为揭示结构面几何参数对隧道爆破开挖围岩损伤演化与断面成型质量的影响机理,以厦门海沧疏港通道隧道工程为原型,采用LS-DYNA建立三维数值模型开展数值试验,研究不同结构面倾角、宽度和间距对隧道钻爆围岩损伤分布的影响。结果表明:结构面对围岩爆破损伤具有显著的方向性控制作用,损伤沿结构面倾向优先延伸,而在法向上受到明显限制;结构面倾角由0°增加至90°,断面损伤由近似对称逐步转为定向导向控制的非对称扩展,受分割阻隔作用主导而呈局部化与离散化特征;结构面宽度由0.1 m增加至0.7 m,显著强化了界面弱化效应与应力波场散射耗能,超挖面积与最大超挖显著增加;结构面间距由0.6 m增加至2.4 m,超挖减小、轮廓平整性增加。研究成果可为揭示隧道爆破的能量控制、参数优化与成型质量提升提供依据。

为精准评估隧道衬砌开裂截面安全状态、优化结构设计理论并科学确定维修时机,本研究结合断裂力学与极限承载力理论构建开裂截面稳定性评估体系,针对衬砌拱顶、拱腰、边墙三个关键部位,通过数值模拟系统计算不同裂缝深度下的安全系数,引入稳定系数P(判定裂缝是否稳定)和承载力安全系数K(评估截面承载能力是否满足要求)双重指标重点分析各因素对结构安全状态的影响机制。结果显示,衬砌开裂后稳定性主要受裂缝是否持续扩展、开裂导致截面厚度减小对承载力的削弱程度两大因素控制,且某一部位开裂对其他部位承载力安全系数影响极小,验证了局部裂缝评估的独立性,明确不同裂缝等级的临界深度与角度。研究为隧道衬砌裂缝安全评估提供了量化依据,对优化结构设计理论、科学确定维修时机具有重要参考价值。

采用内掺聚乙烯醇纤维(polyvinyl alcohol, PVA)的工程水泥基复合材料(engineered cementitious composites, ECC)与玄武岩纤维增强复合材料(basalt fiber reinforced polymer, BFRP)网格组成的纤维增强水泥基复合材料(fiber reinforced cementitious matrix, FRCM)加固盾构隧道管片接头,探究FRCM对盾构隧道承载与变形性能的提升效果。结合盾构隧道承载能力足尺模型试验结果,从结构破坏模式与荷载-变形曲线的角度,验证盾构隧道结构三维有限元分析模型的合理性。基于发展的PVA-ECC材料三维弹塑性本构模型,首先分析FRCM对结构整体承载性能的提升效果,从隧道结构损伤破坏模式、结构整体变形与接头张开等角度,阐明加固位置、加固区域、纤维网层数和ECC材料厚度等敏感参数对隧道结构承载性能提升的影响规律;综合隧道损伤破坏程度、承载能力与经济性,确定FRCM加固盾构隧道管片的最优参数。研究结论对FRCM提升盾构隧道结构承载性能具有一定的工程指导价值。

盾构隧道在始发接收、正穿建筑物桩基过程中,盾构刀具需切削非均质复合材料钢筋混凝土,易造成刀具崩刃、磨损、钢筋堵塞螺旋机等技术问题,进而影响隧道掘进施工效率。为探明切削过程中内部钢筋对混凝土结构破坏和刀具切削力的影响规律,采用离散元颗粒流程序与连续介质力学的耦合方法,对盾构刀具切削钢筋混凝土的动态破坏过程进行研究。标定钢筋和混凝土材料接触参数;建立盾构刀具切削钢筋混凝土的耦合仿真分析模型;分别研究C型单面刃和F型双面刃两种刀具,在不同切削深度、刀间距下,切削混凝土和钢筋混凝土切削力的变化规律。结果表明:F型刀具切削混凝土时,切深与切削力关系可采用反正切函数拟合,切削力受刀间距影响较小;切削钢筋混凝土时,切削力均值较素混凝土增加约5~7倍,F型刀具对钢筋的拉拽作用更强,但C型刀具切削力均值比F型刀具增加约21%~39%。

无中导连拱隧道在复杂地形与不良地质条件下得到广泛应用,但施工阶段结构受力不均及两洞间相互扰动机制仍未完全明确。依托云南宣会高速下寨隧道工程,在现场监测数据验证的基础上,通过数值模拟方法分析不同埋深与不同偏压下的无中导连拱隧道施工全过程力学响应规律。研究结果表明:无中导连拱隧道先行洞右肩、中墙与右侧拱脚为危险区域,后行洞施工对先行洞位移变化影响显著,后行洞上台阶开挖对偏压25°工况下的先行洞拱肩沉降贡献率可达25.9%;先行洞下台阶水平收敛显著高于上台阶,中墙与右侧拱脚为关键应力集中区;埋深增大导致围岩自重应力提升从而增大整体绝对变形,但围岩约束增强使得后行洞施工的相对贡献呈减小趋势;偏压增大时,台阶线两侧位移出现左倾趋势,结构荷载路径出现倾斜,初支与二衬分别在偏压13°与偏压25°工况下最不利。成果表明埋深大于40 m或偏压大于13°时需重点强化中墙与拱脚支护,为复杂地质下无中导连拱隧道稳定性控制提供量化依据与工程参考。

