管棚预支护条件下水下隧道开挖面三维稳定性分析

为研究管棚预支护条件下水下隧道开挖面稳定性,基于塑性极限分析理论,建立考虑渗流力的管棚预支护条件下隧道开挖面三维稳定性分析模型,并据此确定开挖面的极限支护压力。结合深圳地铁实际工程,采用笔者提出的方法计算得到的开挖面极限支护压力较二维极限平衡法更符合实际情况,该方法的合理性得到验证。进而研究管棚预支护、地下水位和管棚剩余长度对隧道开挖面渗流力的影响。分析结果表明,渗流力对隧道开挖面稳定性有显著影响,渗流力与地下水位呈线性关系;采用管棚预支护能显著减小隧道开挖面处的渗流力,但当开挖面前方管棚剩余长度超过2倍洞径时,再增加管棚长度对减小开挖面渗流力的效果不明显。     

管棚预支护条件下隧道开挖面稳定的可靠度分析

为考虑土体参数的变异性对隧道开挖面稳定性的影响,基于可靠度理论,采用三维弹塑性有限元数值模拟方法,计算管棚预支护条件下隧道开挖面极限支护力;以不同工况下地层参数及其极限支护压力比作为样本,待BP神经网络训练完毕后,即可预测大量给定地层参数工况下的开挖面极限支护压力比,对其进行统计,得到概率分布特征;在理论分析的基础上,结合工程实际,建立了管棚预支护条件下隧道开挖面稳定的极限状态方程,运用粒子群优化算法,对其进行可靠度分析。研究结果表明:采用管棚预支护的隧道,开挖面支护压力存在极限值,达到该值后,增加较小幅度的支护力,就能较大程度地提高隧道开挖面稳定的可靠度。     

铁路隧道火灾拱顶附近最高温度预测模型研究

隧道拱顶下方最高温度是结构防火设计中的一个重要参数,对不同火灾工况下隧道拱顶附近最高温度的变化规律进行数值模拟研究。对比分析网格尺寸对火灾模拟结果的影响,结果显示当网格尺寸为0.1D*时模拟结果比较准确。分析了不同纵向通风风速、不同火源热释放速率及不同火源面到拱顶距离的情况下Kurioka最高温度模型的有效性,得出Kurioka最高温度模型在通风风速较小或不通风情况下是失效的。最后,对模型进行修正,给出一个具有广泛应用的隧道拱顶附近最高温度预测模型。     

铁路隧道整体式衬砌火灾力学响应特性数值模拟

通过ANSYS有限元数值模拟软件,建立了铁路隧道整体式衬砌的二维热力耦合有限元计算模型,基于ISO834标准火灾温升曲线,对不同单双线和不同等级围岩的铁路隧道整体式衬砌(单线III级围岩衬砌、双线III级围岩衬砌、单线IV级围岩衬砌、双线IV围岩衬砌)的火灾力学响应行为进行了数值模拟研究,获得了火灾作用下,不同的铁路隧道整体式衬砌拱顶竖向位移、边墙侧向位移、压应力、剪切应力的变化情况。结果表明:双线整体式衬砌拱顶的竖向位移大于单线整体式衬砌,围岩等级越大整体式衬砌拱顶的竖向位移越大,整体式衬砌承受的最大压应力和最大剪切应力随时间集中在不同厚度层的混凝土区域上。所获得的结论可为铁路隧道整体式衬砌的防火设计和安全性研究提供理论参考。     

南李庄铁矿富含水段施工技术研究

大水基建矿山的井筒掘砌是一项艰巨的工程,尤其富含水且岩层松软破碎段更给施工带来了很多危险和不确定因素。怎样保证工程顺利进行,成为基建矿山面临的一个主要问题。国控矿业南李庄铁矿下掘至岩层破碎富含水段时,采用长探长注及超前小导管注浆的施工技术顺利通过此段。此施工技术确定了探注孔数及其布置,探注深度和下掘深度,注浆参数的控制,注浆过程控制,超前小导管施工的各项参数,小导管的加固方法等。通过长探长注及小导管的施工保证了下掘工作的顺利进行。     

隧道先后行洞开挖步距间隔的施工影响分析

针对分离式隧道的先后行洞在不同的步距间隔情况下开挖对隧道围岩稳定性的影响进行研究。运用有限元软件ABAQUS，并且选用D-P屈服准则对分离式隧道左右洞开挖的过程进行数值模拟，结合实际工程分析隧道开挖过程中的围岩应力分布、塑性区域和位移变化。研究结果表明，先行洞在开挖步距小的情况下会对后行洞产生较大的竖向应力，开挖前拱顶处产生3.01 MPa，开挖后拱顶处产生1.55 MPa，出现塑性区域范围较大，塑性应变值为0.24 mm，隧道位移变化量同样大于开挖步距大的情况。由研究结果得出，分离式隧道在开挖过程中应避免在先行洞开挖步距小的情况下对后行洞进行开挖，施工现场应根据实际工程围岩情况合理调整两洞之间的开挖步距。     

