漫谈矿山法隧道技术第十四讲——隧道涌水及其控制方法

分析制定隧道控制地下水对策的基本观点:既要考虑隧道施工对地下水的影响,也要考虑地下水对隧道施工的影响。指出控制地下水的对策必须符合3个条件:1)确保施工作业安全、顺利地开展;2)不对周边环境产生有害的影响;3)以合理的工费和工期来实现。隧道涌水视其发生位置、涌水量、发生时期、涌水量的历时变化等是各种各样的,应对隧道涌水进行合理分类,以便有的放矢地采取相应的对策。介绍了日本统计的地质构造和涌水现象的分类。涌水处理应达到3个基本目标:1)确保隧道施工在无水的条件下进行,或者是在可以接受的渗漏水条件下进行,或者是在对周边环境"可接受干扰"的条件下进行;2)二次衬砌原则上不承受水压作用,不得已时把水压控制在二次衬砌容许的范围内;3)运营中的隧道洞内不能成为地下水流经的通道,隧道衬砌背后必须形成一个纵横交错的、不易堵塞的、通畅的排水系统。达到上述目标的基本方法是:充分利用和提高围岩的隔水性能,合理地处理好"排"与"堵"的关系。针对涌水处理的3个基本目标,分别介绍了国内外相应的经验和措施。1)一些国家的指南、标准对隧道的涌水量进行了分级,认为涌水量≤2.5 L/(min·m)时基本上可以认为是在无水条件下施工;一般的线状流水、经常涌水可以用自然排水法排水;而针对突发大量涌水,则需要采取特殊的地下水对策予以解决。2)按照二次衬砌是否承受水压,隧道可分为3种情况:1衬砌不承受水压,即所谓的完全排水型隧道;2衬砌承受全部水压,即所谓的非排水型(防水型)隧道;3衬砌背后设置注浆域,分担衬砌承受的水压,衬砌只承受部分容许的水压。从目前的隧道设计实际来看,在山岭隧道中多数采用方案1,在城市隧道中多数采用方案2,在高水压和突发大量涌水的极端情况下采用方案3。介绍了日本、美国的设计经验。3)我国铁路隧道采用把地下水引入隧道,再从洞内两侧边墙附近设置的排水沟排出地下水的做法是值得商榷的;特别是在可能发生冻害的地区,更不可取。在国外,日本、德国、法国等国家的铁路、公路隧道基本上是把中央排水管设置在仰拱内或仰拱下方,而在隧道两侧只留有用于排出流入隧道内的雨水或隧道清洗水的排水沟;因此,建议立项研究取消洞内排水沟,设置中央或两侧脚部排水管的问题。最后指出,实现涌水处理的3个基本目标我们尚需努力,特别是"目标"的定位问题,尚需进行基础性的研究才能解决。在隧道施工中,涌水是不可避免的、客观存在的现象,我们积累的经验非常丰富,但缺乏系统的、认真的总结和归纳。     

基于SHEL和三角模糊数理论的地铁钻爆法施工安全评价方法研究

为合理应用决策数据中不同专家的背景知识,找出地铁施工过程中安全测评体系的关注重点,根据地铁施工的特点和SHEL安全模型理论,建立以人-软件(L-S)、人-硬件(L-H)、人-环境(L-E)和人-人(L-L)4个环节为基础的钻爆法地铁施工安全指标体系。请专家给出指标语义评价等级和指标权重语义评价等级,并根据其与三角模糊数的对应关系分别得出三角模糊数评价值。针对不同专家的重要性程度差异,提出基于三角模糊数的群一致性评价方法,得出专家综合权重,集结评价数据,最终得到安全评价结果。最后,对青岛地铁1号线过海段进行实例分析。结果表明,该方法可以解决群评价过程中专家个体权威与群体共识难以兼顾的问题,能够充分利用群决策中的原始评价信息,提高地铁施工安全水平评价的准确性。     

