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超特长隧洞TBM智能辅助掘进技术研究及应用

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隧道建设（中英文） 2024年第3期44卷 442-463,I0037-I0058页

作者：谭忠盛邓铭江城市地下工程教育部重点实验室(北京交通大学) 北京100044 新疆水利发展投资(集团)有限公司新疆乌鲁木齐830000

为解决目前TBM掘进存在依赖于司机经验,难以对异常情况做出及时响应,导致掘进减缓或刀具磨损加剧的问题,不仅需要在不停机状态下及时准确获取掌子面围岩信息,还要在了解掌子面围岩信息的情况下实现智能辅助决策。依托北疆供水二期工程,... 详细信息

为解决目前TBM掘进存在依赖于司机经验,难以对异常情况做出及时响应,导致掘进减缓或刀具磨损加剧的问题,不仅需要在不停机状态下及时准确获取掌子面围岩信息,还要在了解掌子面围岩信息的情况下实现智能辅助决策。依托北疆供水二期工程,分析围岩类别、掘进效能和掘进参数等掘进指标,基于图像识别、数据挖掘和机器学习等技术,通过岩渣图像识别、刀盘振动监测和超前地质预报实现围岩状态的实时感知;构建地质信息、掘进参数、设备与支护参数数据库,进行大数据预处理及关联分析;采用多目标智能优化算法,以掘进速度和刀具寿命为目标,对掘进参数进行优化。在此基础上,提出掘进参数、支护方案、卡机应对措施等辅助决策方法。通过TBM智能辅助掘进技术在XE隧洞试验段中的应用可知,掘进速度总体可提升15.6%,刀具寿命总体提升4.5%,且未发生因掘进参数选择不当导致掘进停滞或设备异常损坏等问题。

关键词：隧洞工程 TBM 智能辅助掘进围岩感知大数据分析掘进参数优化

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土体中水力劈裂大规模数值模拟及应用

上海交通大学学报 2024年

作者：王风陈铁林樊容李跃鹏北京交通大学城市地下工程教育部重点实验室国能朔黄铁路发展有限责任公司

在岩土工程领域，分析土体水力劈裂规律和机理具有重要意义。通过使用块对角预处理、PSQMR迭代法及改进的稀疏矩阵矢量乘并行算法，开发土体中水力劈裂三维有限元程序，实现了基于CPU串行计算和GPU并行计算平台的有限元求解，大幅提高... 详细信息

在岩土工程领域，分析土体水力劈裂规律和机理具有重要意义。通过使用块对角预处理、PSQMR迭代法及改进的稀疏矩阵矢量乘并行算法，开发土体中水力劈裂三维有限元程序，实现了基于CPU串行计算和GPU并行计算平台的有限元求解，大幅提高计算规模，在个人计算机上可进行工程尺度的大规模有限元计算。通过数值模拟结果、试验模拟结果和理论分析与计算结果进行的对比，验证了所述计算方法的正确性，为研究土体中水力劈裂提供了有力的数值模拟工具。

关键词：水力劈裂块对角预处理 PSQMR迭代法稀疏矩阵并行计算

双线非对称平行海底隧道非线性渗流场解析研究

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工程力学 2024年

作者：刘翔纪敏龙王东池姜谙男房倩大连海事大学交通运输工程学院北京交通大学城市地下工程教育部重点实验室

注浆圈和衬砌作为低渗透介质，在低水力梯度下其渗流模式会偏离达西定律，服从非达西渗流模式。本文基于镜像法和渗流力学理论，假定注浆圈与衬砌处于Hansbo非线性渗流模型，推导出海底双线非对称平行隧道渗流场的解析解，该解析解可以... 详细信息

