高速铁路隧道支护参数的计算研究

为探索隧道初期支护安全系数的计算问题,并为高速铁路隧道支护参数优化提供理论依据,根据喷锚支护的性能与特点以及现代隧道力学的基本理论,建立初期支护荷载结构模型和对应的安全系数计算方法; 针对时速350 km高速铁路双线隧道提出的3种不同的初期支护方案（无系统锚杆支护、喷锚结合支护和以锚为主的支护方案）展开适应性研究,计算分析不同埋深（400 m和800 m）条件下初期支护的优化参数以及优化后的二次衬砌承载能力,在此基础上提出优化后的高铁隧道支护参数建议值,并对优化前后的安全系数进行计算与对比。主要结论如下： 1）提出了采用围岩压力代表值作为荷载结构模型设计荷载的方法,为解决设计中围岩压力不确定的问题提供了思路,且所推荐的围岩压力代表值计算方法具有安全性与经济性; 2）提出了3种初期支护计算模型,可以为初期支护构件的选择与量化设计提供一定的理论基础; 3）提出了时速350 km高速铁路双线隧道初期支护方案及优化后的复合式衬砌设计参数,并明确了不同围岩级别、不同埋深时的承载主体; 4）提出了按照不同埋深进行支护结构参数设计的建议。     

最小二乘支持向量机-粒子群算法在地下厂房围岩参数反分析中的应用

为准确确定地下厂房围岩的弹性模量、泊松比、黏聚力、内摩擦角、侧压力系数等参数,以正交设计、最小二乘支持向量机和粒子群算法等现代数学方法为基本手段,建立基于位移增量的围岩参数反分析方法。以CCS水电站大型地下厂房为研究背景,通过工程地质条件研究选取8#机组剖面作为分析对象,采用二维弹塑性有限元方法建立地质结构分析模型。以地下厂房洞室群分层开挖多点位移计实测位移增量为依据,对CCS水电站地下厂房区域围岩力学特性及地应力场特征进行反分析。研究结果表明： 主厂房第Ⅵ层与第Ⅰ层开挖和主变室第4层与第1层开挖所产生的位移增量计算值与多点位移计实测值吻合较好,最大相对误差小于10%,说明采用最小二乘支持向量机和粒子群算法相结合的反分析方法在工程上是可行的,且效果较为显著。     

Distributed support modelling for vertical track dynamic analysis

The finite length nature of rail-pad supports is characterised by a Timoshenko beam element formulation over an elastic foundation, giving rise to the distributed support element. The new element is integrated into a vertical track model, which is solved in frequency and time domain. The developed formulation is obtained by solving the governing equations of a Timoshenko beam for this particular case. The interaction between sleeper and rail via the elastic connection is considered in an analytical, compact and efficient way. The modelling technique results in realistic amplitudes of the ‘pinned–pinned’ vibration mode and, additionally, it leads to a smooth evolution of the contact force temporal response and to reduced amplitudes of the rail vertical oscillation, as compared to the results from concentrated support models. Simulations are performed for both parametric and sinusoidal roughness excitation. The model of support proposed here is compared with a previous finite length model developed by other authors, coming to the conclusion that the proposed model gives accurate results at a reduced computational cost.     

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。     

郑万高铁大型机械化施工隧道位移控制基准研究

依托郑万高铁湖北段大断面隧道洞群,针对其开挖断面面积大、软弱围岩占比高、采用大型机械化大断面法施工的特点,开展初期支护位移现场监控量测,对监控量测数据进行分类统计、包络回归分析,得到Ⅳ、Ⅴ级围岩深、浅埋不同大断面法（全断面法、微台阶法）开挖下初期支护位移沿隧道纵向的函数表达式及各工况下分段位移占极限位移的比值。最后结合 Q/CR 9218-2015《铁路隧道监控量测技术规程》中初期支护极限位移值,给出郑万高铁大型机械化施工隧道各工况下初期支护位移控制基准建议值。结果表明： 郑万高铁隧道Ⅳ、Ⅴ级围岩采用深、浅埋不同大断面法开挖时,按距掌子面距离的分阶段位移控制基准相差较大,现行Q/CR 9218-2015《铁路隧道监控量测技术规程》中统一规定不合理;围岩级别、埋深及开挖方法相同时,拱顶沉降和洞周水平收敛规律基本一致。     

