通过在引绰济辽工程二标隧洞段隧道掘进机(tunnel boring machine, TBM)刀盘上搭载刀盘状态监测系统,实现TBM掘进中滚刀磨损的实时监测。基于监测系统的实时滚刀磨损记录,获得单滚刀全寿命磨损规律。将单滚刀全寿命磨损过程分为低速磨损、加速磨损和均速磨损3个阶段,磨损过程中刃宽变化对滚刀速率影响显著。通过在TBM掘进过程中跟踪记录岩体条件,结合TBM掘进参数和监测数据,分析地层参数和掘进参数对滚刀磨损速率的影响。结果表明:滚刀破岩体积磨损速率较适合用于衡量滚刀磨损速率;岩石磨蚀性、岩体完整性和岩体可掘性指数是影响滚刀磨损速率的关键参数,可为将来精细滚刀磨损预测模型研究提供依据。

为探讨空气间隔装药周边眼爆破的等效爆破荷载,在LS-DYNA平台上建立空气间隔装药的双孔周边眼模型,对其爆破瞬态过程展开流固耦合的精细化模拟。装药段炮眼周边岩体受爆炸应力冲击作用而粉碎,随后两股爆炸应力叠加产生的合成拉应力促使主裂缝沿炮眼连心线萌生并最终贯通;炮眼连心线上各测点的压力-时程曲线大致呈三角形,且各测点压力峰值随爆源距离迅速衰减。空气段炮眼周边不存在粉碎区,合成拉应力仍可促使主裂缝萌生并贯通;炮眼连心线上各测点的压力时程曲线呈现多峰形态,其压力峰值相较于装药段大幅降低,持时明显增长。将真实爆破荷载峰值沿炮眼连心线方向平均化为等效爆破荷载峰值,形成阶梯型等效爆破荷载。该等效爆破荷载既体现了真实爆破荷载的主要特征,又做出了充分简化,可为后续远场振动效应的数值模拟分析提供基础支撑。

针对采用Mohr-Coulomb强度准则研究黄土隧道围岩应力及位移可能会引起较大误差的问题,综合考虑黄土抗拉和抗剪强度特性的二次抛物线型强度准则,推导黄土隧道围岩应力及位移计算新解。分析表明:隧道围岩切向应力在弹塑性交界面处出现峰值,基于二次抛物线型强度准则的切向应力峰值比基于Mohr-Coulomb强度准则的切向应力峰值减小6.1%,且前者的塑性区应力小于后者;黄土隧道围岩塑性区半径随支护反力的减小而增大,当支护反力较小时,前者的塑性区半径大于后者,且支护力越小,两者相差越大;黄土隧道周边位移随支护反力的减小而增大,前者的隧道周边位移大于后者,且随支护反力的减小,两者差异逐渐增大;将不同强度准则下的黄土隧道围岩应力与模型试验结果进行对比发现,基于二次抛物线型强度准则的黄土隧道围岩应力与模型试验结果较吻合。表明基于二次抛物线型强度准则的黄土隧道围岩应力、塑性区半径及隧道周边位移更加贴近工程实际。

针对地铁隧道复杂渗漏水图像区域识别准确度低的问题,基于深度学习的渗漏水病害图像智能识别算法理论,分别研究并搭建U形网络(U-Net)和金字塔场景解析网络(PSP-Net)进行对比试验。基于采集的地铁隧道图像,建立复杂隧道渗漏水病害图像样本数据集,该数据集包含5 000张地铁隧道病害图像,其中4 000张人工标注图像数据,针对渗漏水图像特征,进行U-Net和PSP-Net网络模型的构建,同时使用自制数据集进行渗漏水图像的对比试验。通过对U-Net和PSP-Net网络的预测结果进行准确度评估,分析两者在渗漏水病害识别的性能,U-Net结构对渗漏水目标具有更强的覆盖性,适用于渗漏水区域的快速巡检;PSP-Net具有更高的精确度,适用于渗漏水的精细化检测。

通过对比23处盾构法隧道与44处新奥法隧道围岩压力的现场测试统计数据,研究盾构隧道围岩压力与埋深、洞径、地层类别之间的联系,分析盾构隧道围岩压力与新奥法隧道围岩压力之间的区别,进一步厘清盾构法隧道围岩压力的特性。通过计算分析,研究各围岩压力计算公式对盾构法隧道的适用性。分析发现:盾构隧道围岩压力随埋深增大的规律,且黄土与粉质黏土地层隧道的围岩压力明显小于含有砂性土的地层。随埋深及开挖洞径的增加,新奥法隧道的围岩压力呈现出较明显的增大趋势。盾构法与新奥法隧道围岩压力差异较大,盾构法衬砌支护更为及时,盾构隧道的围岩压力明显大于新奥法隧道,围岩压力沿洞周的分布更加均匀,盾构隧道的围岩压力更倾向属于形变压力。