注浆圈和衬砌作为低渗透介质，在低水力梯度下其渗流模式会偏离达西定律，服从非达西渗流模式。本文基于镜像法和渗流力学理论，假定注浆圈与衬砌处于Hansbo非线性渗流模型，推导出海底双线非对称平行隧道渗流场的解析解，该解析解可以同时考虑线性渗流和非线性渗流。通过退化验证，工程案例对比验证，以及与COMSOL数值模拟进行对比分析，证明了本文方法的可行性。并对双线隧道的间距，相对大小，注浆圈和衬砌的非线性参数m、临界水力梯度il、厚度比值t1等参数对涌水量以及孔压的影响进行了分析。结果表明：隧道间距的减小，隧道大小比值R的减小，都会使隧道的涌水量降低；注浆圈非线性参数的增加会使注浆圈更加致密，降低隧道的涌水量，对衬砌起到更好的保护作用。注浆圈与衬砌厚度的比值t1的增加，同样可以降低隧道的涌水量，使注浆圈承受更大的孔压。

关键词：海底隧道非线性渗流镜像法注浆圈衬砌

泥浆流变模型对泥水盾构排浆管道压力损失特性的影响分析

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现代隧道技术 2024年第1期61卷 182-189页

作者：刘泓志徐善坤郭易东方应冉李兴高中交隧道工程局有限公司北京100088 北京交通大学城市地下工程教育部重点实验室北京100044 北京交通大学土木建筑工程学院北京100044

为探明泥浆的流变模型对泥水盾构管道压力损失计算结果的影响,运用CFD-DEM耦合的方法,建立三维瞬态泥浆-渣石多相流耦合模型,分析泥水盾构排浆管道压力损失特性。耦合模型中各流变模型的流变参数通过流变试验确定,渣石的形状与尺寸通过3... 详细信息

为探明泥浆的流变模型对泥水盾构管道压力损失计算结果的影响,运用CFD-DEM耦合的方法,建立三维瞬态泥浆-渣石多相流耦合模型,分析泥水盾构排浆管道压力损失特性。耦合模型中各流变模型的流变参数通过流变试验确定,渣石的形状与尺寸通过3D扫描技术获得。此外,通过与模型试验结果对比,分析不同流变模型的适用性及计算结果的准确性。结果表明,对于泥浆-颗粒两相流的管道压力损失求解问题,H-B模型计算结果的误差最小,约为6%;Bingham模型计算结果的误差次之,约为8%;Power law模型计算结果的误差最大,约为18%。因此,对计算精度要求较高的数值计算,泥浆流变模型建议选用H-B模型;综合考虑计算精度与计算时间成本,泥浆流变模型建议选用Bingham模型。

关键词：泥水盾构环流系统压力损失非牛顿流体 CFD-DEM耦合模型试验

盾构开挖面泥水劈裂离心模型试验相似性分析及验证

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岩土工程学报 2024年第9期46卷 1919-1927页

作者：罗维平李福豪袁大军朱合华北京交通大学城市地下工程教育部重点试验室北京100044 同济大学地下建筑与工程系上海200092 新加坡国立大学土木与环境工程学院新加坡117576

土工离心试验能够在小比尺模型中还原真实的应力场,为探明盾构开挖面泥水劈裂现象提供了一种有效的研究手段。盾构泥水劈裂涉及土体、泥水、隧道等多方面因素的相互作用,尤其多种流体的存在使得模型试验中量纲分析、试验参数缩放和数据... 详细信息

土工离心试验能够在小比尺模型中还原真实的应力场,为探明盾构开挖面泥水劈裂现象提供了一种有效的研究手段。盾构泥水劈裂涉及土体、泥水、隧道等多方面因素的相互作用,尤其多种流体的存在使得模型试验中量纲分析、试验参数缩放和数据解释更加复杂化,如何确定合理的相似比例是泥水劈裂离心模型试验成功的关键前提。在阐明盾构泥水劈裂基本物理过程的基础上,提出了基于无量纲数的模型试验相似性分析方法,通过Butterfield量纲分析法建立了应用于土工离心机模拟盾构泥水劈裂的“隧道-土-泥水”系统相似性试验设计体系。该体系从尺寸、材料、无量纲数、时间等多方面保障了模型系统与原型系统的相似性,从而可以准确还原真实的盾构泥水劈裂物理过程。最后,通过开展盾构开挖面泥水劈裂离心模型试验,进一步验证本文提出的相似性准则。研究结果对泥水劈裂物理模拟的相似性分析具有一定的参考意义。

