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现代隧道技术
 
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现代隧道技术
 
2023年 60卷 6期
刊出日期:2023-12-25

绿色智能建造
理论研究与探讨
数值分析与计算
试验与监测
规划设计与施工
新型材料与设备
“隧道及地下工程低碳理论及技术应用”专题
   
“隧道及地下工程低碳理论及技术应用”专题
1 朱合华1,2,3 窦世琦1 沈 奕1,2,3 芮 易1,2,3 李晓军1,2
基于数字技术的交通隧道工程低碳发展理念与思考
在双碳目标的指引下,低碳化乃至零碳化成为交通隧道工程发展的必由之路,而数字化转型为此带来了机遇与挑战。智慧基础设施服务系统可从信息的采集、传输、处理、分析、表达与服务全过程为交通隧道工程的低碳化发展提供强有力的数字底座,大数据、云计算、区块链、人工智能等前沿技术可为交通隧道工程的全面勘察、动态设计、智能建造与高效运维注入新的发展活力。目前关于低碳隧道的相关研究还处于起步阶段,相关标准体系尚未形成,低碳与零碳隧道的发展目标、数字化赋能的具体对象与实现路径尚未明晰,相应的顶层设计理论也亟待深入研究。文章初步分析了交通隧道工程的碳排放特征,回顾了当下数字化技术在隧道工程全寿命期的成功应用,并在此基础上进一步梳理、展望了数字化技术在低碳隧道中的应用前景。未来,低碳隧道的发展应把握好后发优势,加强数字化与绿色低碳理念的深度融合,在全面提升交通隧道工程数字化水平的同时,推进交通隧道行业碳中和目标的稳步实现。
2023 Vol. 60 (6): 1-10 [摘要] ( 29 ) [HTML 1KB] [PDF 5554KB] ( 311 )
11 艾 青1 李一轩1 朱俊易2
越江盾构隧道全寿命期碳排放特征与减排途径研究
越江隧道是城市网络中的重要交通基础设施,也是城市交通碳排放主要来源之一,对越江隧道的碳排放计量、评估与减排机制进行研究十分必要。首先确定越江隧道全寿命期碳排放计量边界和清单,分为物化阶段和运维阶段两部分。基于清单分析,建立以碳排放因子法为基础的越江盾构隧道全寿命期碳排放计量模型,并系统分析越江隧道全寿命期与工程活动的对应关系,提出绿色技术驱动的越江隧道碳减排效应估算流程,以碳减排效应系数表征绿色技术的碳排放效果。研究表明:国内外对各类绿色技术的碳减排效应量化研究严重不足;在物化阶段,盾构隧道单位碳排放量随直径的增大而增大,在材料和结构设计不发生变革的情况下,物化阶段碳减排潜力有限;在运维阶段,机电设施的碳排放量与物化阶段碳排放量基本相当,从全寿命期考虑,运维阶段碳减排潜力及可控性更大。
2023 Vol. 60 (6): 11-19 [摘要] ( 29 ) [HTML 1KB] [PDF 2990KB] ( 225 )
20 李嘉豪1 习明星2 沈 奕1 刘 安2 朱合华
基于SimaPro的公路隧道建造阶段碳排放计算与构成评估
为准确定量计算和评估公路隧道各个建设阶段的二氧化碳排放,明确碳排放的主要来源和影响机制,基于生命周期评价(LCA)方法,从公路隧道碳排放核算边界划分、清单分析、计算模型建立等方面提出标准化的核算流程。结合工程实例,利用生命周期评价工具SimaPro对不同围岩条件下的每延米隧道建设碳排放进行计算和对比分析。结果表明,随着围岩条件的劣化,每延米隧道在材料生产阶段和施工建造阶段的碳排放量显著增长;公路隧道建设中材料生产阶段的碳排放量占比最高,其中二次衬砌材料生产阶段的碳排放量占比较大,改进材料生产技术、开展衬砌结构碳减排设计研究是减少公路隧道建设碳排放总量的重要路径。
2023 Vol. 60 (6): 20-28 [摘要] ( 31 ) [HTML 1KB] [PDF 4805KB] ( 215 )
29 曾弘锐1,2 孙文昊3 何 卫3 郭亚林1,2 郭 春1,2
基于机器学习的铁路隧道施工碳排放预测模型研究