软土地层盾尾注浆压力引起的地面隆起分析

目前已有盾尾注浆压力引起地面隆起的研究均假定盾尾注浆压力均匀分布,这与实际工程中盾尾注浆压力上小下大的形式不符。为更准确预测盾尾注浆压力引起的地面变形,在现有均匀注浆压力引起地面隆起分析的基础上,考虑软土地层盾构隧道施工中盾尾注浆压力上小下大的分布形式,将盾尾注浆对地层的压力效应视为半无限土体中柱形孔的扩张过程,利用镜像法和Mindlin解,推导出软土地层盾尾注浆压力引起的地面隆起计算公式,并通过工程实例,将本文解答、叶飞解答、林存刚经验公式解答、Vesic解答与数值解进行对比分析。结果表明:盾尾注浆压力引起的地面隆起横向曲线总体上呈高斯分布。在预测软土地层地面沉降时,忽视盾尾注浆压力引起的地面隆起是不合理的;用推导出的公式计算上小下大分布形式下盾尾注浆压力引起的地面沉降是可行的,Vesic公式和林存刚经验公式在应用时需要根据具体工程进行相应修正。     

基于响应面和遗传算法的柴油机瞬态过程喷油参数优化

基于台架试验数据,利用响应面法建立了某工程机械用柴油机瞬态过程喷油参数与性能的近似高精度模型,基于此模型采用遗传算法对瞬态过程喷油参数分别进行离线优化研究。结果表明:采用单目标优化确定的燃油消耗率(BSFC)、NO_x比排放量和颗粒质量(PM)比排放量的优化极限分别可达180.23g/(kW·h),8.92g/(kW·h)和0.011 8g/(kW·h),相对原机可降低多达4.5%,34.0%和37.3%。双目标优化的Pareto解集表明,相比于同时优化BSFC和NO_x比排放量,BSFC和PM比排放量更容易同时得到优化。采用权重因子适应度函数的三目标优化结果对应的BSFC,NO_x比排放量及PM比排放量分别为184.70g/(kW·h),12.62g/(kW·h)和0.012 2g/(kW·h),较原机分别降低2.1%,6.6%和35.3%。改进优化模型后,性能优化Pareto解集对应的BSFC和PM比排放量水平都非常接近其优化极限,但NO_x比排放量相对其优化极限仍然较高。     

基于小波和粒子群算法的HEV行驶状况辨识方法研究

针对混合动力汽车(HEV)行驶状况(道路坡度和整车载荷)变化难以有效识别,导致驱动系统控制策略不能有效满足驾驶员意图问题,以混联式HEV为研究对象,提出了基于小波滤波和粒子群算法的HEV行驶状况辨识方法。首先建立了汽车行驶状况辨识模型,采用最小二乘法确立了优化目标函数,其次研究了基于小波滤波和粒子群算法的HEV行驶状况辨识原理,最后进行了行驶状况粒子群智能算法辨识试验。在采集实车数据的基础上,对实车数据进行小波滤波,并运用行驶状况辨识方法对道路坡度和整车载荷进行了辨识,并对辨识结果进行小波滤波,结果表明,试验工况下整车载荷辨识的相对误差绝对平均值为2.71%,道路坡度辨识的相对误差绝对平均值为3.85%,验证了所提出方法的有效性。     

A new model for temporal–spatial stochastic analysis of vehicle–track coupled systems

The vehicle–track coupled system has a random nature in the time–space domain. This paper proposes a computational model to analyse the temporal–spatial stochastic vibrations of vehicle–track systems, where the vehicle–track system is divided into a vehicle subsystem, track subsystem, and interfacial subsystem between the wheel and rail. In this model, the time-varying randomicity of dynamical parameters of the vehicle system, correlation, and randomness of the track structural parameters in the time–space joint dimensions, and randomness of the track random irregularities are considered. A probability dimension-reduction method was used to randomly combine different random variables. Furthermore, the probability density evolution method was applied to solve the delivery problem of probabilities between excitation inputs and response outputs. The temporal–spatial stochastic vibrations of the vehicle–track system with different coefficients of variation were studied, in which we assumed that the dynamic parameters obeyed the normal distribution, and the stochastic simulation method of the track random irregularities is probed into. The calculated results from this model are consistent with the actual measured results and physical conceptions. Thus, the temporal–spatial stochastic evolutionary mechanism can be explored, and the limits of dynamic indices can be formulated by using this developed model.     