针对高地应力条件下深埋TBM隧道施工中岩爆与应力型塌方频发的问题,围绕围岩破坏特征识别、初始地应力场反演及岩爆分级防控开展研究。基于对139个现场工程概况与高应力破坏案例的调研,研究表明:爆坑/塌腔的形成是高地应力、岩体结构面及围岩性质共同作用的结果,其具体轮廓形态则主要受控于结构面的数量、尺度及空间组合关系。进一步构建考虑地表地形与断层-地层结构的三维地质模型,以水压致裂法获得的8个测点地应力为约束,设置自重、水平挤压与剪切等5类边界工况,并采用多元线性回归实现区域三维初始地应力场反演,反演结果与实测值复相关系数R为0.91,吻合度较高。沿隧道轴线提取应力分布规律,识别断层邻近应力突增区并完成施工区间风险分级;以最大埋深约1 687 m典型断面为例,提取TBM护盾内掌子面前后不同位置的应力响应,表明掌子面附近应力集中显著,开挖后围岩应力释放并随时间发生重分布,围岩出护盾后及时支护可有效抑制应力释放与岩爆风险。最后提出“超前预报-分级防控-动态监测-安全防护”的施工原则,并给出轻微-中等-强烈岩爆的分级治理与支护组合措施。研究成果可为深部复合地层TBM隧道岩爆风险评估与支护设计提供参考。

小净距隧道左右洞之间距离较小,后行隧道施工扰动极易威胁先行隧道的结构安全,实现小净距隧道工程中先行隧道结构抵抗后行隧道施工扰动能力和扰动后功能恢复能力的量化评估,即韧性评价,对于小净距隧道的安全建设具有重要意义。以新晋高速公路韩口隧道中小净距隧道为背景工程,考虑工程中Ⅴ级围岩段隧道埋深和净距的变化,基于ABAQUS平台建立9种工况(3种埋深×3种净距)的有限元模型,并基于实测隧道拱顶沉降和收敛变形验证数值模型的合理性。研究发现,相较于水平收敛,后行隧道施工拱顶沉降对应的先行隧道功能降低更为显著,更适合作为韧性计算的指标。基于确定的韧性计算指标和性能演化规律,实现了各工况下抗力韧性和恢复韧性的指数计算。在相同埋深下,隧道净距从10 m增大到30 m,先行隧道的抗力韧性指数和恢复韧性指数提高1.0%~9.0%;在相同净距下,隧道埋深从150 m减小到50 m,先行隧道的抗力韧性指数和恢复韧性指数提高4.0%~12.0%。隧道净距越大、埋深越小,隧道的抗力韧性指数和恢复韧性指数越高,所有工况中仅埋深150 m、净距10 m的工况,先行隧道的韧性处于中韧性等级,其他工况下先行隧道为处于高韧性等级。本研究为小净距隧道的韧性设计与施工提供了量化评价方法,可为类似工程的建设提供参考。

针对盾构隧道施工诱发的地表沉降预测中,传统经验公式与单一机器学习模型对多源参数非线性时序特征挖掘不足的问题,建立一种能有效表征复杂地层扰动响应动态关联性的深度学习模型,对盾构施工诱发的地表沉降进行预测。通过融合变分模态分解(variational mode decomposition, VMD)、卷积神经网络(convolutional neural network, CNN)、双向长短期记忆网络(bidirectional long short-term memory, BiLSTM)与注意力机制(attention mechanism, Attention),构建VMD-CNN-BiLSTM-Attention预测模型。基于该模型,利用VMD分解沉降时序数据并采用CNN提取盾构掘进参数(推力、扭矩等)与地层参数(弹性模量、黏聚力、渗透系数等)的空间特征,在此基础上结合BiLSTM挖掘时序依赖关系,基于长沙地铁6号线东延段盾构下穿机场跑道过程中地表沉降监测数据对本研究构建的模型进行训练。最后将模型预测结果与现场实测数据进行对比,对比结果表明:本模型测试集均方根误差(root mean square error, E_RMS)较小,决定系数(R²)达0.96以上,显著提升了地表沉降预测精度,能够为盾构施工诱发的沉降控制与风险预警提供理论支持。

为提高TBM隧道工程大型机械精细化施工水平,根据掘进参数和岩渣特征,对TBM可掘性分级方法进行研究。以四川西部某隧道TBM施工段为依托,掘进参数、岩渣为研究对象,通过冗余数据删除、变点检测与条件筛选、基于箱型图方法的数据去异、平滑滤波等对TBM掘进参数时序数据进行预处理,选择各掘进循环总推力均值、刀盘扭矩均值、贯入度均值为聚类参数,根据轮廓系数、贝叶斯信息准则(Bayesian information criterion, B_IC)和肘部法则,确定聚类数目为4;基于GMM(Gaussian mixture model)无监督算法对各掘进循环参数样本进行聚类,结合岩渣形态特征和现场地质调查结果建立TBM可掘性划分方法。对聚类结果进行子样本抽样与外部验证法双重验证,结果表明分类一致性较高,证明了聚类结果的稳健性和可掘性划分方法的有效性。该研究将为TBM施工提供数据驱动的可掘性评估方法,提升设计指导性与施工适应性。