郑万高铁隧道大型机械化施工支护优化

为解决郑万高铁大断面隧道建造过程中初期支护、二次衬砌、超前支护等支护结构安全储备较大、支护不经济的问题,以郑万高铁湖北段大断面隧道工程为依托,基于通用设计图A开展支护结构应力应变现场测试,对测试数据进行分析,并据此提出支护参数优化方案。采用现场实测和荷载-结构有限元方法对优化方案进行检算,最终确定优化设计图B,并进行现场应用。结果表明： 支护结构整体处于安全状态,优化方案合理可行。该支护优化方案不仅可以有效保证大断面隧道的安全性和稳定性,而且能降低成本,提高材料利用率,减少现场作业人员的劳动量。     

岩爆隧道柔性支护快速施工技术

为探究适合硬岩隧道岩爆段的快速施工技术,通过对硬岩隧道整体自稳性及岩爆特点的分析,提出以柔性支护为基础、以岩爆预测、松动圈测试和柔性网试验为保证措施的一种快速施工技术。依托米仓山隧道岩爆段的施工,利用陶振宇判据和Turchaninov判据对不同埋深下岩爆强度进行预测,合理划分米仓山隧道岩爆强度区段,并结合松动圈测试、柔性网试验,对锚杆和钢丝绳网的参数进行研究与验证。实践表明： 1)采用陶振宇判据和Turchaninov判据可以较准确地进行岩爆预测及强度区域划分; 2)利用松动圈测试结果能大致判断隧道开挖后围岩破裂区域的深度; 3)相比传统支护技术,采用喷射混凝土+涨壳式预应力锚杆+柔性防护网的快速支护技术,每循环施工可节省用时约4 h,整个岩爆区段施工速度可提高30%~40%。     

古夫隧道软弱围岩普通型机械化配套试验性施工技术

为提高隧道软弱围岩施工安全性和加快施工进度,依托古夫隧道出口段工程,首先通过超前地质预报、监控量测、应力应变测试等判断围岩及掌子面稳定性; 然后通过超前支护、低预应力涨壳式锚杆加固围岩,提高围岩自稳能力; 最后采用普通型机械化配套大断面法施工,对围岩的拱顶沉降、周边收敛、应力应变等进行监测,通过数据分析结果指导现场施工。研究结果表明： 1)隧道软弱围岩普通型机械化配套试验性施工技术可以有效地加快施工进度,保证施工安全; 2)信息化管理可以通过数据分析结果指导现场施工,大大提升隧道施工的管理水平。     

浅埋大跨小净距桃花峪黄土隧道系统锚杆作用效果研究

为了更好地研究系统锚杆在浅埋大跨小净距黄土隧道中的支护效果,以武西高速公路桃花峪隧道施工为依托,进行有无锚杆现场对比试验,结果表明:从初期支护左右侧拱顶沉降的对比来看,有锚杆段沉降略小于无锚杆段,水平收敛相差不大,锚杆对改善隧道围岩和初期支护受力作用相对较小,有锚杆试验段围岩-初期支护接触压力量值相对较小,相比于无锚杆段的土体压力略微均匀。综上所述,建议取消锚杆,对于薄弱环节可保留先行洞边墙小净距侧的锚杆施作。     

非接触式遥感路面状态检测预警系统研究与应用

为了实现道路路面状态检测和预警,自主开发了非接触式遥感路面状态检测预警系统。采用红外遥感和多光谱测量技术,以路面温度、空气湿度及水或冰或雪的厚度和透光率等参数为核心,对系统技术原理和算法、数据分析处理和控制及数据传输等关键技术进行了研究。通过水、冰及雪对3个波长光的不同吸光系数,确定了路面覆盖物的类型,计算了水、冰及雪的厚度。经多次现场测试数据验证,测试结果准确可靠,各项功能和性能满足实际要求。该系统已在中国多条高速公路中成功应用,为交管部门实施交通预警及疏导方案提供了数据依据,极大地提高了应对突发天气状况的及时性和准确性,有力保障了道路交通安全,取得了显著的安全效益和社会经济效益,具有广泛的推广应用前景。