基于三维重建与Unet神经网络的隧道掌子面围岩快速分级技术

围岩等级是确定和调整隧道施工方案的重要依据,为减少由于施工实际围岩等级与地勘不符造成的经济损失、安全事故等问题,可对传统围岩分级方法进行改进。依托云南文麻高速大法郎隧道,采用三维重建、图像拼接、Unet神经网络等技术,结合围岩单轴抗压强度等特性,实现基于岩体完整性和强度特征的掌子面围岩结构面特征识别和围岩级别快速评价。先采用数码相机对隧道掌子面及周边硐壁进行图像信息采集,建立完整的三维模型,后通过投影和图像拼接得到掌子面高清拼接图像; 基于Unet神经网络对掌子面图像进行节理迹线自动识别,对节理评价指标计算后得到隧道掌子面完整性信息; 最后结合其他围岩特征信息,基于BQ分级方法进行掌子面围岩分级。研究结果表明： 该围岩分级方法可获得清晰的掌子面图像,在依托工程现场较原始设计分级更符合现场实际情况,具有良好的应用性。     

基于掌子面结构量化的公路隧道围岩分级方法

公路隧道围岩级别的划分是指导隧道设计、施工及地下工程岩体稳定性评价和安全风险控制的重要依据,目前在设计和施工中对隧道围岩级别的判定方法具有较多的经验性因素,且在实际隧道工程中各级围岩的稳定性情况极为复杂,即使是同一级别的围岩,隧道稳定性也不尽相同。为了实现施工阶段围岩分级的可操作性与准确性,通过研究在公路隧道开挖时采集的隧道掌子面图像,利用MATLAB编程建立了照相测量围岩分级系统。根据岩体块度指标RBI的概念,向隧道轮廓线依次布设19条虚拟测线,以掌子面径向19个方位的RBI值综合评价了掌子面岩体结构的差异性。考虑结构面分布特征,结合掌子面节理玫瑰花图获取岩体结构综合量化指标Z-RBI,对掌子面进行了综合评价,得出了Z-RBI与岩体结构类型对应关系。综合考虑岩体坚硬程度、Z-RBI、地下水条件、初始地应力状态等主要分级指标,利用层次分析法,提出了隧道围岩BT分级方法及评价标准。实际工程应用表明:与传统的BQ法相比,BT分级方法获取的围岩等级更符合开挖后掌子面围岩的实际等级,且各等级可靠指标的延续性可对隧道施工过程中地质属性的变化情况进行定量表征,有助于工程地质人员据此对围岩质量的渐变过程进行动态评估。     

基于数字图像处理的隧道围岩形变量测方法

为了克服传统隧道围岩形变量测法观测时间长，易受环境干扰等缺点，本文提出一种基于数字图像处理技术的测量方法，对隧道围岩形变进行量测。通过对隧道围岩断面上若干个观测点进行拍摄，利用图像增强、图像预处理、图像识别等研究方法，经多级图像处理，提高对比度，锐化目标边缘，使围岩观测点更加清晰，从而把重点识别目标从隧道背景中有效分割出来，然后对处理后的图像进行坐标定位比对。基于隧道围岩形变测量方法是一种与传统测量完全不同的新方法，可以快速地、安全地对围岩形变进行测量研究，为非接触量测方法开辟了一条新的途径。     

偏压隧道变形破坏机理及超前预加固研究

依托九绵高速福隆隧道工程,通过建立三维山体隧道模型对偏压隧道围岩支护体系受力变形特征进行分析,并通过数值模拟与现场监测对不同超前加固方式进行对比研究。结果表明:受偏压地形影响,隧道围岩变形、塑性区分布、二衬受力等均存在非对称现象;隧道开挖时,拉应力出现在掌子面、仰拱、回填土处,塑性区分布深入掌子面后方约3 m,且掌子面的土体有向外挤出的趋势;偏压地形下,适用性较好的超前加固方式为双层注浆小导管,在有效控制围岩变形、塑性区以及二衬等受力同时具有良好的经济性;现场测得K89+317断面的拱腰收敛与拱顶、地表变形较小且收敛较快,验证了双层小导管的适用性。     

基于流固耦合的富水粉细砂隧道工作面失稳过程研究

基于流固耦合数值算法，以中老铁路太达村富水粉细砂隧道为依托，从隧道掌子面挤出位移和围岩塑性区的演变情况入手，分析隧道在由泥岩向富水粉细砂段施工过程中掌子面的失稳过程。结果表明：隧道掌子面在由泥岩向富水粉细砂段围岩开挖过程中，掌子面的挤出位移和塑性区体积都将发生突变；由于富水粉细砂围岩强度较低、抗扰动能力较弱，在隧道掘进至富水粉细砂段围岩前，掌子面失稳就可能发生；结合各种加固措施及富水粉细砂围岩的特点，提出相应的围岩预加固对策。     