为构建适用于铁路隧道施工建设阶段碳排放预测的算法模型,以某铁路隧道建设工程为研究案例,首先基于碳排放计算体系量化得到案例隧道的施工碳排放量与各子阶段碳排放占比;然后采用多种机器学习算法构建不同预测模型,结合动物优化算法对预测模型进行参数调优,选用R2 、MAE、MSE、RMSE、MAPE、SMAPE等评价指标对比分析拟合效果,筛选最佳预测模型,并基于SHAP值分析各参数变量的重要性程度。结果显示:建材生产阶段对隧道施工碳排放的贡献最大,建材运输阶段的碳排放最小;BP神经网络相对随机森林、LightGBM、SVR、极限学习机等算法的回归效果更好,并且通过对比使用PSO算法、WOA算法和SSA算法优化后的回归预测模型,WOA-BP算法的拟合效果最好;基于SHAP算法的分析,各参数变量的特征重要性排名依次为:开挖面积>围岩等级>开挖工法>埋深。
2023 Vol. 60 (6): 29-39 [摘要] ( 30 ) [HTML 1KB] [PDF 4811KB] ( 252 )
40 张小英1 刘 陶2 沈 奕2 刘 安3
照明对公路隧道全寿命期碳排放的影响分析
为了应对全球气候变化,中国宣布将提高国家自主贡献力度,采取更加有力的政策和措施推动碳达峰和碳中和工作。隧道工程在建造和运维过程中会产生大量的碳排放,对其碳排放进行准确量化分析与评估对推动双碳工作具有重要意义。通过LCA方法进行隧道碳排放边界划分,并建立隧道全寿命期的碳排放计算模型;依托工程实例,对隧道全寿命期的碳排放进行计算与评估。结果表明,隧道建造阶段碳排放的主要来源是材料的生产,运维期的碳排放大小与隧道长度有着密切的联系;根据不同长度隧道照明区段能耗占比结果,可得出随着隧道长度的增加,隧道中间段的照明碳排放占比不断提高;由于隧道的照明设置与交通量相关,在结合粒子群算法和考虑交通量变化的因素下开展隧道照明能耗的不确定分析,结果表明,在长度为500~4 000 m的隧道中,入口段照明能耗产生的碳排放在整个照明区段中的占比十分显著,具有较高的节能减排潜力。
2023 Vol. 60 (6): 40-47 [摘要] ( 38 ) [HTML 1KB] [PDF 3436KB] ( 195 )
48 胡勇勇1,2 习明星2 刘 安2 黄冠霖3 吴 言3 芮 易3
通风和光环境耦合作用下公路隧道交通流影响分析
建立隧道通风模拟程序和隧道光环境仿真模型,探究多系统集成作用对隧道内司机驾驶行为的影响。隧道通风模拟以隧道一维污染物浓度分布函数为基础,通过MATLAB软件建立隧道污染物分布有限元数值求解程序,得到隧道污染物浓度分布情况。选定CO和烟尘作为典型污染物,探究污染物对司驾行为的影响机理和量化评价标准。以驾驶员健康状态作为CO浓度评判标准进行定性分析,以能见度和司机反应时间作为烟尘影响的评判标准。隧道光环境模型利用Unity3D平台建立隧道内部场景,借助VR设备开展虚拟驾驶试验,分析不同光环境下的司驾行为模式。研究揭示了隧道光环境对于司驾行为模式的影响范式,模拟结果可作为隧道通风和照明系统合理布置与节能运行的参考依据。
2023 Vol. 60 (6): 48-57 [摘要] ( 38 ) [HTML 1KB] [PDF 3739KB] ( 202 )
58 尹 严 包卫星 卢汉青 张智勇 车博文 潘振华 林旭辉
天山胜利隧道隧址区污水处理全过程碳排放特征和碳减排模式研究
为揭示超长隧道建设过程中污水处理全过程碳排放特征,以乌鲁木齐至尉犁段天山胜利隧道隧址区污水处理为例,采用全生命周期法、过程分析法、污染物参数归一化方法,建立污水处理全过程新型混合生命周期碳排放计算模型。根据污水处理工艺流程碳排放足迹,将污水处理全过程产生的碳排放分为直接排放和间接排放,并进行定性、定量分析。结果表明:2021—2022年天山胜利隧道隧址区污水处理全过程总碳排放量为4 242.43 tCO2eq,排放量强度约为1.17 kgCO2eq/t;其中,电耗、去除BOD5、物耗、去除TN、污泥外运处置等过程碳排放量占比分别为85.3%、11%、2.1%、1%、0.6%;通过提升出水水质标准、污泥再利用为土壤肥料开展节能减排,年均碳排放量下降约15.6%,碳减排效益明显。
2023 Vol. 60 (6): 58-67 [摘要] ( 32 ) [HTML 1KB] [PDF 3820KB] ( 210 )
68 刘世昊1 宋战平1,2,3 徐磊磊4 夏震昭5 王军保1,2,3
基于SVM-MAUT的隧道低碳施工方案优选
