随着黄河流域生态保护和高质量发展战略实施,跨黄通道建设需求持续增长,公铁合建隧道修建及运营保障成为核心技术挑战。采用模型试验、数值模拟以及工程类比法,总结济南市济泺路穿黄隧道及其北延隧道工程的设计关键技术与运营保障方案。结果表明,创新采用协同疏散与集约化通风设计,实现通道资源和空间高效利用;构建“管片+内部结构”力学模型,研发环间抗剪结构与一体化防水体系,使管片结构安全系数提升25.3%~33.6%;建立管片破损面积与防淹门关闭时间的量化关系;推行内部结构预制装配化方案,在控制断面直径的同时,提升隧道内部结构施工效率;搭建管片结构实时监测体系与隧道智能运维管控平台,提升隧道运营的精细化管理与通行安全能力。研究成果可为黄河中下游以及类似跨江越海的超大直径盾构隧道工程设计与修建提供技术参考。

为明确隧道衬砌在火灾下的损伤机理与抗火性能,系统梳理了近年来国内外隧道衬砌抗火技术的研究进展,为隧道工程抗火设计与安全保障提供参考。通过综合分析相关文献与工程案例,重点总结混凝土火灾剥落机理、衬砌结构高温性能演化规律、现有抗火措施的特点与局限以及未来发展趋势。分析表明,混凝土高温剥落主要由蒸汽压力、热应力及热开裂共同作用所致,其高温性能呈现明显的热工与力学性能退化。传统抗火措施如被动防火、材料改性与构造增强虽应用广泛,但普遍存在耐久性差、维护成本高及防火与承载功能不协同等问题。新兴的微胶囊自抗火混凝土技术和智能预警与孪生技术,前者通过内置微胶囊与混杂纤维的协同实现结构火灾下的自主防护,后者以人工智能与数字孪生为核心赋予结构感知预警能力,代表抗火技术向智能化、自防护、一体化方向发展的新趋势。

为研究大直径泥水盾构双线下穿铁路堤坝施工沉降问题,探讨盾构下穿施工过程中铁路的沉降变形规律,本研究依托济南市济泺路穿黄北延隧道工程开展相关研究。综合利用数值模拟、理论分析与现场监测手段,具体设置15%、20%、25%等3种不同应力释放率的工况并开展分析。研究结果表明:铁路的沉降量总体与应力释放率呈正相关关系,但在铁路中心处该相关性减弱甚至局部呈相反趋势;地面沉降是由盾构穿越前后整个过程中逐渐积累形成的,沉降变化最大的阶段发生在盾构穿越前后10~20环之间;通过构建地层体积损失与应力释放的关系,对比Peck理论与数值模拟沉降规律,发现数值分析所得的沉降预测结果整体大于现场实际监测数据。基于上述结果得出结论,本研究所采用的模型与分析方法具备一定的安全富裕度,能够为安全预测大直径泥水盾构施工沉降风险提供有力的分析工具。

针对长大穿黄隧道环境状态难以综合感知、火灾发展态势难以动态掌握以及应急疏散决策依赖固定预案等问题,提出一种面向复杂隧道场景的智慧防灾方法,构建由环境参数感知、火情监控预警、火灾态势重构和动态应急疏散组成的隧道智慧防灾系统。首先,融合隧道环境监测数据与短时交通预测结果,建立基于模糊控制的综合污染评价与通风辅助调控方法。其次,构建基于多源监测数据融合的火情监控预警模型,利用GA-BP(genetic algorithm-backpropagation)神经网络识别明火、阴燃火及非火灾状态,并结合分级决策方法形成火情预警指令。在此基础上,利用长短期记忆网络挖掘温度时序数据与火灾演化参数之间的映射关系,动态预测火源位置和热释放速率等关键火情信息。进一步结合多智能体疏散仿真方法,综合考虑烟气、能见度、有毒气体及人员行为等因素,生成随火场环境和人员分布动态更新的疏散方案。以济南黄河隧道为工程背景开展系统构建与验证。结果表明,火情监控预警模型在典型模拟工况下较传统温差阈值方法提前约20 s达到报警判据,LSTM(long short-term memory)模型在温度数据完整和部分高温测点数据缺失条件下,热释放速率(heat release rate, HRR)预测决定系数分别达到95.9%和93.7%,16组典型疏散工况的总疏散时间为654~780 s。研究结果表明,该系统能够实现环境状态感知、火情预警、态势重构与动态疏散决策的连续联动,可为复杂隧道智慧防灾系统建设和火灾应急管理提供工程参考。