基于超前钻探及优化集成算法的隧道围岩双层质量评价

为解决隧道超前钻探地质预报在解译过程中存在的主观判断性强、定量数据利用率低、评判标准不统一等问题，通过引入机器学习中的极限梯度提升集成算法模型（extreme gradient boosting，XGBoost），结合钻探数据开展隧道围岩完整程度与围岩级别的双层质量评价研究。一方面，采取数据降噪、等距分割、二级指标计算等数据预处理手段对11 233条原始钻探采样数据进行规律发掘和质量提升；另一方面，结合遗传算法（genetic algorithm，GA）与分类器链（classifier chains，CC）构建GA-CC-XGBoost模型，实现复杂机器学习模型的超参数组合自动寻优以及多标签分类的内在相关性考虑。最终所构建训练集的完整程度与围岩级别2项标签的分类准确率分别为95.91%、97.95%，综合分类准确率为93.88%。经过实际隧道工程应用表明，该模型预测结果满足现场超前钻探地质预报的解译需求。     

基于残差神经网络的沥青路面裂缝识别分类研究

为提高沥青路面裂缝的识别精度与速度,提出一种基于残差神经网络的沥青路面裂缝自动识别算法。首先建立沥青路面图像集,使用数据清洗算法对综合检测车采集到的裂缝图像进行数据清洗,构建沥青路面裂缝图像样本数据集,并将图像集按8∶2的比例划分为训练集和测试集;接着采用残差神经网络ResNet50对清洗后的数据进行训练,得到网络权重后使用训练好的网络对沥青路面裂缝数据进行预测,评价网络准确性。试验结果表明:沥青路面图像清洗算法的准确率为95%,能良好地实现沥青路面原始图像的清洗;裂缝图像分类的平均准确率达到94%,其中横向裂缝、纵向裂缝、龟裂、块状裂缝的识别准确率分别为96.1%、94.6%、93.6%和94.1%。     

基于掘进参量反演的TBM围岩等级预测识别方法研究

为探究TBM掘进参量和围岩等级关系，达到岩机信息互馈感知动态调整，辅助TBM主司机优化调整掘进参数的目的。采用数据清洗、分布统计和智能预测等手段,建立了一种基于自组织神经网络聚类和最小二乘支持向量机相结合的围岩等级预测识别方法（SOM-SVM）。主要结论如下： 1）单个完整TBM掘进循环可分为空推段、上升段与稳定段，各掘进参量近似服从正态分布关系。2）推力切深指数（FPI）和刀盘转矩旋转切深指数（TPI）可反映隧道岩石掘进难易程度，FPT、TPI和围岩等级近似呈线性关系，可用该参量作为岩机敏感因子反演预测识别围岩等级。3）干扰异常数据样本点的预处理对SOM-SVM围岩预测模型收敛中心和波动半径有一定影响，数据预处理是保证围岩等级预测识别准确的关键。4）经标准试验数据样本和工程数据验证，不同的支持向量机核函数对围岩等级预测识别影响很大，线性核、多项式核、高斯径向基核函数围岩综合识别率分别为70.8%、81.2%、87.6%，围岩等级预测识别模型预测精度高、鲁棒性好。     

软岩隧道超前预加固布置优化与地层力学响应

掌子面超前预加固是软弱围岩隧道施工的关键环节，以既有隧道为工程依托，采用有限元三维数值模拟对软弱围岩隧道不同超前玻璃纤维锚杆支护形式进行研究，对锚杆的空间布置及其与地层的力学响应进行分析。研究结果显示：综合加固效果与工程材料用量，0.4 bolts/m²是掌子面超前锚杆布置的最佳密度；对于掌子面超前锚杆的局部加密效果，开挖面下部加密能够有效控制后方岩土体变形，但结合地层力学响应，掌子面中部加密的效果最佳。     

修建城际地下铁路隧道存在的步距问题与相关建议

以莞惠城际轨道交通工程松山湖隧道施工为例,通过对隧道各工序作业时间分析、隧道设计与施工类比和施工模型图说明,认为铁建设[2010]120号文在修建城际地下铁路隧道方面尚存在一定的适应性和可操作性的问题,并提出以下建议:1)Ⅵ级围岩隧道,初期支护封闭成环位置距离掌子面由原35 m调整为50 m,二次衬砌距离掌子面由原70 m调整为85 m(除文中所述几种特殊情况外);2)Ⅴ级围岩隧道,初期支护封闭成环位置距离掌子面由原35 m调整为55 m,二次衬砌距离掌子面由原70 m调整为90m;3)Ⅳ级围岩隧道,初期支护封闭成环位置距离掌子面由原35 m调整为65 m,二次衬砌距离掌子面由原90 m调整为120 m。     

