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基于MARS的隧道工作面安全系数预测公式构建研究

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应用基础与工程科学学报 2024年

作者：满建宏黄宏伟王飞阳陈佳耀同济大学土木工程学院地下建筑与工程系东华大学环境科学与工程学院土木工程系北京交通大学隧道及地下工程教育部工程研究中心

为解决山岭隧道工作面稳定性评估难题，提出一种快速高效的评估模型。收集文献中包括GSI、σc和mi等关键参数在内的818组数据，得到σc与mi以及GSI与σc的相关系数；结合拉丁超立方抽样和解析解构建Ⅴ级围岩隧道工作面稳定性数据库；通... 详细信息

为解决山岭隧道工作面稳定性评估难题，提出一种快速高效的评估模型。收集文献中包括GSI、σc和mi等关键参数在内的818组数据，得到σc与mi以及GSI与σc的相关系数；结合拉丁超立方抽样和解析解构建Ⅴ级围岩隧道工作面稳定性数据库；通过MARS（Multivariate Adaptive Regression Splines）算法建立隧道工作面安全系数的预测公式，将其评估结果与施工现场相验证。对比分析表明：相比于岩体自身参数(σc、mi和GSI)，隧道的几何参数更能影响工作面的稳定性;该模型对各因素之间的复杂隐式关系具有良好的可解释性，可实现快速、准确、可靠的计算。因此，该评估模型更便于施工现场的应用，可为岩石隧道工作面稳定性的快速评估提供参考。

关键词：工作面稳定性相关系数解析解 MARS算法拉丁超立方抽样快速评估

钢筋锈蚀作用下隧道衬砌结构力学性能劣化研究

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铁道学报 2024年第1期46卷 156-163页

作者：李永珑刘新华朱星宇唐旭张志强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

考虑锈蚀引起的钢筋力学性能劣化、混凝土有效截面减少、两者黏结性能退化等因素,建立围岩压力作用下钢筋锈蚀隧道衬砌模型,对不同锈蚀率下衬砌结构变形、损伤、内力重分布和裂缝宽度变化进行分析。研究结果表明,锈蚀对衬砌结构各部位... 详细信息

考虑锈蚀引起的钢筋力学性能劣化、混凝土有效截面减少、两者黏结性能退化等因素,建立围岩压力作用下钢筋锈蚀隧道衬砌模型,对不同锈蚀率下衬砌结构变形、损伤、内力重分布和裂缝宽度变化进行分析。研究结果表明,锈蚀对衬砌结构各部位损伤严重程度表现为拱顶>拱肩>拱脚>拱腰>仰拱;锈蚀引起结构内力重分布,当锈蚀率由0%发展到20%时,衬砌结构临空侧受拉处弯矩逐渐减小,围岩侧受拉处的弯矩逐渐增大,衬砌轴力整体变化不大,最大变化量仅为7.53%;拱顶裂缝宽度发展最快,拱肩和拱脚次之,当锈蚀率发展到2.7%时,拱顶最大裂缝宽度已不满足耐久性要求;开裂区钢筋锈蚀对衬砌力学性能劣化起主导作用,仅开裂区钢筋发生锈蚀时,衬砌结构力学性能劣化规律与钢筋全长锈蚀情况类似,但锈蚀导致的内力变化幅度和裂缝宽度减小。

关键词：衬砌结构混凝土损伤锈蚀内力重分布裂缝宽度

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薄直中隔墙连拱隧道钢带加固措施抗震效果

交通运输工程学报 2024年第3期24卷 124-138页

作者：王明年李泽星唐浪洲于丽路明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

以宁巧隧道工程为研究对象,基于地震易损性分析方法,在FLAC3D中建立了三维动力时程数值计算模型;通过Python语言进行二次开发,实现了易损性分析中增量动力分析方法的全流程自动化计算;给出了薄直中隔墙连拱隧道结构在有无钢带加固措施、... 详细信息

以宁巧隧道工程为研究对象,基于地震易损性分析方法,在FLAC3D中建立了三维动力时程数值计算模型;通过Python语言进行二次开发,实现了易损性分析中增量动力分析方法的全流程自动化计算;给出了薄直中隔墙连拱隧道结构在有无钢带加固措施、2种地震波入射方向(水平与竖直方向)、2种围岩级别(Ⅳ与Ⅴ级)共8种不同因素组合下的易损性曲线,得到了结构在隧址区抗震设防烈度下的损伤概率;通过对比分析损伤概率评价了钢带加固措施的抗震效果及规律;通过大型振动台试验,对比相似模型结构在有无抗震措施下的破坏形态和损伤程度,验证了钢带加固措施的实际作用效果。研究结果表明:无论何种因素组合,钢带加固措施均能有效减小结构在不同损伤状态下的损伤概率,作用效果受围岩级别影响较大,受地震波入射方向影响较小;Ⅴ级围岩条件下,其轻微、中度、重度损伤状态下的损伤概率在地震波水平方向入射时分别减小了51.94%、41.29%、29.63%,在竖直方向入射时分别减小了55.68%、48.32%、35.29%;Ⅳ级围岩条件下,其轻微、中度、重度损伤状态下的损伤概率在地震波水平方向入射时分别减小了16.45%、11.19%、7.11%,在竖直方向入射时分别减小了12.23%、9.45%、7.49%;振动台试验中,使用钢带加固后的相似模型在最不利因素组合条件下的损伤程度明显低于无抗震措施结构;钢带加固措施能通过提高结构整体承载能力,有效地减少病害数量,降低结构损伤程度,提高结构抗震性能。