在双碳目标背景下,隧道低碳施工方案优选成为一种迫切需求。在多属性决策综合评价体系基础上,对隧道施工过程在不同场景要求下的待评估稳定指标展开讨论,筛选出围岩稳定性、地层稳定性、支护稳定性3个因素,与非稳定性指标平行组构,着重考虑碳排放非稳定性因素,建立隧道低碳施工方案综合评价指标体系。基于支持向量机-多效用度函数法(Support Vector Machine-Multi-Attribute Utility Theory, SVM-MAUT)设计映射模型,以替换传统综合评价方法,探索低碳化隧道施工方案比选方法。将提出的比选方法应用于大凉山1号隧道破碎大变形软岩段施工方法优选,根据玄武岩段、黏土岩段和粉砂质泥岩段的方案效用度大小,选出最优方案组合,相较极端排放量该方案每延米分别减少2 313.01 kg、790.10 kg和717.84 kg的碳排放当量,隧道稳定性符合设计与规范要求,截面收敛变形均在设定控制值内。
2023 Vol. 60 (6): 68-79 [摘要] ( 30 ) [HTML 1KB] [PDF 4147KB] ( 159 )
80 吴元昊1 张国柱2 操子明2 李承霖2 刘昕烨2 刘易斐2
隧道相变蓄冷降温技术
隧道相变蓄冷降温技术是绿色、环保、节能和可持续的新技术,可克服高岩温隧道传统降温方法的局限性,助力国家早日实现“双碳”目标。通过文献综述系统地总结能源隧道、相变蓄冷材料、相变储能结构、基于隧道衬砌换热器储能的相变板研究现状以及相变材料在隧道和地下工程降温中应用的研究现状与进展,旨在加快隧道相变蓄冷降温新技术的应用和推广。研究表明:(1)能源隧道可实现高效利用浅层地热能,隧道衬砌换热器可以提取足够的浅层地热能用于相变储能结构蓄能;(2)固-液相变蓄冷材料应用广泛,建议优先选择和调配高导热性、高潜热、相变温度合适和稳定性好的复合固-液相变蓄冷材料用于实际工程;(3)改变管型布局,添加鳍片结构,设计不同几何外型的相变储能结构等方法可优化和提升相变储能结构的传热性能;(4)利用隧道衬砌换热器给相变板储存冷量是可行的,增强相变材料导热性,提高相变温度和围岩温度的温差,以及增加隧道衬砌换热器长度均可提高相变板储能效率;(5)相变材料在隧道和其他地下工程(如避难硐室)降温中的研究与应用表明相变材料用于隧道降温是可行的。
2023 Vol. 60 (6): 80-90 [摘要] ( 32 ) [HTML 1KB] [PDF 4583KB] ( 231 )
91 朱宇杰 李培楠 刘雨晴 张子尧
有氮掺杂介孔碳材料的CO2吸附性能及其工程应用研究
由于大气中CO2浓度不断上升,研发高效的CO2吸附材料至关重要。以酚醛树脂(Resol)为碳源,F127为软模板剂,二氰二胺为氮源,乙醇和水为混合溶剂,制备有氮掺杂的介孔碳材料。通过N2吸附/脱附、X射线衍射、傅里叶变换红外光谱、透射电子显微镜等方法分析材料的结构和形貌,并深入研究有氮掺杂介孔碳材料的CO2吸附性能和吸附机理。结果表明,材料具有较大的表面积、高度有序的介观结构和较高的氮含量,对N2具有良好的选择性,且表现出卓越的CO2吸附性能等特点。在25 ℃条件下,该材料的CO2吸附量为2.87 mmol/g。以上海长江隧道为例,将该材料均匀涂抹在隧道表面,在隧道通车运营的情况下每天CO2的累积吸附量可达55.88 kg。该研究成果可为城市隧道等基础设施实现减碳目标提供一种新的可行方案。
2023 Vol. 60 (6): 91-99 [摘要] ( 44 ) [HTML 1KB] [PDF 5304KB] ( 184 )
理论研究与探讨
100 魏新江1,2 李 帅1 杜世明3 赵 军4 夏立锋3 韩同春1
公路隧道火灾预警及烟雾防控与安全疏散研究与展望
公路隧道由于自身结构狭长、密闭、内部交通环境复杂等特点,使得发生火灾时火势极易蔓延并产生高温有毒烟雾,对被困人员造成严重的生命安全和财产威胁。对隧道火灾探测、火灾发展、火灾烟雾控制以及隧道发生火灾时人员安全疏散等方面的研究现状进行阐述,具体包括火灾探测系统的优化更新,隧道火灾烟雾远近场分界点、火灾烟雾回流层长度和烟雾层厚度等关键参数的确定,以及隧道火灾人员安全疏散的影响因素和提高安全疏散效率的方法。建议深入研究集成式火灾视频图像探测技术(VID),更新迭代智能化通风控制系统,并利用VR训练系统提升隧道管理人员的应急指挥能力,提高隧道火灾安全疏散效率。
2023 Vol. 60 (6): 100-110 [摘要] ( 34 ) [HTML 1KB] [PDF 4039KB] ( 140 )
111 李克金1,4 齐跃军2 汪 优3 仇 晖1 张 曦1 吴广兴2
基于Pasternak剪切层理论分析隧道侧穿诱发的单桩水平位移