隧道结构变形不仅包含几何变形,还涉及管片自身弹性变形与接头张开引发的刚性变形,为保障超大直径盾构隧道施工安全,解决单一监测方法难以兼顾实时性与精度的技术问题,提出一种基于软硬件实时交互的管片变形监测算法,通过卡尔曼滤波融合应变与转角数据,获取管片实时绝对收敛信息。该算法在济南黄河隧道工程中得到应用,并经激光扫描数据验证。结果表明,该融合算法可有效抑制传感器噪声,监测精度较传统方法提升30%以上,兼具良好的实时性与稳定性,为大直径盾构隧道的变形监测提供新的技术思路。

盾构法施工产生的大量渣土堆置易引发土地资源占用、扬尘污染及滑坡等环境与安全问题。现有渣土陶粒研究多聚焦单一配方,对粉煤灰、秸秆等不同外加剂的改性作用规律及微观性能调控机理缺乏系统剖析。本研究以济泺路穿黄隧道盾构渣土为主要原料,分别引入粉煤灰、秸秆作为外加剂,制备纯渣土、粉煤灰复合、秸秆复合3类陶粒,系统探究烧结温度、时间及材料配比对陶粒烧失量、堆积密度、筒压强度等性能的影响规律,结合扫描电子显微镜(scanning electron microscope, SEM)、能谱仪(energy dispersive spectroscopy, EDS)及核磁共振孔隙测试揭示微观结构与性能的内在关联。结果表明,纯渣土陶粒在1 100 ℃烧结、小粒径(≤10 mm)时筒压强度最优(10.8 MPa);质量分数50%的粉煤灰复合陶粒在900~1 100 ℃区间力学性能突出(18.2 MPa);质量分数10%的秸秆复合陶粒可在250 ℃、20 min低温条件下成型,吸水率达27.69%。3类陶粒微观结构差异显著,分别呈致密、胶凝均匀、松散多孔特征,元素组成与原料及烧结工艺密切相关。本研究为盾构渣土资源化利用提供了新路径。

为解决盾构隧道行车道下方安全疏散通道的临界防烟风速计算问题,本研究建立基于Froude数的理论计算模型,并结合火灾动力学模拟器(fire dynamics simulator, FDS)数值模拟与缩尺寸试验进行验证。通过理论推导,构建包含隧道纵向风速、火源功率及隧道高度的临界防烟风速隐式控制方程。结果表明:临界防烟风速随隧道纵向风速增大而线性降低,随火源功率升高而线性递增,随隧道高度增加呈指数型衰减;确定了控制烟气侵入的临界Froude数为12;1∶10缩尺寸模型试验验证理论公式的准确性,计算值与实测值偏差≤0.05 m/s。研究成果可为盾构隧道安全疏散通道加压送风系统设计提供理论依据。

