通过明晰高地温隧道热害多源传热机制不明、热害分类量化不完善、降温防控体系低效等问题,可助力构建隧道热害协同主动防控体系。本研究系统分析了高地温隧道热害的地质成因、热害影响及防控技术体系。通过揭示岩浆活动、岩石特性、地层构造及深循环地下水构成的多源热传递机制,阐明了各因素对热异常形成的控制作用,并探讨了当前热害分类中存在的未量化因素、防治手段面临的主要挑战与未来发展趋势。研究表明,高地温环境导致围岩力学性能劣化,并引发锚杆锚固强度下降、混凝土衬砌开裂及耐久性衰退等问题。针对热害防控,提出超前水平钻探测温预警技术,建立通风降温、喷雾降温、隔热材料及耐高温材料的协同防控体系并指出目前防控体系的缺陷以及突破方向。研究指出,极端高温下多技术协同的量化阈值尚未明确、轻骨料混凝土在强度与隔热性平衡上存在材料极限以及亟需开发具有优异耐高温性能和环境稳定性的复合材料。最后,提出3个热害防治发展趋势,使热害防治从被动响应转向主动防控,为川藏铁路等工程提供更安全、经济的解决方案。

针对深埋压力管道在运行内水压作用下联合承载围岩分担率计算问题,基于复变函数的幂级数解法,通过考虑钢衬、充填混凝土和围岩之间的相互作用关系和缝隙的影响,建立内水压传递与分配的计算模型,可通过求解各支承体对应的势函数确定其域内任意位置的应力和变形以及围岩分担率,后续研究了内水压大小、缝隙大小以及围岩类别对围岩分担率的影响,计算结果均与数值模拟结果相符。结果表明:内水压引起的压力管道扩胀,其影响向管外递减;内水压大小、缝隙大小以及围岩类别均不同程度影响围岩分担率,缝隙大小最为敏感,毫米级的缝隙即会大幅减少围岩分担率;各承载体刚度决定联合承载时的分担比重。

为科学揭示黏土含量(质量占比)与干密度对充填介质抗剪强度特性的影响,本研究开展不同黏土含量与干密度下的充填介质三轴剪切试验,结果表明:充填介质应力应变曲线软化程度随着黏土含量增加呈现出先降低后升高的趋势,随着黏粒的增加,黏粒作用呈现“填充、润滑、受力”的阶段化转变,受力主体同步从砂粒逐步过渡为黏土颗粒。充填介质黏聚力与黏土含量、干密度均呈正相关关系,且黏聚力越大,颗粒间胶结作用越强,越不易发生突水灾害;充填介质内摩擦角随干密度增加而增加,随黏土含量增加则呈先减后增趋势。建立了黏聚力、内摩擦角与黏土含量、干密度的定量表征模型,研究成果对隧道断层破碎带突水突泥灾害防控具有一定的理论参考价值。

为探究围压作用下锚杆锚固结构的动态响应,分析锚固界面载荷传递特征及损伤机理,阐明围压对锚杆动态黏结强度增强效应的影响规律,开展了不同围压、加载速率条件下锚杆锚固结构拉拔数值试验研究。结果表明:围压作用下随着加载速率的增大,锚杆最大拔出载荷增大,锚固界面表现出明显的加载速率依赖性和剪切增强特性。高加载速率时,锚固界面在软化阶段局部应变增大,动态剪应力出现波动,围压的止裂效应使波动凹点靠近加载端,由于锚固体承载力增加,造成波动幅值随着围压的增大而增大。相对黏结强度与对数速率比呈正相关,围压越大,锚杆黏结性能对加载速率越敏感。而锚杆发生屈服后,围压从0.5 MPa增至1.0 MPa时,两者关系曲线的斜率仅提高11.96%,围压对锚杆动态黏结强度的增强效应趋于饱和。随着围压增大,锚杆动态峰值滑移量呈现先增大后减小的趋势,锚固结构局部逐渐发生破坏,失效面积向混凝土表面扩展。

以广州地铁18号线番禺广场站为对象,构建多层车站结构三维数值模型,模拟极端条件下的车站水淹过程,揭示了积水深度、层间通道流量与通行阻力的时空演化规律,并对比了不同进水条件下的分布差异。研究结果表明,车站水淹过程可划分为通道扩散阶段、平行扩散阶段和稳定上升阶段;站台层水位随时间呈近似线性增长,增长速率与总进水速率密切相关,站厅层水位呈现先增长后趋于稳定的两阶段特征;进水通道入口对水位分布影响显著,站厅层进水通道处水位较高,站台层远离进水通道处水位较高。通过层间通道流量演化分析,发现站台层进水口远端的积水率先接触顶板并回流至站厅层的“远端跃升”现象。通行阻力系数分布显示,站厅层进水通道附近和站台层层间通道出口附近的通行阻力相对较高。研究成果为极端条件下地铁车站水淹灾害的监测预警与疏散应急管理提供了科学参考。

为揭示地下工程中膏溶角砾岩的水蚀-干湿循环耦合劣化机理,以山西某隧道工程存在的膏溶角砾岩为研究对象,对膏溶角砾岩试样进行10次干湿循环处理,系统分析干湿循环作用下膏溶角砾岩的表观劣化特征与吸水-溶蚀演化特征。基于核磁共振技术,对干湿循环过程中膏溶角砾岩的孔隙结构劣化特征进行表征,通过对比静水条件与流速为10 L/h的流动水条件下膏溶角砾岩试样的干湿循环劣化形态差异,探讨水流对膏溶角砾岩干湿循环劣化过程的附加劣化效应。在此基础上,结合试样P波速度测试与孔隙率测试结果,构建基于扰动状态概念理论的膏溶角砾岩干湿劣化模型。结果表明:干湿循环作用会降低膏溶角砾岩不同材料分区之间的黏结强度,而水流会加速膏溶角砾岩试样中石膏矿物的溶解并破坏浅层孔隙结构,干湿循环作用与水力侵蚀共同导致了膏溶角砾岩的劣化;P波速度的衰减与石膏角砾岩孔隙结构的发育之间存在显著相关性,提出的基于扰动状态概念的干湿劣化模型可以准确描述膏溶角砾岩在不同水流环境下、干湿循环作用下的力学劣化特征。研究成果可为膏溶角砾岩地层隧道的工程设计提供参考。