软土地层中隧道施工会诱发地表发生显著沉降,同时也会导致隧道附近的建筑物及其基础产生变形,而有关地铁隧道施工引发邻近建筑桩基变形的规律目前尚未完全摸清。基于Pasternak剪切层地基模型分析软土地层中隧道施工对桩基的影响机理,并建立桩的附加水平位移及附加内力的计算模型,同时提供求解方法。结果表明,在隧道侧穿单桩时模型精度良好;通过参数分析发现,隧道埋深对邻近单桩的影响主要反映在位移分布上,但对位移峰值影响不显著;弹性层厚度与水平位移及内力峰值呈负相关,但不影响其位移及内力的分布规律;对于弹性层厚度C,隧道轴线上下2 m处为弯矩恒定点,隧道轴线埋深处以及隧道轴线以上4 m处为剪力恒定点。
2023 Vol. 60 (6): 111-119 [摘要] ( 29 ) [HTML 1KB] [PDF 4645KB] ( 148 )
120 周 捷1 席锦州1 李海清1 于 丽2 唐浪洲2
隧道锚开挖及承载对既有隧道的变形影响分析
为评估隧道锚开挖及承载对下方既有隧道安全性的影响,采用弹性地基梁理论建立既有隧道在隧道锚开挖及承载影响下的变形计算模型,基于Mindlin公式分别给出隧道锚开挖及承载影响下的附加荷载计算方法,提出既有隧道竖向隆起变形安全性控制标准为12 mm。以四川沿江高速宁巧隧道-隧道锚体系为例,分析既有隧道在隧道锚开挖及承载影响下的变形特征,研究表明:既有隧道变形呈“凸”形,最大变形量位于锚塞体正下方附近,且随着与锚塞体距离的增大,隧道变形逐渐减小,最终收敛;既有隧道变形量随着围岩等级的降低及隧道-隧道锚间距的减小而增大;Ⅲ、Ⅳ级围岩条件下,隧道整体处于安全状态;Ⅴ级围岩条件下,隧道变形量在隧道锚开挖过程中已超过控制值,需要采取围岩加固、结构加强等工程措施。
2023 Vol. 60 (6): 120-129 [摘要] ( 30 ) [HTML 1KB] [PDF 4471KB] ( 208 )
130 胡涛涛 胡 雄 贾 珂
裂缝数量对隧道衬砌稳定性的影响研究
为研究裂缝数量对隧道衬砌结构承载性能及安全性的影响机理,基于断裂力学理论建立带裂缝衬砌内力计算模型,推导双裂缝情况下应力强度因子计算公式,并分析开裂衬砌结构内力和稳定系数的变化规律,不同数量裂缝对衬砌结构内力的影响规律以及开裂部位拉应力的变化情况。结果表明:与拱顶存在1条裂缝相比,存在2条裂缝时承载能力仅降低1.35%,稳定系数降低6.9%;存在3条裂缝时承载能力降低2.26%,稳定系数降低8.1%。拱顶存在多条相近裂缝时,其中一条裂缝对其他裂缝有一定闭合作用,不会加速裂缝的扩展。
2023 Vol. 60 (6): 130-138 [摘要] ( 30 ) [HTML 1KB] [PDF 4487KB] ( 195 )
绿色智能建造
139 张士朝1,2 王亚琼1,2 高启栋1,2 周海孝1,2 王志丰1,2 任 锐1,2
基于不同优化算法的隧道洞口段拱顶沉降SVR预测模型及其比较评价
准确预测隧道洞口段沉降变形是保障安全进洞的重点工作,如何解决输入层维度高的问题以及准确描述机器学习预测模型的性能意义重大。因此,将主成分分析法(PCA)、优化算法和支持向量回归机(SVR)相结合,提出6个基于PCA和优化算法的SVR组合预测模型。首先,通过PCA筛选影响拱顶沉降的主要因素;其次,采用遗传算法(GA)、粒子群算法(PSO)和灰狼算法(GWO),对SVR的惩罚因子和核参数进行寻优;最后,将组合预测模型应用到温州市石鼻头隧道,采用相关性系数(R)、均方根误差(RMSE)和平均绝对误差(MAE)对预测模型的性能进行比较评价,并构建模型查询表。结果表明:组合预测模型均有较高精度,R≥0.987 0,RMSE≤6.792 4 mm,MAE≤3.493 7 mm;PCA降维后,GA优化后的SVR预测模型的预测效率提高了65%,PSO和 GWO优化后的SVR预测模型减少了输入层维度,但需要更大的k值,降低了预测效率,PCA-GWO-SVR模型尤为明显;PCA-PSO-SVR预测模型的鲁棒性更强。
2023 Vol. 60 (6): 139-150 [摘要] ( 27 ) [HTML 1KB] [PDF 6598KB] ( 140 )
151 侯守江
基于多元算法融合的软岩隧道围岩变形预测模型及应用研究