关键词：相似性分析泥水劈裂离心模型试验无量纲数盾构开挖面

“T”形地铁换乘站深大基坑施工力学响应数值研究与现场实测

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铁道标准设计 2024年

作者：王圣涛李然申志军邓能伟邓稀肥中铁四局集团有限公司北京交通大学城市地下工程教育部重点实验室

“T”形换乘枢纽车站深大基坑与单个地铁车站中型基坑存在空间结构明显差异，其力学转换复杂导致安全问题突出。目前，缺乏相关研究基础与施工经验，故亟需深入分析“T”形车站深大基坑的施工力学响应规律并进行安全风险控制。基于合肥... 详细信息

“T”形换乘枢纽车站深大基坑与单个地铁车站中型基坑存在空间结构明显差异，其力学转换复杂导致安全问题突出。目前，缺乏相关研究基础与施工经验，故亟需深入分析“T”形车站深大基坑的施工力学响应规律并进行安全风险控制。基于合肥地铁3号线与5号线换乘的“T”形枢纽站工程实践，阐述其支护设计与施工方案，借助数值模拟探究基坑施工力学行为的渐近性演化规律，并通过实地监测获取地表沉降、桩体侧移和钢支撑轴力等变形受力数据，以揭示换乘节点施工风险及不同位置力学响应差异影响因素，进而提出基坑开挖支护的相应工程建议。研究表明，仿真研究与现场实测均由于挖深最大且缺乏约束，车站基坑换乘节点处地表沉降及桩体侧移比其他部位高20%～30%，应加固周边土体并加强支护；因端头井基坑尺寸较小，其地层变形较标准段低15%～20%；基坑标准段钢支撑除倒数第二道外，其余钢支撑轴力低于设计值的60%，钢支撑间距及直径可进一步优化，较深基坑的设计参数应高于较浅基坑；实测地表沉降和侧移峰值均低于控制值30mm，钢支撑轴力也远低于控制值1800kN，表明“T”形换乘车站基坑施工安全。

关键词：地铁换乘车站深大基坑地表沉降桩体位移现场实测数值模拟

正断层错动下地铁盾构隧道变形破坏模型试验研究

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湖南大学学报（自然科学版） 2024年第5期51卷 76-87页

作者：李瀚源李兴高王杰杨益刘浩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 济南轨道交通集团有限公司山东济南250101

为揭示跨隐伏断层地铁盾构隧道结构变形破坏特征,采用自主设计的模拟隐伏断层错动加载试验装置,开展1∶25几何比例的跨断层盾构隧道模型试验,分析正断层错动下盾构隧道的力学响应规律及变形破坏特征.试验结果表明:在2 cm正断层错动影响... 详细信息

为揭示跨隐伏断层地铁盾构隧道结构变形破坏特征,采用自主设计的模拟隐伏断层错动加载试验装置,开展1∶25几何比例的跨断层盾构隧道模型试验,分析正断层错动下盾构隧道的力学响应规律及变形破坏特征.试验结果表明:在2 cm正断层错动影响下,隧道纵向差异变形呈现非线性增大趋势,环缝接头张开变形主要位于断层下盘隧道拱顶及断层上盘隧道拱底,且环缝峰值张开量已超过盾构隧道接缝防水限值;断层延长线与隧道交界处管片直径收敛变形较为严重,该处管片呈现拱腰外侧受拉、拱顶及拱底外侧受压的受力状态;管片与地层之间接触压力受断层错动的影响较大,存在围岩挤压区与围岩松散区,但接触压力峰值相对较小;盾构隧道的主要变形破坏特征为环缝接头拉裂破损、管片纵向开裂及环缝接头变形,管片发生斜向剪切破坏及局部压溃破坏的概率较低.基于盾构隧道环纵向变形破坏特征,建议将管片环缝变形及接头混凝土拉裂破损作为界定跨断层盾构隧道结构破坏的主要控制指标.基于隧道的变形破坏模式,提出了跨断层盾构隧道结构设计及应对措施的建议.