依托某大型地下水封洞库工程爆破施工,通过现场振动监测,分析大型地下水封油库洞室群爆破振动在洞室群围岩的传播规律。洞室围岩的峰值振速均发生在周边孔或者底板孔起爆时,本洞室围岩峰值振速衰减规律较符合萨道夫斯基公式;相邻洞室两侧边墙振动存在明显差异,迎爆侧边墙峰值振速存在放大效应,背爆侧边墙峰值振速仅为迎爆侧边墙的5%~10%;洞室边墙峰值振速随爆破洞室水平间距增加呈波浪式下降。研究成果可为地下洞室爆破振动监测和防控提供参考。

为给排浆管设计优化和堵塞风险预测提供科学指导,本研究基于CFD-DEM耦合方法建立石渣在排浆管内运移的数值计算模型,通过颗粒沉降速度验证方法的准确性,系统探究管道流速v、泥浆浓度s_c、管道倾角θ和石渣半径r对石渣运移特性的影响规律。研究结果表明:v的增加显著提高石渣速度,随着管道流速从2 m·s^-1增加至5 m·s^-1, 石渣的平均速度从0.56 m·s^-1显著增加至3.53 m·s^-1,而泥浆浓度对缓解堵塞风险的效果相对有限;管道倾角的增加会导致石渣在进入爬升段后平均速度突降,因此工程实践中应避免采用大角度倾角设计;小半径石渣的排出效率更高,而大半径石渣更易引发堵塞风险。

针对传统盾构隧道管片错台测量方法存在设备成本高、计算效率低等问题,设计开发一款基于C/S架构的智能检测仪。硬件层面以树莓派4B为主控制模块,通过集成CMOS传感器的双目摄像头与LED显示屏等硬件,实现管片图像实时采集与显示。软件方面基于TCP/IP通信协议,实现前/后端功能解耦,客户端部署于智能检测仪,负责摄像头调用、图像采集、数据传输及结果可视化;服务端部署于消费级计算机,负责数据监听、双目视觉测距核心算法调用及结果回传。将上述智能检测仪应用于福州滨海快线某区间盾构隧道,结果表明:计算值与焊缝规实测值基本一致,错台测量精度达亚毫米级别;且单次检测耗时仅5.40 s,可在保证测量精度的同时有效提升工程检测效率。以上研究成果可为盾构隧道管片错台快速精准检测提供一种新思路。

针对隧道掌子面图像质量退化与特征表达单一性问题,提出一种融合多尺度渐进式增强与深度语义建模的围岩智能评估方法。通过多尺度图像增强框架,结合空域滤波与变换域去噪,信噪比提升12.7 dB,显著增强裂隙、节理等关键地质结构的可见性。基于灰度共生矩阵、改进型局部二值模式和RGB颜色矩,构建四维综合评价指标体系,实现岩体状态量化表征。改进ResNet架构集成多尺度特征提取和双重注意力机制(通道注意力+空间注意力),并采用加权交叉熵-标签平滑复合损失函数,解决类别不平衡问题。基于5 000张掌子面图像构建多层数据库,模型在测试集上准确率达94.27%(较基准模型提升4.93%),计算复杂度4.8 G FLOPs(floating point operations)。实际案例验证表明,该方法可为隧道施工提供实时、客观的地质决策支持,显著提升围岩分级智能化水平。

为了全面把握隧道断面的整体变形情况,依托某大变形隧道,引入基于三维激光扫描技术的变形监测方法进行现场应用。根据三维激光变形监测以及点云处理的原理,将隧道三维激光变形监测划分为4个阶段:作业前准备、点云数据采集、点云数据处理和变形分析,并总结隧道三维激光变形监测的主要流程。结合大变形隧道的具体环境特点,对外业操作流程中的部分要求做出适应性调整。三维激光变形监测成果形式丰富多样,包括变形云图、断面轮廓图和变形时程曲线在内的监测成果,可以快速掌握监测段落内整体变形情况并直观确定变形较大的区域、评估变形对隧道净空的影响以及展示各部位的具体变形值和变形收敛情况,具有全息的特点。三维激光变形监测具有较高的推广应用价值,还需在现行规范中对相关的方法和要求进行规定和细化,以提高隧道变形监测的技术水平。

针对大断面、高埋深竖井二次衬砌施工中临时支护体系设计缺乏系统研究的问题,本研究以深圳市下坪场3号竖井为工程背景,开展了满堂支架法在深竖井环境下的可行性与稳定性研究。基于规范化设计依据,完成了针对深竖井的支架构造体系方案和加固要点;构建了盘扣式钢管支架的三维有限元模型,考虑混凝土侧压、结构自重及施工荷载等典型工况,开展杆件应力、位移及线性屈曲模态分析,并结合监测数据验证了模型准确性。研究结果表明:在最大施工荷载工况下,立杆最大轴向应力为34.72 MPa,横杆节点最大位移量为21.17 mm,支架各模态临界荷载系数均大于4,符合规范规定的安全储备标准。研究成果在方法与工程应用上具有创新性,既填补了满堂支架在深竖井情形下受力与稳定性研究的空白,又为类似地下工程中大断面临时支护的设计与推广提供了技术参考和工程经验。