高海拔特长隧道低压低氧环境施工控制技术研究——供氧技术标准、关键通风技术、施工人员组织、施工装备效率

为解决高海拔地区低压和低氧环境带来的隧道施工供氧、通风等技术难题,采用现场试验及测试的方法,对高海拔隧道施工人员缺氧状况、供氧效果、机械排污量等进行研究,结合理论推导及数值计算,得到如下结果:人体的缺氧危险等级分为严重缺氧(Ⅰ)、缺氧(Ⅱ)、存在缺氧危险(Ⅲ)和不缺氧(Ⅳ)4级;基于肺泡氧分压与氧气体积分数关系的不同缺氧等级下的氧气体积分数控制标准;不同海拔CO体积分数控制标准模型;基于风管开口处流量理论的风管漏风率海拔修正系数计算公式;风机风压、功率的海拔修正系数公式;考虑人体劳动的平均能量代谢率海拔修正系数的不同海拔下施工人员劳动强度指数及强度等级。     

基于海明距离-TOPSIS法的山区公路隧道扩建方案直觉模糊优选

为了解决山区高速公路隧道改扩建方案选取决策困难而又缺乏理论依据的问题,基于直觉模糊数的海明距离,结合TOPSIS方法,增加专家权向量修正,进而得到处理具有优先级别关系的多属性问题的决策方法。分析山区高速公路隧道改扩建的影响因素,建立隧道扩建方案影响指标体系。从依托工程实际出发,邀请指定的专家对指标优先级别排序,然后利用已建的数学模型实现扩建方案寻优。该方法在厦蓉高速公路隧道改扩建施工方案优选中得到有效运用,说明该方法实用可行,对隧道改扩建施工方案以及类似工程方案优选问题具有重要的指导意义。     

盘形滚刀刀圈轧制数值模拟研究

盘形滚刀工况条件差、换刀成本高,生产厂家对刀圈的性能要求越来越严格。为了提高刀圈质量,针对TBM中43.2 cm(17英寸)盘形滚刀刀圈,采用轧制成形工艺,运用塑性成形软件,建立盘形滚刀轧制过程数值模型,通过有限元仿真分析滚刀成形的应力场和应变场,并对不同参数对成形过程的影响进行研究。研究结果表明:1)轧制过程应力较小,应变分布较为均匀,但整体应变较小,随着主辊转速及芯辊进给速度的增大,等效应力逐渐减小,应变基本不变。2)匹配仿真参数进行刀圈轧制试验,并对刀圈质量进行检测,刀圈流线与外形轮廓相符,分布连贯不被打断,且与主应力方向一致,流线合理。     

隧道不同级别围岩监测与数值模拟分析

依托谷城至竹溪高速公路小漩隧道,针对不同围岩段的特点,对隧道地表沉降、洞内收敛变形及拱顶下沉等项目进行了现场监测与分析,研究不同级别围岩变形时程曲线和纵向分布曲线的基本规律。并利用有限元分析软件ABAQUS模拟不同围岩级别隧道开挖过程,将数值模拟结果与现场监测数据结合,分析围岩级别对隧道围岩稳定性的影响。结果表明： 围岩级别越高,隧道开挖过程中地表下沉和洞内变形越大,变形稳定的时间也越长。     

临近铁路坑中坑偏载基坑开挖支护结构受力与变形规律研究

为了研究坑中坑偏载基坑开挖支护结构性状,以某临近铁路的坑中坑基坑工程为依托,基于实测数据分析基坑的变形规律,并运用有限元软件对不同的设计方法进行计算分析。实测表明,坑中坑偏载基坑的超载侧墙体变形呈悬臂形,而欠载侧墙体上部为朝向坑外的逆向位移,下部朝向坑内位移。有限元分析表明： 忽略边坡开挖过程将边坡等效为分布荷载进行计算,将高估超载侧墙体内力,低估欠载侧墙体内力和第1道支撑轴力;按超载侧荷载进行对称计算将高估欠载侧围护结构内力;建议坑中坑偏载基坑支护结构设计考虑基坑整体性状和外坑开挖对内坑围护结构内力的影响,对两侧围护结构区别设计。     

