通过模拟断层破碎带岩石裂隙内流体流动,得到自然裂隙内流体流动分布规律。根据理论分析建立楔形流域的流速分布模型,发现裂隙主流区的位置可以用裂隙截面的最大内切圆表示。采用计算机断层扫描算法(computed tomography, CT)重建断层介质骨架自然裂隙,使用MATLAB求解截面裂隙的最大内切圆来计算裂隙的渗透性。将最大内切圆法计算裂隙渗透性和水力直径法计算裂隙渗透性的结果进行相关性分析,两者相关性为0.976,说明裂隙截面的最大内切圆替代水力直径计算裂隙渗透性是可行的。

针对某大型地下水封洞库施工期间通风方式选择问题,依托某大型地下水封洞库通风设计,在分别比较抽出式、压入式、混合式通风方式优缺点的基础上,按照各通风方式进行风量计算,分别确定大型地下水封洞库各阶段施工的通风方式;构建某大型地下水封洞库的通风Ventsim数值仿真模型,数值模拟研究不同施工阶段下不同通风方式、风流在大型地下水封洞库的动态演化规律,并对各不同施工阶段下不同通风方式的通风效果进行对比分析,优选不同施工阶段通风方式。数值模拟结果表明,第一施工阶段最优的通风方式为压入式通风,第二施工阶段最优的通风方式为混合式通风,第三和第四施工阶段最优的通风方式为抽出式通风。验证不同施工阶段各通风方式的风阻、风量和最佳风网效率,为大型地下水封洞库施工期的通风设计提供科学依据。

基于随机场理论、有限元数值分析与Monte-Carlo随机模拟方法,研究岩土参数的空间变异性对地面沉降的影响。以内摩擦角和弹性模量空间变异性为重点,系统研究内摩擦角和弹性模量随机场的变异系数、水平和竖向相关距离对地面沉降的影响。结果表明:变异系数越大,地面沉降曲线分布的离散程度越高;对比确定性分析结果,考虑岩土参数空间变异性的随机分析结果的地面沉降更大;沉降中心偏移距离受水平相关距离和竖向相关距离影响,前者影响更大;弹性模量空间变异性对沉降中心偏移距离和沉降槽宽度的影响比内摩擦角空间变异性更大;当洞室较大时,洞室对地面沉降曲线形态的影响远大于洞室周围岩土参数变异性。

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。

为研究小曲率半径盾构隧道盾构管片结构破损机理,基于实际工程案例,建立考虑纵缝接头以及环间接头的精细化衬砌管片模型,揭示小曲率半径盾构隧道施工阶段的管片破损机理。结果表明:小曲率半径盾构隧道在转弯段施工时,管片轴力、剪力、正弯矩和米塞斯(Mises)应力均在内外侧拱腰处取得峰值;拱腰位置管片在掘进过程中更容易发生破损;千斤顶推力纠偏角度增加时,隧道整体向外侧偏移;盾构隧道腰部外侧受到的影响更为明显,外侧拱腰的偏移量显著大于内侧拱腰。数值模拟和现场观测到的管片破损状况一致,可为实际工程提供借鉴。

以我国东南某公路隧道上覆填埋场扩容为例,研究新增上覆荷载对下穿隧道结构安全性的影响。通过试验获得渗滤液水位高度及上覆垃圾物理力学参数,建立不同危险隧道断面的有限元模型,分析下穿隧道的结构变形及内力变化,验算其拱顶沉降、承载力及裂缝;提出后续再次扩容时各隧道标段上覆垃圾厚度的上限。结果表明:填埋场扩容后,实际渗滤液水位高度和上覆垃圾物理力学参数对下穿隧道结构影响最为显著;在设计范围内,隧道上覆垃圾堆体厚度对隧道拱顶沉降和承载力影响不显著,隧道结构裂缝通常起到控制作用。