郑万高铁大断面岩质隧道掌子面稳定性评价及控制措施

为建立施工阶段大断面隧道掌子面稳定性评价方法,结合郑万高铁大型机械化特点,对郑万高铁湖北段隧道掌子面地质信息进行统计分析,将掌子面稳定性分为A整体稳定、B局部掉块、C上半断面不稳定和D全断面不稳定4个级别,并建立以岩石坚硬程度、岩体完整程度和地下水状态3个指标的掌子面稳定性定性分级方法,得出围岩级别与掌子面稳定性的对应关系。研究结果表明： 1）岩石坚硬程度、岩体完整程度和地下水状态是围岩分级指标中使用率最高的3个指标; 2）Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级围岩的掌子面稳定性为A级。     

基于双折减系数法的隧道掌子面稳定性分析

在隧道施工过程中，掌子面发生坍塌的事故屡见不鲜，特别是在破碎岩体隧道开挖后，围岩自稳能力差，易出现坍塌破坏。通过研究掌子面破坏时楔形滑动体力与力矩的静力平衡，采用双折减系数法分析跨断层处破碎带对隧道施工过程中掌子面稳定性的影响。结果表明:断层倾角逐步减小时，断层泥体积增大；由于断层泥强度较小，掌子面不稳定，须采取加固措施。     

土质地层公路隧道大断面快速施工技术研究

随着交通工程建设的快速发展，公路长大隧道越来越多，常规施工方法效率较低，无法满足工期要求，这对公路隧道快速施工技术提出了新的挑战。以东天山特长公路隧道为背景，提出土质地层隧道大断面开挖工法，通过力学分析及现场对比试验，分析论证了该工法的可行性。结果表明：土质隧道大断面开挖时，采用超长小导管能够减少上部围岩压力对掌子面滑动土体的荷载作用，预留核心土则能够为掌子面滑动土体提供支撑反力，通过这2种控制措施能够实现土质围岩隧道掌子面稳定；相比台阶法，大断面开挖时围岩应力释放速率较快，变形快速发展，拱架和喷混凝土受力快速增长，支护封闭成环后可得到有效控制，但需进一步提高初期支护早期承载性能，即提高喷混凝土早期强度；采用大断面工法能够提升机械作业空间，简化工序，实现多组设备同时作业，相比两台阶施工，隧道施工效率提升约22%。综合评价，土质地层隧道采用大断面快速施工工法能够实现掌子面稳定，支护结构安全，且相比台阶法施工效率可得到显著提高。     

基于上限分析与随机响应面法的盾构隧道掌子面可靠度研究

为更全面准确评估孔隙水压力作用下盾构隧道掌子面的稳定性，提出一种基于极限分析原理的双对数螺旋线破坏机构为确定性模型，结合随机响应面原理的可靠度分析方法。该方法以孔隙水压力系数表示地下水引起的孔隙压力变化，通过上限分析得到隧道掌子面的安全系数； 运用拉丁超立方技术对安全系数进行抽样，建立基于Hermite多项式展开的近似极限状态方程，在验证响应面有效性的基础上，进一步采用蒙特卡洛模拟法获取隧道掌子面失效概率特征。利用该方法分析了土体参数变异性、地下水位以及支护力对掌子面失效概率的影响，并将其应用于湘江隧道掌子面的可靠性研究中。结果表明： 该方法可以有效地评估隧道掌子面的可靠性，并可为隧道掌子面支护力的选取提供理论参考。     

基于椭球体失稳坍落理论的隧道掌子面失稳计算研究

为研究维持软弱围岩隧道掌子面稳定所需的掌子面支护力,以筒仓理论和太沙基压力理论为基础,借鉴运用椭球体失稳坍落理论,建立隧道掌子面失稳理论计算模型,推导隧道掌子面失稳计算公式,求出维持掌子面稳定的最小支护力和完整失稳坍落椭球体的临界埋深值。通过分析隧道埋深与坍落椭球体高度的4种位置关系对计算参数的影响,给出不同位置关系情况下竖向深度z和作用于椭圆台台面的土压力q0的求解方法,并将推导公式与经典公式进行对比,验证推导公式的合理性。最后,运用推导出的隧道掌子面失稳计算公式对实例进行分析,求得维持掌子面稳定的掌子面最小支护比,并用数值模拟方法进行验证。验证结果表明： 推导公式与数值模拟结果具有较好的一致性。     

