环城北路-天目山路快速路采用大直径(13.46 m)盾构下穿既有运营地铁隧道,根据既有地铁隧道的长期监测结果,结合上软下硬的复杂地层分布特征及快速路大盾构与地铁隧道的空间位置关系,分析近距离下穿的可行性,提出采用全方位高压喷射(metro jet system, MJS)桩从地面对既有地铁隧道周边地层进行加固、洞内注浆加固等措施,利用FLAC^3D有限差分软件对整体应对措施的有效性进行验证,对现场实施及实际监测结果进行分析。实践证明:大直径盾构在上软下硬地层中小净距下穿既有地铁隧道的方案可行,采用MJS地面加固既有隧道周边地层、洞内注浆加固等应对措施有效,可为类似工程施工提供借鉴。

采用一种侧向加载模型箱,开展了隧道位于黄土中(工况1)和隧道被黄土中潜在滑动面贯穿(工况2)两种工况的模型试验,研究了边坡变形过程中隧道衬砌的受力特性,分析了坡体变形、隧道围岩压力变化以及衬砌弯矩变化等规律。结果表明:两种工况下隧道衬砌临近坡面一侧附近围岩均易形成脱空区,工况1脱空区最大宽度约为1 cm,工况2约为2 cm,工况2中脱空区远大于工况1,相对增幅达到100%;工况2衬砌弯矩峰值相较于工况1增幅明显,相对增幅为159.33%,最大增幅位于临近坡面侧拱脚区域,边坡中潜在滑动面的滑动显著增大了隧道衬砌破坏的可能性。

针对隧洞施工过程中易发生的突涌水灾害,通过统计引水隧洞突涌水案例,分析隧洞突涌水的内在规律;分别采用长短期记忆神经网络LSTM(long short-term memory)、Elman神经网络和基于偏最小二乘法的多元线性回归等方法进行隧洞施工涌水量预测,并与隧洞施工实际的涌水量进行对比验证,得到预测隧洞涌水量最优方法。结果表明:突涌水事故更易在浅埋隧洞(道)、长隧道、特长隧道中发生,且易发生在断层、岩溶和可溶岩等地层。对比3种不同模型的预测结果与隧洞施工期的涌水量,LSTM模型预测涌水量精度更高。

采用PFC^3D对选取的5种不同强度的岩石在不同的侧压系数、刀间距和贯入度下分别进行三滚刀破岩数值计算。数值模拟中记录破岩过程的裂纹扩展图和监测不同工况下滚刀破岩过程中的法向力、滚动力和试样破坏的颗粒数量。通过对不同工况下裂纹扩展分析和滚刀破岩比能计算得到如下结论:裂纹扩展图显示,滚刀破岩的过程中存在最优s/p(s、p分别为刀间距、贯入度);随着侧压系数的增大,滚刀破岩效率降低;在侧压系数为0.8、1.0、1.2、1.6时,5种不同强度岩石均在s/p=10时滚刀破岩效率高,侧压系数为1.4时,均在在s/p=12.5时破岩效率高。

以潜江储气库超深地层盐岩为具体研究对象,利用MTS815岩石力学测试系统,开展单轴压缩试验。试验发现:盐岩单轴压缩过程未表现出明显的压密阶段,整个应力-应变曲线可分为较短的初始无损弹性阶段、损伤快速积累的塑性平台阶段、损伤继续发展的峰后阶段等。基于盐岩单轴压缩变形和破坏过程,建立损伤演化数学模型,该模型与试验曲线吻合度较高,能够较好地反应潜江深部盐岩的应力-应变过程及损伤演化过程。针对超深地层盐岩在单轴压缩下的劈裂破坏,给出力学解释。研究成果对地下盐穴储气库的建设具有一定的指导意义。