以深圳地铁12号线二期工程松岗站与既有6号线风亭改造段为研究背景,采用三维有限差分软件FLAC^3D对海相地层条件下水平旋喷桩超前支护参数进行分析。对该地层条件下隧道开挖地表沉降位移结果进行分析比较,得出不同长度、截面尺寸、外插角度的水平旋喷桩对海相淤泥质地层隧道开挖围岩稳定性的影响。研究结果表明:与无水平旋喷桩加固相比,有水平旋喷桩加固地表沉降量最终减少了64.8%;随着水平旋喷桩截面尺寸的增加,地表沉降逐渐减小;随着水平旋喷桩长度和外插角度的增加,地表沉降逐渐增大。为找到水平旋喷桩的最优施工方法,对比研究125种水平旋喷桩在不同支护工况下的地表沉降变化,并结合经济成本及施工安全综合考虑,最终得出,水平旋喷桩长度10 m,桩径600 mm,外插角度1°,对海相淤泥质地层地表沉降变形控制效果最佳。采用IBM SPSS软件对水平旋喷桩的桩长、桩径和外插角度对地表沉降的影响进行Pearson相关性分析,表明桩径对地表沉降的影响大于桩长,桩长的影响大于外插角度。

为研究不同形式缺陷对衬砌结构受力的影响,通过模型试验模拟不同形式的缺陷,分析衬砌结构不同部位弯矩、轴力与安全系数的变化。结果表明:边墙与仰拱连接处缺陷使衬砌拱腰与仰拱中部处的弯矩与轴力增大,拱顶处的弯矩与轴力减小,缺陷形式不同对衬砌不同部位的影响效果不同;当仅存在混凝土疏松缺陷或钢筋未连接缺陷时,衬砌结构受力的主要影响部位为拱腰与边墙,当两种缺陷共存时,拱顶与仰拱中部也受到较大影响;混凝土疏松缺陷对衬砌结构安全系数的影响总体上大于钢筋未连接缺陷,主要影响区域为拱腰与边墙两处,当两种缺陷共存时,拱腰与仰拱中部处安全系数的下降较明显,分别为52.03%与32.40%。缺陷对拱腰与仰拱中部处安全系数的影响效果大于拱顶与边墙处,施工时需严格控制此处混凝土浇筑质量,保证成型后的强度,并适当提高此处浇筑厚度,使其有较高的安全储备。

深圳某大断面矩形顶管隧道以0.8 m近距离侧穿立交匝道桥梁桩基,且以3 m近距离下穿地下综合管廊。依托该隧道项目,系统研究复杂环境下大断面矩形顶管隧道的管节设计,提出一类复杂环境下大断面矩形顶管管节设计思路。分析大断面矩形顶管管节构形设计要素,完成项目管节构形设计,进而对管节吊装翻转、施工顶推及正常使用三个工况进行数值计算,确定管节结构尺寸。结合大断面、深覆土及高水压等工程特点,对管节接头、纵向连接和预留孔口等进行针对性设计。经工程调研、对比分析及工程验证发现,本研究所提出的管节设计思路及管节构形设计要素能为复杂环境下大断面矩形顶管隧道设计提供参考。

针对十堰至天水高速公路(十天公路)某隧道运营过程中出现的路面开裂、隆起、底鼓等病害,综合考虑隧道地质、水文、衬砌结构、病害情况、施工条件、处置工期、工程造价等因素,提出一种利用桩板组合结构等代隧道仰拱的加固措施。运用有限元数值模拟计算,通过现场检测数据对比分析,结果表明该等代仰拱加固方案能够较好地控制隧道沉降变形,减少路面沉降病害,确保隧道运营安全,为类似运营隧道病害处治提供参考。

依托广州地铁7号线2期工程洪圣沙-裕丰围区间隧道工程,采用粒子群算法优化随机森林方法(particle swarm optimization-random forest algorithm, PSO-RF)建立双模盾构土压掘进模式下密封舱压力预测模型。通过对盾构掘进参数进行相关性分析,筛选出对密封舱压力影响较大的掘进参数,包括螺机转速、螺机扭矩、刀盘转速、推进速度、贯入度、刀盘扭矩、总推力,将筛选出的掘进参数作为预测模型输入参数,密封舱压力作为模型的输出参数,对密封舱压力进行预测。结果表明:采用PSO-RF预测模型能够有效预测双模盾构密封舱压力;相比于传统神经网络预测模型,PSO-RF模型预测精度更高,平均绝对误差均在10%以内,预测值和实际值的拟合优度R²为0.901 4,在预测精度及模型的泛化能力上明显优于BP神经网络。