为揭示软硬不均地层条件下盾构隧道的纵向力学响应与损伤演化规律,以济南黄河济泺路隧道为工程背景,建立盾构隧道纵向三维精细化数值计算模型,基于衬砌整体损伤指标,研究河床淤积附加荷载作用下隧道的变形特征、损伤发展规律及破坏机制,并开展纵向残余顶推力和螺栓直径的参数敏感性分析。研究结果表明:软硬地层承载能力差异导致隧道在软硬交界面产生显著纵向不均匀变形,环缝呈现硬土侧张开、软土侧错台的特征,且变形随附加荷载增大而加剧;软硬交界面是结构变形与损伤最为敏感的区域,衬砌压缩损伤主要集中于交界面,拉伸损伤则主要分布于软土侧,管片环横向变形是诱发拉伸破坏的关键因素;纵向残余顶推力和螺栓直径均可提高隧道纵向刚度,但二者对结构响应的影响机制存在差异,其中纵向残余顶推力对变形控制和损伤演化的影响更为显著,有利于减小纵向变形和环缝错台,但会加剧局部压缩损伤及软土侧拉伸损伤,而增大螺栓直径则有助于抑制管片横向变形并降低拉伸损伤。研究表明,软硬交界面是盾构隧道结构安全控制的关键部位,纵向残余顶推力是影响结构受力状态与损伤发展的重要因素。研究成果可为软硬不均地层盾构隧道的设计、施工及运营安全评估提供参考。

为研究黄河流域典型粉质黏土地层中超大直径盾构工作井的复杂三维空间效应,依托黄河流域济南境内某盾构工作井深基坑,采用数值模拟和现场实测,系统研究不同长宽比及环框梁竖向设置位置对基坑空间效应的影响,揭示了盾构工作井围护墙变形及地表沉降规律。结果表明:当工作井长宽比L/B≤2时,围护墙体最大水平位移和地表沉降变化最显著;当工作井长宽比L/B>2时,变形趋于稳定,最大水平位移基本不随长边尺寸增大而增加。相对于施工期,服役期间环框梁位置对于基坑的影响更大。将最下道环框梁设置于围护墙最大变形区域附近,可有效提升整体变形控制效果。研究成果可为类似地质条件下盾构工作井的设计与施工提供理论依据与实践参考。

为揭示列车循环动载作用下新建盾构隧道并行下穿既有公路隧道的长期沉降规律,实现对既有隧道结构安全的准确分析评估。以济南轨道交通M2线穿黄隧道为工程依托,通过室内动三轴试验获取土体动力变形参数,构建适配本工程的土体累计塑性变形沉降分析模型;采用动力有限元数值模拟方法,系统分析不同隧道净距条件下地层动应力分布特征及既有公路隧道长期沉降响应规律。模拟结果显示,动载影响下地层动应力主要集中于新建盾构隧道底部10 m范围内,达到地层动应力变化量的60%~70%;既有公路隧道沉降随并行隧道间距增大呈上升趋势,汽车动载贡献占比表现为先增大后减小的变化特征;基于多组工况计算结果,拟合得到循环荷载作用下盾构隧道变间距并行下穿既有公路隧道的沉降量与隧道净距的定量关系式。所建立的分析模型与拟合公式可直观反映隧道间距对长期沉降的控制作用,相较于常规经验方法更贴合近距离并行隧道工程场景,能够为同类盾构下穿施工的长期沉降分析与安全控制提供更具针对性的理论依据与计算方法。

为精准感知粉质黏土地层超大直径盾构掘进诱发的地表变形情况,有效控制开挖面前方地表变形风险,本研究考虑地层厚度和隧道埋深等因素,对土体物理力学参数进行修正;采用MATLAB软件建立反向传播(back propagation, BP)神经网络、支持向量机(support vector machine, SVM)和随机森林(random forest, RF)3种地表变形预测模型;并通过交叉验证法、网格搜索法和经验公式确定地表变形预测模型的最优超参数组合。依托济南黄河济泺路粉质黏土地层超大直径隧道工程,对盾构掘进诱发地表变形进行智能预测分析,并采用均方误差(mean square error, E_MS)、均方根误差(root mean square error, E_RMS)、平均绝对值误差(mean absolute error, E_MA)和决定系数(coefficient of determination, R²)对预测结果的准确性进行评价。研究结果表明,随机森林模型预测误差最小,BP模型预测误差次之,支持向量机模型预测误差最大且泛化能力相对较弱。相关研究成果可为类似工程地质条件下超大直径盾构掘进诱发地表变形智能预测提供借鉴参考。