红谷沉管隧道GINA止水带数值模拟分析

沉管隧道接头结构复杂,相对于预制管段,管段接头是沉管隧道的薄弱环节。管段的不均匀沉降会导致接头处的张开与错动,引起GINA止水带的变形,造成接头防水能力的降低甚至丧失,从而对隧道的安全运营造成极大的危害。采用有限单元法针对沉管接头GINA止水带进行建模,对多工况下GINA止水带的受力变形机制进行系统化研究,以期对沉管隧道接头的防水设计和施工提供参考。主要结论如下： 1）运营工况下,GINA的压缩量不宜小于90 mm,接头张开量不宜大于35 mm; 2）设计条件下管节相对水平错动20 mm,相对竖向错动35 mm时,不会影响GINA止水带功能; 3）运营工况下,GINA止水带两肩部的差异变形对其止水功能影响较小。     

风载环境下隧道光纤光栅火灾探测器响应和报警特性

为研究风载环境下的隧道线性感温光纤光栅火灾探测器的响应特点及响应阈值设定对报警结果的影响,以全尺寸隧道为实验平台,设计2种光纤光栅（FBG）火灾探测器的火灾实验场景,分析2种不同风载作用下报警阈值对报警响应时间的影响及风载对探测器响应速率的影响。实验结果显示： 1）报警阈值从10 °C/min减小到3 °C/min时,低风速（0.4 m/s）下的报警响应时间缩短了24 s,而在高风速（5 m/s）情况下,报警响应时间仅缩短了4 s,表明在低风速情况下,FBG火灾探测器的响应更灵敏; 2）风速对火灾烟气的扩散影响显著,位于下风向的光纤探测器响应速率明显高于上风向的光纤探测器响应速率,可由此作为推算烟气移动速度、到达位置及火灾时风载速度的一种方法。     

滚刀破岩引致岩石振动特性试验研究

隧道掘进机(tunnel boring machine,TBM)技术是一种安全高效的隧道工程施工方法。在TBM掘进中,滚刀刀盘系统与岩石相互作用时会产生振动现象,其振动特性与破岩机制均会影响到TBM的掘进效率和刀盘刀具的使用寿命。通过制作大尺寸砂浆材料试件,采用自主研制的TJ-TS500型线性切割试验平台,设计较为精细的振动测试系统,进行滚刀线性切削试验。试验方案考虑切深、切割速度以及试样节理特征等因素,同时在切削过程中对滚刀三向力以及试样的振动信号进行监测。通过对采集的振动信号进行快速傅里叶变换（fast Fourier transformation,FFT）,分析不同切削参数条件下的滚刀破岩振动特性。     

高速铁路隧道二次衬砌钢筋施工预留沉落量分析

为提高铁路双线大断面隧道二次衬砌钢筋保护层控制质量,降低拱顶开裂风险,针对隧道二次衬砌钢筋在大跨度时本身具有向下的沉落变形特点,需对钢筋沉落量进行有效控制。二次衬砌环向主筋受力体系与拱的受力方式相同,以郑万高速铁路隧道二次衬砌结构几何参数、钢筋及垫块布置、钢筋的自重为研究对象,按无铰拱结构受力计算方式,采用经典力学原理、拱的挠度理论、挠度叠加设立方程,对钢筋自重下的预留沉落量进行研究,得到环向主筋越小施工沉落量越大,环向主筋越大施工沉落量越小的规律。通过理论公式计算出各种衬砌类型钢筋施工沉落量,提前进行有效预设,并按施工沉落变形对钢筋进行有效限位支撑,提高钢筋安装的准确性,有效控制了二次衬砌钢筋保护层,满足了设计要求。     

复合地层盾构刀盘掘进速率及受力特性分析

为探究复合地层中盾构刀盘的掘进速率及受力特性,基于连续-非连续单元法（CDEM）,建立盾构-岩土体这一完整系统的数值计算模型。通过在CDEM中引入简单有限体积法、虚拟质量法、单元溶蚀算法等系列算法,实现盾构刀盘掘进全过程的三维模拟。建立5种刀盘面花岗岩占比的刀盘破岩数值模型,并对不同刀盘面花岗岩占比下的刀盘进尺、掘进速率、平均转矩、平均倾覆力矩等进行详细分析。数值模拟结果表明： 1）在某一特定复合地层中掘进时,随着掘进时间增加,刀盘进尺基本呈线性增大的趋势,但进尺曲线中平缓段及速升段交替循环出现; 2）刀盘面花岗岩占比由0增大至100%,掌子面处拉伸破坏单元增加,剪切破坏单元减少,且刀盘的掘进速率呈指数衰减趋势,掘进速率降低88.7%; 3）刀盘面花岗岩占比由0增大至100%,平均转矩值逐渐增大,增大比例为117.5%,平均倾覆力矩值则呈现先增大后减小的趋势,且在花岗岩占比为50%时最大。