关键词：断层错动盾构隧道模型试验力学响应变形破坏特征

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钻爆法隧道机械化施工二衬支护时机优化方法

中国公路学报 2024年第7期37卷 70-81页

作者：陈子全孙振宇周子寒李天胜汪波徐国文蒋长伟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 北京交通大学隧道及地下工程教育部工程研究中心北京100044 重庆交通大学未来土木科技研究院重庆400074

近年来中国钻爆法隧道大力倡导机械化全工序建造,这种机械装备集成化的现代施工模式虽可有效提升掘进效率,但超长的机械装备作业线布设距离将会严重滞后二次衬砌支护时机,对软弱破碎岩层的围岩-支护结构稳定性造成威胁。通过调研隧道设... 详细信息

近年来中国钻爆法隧道大力倡导机械化全工序建造,这种机械装备集成化的现代施工模式虽可有效提升掘进效率,但超长的机械装备作业线布设距离将会严重滞后二次衬砌支护时机,对软弱破碎岩层的围岩-支护结构稳定性造成威胁。通过调研隧道设计、施工规范关于确定二衬支护时机的相关原则及控制指标,梳理机械化全工序施工的作业线布设方案,提出了钻爆法隧道机械化施工背景下二衬支护时机的动态优化方法,综合围岩弹塑性本构模型,以及喷射混凝土、钢架、锚杆、二次衬砌本构模型,建立了围岩-支护结构相互作用全历程解析方法用于求解承载极限比、荷载分担比,最后计算分析了围岩安全系数的分布规律。结果表明:通过算例分析验证了提出的机械化施工二衬支护时机动态优化方法的有效性;不同强化的初支方案对应了80~120 m的机械装备作业线布设距离(二衬最晚支护时机),且二次衬砌可分担7%~13%的围岩荷载;80、100、120 m机械装备作业线布设距离对应的初支方案下,围岩整体安全系数分别为1.19、1.30、1.26,均满足安全控制基准。

关键词：隧道工程机械化施工钻爆法二次衬砌支护时机

天山胜利隧道敞开式TBM钢管片支护作用效果研究

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隧道建设（中英文） 2024年第5期44卷 984-990页

作者：李林峰谭忠盛周振梁彭文波北京交通大学城市地下工程教育部重点实验室北京100044 中交第二公路勘察设计研究院有限公司湖北武汉430056

针对TBM穿越断层破碎带地层洞壁围岩松动掉块严重的问题,依托乌尉天山胜利隧道,采用数值模拟的方法,通过对比研究传统支护方式与新型钢管片支护方式下围岩变形和围岩塑性区情况,研究钢管片支护的作用效果;同时,为说明不同支护的适用条件... 详细信息

针对TBM穿越断层破碎带地层洞壁围岩松动掉块严重的问题,依托乌尉天山胜利隧道,采用数值模拟的方法,通过对比研究传统支护方式与新型钢管片支护方式下围岩变形和围岩塑性区情况,研究钢管片支护的作用效果;同时,为说明不同支护的适用条件,采用现场调研方法开展不同支护方式下施工效率和经济性对比分析。结果表明:1)断层破碎带地层中,当围岩出露护盾后,变形量与塑性区范围增大,围岩破坏程度加剧,以锚杆和钢拱架为主的传统支护方式无法较好地控制围岩变形和塑性区发展。2)断层破碎带地层中,钢管片支护较传统支护的围岩累计沉降值降低53%,围岩变形收敛快,能更好地控制围岩变形和发展。3)钢管片支护较传统支护的围岩塑性区范围小,其中边墙的最终塑性区缩小44%,且钢管片支护可实现早封闭、及时支护,塑性区均匀,更有利于围岩的稳定。4)一般地层中,传统支护方式的经济性和效率更佳;断层破碎带地层中,钢管片支护方式可提供安全作业空间,减小钢拱架+喷锚支护作业量,较传统支护经济性和施工效率更佳。

关键词：天山胜利隧道敞开式TBM 断层破碎带支护方式围岩稳定性钢管片支护