针对传统软岩隧道围岩变形预测方法适用性和泛化能力不足的问题,提出一种基于改进D-S证据理论的多元算法融合模型,以天桥山隧道为工程依托,构建相应的软岩隧道围岩变形预测流程框架。首先采用果蝇优化算法(FOA)优化随机森林(RF)模型,采用鲸鱼优化算法(WOA)优化长短时记忆神经网络(LSTM)模型,结合偏最小二乘回归(PLSR)预测模型,采用改进D-S证据理论计算3个模型的融合权重并进行决策级融合,得到基于多元算法融合的围岩拱顶沉降及水平收敛预测模型;然后以天桥山隧道DK110+600断面G、S1、S2和S3测点的监测数据作为训练和测试样本,对比PLSR模型、RF模型、LSTM模型、FOA-RF模型、WOA-LSTM模型和多元算法融合模型的预测效果;最后以DK110+605断面为例对多元算法融合模型进行工程应用。对比结果表明,多元算法融合模型预测精度最高,相对误差在[-1.5 mm,1.5 mm]以内,平均R2 值为0.998 5,平均MAPE值为3.09%,可以实现对软岩隧道围岩变形的准确预测;工程应用表明,模型总体预测误差在[-3 mm,2 mm]以内,平均R2值为0.995 6,平均MAPE值为5.65%,具有较高预测精度,满足指导施工的要求
2023 Vol. 60 (6): 151-164 [摘要] ( 25 ) [HTML 1KB] [PDF 11003KB] ( 177 )
165 熊英健1 刘四进2 马浴阳2 方 勇1 何 川1
基于PSO算法的盾构掘进参数寻优方法及应用
为了辅助盾构机司机驾驶盾构机,提供相应的操作建议,依托9座盾构隧道工程,选取5 075 101条盾构掘进状态的时间步数据,分别以盾构耗能最小和施工工期最短为决策目标,基于PSO算法对盾构机司机主动操作的刀盘转速和总推力两种掘进参数进行寻优,从而根据不同种类土的寻优范围给予司机实操建议,并对比优化前后的效果。研究发现:(1)以盾构耗能最小为决策目标优化后,刀盘转速和总推力的分布范围大幅度缩小,分布范围由大到小依次是砂层、土层和砾石层,掘进速度也有一定的提升。(2)以施工工期最短为决策目标优化后,刀盘转速的分布范围由大到小依次是土层、砂层和砾石层;总推力和掘进速度的分布范围由大到小依次是砂层、土层和砾石层。优化后能显著提高掘进速度,缩短工期。(3)以工期最短为决策目标的刀盘转速、总推力和掘进速度总体上大于以耗能最小为决策目标的刀盘转速、总推力和掘进速度。适当增加刀盘转速和总推力可以增加掘进速度,缩短施工工期。
2023 Vol. 60 (6): 165-174 [摘要] ( 31 ) [HTML 1KB] [PDF 3020KB] ( 150 )
175 杨 钊1,2 高如超1,2 姬付全1,2 陈培帅1,2 李明鹏3
基于SegFormer模型的盾构隧道管片间缝高精度测量
为高效准确地测量盾构隧道管片拼装缝隙,构建基于SegFormer模型的管片间缝分割算法,提取管片间缝的灰度空间分布信息,实现对图像特征从粗到精的编码,在捕捉局部精细特征的同时保留管片间缝的全局分布信息,从而提高算法的鲁棒性和准确性。研究表明,基于SegFormer的管片间缝分割算法测量精度在2~3个像素以内。为了便于管片间缝测量算法的应用推广,提出智能手机结合激光测距和双侧补光的方案,将算法部署到云服务器上,通过APP调用的方式实现现场管片间缝的快速测量。与人工测量结果的对比验证表明,利用具有10倍光学变焦性能的手机拍摄5 m以内的管片间缝,物理精度在0.5 mm以内,满足管片间缝测量规范的要求。
2023 Vol. 60 (6): 175-182 [摘要] ( 35 ) [HTML 1KB] [PDF 2899KB] ( 205 )
183 庞 龙1 郑 鑫1 付世荣1 周传岳2 张 瑨2
基于随机森林算法的复杂地质条件下盾构掘进消耗研究
为了明确复杂地质条件下地质参数对盾构掘进主要材料消耗量的影响,分别建立随机森林回归算法和随机森林分类算法模型,对油脂、人工、水、电的消耗量和同步注浆系数等参数与地质参数的关系进行模型训练和预测。结果表明:(1)压缩强度是影响人工、水、电和油脂消耗量最重要的地质特征参数,是影响同步注浆系数第二重要的参数;(2)盾构掘进主要材料的消耗量与压缩强度呈现明显的正相关关系;(3)以压缩强度作为单一分级指标,建立复杂地质条件下的盾构掘进定额分级标准,在对主要材料消耗量进行分类统计后发现,在软土地层掘进时的材料消耗量与浙江省定额标准值相近,而在较硬岩段掘进时各项材料消耗量均比标准值高2倍以上;(4)对于人工和水电等非实时记录数据,随机森林回归算法可以获得更加精确的分析结果;而对于油脂消耗量等实时记录数据,随机森林分类算法可以获得更好的预测效果。
