏磨滚刀占比21.43%时,扭矩增幅为80.89%。数值仿真和实测数据表现出较高的一致性。综合4次开仓换刀结果,可将刀盘扭矩增幅超过50%作为判定大量滚刀发生偏磨的重要依据。

关键词：全断面岩石掘进机(TBM) 离散单元法运动状态滑移率滚刀偏磨

基于EMD-多层LSTM的盾构隧道长期沉降预测

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地下空间与工程学报 2024年

作者：沈一鸣张冬梅黄忠凯朱美恒同济大学土木工程学院同济大学岩土及地下工程教育部重点实验室中交隧道工程局有限公司

长期沉降是运营期盾构隧道纵向结构安全的重要影响因素之一。为了更精确地预测运营期盾构隧道长期沉降发展情况,本文采用深度学习算法提出了基于经验模态分解-多层长短期记忆人工神经网络(EMD-多层LSTM)的运营期盾构隧道长期沉降预测方... 详细信息

长期沉降是运营期盾构隧道纵向结构安全的重要影响因素之一。为了更精确地预测运营期盾构隧道长期沉降发展情况,本文采用深度学习算法提出了基于经验模态分解-多层长短期记忆人工神经网络(EMD-多层LSTM)的运营期盾构隧道长期沉降预测方法。建立的方法主要通过数据前处理、经验模态分解、预测模型构建和结果重构等4个关键步骤实现对运营期盾构隧道长期沉降的预测,并成功应用于上海地铁10号线多个监测点的长期沉降预测分析中。研究结果表明:(1)相较于传统LSTM和支持向量机(SVM)等基准算法,本研究所提出的模型能够更有效的预测运营期盾构隧道长期沉降的动态发展情况,模型泛化能力显著提升,长期沉降预测结果精度良好,最大绝对预测误差可控制在1.3 mm以内;(2)通过模型适用性能分析表明本文建立的EMD-多层LSTM预测模型适用性能优秀,能在不同情况下始终保持模型的预测结果真实可信。本文提出的预测方法为运营期盾构隧道长期沉降预测提供了一种新的解决途径,相关研究可为运营期盾构隧道维养工作提供指导。

关键词：盾构隧道长期沉降经验模态分解长短期记忆人工神经网络

砂卵石地层泥水盾构排浆管路渣石起动特性模型试验与仿真分析

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岩土工程学报 2024年第9期46卷 1945-1955页

作者：孙宇李兴高郭易东刘泓志北京交通大学土木建筑工程学院北京100044 北京交通大学城市地下工程教育部重点实验室北京100044 中交隧道工程局有限公司北京100088

泥水盾构在砂卵石地层掘进的过程中,由于排浆管路中存在大量不规则卵石,排浆管路输送尤为复杂。设计了环流试验装置,并基于计算流体动力学与离散单元法(CFD-DEM)耦合方法建立了三维瞬态数值模型,对不同形状、粒径、管路倾角、弯头及管... 详细信息

泥水盾构在砂卵石地层掘进的过程中,由于排浆管路中存在大量不规则卵石,排浆管路输送尤为复杂。设计了环流试验装置,并基于计算流体动力学与离散单元法(CFD-DEM)耦合方法建立了三维瞬态数值模型,对不同形状、粒径、管路倾角、弯头及管径下的卵石起动特性进行了探究。在模型试验中,羧甲基纤维素钠(CMC)浆液被选为载液,透明亚克力管被选为载体;在CFD-DEM耦合模型中,分别通过流变测试和三维扫描技术考虑了浆液的流变性和不规则卵石的形状。结果表明:(1)当异形卵石粒径和管路倾角相同时,卵石的起动速度大小顺序呈现椭球状>扁平状>近球状;(2)当异形卵石形状和管路倾角时,卵石的起动速度随等容粒径的增大先增大后减小再增大;(3)对于球形卵石,在水平管路中,卵石的起动速度随粒径的增大先增大后减小再增大,在倾斜和竖直管路中,卵石的起动速度随粒径的增大而减小;(4)卵石的起动速度随管径的增大而增大;(5)卵石起动速度较大的位置主要出现在较大角度(如60°,90°)的弯头位置处,这是因为当管路倾角≥60°时,在弯头位置处将会出现漩涡区,漩涡区流速与主流区流速相反,阻碍卵石运动,因此在铺设管路时,应尽量减少倾斜角度较大(≥60°)管路的铺设,多采用水平管路或倾斜角度较小(≤45°)的管路。

关键词：泥水盾构大粒径异形卵石起动速度模型试验 CFD-DEM耦合

地层侧压力系数对盾构隧道双层衬砌结构力学特性影响模型试验研究

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岩土工程学报 2024年

作者：马晓斌王士民刘畅钟美昀西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室

当今盾构隧道的建设规模愈发庞大，洞身穿越的地层复杂多变，单层管片衬砌结构往往难以满足隧道安全性和耐久性要求，由此双层衬砌结构得到了更加广泛的关注。为探究不同地层中盾构隧道双层衬砌结构的适用性，依托广深客运专线狮子洋盾... 详细信息

当今盾构隧道的建设规模愈发庞大，洞身穿越的地层复杂多变，单层管片衬砌结构往往难以满足隧道安全性和耐久性要求，由此双层衬砌结构得到了更加广泛的关注。为探究不同地层中盾构隧道双层衬砌结构的适用性，依托广深客运专线狮子洋盾构隧道工程，通过相似模型实验，以侧压力系数（0.5、0.6、0.7、0.8）为指标对比分析了不同地层条件下双层衬砌结构力学特性的变化规律。试验结果表明：地层侧压力系数增大，双层衬砌整体更加趋于静水压力场状态，管片衬砌与二次衬砌极限轴力值增大，弹塑性临界点与内力突变点滞后。当侧压力系数从0.5增至0.8时，双层衬砌的极限承载能力提升了66.39%，最大径向位移从15.17mm减小为9.45mm，管片衬砌侧向位移受限，二次衬砌辅助管片衬砌承载能力提升。高地层侧压力条件下管片衬砌裂纹发育程度下降，局部掉块现象减少，双层衬砌整体结构的可靠性提升。

关键词：盾构隧道双层衬砌模型试验侧压力系数力学特性