沥青混合料裂纹发展过程的颗粒流模拟

为了在细观尺度下描述沥青混合料的裂纹发展行为,运用离散元程序PFC2D内置“Fish”语言,重构了沥青混合料非均质(集料、胶浆和空隙)多层次(矿料级配)结构虚拟试件,对虚拟试件微观组成成分之间的接触赋予了相应的微观接触模型,采用离散元方法实施了单边切口小梁虚拟3点弯曲试验,借助数字摄像法捕捉了室内小梁试件表面裂纹发展情况,在二维尺度下探索了沥青混合料的部分断裂机理.结果表明:虚拟试验得到的宏观断裂力学响应与室内试验结果的吻合度较好,仅采用试件单面图像信息构建模型进行力学性能预测缺乏可信度;虚拟试验模拟的二维裂纹扩展路径与室内数字摄影法结果较为相似,二者都体现出材料脆性断裂特点,二维模型往往夸大了粗集料在混合料断裂过程中的作用;基于离散元程序的裂纹扩展行为分析方法,可以作为研究沥青混凝土材料断裂行为的辅助手段.     

准饱和土中单桩竖向荷载作用下的动力响应

根据Biot饱和多孔连续介质波动方程,基于Bardet对准饱和土的假设,提出了准饱和土二相介质波动方程;运用Helmholtz矢量分解和传递、透射矩阵法(TRM)推导出准饱和土中层状半空间受竖向荷载作用下的动力响应表达式;利用Muki虚拟桩法,在层状半空间建立了桩和准饱和土相互作用的第二类Fredholm积分方程,通过离散的数值积分方法求解积分方程,讨论了准饱和土中单桩竖向动力响应问题.算例分析表明,准饱和土中桩顶竖向阻抗随饱和度的减少而增大,与饱和土地基相比,明显偏大;桩侧孔压随饱和度的减小而增大,并沿着桩长迅速衰减;桩顶位移幅值在频率较小时变化明显,饱和度越小,位移峰值越大,当频率较大时,饱和度的变化对振幅的影响不大.     

桥墩防落石碰撞柔性设计方法及分析

基于动力学基本原理,从非线性、接触以及本构关系计算理论建立落石-桥墩防撞物柔性碰撞精细化计算模型,并对关键计算参数给出建议取值.利用钢结构柔性变形吸收落石碰撞能量,提出一种桥墩防落石碰撞柔性设计方法,并详细给出该防落石碰撞构造措施的结构组成形式.利用ANSYS/LS-DYNA动力分析计算程序,考虑几何、材料双重非线性,精细化数值仿真计算落石撞击防撞物的动态全过程,以一个偏安全的极限碰撞状态,分别从运动行为(撞击力、位移、速度、加速度)以及能量转换(系统动能、系统变形能)角度进行计算结果与数据分析,证明所提出的柔性防撞设计思路以及防撞措施的合理性与优越性.     

基于平整度的CRCP冲断区域维修标准研究

为了获得连续配筋混凝土路面冲断区域维修标准,本文首先建立冲断区域人-车-路耦合振动模型,然后利用传递矩阵法结合Matlab软件对振动方程进行求解,以获得乘客加速度随时间的变化和最大瞬态振动值(MTVV).研究发现:一定条件下车辆经过冲断区域时,其在做振幅减小的简谐振动;当车辆进入冲断区域0.22 s时乘客加速度最大,其值为1.57 m/s2.最后,考虑行车舒适性以最大瞬态振动值作为行驶舒适性评价指标,提出冲断区域维修标准的确定方法和步骤,并给出了相应算例.