2023 Vol. 60 (6): 183-191 [摘要] ( 30 ) [HTML 1KB] [PDF 4710KB] ( 209 )
数值分析与计算
192 张 钦1 苏金华2 李爱军1 徐彬彬1 闫晓磊1 刘 定1杨俊奇1 唐进涛1 李洪盛3
自由面预割缝下底切滚刀铣削破岩机理研究
为提高底切滚刀铣削破碎硬岩性能、降低其破岩载荷,建立预割缝下底切滚刀铣削破碎硬岩数值模型,研究不同铣削厚度和割缝参数(割缝间距、割缝深度)组合对底切滚刀破岩性能的影响规律,揭示预割缝对底切滚刀破岩的影响机制。结果表明,割缝间距和滚刀直径相同时滚刀铣削预割缝条件下的岩石可以等效为滚刀铣削无侧限压力岩石,与无割缝岩石相比截割力减小率降低超30%;底切滚刀铣削厚度和割缝间距的匹配关系对破岩比能的影响显著,在最佳破岩比能时其组合关系为截深20 mm、割缝间距100 mm;分析岩屑分形维数和破岩比能之间的关系,比能耗随着分形维数的增加呈线性增大。
2023 Vol. 60 (6): 192-198 [摘要] ( 31 ) [HTML 1KB] [PDF 5125KB] ( 166 )
199 司宁虎1 赵春鹏2 常 洲1 晏长根1 来弘鹏1 鲁志方3 谢万烨1
泥岩隧道仰拱长期稳定性分析——以新疆达坂地质区某隧道为例
以新疆达坂地质区某隧道为例,分析泥岩隧道仰拱的长期稳定性。通过基于隧道岩体结构、岩块强度和长期变形监测数据的分析,运用H-B强度准则和BP神经网络算法获取监测隧道岩体的力学和蠕变参数。借助FLAC 3D软件内置的CPOWER模型,建立典型断面的数值模拟模型,以分析泥岩流变效应下不同衬砌支护强度和仰拱曲率半径对隧道仰拱运营期稳定性的影响。结果表明:考虑泥岩流变时,隧道的主要变形是仰拱中心的隆起。 初次增大支护强度或减小仰拱曲率半径对改善隧道结构的受力、控制围岩变形以及加快围岩的稳定都产生显著效果;然而,随着支护强度持续增大或仰拱曲率半径持续减小,这种控制效果逐渐减弱。当将支护强度从I16工字钢逐渐增大到双层拱架时,仰拱中心的隆起量仍然有11.14 mm;而将仰拱曲率半径从16 m减小到14 m时,仰拱中心的隆起量从33.7 mm减小到3.37 mm,最终的位移满足隧道后期运营的要求。减小仰拱曲率半径比增大支护强度更能有效地从根本上控制仰拱中心的隆起,同时使围岩和支护结构的受力更加均匀;在施工阶段适当减小仰拱曲率半径后,隧道已处于相对平衡状态,流变效应对隧道的应力状态影响不大。
2023 Vol. 60 (6): 199-210 [摘要] ( 56 ) [HTML 1KB] [PDF 5460KB] ( 184 )
211 王志杰1,2 谢盛昊1,2 周飞聪1,2 王 磊 3 马志富4 杨昌贤4 林 铭1,2 范文昊1,2
寒区隧道不同排水系统结构形式下保温层作用效果及适用性研究
以哈牡高速铁路鲜丰隧道为例,探究施作保温措施后洞内环境温度以及隧道围岩温度等变量综合影响下的隧道温度场。基于不同的围岩初始温度以及洞内温度,提出相应的寒区隧道排水系统结构形式选择建议,以保障寒区隧道排水系统的安全与稳定。研究表明,同一条件下,设置保温层后排水系统各测点的温度值均有不同程度的提高;设置保温层后,对衬砌背后水管保温效果较好,而对侧边水沟及纵向水管保温作用效果有限;排水系统结构形式的主要区别体现在中心(深埋)水沟内的温度;根据洞内环境温度以及隧道围岩温度,可将寒区隧道排水系统结构形式选择划分为3个区域,分别为A区(无保温)、B区(中心水沟-保温)以及C区(中心深埋水沟-保温)。
2023 Vol. 60 (6): 211-219 [摘要] ( 25 ) [HTML 1KB] [PDF 6670KB] ( 221 )
220 杨春山1 杨雪强2 王雅甜2 林永贵1
建筑敏感区隧道破除抗滑桩进洞转换体系设计与施工方案优选