以渭武高速木寨岭公路隧道为工程背景,通过典型大变形灾害实录和岩体特性等,分析高应力炭质板岩隧道的大变形特征及其机理。研究结果表明:炭质板岩隧道主要存在常规型和突发型两种大变形模式;揉皱发育的炭质板岩段大于薄层单斜构造炭质板岩段大于层状炭质板岩夹砂质板岩段(互层段);炭质板岩的变形机理主要有板梁弯曲变形、互层状结构顺层滑移和塑性流动,其中揉皱发育段以塑性流动为主,薄层单斜构造段以板梁弯曲变形为主,而互层段则以顺层滑移为主。

基于破碎比能原理,理论分析得到影响刀盘和地层相互作用的主要因素为刀具大小和间距、地层材料性质、贯入度。提出了刀盘缩尺,但刀具大小和间距、地层材料性质、贯入度与原型保持一致的模型试验设计方法。针对首次采用小盾构先行大盾构扩挖的深圳14号线肿瘤医院站工程,设计并实施盾构在人工复合地层中的模拟掘进试验,根据试验结果预测的原型盾构机推力和扭矩与工程现场监测结果一致,验证了这种试验设计方法的可靠性。研究成果建立了盾构掘进模拟试验和原型掘进过程中物理量间的量化关系,为盾构掘进模型试验设计提供了一种可靠方法。

采用一种新型的无网格化方法——近场动力学理论,在微观弹脆性本构模型(prototype microelastic brittle, PMB)基础上,引入可反映长程力作用强度随物质点间距变化的核函数,通过Fortran语言编写高地应力状态下岩石双孔爆破的数值求解程序,研究不同炮孔间距、不同地应力状态和不同侧压力系数下岩石双孔爆破动态破坏过程,获得岩石双孔爆破时裂纹萌发、扩展、贯通的全过程。结果表明:随着炮孔间距从100 mm增加至200 mm,开裂区面积由306.59 cm²增大至449.07 cm²,但当炮孔间距增加至200 mm时,双孔之间产生的裂纹不能连接贯通;在静水地应力水平下,随着地应力的增加,裂纹扩展时间减少,损伤起始时间滞后,损伤面积由123.24 cm²减小至32.96 cm²,主裂纹扩展长度由87.73 mm减小至14.42 mm;非静水地应力水平下,爆生裂纹扩展倾向于最大主应力方向,随着侧压力系数增加、损伤面积减小,裂纹扩展的方向性越明显。地应力对岩石爆破开裂起抑制作用,非静水地应力水平对裂纹的扩展具有导向作用。在实际爆破开挖中,选择合适的炮孔间距,沿最大主应力方向布置炮孔有利于形成良好的爆破开挖面,提高破岩效率。

采用自主研制的隧道多功能模型试验装置,研究降雨作用下断层隧道突水突泥灾变演化过程;基于表观速度的多孔介质动量方程模拟多孔介质区内部的压力损失,研究降雨强度、断层倾角、断层方位以及围岩级别对断层隧道突水突泥灾害的影响规律。结果表明:降雨强度越大,雨水对围岩的软化作用越强,对断层隧道围岩的危害越大;相同降雨强度下,断层倾角越大,对隧道的危险性和破坏性越大;相同降雨强度下,断层穿过隧道时不利于隧道围岩稳定;相同降雨强度下,渗透系数越大,围岩越不稳定,发生突水、塌方灾害的概率越大;且试验结果与数值模拟结果具有较好的一致性。该研究对加深断层隧道突水突泥的认识,提出有效控制措施,具有重要的理论意义和工程应用价值。

基于图像处理的地铁隧道灾害识别受地铁隧道管片表面遮挡物的影响,导致灾害特征识别不准确。为减少遮挡物对灾害识别的影响,根据地铁隧道表面各类遮挡物的特点,使用Mean-shift目标跟踪算法确定遮挡物中心位置进而确定其区域,并利用级联分类器对遮挡物进行快速识别,将所有遮挡物标记。本方法能够快速将地铁隧道管片图像中遮挡物进行识别并标记,存在未能准确识别情况时,算法会智能提示并记录未识别的图像便于后续人工辅助标记。试验表明,本方法可以快速批量处理地铁隧道管片图像,在地铁隧道灾害识别中,可以避免遮挡物区域的影响,具有一定的工程实用性。