基于收敛-约束法和ZSI的隧道初期支护时机研究

为了解决隧道开挖后初期支护的时机问题,提出了基于收敛约束原理和围岩局部安全评价方法单元状态指标(Zone State Index,ZSI)的初期支护时机确定方法。该方法首先计算得到隧道的围岩特征曲线,结合围岩位移速率先对最佳支护时机对应的围岩应力释放率进行初步判定;然后再利用单元状态指标ZSI对围岩局部稳定性进行确认评价,增加了支护时机选择的正确性。最后以相同变量围岩位移为基础将围岩特征曲线和纵向变形曲线进行耦合分析,建立起应力释放率和掌子面与监测断面间距之间的对应关系,得出以支护与掌子面控制间距为依据的最佳支护时机选择。以甄峰岭2号隧道为例,建立FLAC~(3D)有限差分数值模型,采用该方法确定了多种工况下隧道合理的支护时机。研究结果表明,围岩特征曲线的形状和斜率受围岩级别和隧道埋深的影响较大;以单元状态指标ZSI与围岩位移速率相印证,可以增加支护时机选择的准确性,为隧道支护时机的选择方法提供了一种新思路;计算所得的支护与掌子面的控制间距对实际工程起到很好的指导作用。     

山岭隧道机械化大断面法设计关键技术

为解决长大山岭隧道钻爆法机械化安全、快速、高质量施工所面临的技术问题,依托郑万铁路湖北段隧道工程,采用“科研先行、试验验证、推广应用”的工作方法,开展隧道大型机械化修建技术研究与现场试验。结合国内外调研情况及工程实践,得出如下结论： 1)隧道机械化修建方法是对传统方法的系统性改变; 2)Ⅳ、Ⅴ级围岩传统多台阶法、被动支护、围岩压力“分担比”理论与机械化大断面法不相适应; 3)机械化大断面法施工的核心要点是“快挖、快支、主动支、快封闭”; 4)隧道结构设计采用规范中基于松散压力的围岩压力计算方法与实际存在差异,可采用形变压力计算方法; 5)对于采用机械化大断面法施工的隧道,掌子面超前主动支护体系与洞身主动支护体系是确保隧道掌子面附近围岩稳定的关键。     

围岩模糊信息分级模型在软岩隧道中的应用

针对软弱围岩隧道的施工,如何准确的进行围岩分级,对隧道的设计和安全施工意义重大。从国内外的应用来看,各种方法因为具有各自的适用性,很难保证结果的客观性与准确性。通过引入模糊数学方法,结合十漫高速公路软岩隧道的围岩特点,应用RMR分级系统的评分标准对岩石样品进行评分,进而建立围岩模糊信息分级模型,对围岩评分结果进行进一步的分析运算,从而使结果更具客观性。通过龚家垭隧道围岩样品实例验证,该法所得的结果与实际情况相差不大,具有较高的可信度。     

软弱围岩大断面隧道相向施工围岩稳定性分析与掌子面加固研究

相向施工的软弱围岩隧道临近贯通时,两开挖面的扰动区将会叠加,围岩应力及变形异常复杂,存在掌子面大变形和失稳问题。结合狮子垄隧道,采用数值手段分别对单向、相向施工时的隧道围岩应力与位移场进行研究,分析临近贯通时围岩的稳定性。结果表明,相向施工时,随着掌子面前方土体长度的减小,围岩塑性区明显增大,变形加剧,拱效应逐渐减弱,稳定性大大降低;两开挖面间存在极限距离,当2个掌子面距离小于该值时,围岩大范围临近塑性破坏,必须采取有效应对措施,方可保证隧道施工安全。在对掌子面加固、提高初支强度等措施效果分析的基础上,采用竹锚管注浆对狮子垄隧道贯通段掌子面进行加固,并提高初支强度,保证了该软弱围岩大断面隧道顺利安全贯通。     

基于系统识别方法的隧道围岩参数反演分析

隧道围岩参数是判断隧道围岩及衬砌稳定性的重要手段,是隧道安全预警系统的重要组成部分.对于采用新奥法施工的隧道,通过对围岩收敛进行实时监控,并利用有限元软件ANSYS建立隧道开挖过程收敛变形的正演模型,得到了围岩收敛的数值解,在此基础上根据系统识别理论建立了隧道围岩参数反演分析方法,并结合工程实例反演得到了围岩参数.研究...