关键词：隧道工程连拱隧道抗震措施易损性分析振动台试验损伤概率钢带

盾构隧道衬砌结构偏心破坏转化临界锈蚀率预测

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土木工程学报 2024年第1期57卷 111-121页

作者：张志强张康健刘新华刘征封坤唐旭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

盾构隧道管片中的钢筋锈蚀会对结构的承载性能和破坏形态产生重要影响。一般盾构隧道结构多呈现小偏心受压状态,当钢筋锈蚀发展到一定程度时会出现小偏心向大偏心受力状态的转变,导致结构承载力下降、危及隧道运营安全。基于盾构隧道衬... 详细信息

盾构隧道管片中的钢筋锈蚀会对结构的承载性能和破坏形态产生重要影响。一般盾构隧道结构多呈现小偏心受压状态,当钢筋锈蚀发展到一定程度时会出现小偏心向大偏心受力状态的转变,导致结构承载力下降、危及隧道运营安全。基于盾构隧道衬砌结构压弯受荷特点,设计小偏心加载的锈蚀试验柱,等效地模拟隧道衬砌的实际受力状态,分析不同锈蚀程度下试验柱跨中应变、极限承载力及裂缝的全过程演变。随锈蚀程度加重,试验柱承载力、混凝土应变、受压区高度下降速度逐渐加快,最大锈蚀率达到68.32%时,承载力最大降幅达到53.23%。试验发现高锈蚀程度(η≥46.25%)试验柱由小偏心破坏转化为大偏心破坏的现象。基于受弯构件正截面承载力理论分析,提出隧道衬砌结构由小偏心向大偏心破坏转化的临界锈蚀率理论计算方法,通过设计有限元计算流程验证了该方法的正确性。研究结果可为盾构隧道衬砌结构耐久性设计和安全评价提供理论支撑。

关键词：盾构隧道钢筋锈蚀破坏形态转变临界锈蚀率偏心受压构件

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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

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

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 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

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地震波斜入射下浅埋偏压双隧道地震响应分析

振动．测试与诊断 2024年第2期44卷 259-265,407页

作者：朱辉严松宏孙纬宇欧尔峰林峻岑汪精河兰州交通大学土木工程学院兰州730070 甘肃省道路桥梁与地下工程重点实验室兰州730070

浅埋偏压隧道上覆岩土体薄弱,承受荷载不对称,在地震作用下的动力稳定性较差且易发生灾害。为研究其在地震作用下的动力响应特征,首先,基于波动理论将地震波转换为黏弹性人工边界上的等效节点荷载,建立了SV波斜入射时的荷载计算公式;其... 详细信息

浅埋偏压隧道上覆岩土体薄弱,承受荷载不对称,在地震作用下的动力稳定性较差且易发生灾害。为研究其在地震作用下的动力响应特征,首先,基于波动理论将地震波转换为黏弹性人工边界上的等效节点荷载,建立了SV波斜入射时的荷载计算公式;其次,在ANSYS中编制APDL程序实现了黏弹性人工边界的自动生成和地震荷载的自动输入;最后,基于该输入方法,研究了某浅埋偏压双洞隧道在不同洞距时衬砌主应力的分布规律。结果表明:地震波斜入射时两隧道衬砌应力均为不对称的X型分布,随着洞距的增大,深埋侧隧道应力分布逐渐趋于对称,浅埋侧隧道应力分布无明显变化;当洞距达到4D(D为最大洞径)后,浅埋侧隧道对深埋侧隧道的影响可以忽略。因此,认为地震波斜入射时浅埋偏压双隧道的合理洞距为4D。

关键词：偏压隧道地震波斜入射合理洞距地震响应

基于数字图像技术振动台试验结构位移信息捕捉技术研究

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振动与冲击 2024年第5期43卷 139-148,158页

作者：常铭宇申玉生张熙高登骆阳王浩鱇西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室成都610031 西南交通大学陆地交通地质灾害防治技术国家工程研究中心成都610031

针对振动台试验模型箱位移、围岩错动以及隧道衬砌变形监测的需求,将YOLO-V2、改进Canny边缘检测、Hough变换及倾斜矫正技术相结合,提出了一种倾斜影像的自动矫正技术,实现了将倾斜影像修正为相机光轴垂直于测点运动平面的图像分析;提... 详细信息

针对振动台试验模型箱位移、围岩错动以及隧道衬砌变形监测的需求,将YOLO-V2、改进Canny边缘检测、Hough变换及倾斜矫正技术相结合,提出了一种倾斜影像的自动矫正技术,实现了将倾斜影像修正为相机光轴垂直于测点运动平面的图像分析;提高了试验数据结果的处理精度,扩大了目标追踪算法在结构位移和变形监测的使用范围。同时通过核相关滤波技术完成对修正后的影像进行追踪,形成一套完整的地震动信号捕捉与监测系统。采用该系统进行了强震作用下穿越断层隧道韧性结构减震抗错性能试验研究,分别对模型箱位移、围岩错动和隧道衬砌变形进行信号识别与捕捉,同时对比分析了高精度拉线式位移计和位移传感器采集的数据,验证了系统的可靠性。结果表明:在监测点位设有标记物时,首先对采集结果进行倾斜矫正后追踪,通过监测结果与位移传感器进行对比,两者的2-范数小于0.005;而在无标记物时对结构表面特征物进行追踪,精度达到了97.5%;试验数据证明通过倾斜影像自动矫正技术来完成非对正对标记物时的影像进行追踪具有较高可靠性。

关键词：振动台试验变形监测 Canny边缘检测倾斜影像自动修正目标追踪