依托攀枝花阳光隧道,进行隧道开挖方案分析,并基于破除抗滑桩过程中围岩-结构受力特征,提出进洞转换体系设计方案。建立隧道开挖全过程精细计算模型,探讨不同工法对应的围岩、隧道及建筑物变形响应特征,综合考虑安全性、经济性、可行性及工期等多项指标进行方案优选研究,并进行现场实测验证。结果表明:在“扶壁式挡墙+抗滑桩”组合结构转换体系作用下围岩-结构位移得到有效控制且能满足整体稳定;预留核心土法施工较CRD法施工产生的力学扰动更明显,最大相差约40%,但两种工法开挖引起的地层、转换结构及建筑物位移均满足要求;隧道破除抗滑桩开挖阶段地层主要发生竖向位移,转换体系在紧贴截桩位置响应最明显,既有建筑向隧道侧发生微倾;原施工方案CRD法力学扰动小,但工程费用高、技术难度大、工序复杂、工期长,综合比选后采用预留核心土法进行施工。现场实测表明,所选方案具有合理性,依托工程取得了较理想的施工效果。
2023 Vol. 60 (6): 220-227 [摘要] ( 30 ) [HTML 1KB] [PDF 5883KB] ( 179 )
试验与监测
228 周泽卿1 王建国1 蒋新闻2 张丕云2 周青莲1
循环冲击下灰岩动态破坏的围压效应
为优化地下工程巷道围岩掘进爆破参数和控制爆破对围岩的扰动,亟需掌握围岩的动态力学特性和破坏、能耗等特征,借助分离式霍普金森压杆(SHPB)开展灰岩在三维动静组合循环冲击下的试验研究,分析一定轴压、不同围压和循环冲击耦合作用对灰岩峰值应力、动态抗压强度、破坏特征以及能量吸收率等的影响。结果表明:当轴压一定时,灰岩在相同冲击次数下的峰值应力和动态抗压强度随围压的增大先增大后降低,破坏程度随围压的增大先减轻后加剧,说明适当地增大围压会提高灰岩的抗冲击性能,但这种提高并不是无限的,围压过高会使灰岩的内部损伤劣化,进而降低其抗冲击性能;灰岩的能量吸收率随冲击次数呈多项式关系,其吸收的冲击入射能随着围压的增大先降低后升高,适当的围压会降低灰岩的吸收能,但过大的围压会使灰岩试样吸收能明显升高。因此,地下工程在爆破开挖前,可根据围岩应力检测判断围岩受力状态,进而预判不同单响药量下的破岩效果,为调整和优化爆破参数以及控制爆破对围岩造成的损伤和扰动提供理论支撑。
2023 Vol. 60 (6): 228-236 [摘要] ( 30 ) [HTML 1KB] [PDF 5377KB] ( 140 )
237 王承震1 丁万涛2,3 于文端1 王志成1 孙腾云1 王中荣2
越海泥水盾构隧道泥浆流变特征试验研究
针对目前不同因素作用下海水泥浆流变特征及流变方程不明的问题,选取两种典型的增黏剂开展一系列室内流变试验,探究不同增黏剂含量及环境温度对海水泥浆流变参数的影响规律,并从微观层面揭示泥浆流变参数变化机理。结果表明:相较于羧甲基纤维素钠(CMC),同等含量的增黏剂聚阴离子纤维素(PAC)具有更好的海水泥浆流动性增强效果,可显著提升泥浆黏度和物理稳定性,含0.4%PAC、12%钠基膨润土的海水泥浆的黏度有较大程度提升;不同PAC含量下海水泥浆流动模式均符合幂律模型,且随温度的升高,其稠度系数k和流变指数n分别呈下降和增加趋势;微观角度上,增黏剂分子链上的羟基与膨润土颗粒之间相互作用形成分子内氢键,是增黏剂起到增强泥浆流动性作用的主要原因。
2023 Vol. 60 (6): 237-245 [摘要] ( 34 ) [HTML 1KB] [PDF 5990KB] ( 161 )
规划设计与施工
246 崔光耀1 韦宜霏1 熊 泳1 王道远2,3 田小路4
临近导热断层高岩温隧道施工环境温度控制技术研究
为研究临近导热断层高岩温隧道施工环境温度控制技术,依托某高岩温隧道工程,对机械通风、机械通风+冰块、机械通风+喷雾、机械通风+冰块+喷雾等方案的降温效果进行研究。结果表明,机械通风量越大,降温速度越快,降温温差越大;当机械通风量增加到一定程度后,隧道环境降温效果提升不再明显,需采取其他辅助措施进行进一步降温;冰块辅助降温时用冰量越大,降温速度越快,降温效果越明显;机械通风+冰块+喷雾控温方案平均降温速度为5.37 ℃/min,降温温差为53.74 ℃,稳定环境温度为26.26 ℃,对隧道施工环境温度的控制效果最好;现场采用该控温方案后,掌子面岩温降至46.1 ℃,洞内环境温度在25~27 ℃间,符合规范要求。
2023 Vol. 60 (6): 246-254 [摘要] ( 31 ) [HTML 1KB] [PDF 4652KB] ( 155 )
255 刘泉维1,2 杨 星3 叶守杰1,2 江玉生3 赵继增1,2 谭卓林4 杨志勇3
地铁双护盾TBM隧道穿越富水断裂带管片壁后回填注浆技术研究