为明确隧内结构施作时机对大直径盾构隧道横向力学性能的影响,以济南黄河隧道为工程背景,建立管片-隧内结构三维实体有限元模型,以管片椭圆度表征隧内结构施作时机,设置管片椭圆度达到3.5‰、4.0‰、4.5‰和5.0‰时施作隧内结构的4种工况,对管片、隧内结构及螺栓的变形与受力特征进行对比分析。结果表明:隧内结构施作越早,管片衬砌的变形量和Mises应力越小,管片结构安全性越高;隧内结构过早施作会使其自身分担更多荷载,使车道板变形增大;隧内结构施作越早,螺栓应力分布越均匀且整体应力水平越低;隧内结构对管片环的约束作用在拱腰位置发挥了更大的作用,不同施作时机时管片环拱腰位置变形量基本不变。

针对济泺路穿黄北延隧道运维管理对象复杂、数据来源异构、环境高湿高压封闭、应急响应时效要求高等问题,研发并提出一套集感知、分析、预测、决策、联动与反馈于一体的智能运维管理平台。平台构建了由感知层、数据层、模型层和应用层组成的总体架构,建立统一运维对象标识与信息映射机制,实现结构、设备、环境、交通及运维业务数据的标准化治理与深度融合;结合多源感知、机器学习、规则引擎和BIM(building information modeling)轻量化技术,形成交通态势预测、设备故障诊断、环境风险预警、三维可视化展示及应急联动处置等核心功能。研究表明,该平台可有效提升水下隧道运维效率、预测预警能力与应急处置水平,可为城市水下隧道智能运维提供工程参考。

为确定双层侧部重点排烟盾构隧道的结构防火保护范围,基于德国道路隧道升温曲线(richtlinien für die ausstattung und den betrieb von straßentunneln, RABT)反演确定上层35 MW、下层30 MW的火灾热释放速率,并采用火灾动力学模拟器(fire dynamics simulator, FDS)建立隧道数值模型,设置15 MW常规火灾与标准火灾、排烟有效与失效等多工况,开展火灾温度场与耐火极限区域模拟。结果显示,上层隧道拱顶耐火极限最大面积为512 m²,需对拱顶横向10 m、竖向自顶部向下 2 m范围实施防火保护,侧墙无超温区域;下层隧道顶板最大面积为498 m²,侧墙在最不利工况下超温范围自顶板向下延伸2.5 m,需对顶板横向10 m及侧墙竖向2.5 m范围实施防火保护。上述结论可为同类双层盾构隧道侧部重点排烟模式下的结构抗火设计提供量化依据。

为揭示盾构始发工作井基坑开挖与吊装施工中土体应力演化规律,明确主应力轴旋转对土体力学特性的影响,以济南市黄河隧道盾构始发工作井为工程背景开展研究。采用理论分析与应力路径三轴试验相结合的方法,确定不同区域土体应力路径边界条件,分析坑内外土体主应力演化与轴旋转特征。结果表明,引入大主应力偏转角α的p-q-α三维应力路径,相比传统仅考虑平均压应力p与广义剪应力q的二维描述,可更全面反映复杂施工工况下土体真实应力状态;基坑开挖阶段坑内土体以竖向卸荷为主,平均压应力降低、广义剪应力增大,大主应力轴阶跃式顺时针旋转近90°,旋转幅度随距基坑中心距离增大而衰减,空间效应显著;坑外土体以侧向卸荷为主,广义剪应力基本稳定,主应力轴旋转幅度较小;坑内主应力轴旋转引发的强度与刚度劣化效应需在基坑变形与稳定性分析中重点考虑,坑外可近似忽略。研究成果可为深基坑工程设计与安全管控提供理论支撑。