为解决中老铁路沙嫩山二号隧道双线段大变形问题,引入限阻耗能型支护设计原理,从合理利用围岩峰后承载能力的角度出发,设计符合现场工况的限阻耗能型支护方案。结合试验段的初支工作状态、结构变形及内力监测结果进行综合分析,验证采用限阻耗能支护结构治理炭质板岩地层隧道大变形的合理性。结果表明:隧道开挖后,系统能量主要通过围岩塑性应变能耗散,支护耗散的能量是有限的,若能充分利用围岩的塑性变形能力,通过围岩自身耗散能量,有利于完成能量的守恒与转换,从而降低围岩压力;限阻耗能型支护属于受压屈服型控制体系,适用于受形变压力控制的小偏心受压环境,在降低后的围岩压力下辅助围岩在弹塑性状态下耗散能量而不破坏;限阻耗能型支护在沙嫩山二号隧道双线段得到成功应用,相比“强支硬顶”,大幅度降低了围岩压力,在不加强初支参数的情况下避免了初支开裂、钢架屈曲等问题,在保证安全的前提下提高了工程的经济性。

为了应对突发火灾,减少火灾带来的损失,有必要探明高温下密封垫的性能变化趋势以及高温后密封垫的力学性能和密封性能。对接缝防水密封垫材料及断面构型的选用现状调研分析;考虑高温作用对现有密封垫材料性能的影响,设计开展多工况的材料热氧老化试验。研究发现:工程界倾向于采用三元乙丙(EPDM)材质的谢斯菲尔德型密封垫,孔型多为圆形双排孔;在不同温度工况下老化后,中、低硬度(40 HA、60 HA)的EPDM材料材性整体呈下降趋势,而高硬度(80 HA)的EPDM材料存在拉伸强度先提升后下降的规律;高温老化后的EPDM材料会产生较大的材性损失,会在材料层面影响管片接缝密封垫的密封性能,降低接缝长期防水可靠性。研究成果对于科学评价盾构隧道接缝密封垫服役性能演化规律具有指导意义。

为了探究砂土的剪切特性,通过有限元方法,采用亚塑性本构模型模拟砂土的三轴压缩试验并进行准确性验证。利用该模型分析砂土土体初始条件对砂土剪切力学特性的影响。研究结果表明亚塑性模型准确性较高,能够反映砂土在三轴压缩试验下的应力-应变关系,且砂土的围压和密实度对砂土在剪切时的硬化特性和剪缩现象有显著影响。基于模拟计算结果进一步分析亚塑性本构模型中各个参数对砂土剪切过程中偏应力和体积应变的影响,发现颗粒硬度等4个指标对砂土剪切时偏应力和体积应变的影响非常大。

为及时对地下供水管线在临近基坑开挖导致地层变形影响下的变形破坏进行告警,弥补现有市政管线信息管理平台在面向临近施工扰动监测智能预警服务模块方面的不足,基于基坑周边位移场计算理论和地下管线破坏判定准则,建立基于基坑监测数据的地下供水管线变形破损预警模型及数字化流程,基于同济大学自主研发的基础设施智慧服务系统(iS3)开发相应的微服务模块,依托工程实例,实现临近基坑地下供水管线的变形实时估算与破坏预警,并为极端情况中地下供水管线安全分析提供风险场景的推演工具。

针对目前缺乏不同大变形等级下的TBM施工适宜性评价方法的问题,通过分析软岩大变形机理,总结大变形相关分级方法,考虑TBM掘进影响因素,建立软岩隧道TBM法适宜性分级标准,将其划分为非常适宜、适宜、较适宜、适宜性差、不适宜五个等级,并通过工程实例验证该方法的合理性,为软岩隧道大变形分级及TBM适宜性评价提供合理的参考依据,进而选择合适的施工方法和防治措施。

针对围岩渗透水压力对深埋隧道围岩应力和位移影响尚不明确的情况,采用理论推导和数值计算方法,基于广义空间准滑动面(spatial mobilized plane,SMP)强度屈服准则及非关联流动法则,推导得到考虑渗透水压力的隧道围岩应力和位移弹-脆-塑解析解,并分析渗透水压力和剪胀对隧道围岩位移及应力的影响规律。结果表明:渗透水压力对隧道围岩应力和位移影响较显著,随着渗透水压力增大,隧道各点应力和位移以及塑性区半径都增大,且隧道内外水头差相差越大,应力、位移和塑性区半径变化越大,其中塑性区半径和渗透水压力呈线性正相关。本研究结果对准确确定隧道周边围岩渗透水压力,保证隧道围岩稳定性具有重要意义。

依托深圳地铁13号线工程,建立一套完整的盾构渣土处理工艺流程,根据渣土的组分特点组建了一套完整的处理设备,实现盾构渣土中碎石、砂、泥饼的高效快速分离。该技术处理效率高,分离效果好,产生了较好的经济、环境效益。