城市地铁双护盾TBM在富水断裂带地层掘进时易面临涌水、围岩自稳性差等问题,而对管片壁后与围岩的间隙进行同步注浆既能够起到止水,又能够起到加固和及时支护围岩的作用。基于此,设计TBM盾尾封堵板结构,提出豆砾石吹填与同步注浆回填的新型施工工艺。首先通过室内试验确定同步注浆浆液的最优配比,然后依据管片预留孔点位及围岩与管片之间的间隙体积提出“三步吹填豆砾石”和“三次注浆”的回填工艺,最后进行现场应用。结果表明:同步注浆浆液的最佳A液配比为粉煤灰∶水泥∶水=2.5∶1∶2,其结石率可达95%,A液∶B液=1∶1的双液浆初凝时间短、抗水稀释能力强;现场采用该工艺后,豆砾石吹填饱满,回填体结构完整,成型隧道结构稳定,管片沉降控制效果良好,无渗漏水现象。
2023 Vol. 60 (6): 255-261 [摘要] ( 32 ) [HTML 1KB] [PDF 3320KB] ( 186 )
新型材料与设备
262 肖明清1 钟元元2 陈 鹏3 王 峻4 戚兆臣5 张卫斌6
盾构隧道管片接缝密封垫气密性提升试验研究
基于Roth模型建立的密封垫接触面气体泄漏模型,研究盾构隧道管片密封垫表面粗糙度与气密性的关系。采用渗氮、激光强化和超声波抛光改善管片弹性密封垫成型口模表面粗糙度,进而改善挤出成型密封垫的表面质量,并进行试验验证。研究表明:气体泄漏率能作为密封垫防气能力的评价指标;口模抛光后制造的密封垫摩擦系数比未抛光口模制造的密封垫摩擦系数降低7%~9%,摩擦系数减小能有效降低密封垫装配时发生的形变;抛光口模挤出的密封垫比未抛光口模挤出的密封垫有更好的防气能力,其防气性能提高10%左右。
2023 Vol. 60 (6): 262-268 [摘要] ( 27 ) [HTML 1KB] [PDF 3373KB] ( 198 )
269 陈 鑫1,2,3 殷苏鑫2
氧化钙-碳酸钠复合激发矿渣灌浆材料流变特性研究
浆液流型及流变参数的时变规律是建立注浆扩散理论模型的前提。为探究氧化钙和碳酸钠复合激发矿渣灌浆材料流变特性,首先采用氧化钙和碳酸钠(物质的量比为1∶1)为激发剂制备出析水率和结石体抗压强度优于42.5号普通硅酸盐水泥浆的新型灌浆材料,接下来采用旋转黏度计对不同水胶比、不同水化时间灌浆材料的流变特性进行测试,基于测试结果探讨了水胶比、水化时间对灌浆材料流型及流变参数的影响规律。结果表明,水胶 比对氧化钙-碳酸钠复合激发矿渣灌浆材料流变模式有较大影响,水胶比为0.60~1.00的灌浆材料流型不是某种单一流型,分属宾汉姆流体、牛顿流体。塑性黏度和屈服应力随水胶比增大呈幂函数关系减小。与水泥基注浆材料类似,氧化钙-碳酸钠复合激发矿渣灌浆材料在注浆过程中流型保持不变,只是流变参数随水化时间发生变化。灌浆材料水胶比越大,水化时间对剪切应力与剪切速率关系、流变参数量值影响越小。与水泥基注浆材料不同的是,新型灌浆材料塑性黏度随水化时间变化规律符合幂函数而非指数函数。水胶比为0.60、0.65的浆液屈服应力随水化时间增加呈线性增大,而水化时间对水胶比为0.70、0.75的浆液屈服应力影响不显著,可认为屈服应力无时变性。水胶比为0.80、0.90、1.00的牛顿型浆液的黏度随水化时间增加而略微增大,但是变化幅度较小,可认为黏度无时变性。
2023 Vol. 60 (6): 269-277 [摘要] ( 64 ) [HTML 1KB] [PDF 4675KB] ( 184 )
现代隧道技术
 

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关于召开“一带一路”西北国际智能交通发展大会高峰论坛暨交通产业博览会的通知
《现代隧道技术》编辑部声明
“全国公路科普教育基地公路节能照明与安全防灾新材料试验室科普传播委员会”暨“安徽中益新材料科技有限公司专家技术委员会”在皖成立
第十届全国运营安全与节能环保的隧道及地下空间科技论坛一、会议须知
国际隧协2018颁奖大会璀璨落幕 中国力压群芳收获五大奖项
《现代隧道技术》编辑部公告
《现代隧道技术》编辑部声明
《现代隧道技术》杂志专栏征稿启事
2020 中国隧道与地下工程大会(CTUC) 暨中国土木工程学会隧道及地下工程分会第二十一届年会征文通知
2019 年第十届全国运营安全与节能环保的隧道及地下空间科技论坛(1 号通知)
关于召开“粤港澳大湾区地下空间大会暨2019 第五届(深圳)城市地下空间、综合管廊技术创新论坛”的通知
关于启用“科技期刊学术不端文献检测系统”的通知
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