侧部集中排烟口布置对烟气层吸穿影响研究

侧部集中排烟是新型隧道火灾通风排烟模式.为探究侧部集中排烟模式下烟气层吸穿问题,采用数值模拟方法对排烟口处烟气层热物理特性的影响进行研究,改变排烟口间距、形状(长宽比)、面积、距拱顶距离等因素,分析了发生吸穿现象所对应的温度分布、烟气层厚度及排烟效率.结果表明:侧部集中排烟模式排烟口处发生吸穿现象的区域位于排烟口下部靠火源一侧空间;随排烟口间距增大,烟气层更容易发生吸穿现象;当排烟口面积一定时,排烟口的长宽比越大,排烟口发生吸穿的区域越小,吸穿现象越弱;得到了 15 MW火灾情况下侧部排烟口的最优尺寸、间距及排烟口距拱顶最佳距离.     

泄爆导管对球形容器内气体爆炸泄放过程影响的试验

设计了球形容器内气体爆炸通过导管泄爆的试验系统,选用体积分数为10%(特殊说明除外)的甲烷和空气预混气体开展试验,研究了泄爆导管长度、容器容积、点火位置、气体体积分数、破膜压力等因素的影响。结果表明:泄爆导管越长,容器内的正压力峰值和负压力峰值越大;密闭爆炸时,球形容器的容积对爆炸压力峰值几乎无影响;不同容积球形容器内气体爆炸通过相同导管泄爆时(导管长度均为6 m,直径均为0.06 m),容积大的容器内的压力锋值为小容器压力值的3.3倍,且大容器内的压力上升速率也明显高于密闭爆炸的情况;有泄爆导管存在时,尾部点火容器内的压力峰值高于中心点火;泄爆导管的存在使得容器内的压力峰值高于直接泄爆时的压力峰值;无论有、无泄爆导管,容器内的压力峰值均随破膜压力增加而增加,但差值越来越小,说明导管的存在对容器爆炸泄爆过程的影响趋向缓和,但导管的存在总是阻碍了泄爆过程,增加了爆炸的严重程度,因此,在泄爆设计时要充分考虑导管的影响,适当提高容器自身的耐压强度。     

基于点源模型的拱顶罐池火灾热辐射通量分析

针对目前油品储罐区火灾爆炸事故处置缺少必要理论指导的现状,运用点源模型对常见公称尺寸的拱顶汽油、煤油和柴油储罐全面积池火的热辐射通量进行分析,探讨了油罐直径对点源模型计算结果的影响、水平热辐射通量与总热辐射通量的关系以及相同距离处被辐射目标物接受的热辐射通量随其高度位置的变化.提出了采用罐壁点源方法估算拱顶罐池火灾热辐射通量的建议,推荐采用汽油池火的热辐射通量进行油罐火灾热辐射危险性分析及消防安全设计方面的探讨.     

纵向通风隧道内火灾温度场分布规律研究

以狮子洋水下特长隧道为工程背景,利用CFD数值模拟软件FDS 4.01,建立隧道实体物理模型,进行火灾数值模拟分析。研究了列车火灾热释放功率为15 MW、不同坡度、不同纵向通风风速下,该类隧道内拱顶附近和2 m高处温度场的纵向分布规律,以及各工况下拱顶的最高温度,并分析其对隧道结构防火和人员疏散救援的影响。结果表明:随隧道坡度的增大,在同一通风速率下的烟气回流长度逐渐减小,但随着风速的加大,坡度对烟气回流的影响逐渐减弱;随着通风风速的增大,火区附近的温度下降,而沿程温度上升,纵向通风速率越大,拱顶温度越低。     

梁锚结构加固浅埋隧道洞口软弱地层的承载特性研究

针对隧道洞口埋深浅且软弱围岩稳定性差这一问题,提出在地表增设混凝土框架梁,设置扩大头锚杆与框架梁连接并深入软弱围岩,运用数值模拟分析“混凝土框架梁-扩大头锚杆”结构加固软弱地层后的力学特性。研究结果表明：采用“混凝土框架梁-扩大头锚杆”加固隧道洞口软弱地层,k=0.4时,相比于没有加固对照模型,隧道最大拱顶沉降值下降68.7%,隧道最大边墙收敛值下降15.1%,初期支护最大等效应力减小12.7%;建立不同加固区围岩松动压力分散系数k下的数值模型,通过拱顶沉降结果与加固区围岩松动压力分散系数的线性拟合,提出采用加固结构后的隧道拱顶沉降规律与围岩松动压力计算方法。     

在高地应力作用下近水平岩层隧道掌子面稳定性分析及控制*

为了研究大峡谷隧道开挖中掌子面大范围塌方及支护失效问题,分析现场水平层状围岩失稳特征,基于3DEC离散元软件探究掌子面失稳机理,提出塌腔处治及支护整体优化控制措施。研究结果表明:掌子面塌方主要表现为顺层滑移、挤压离层、局部掉块。开挖后拱顶沿水平层理面发生离层,导致掌子面分层垮落,层间错动掉块。围岩拱顶块体呈斜向下45°变形发展,掌子面中部和底部呈平行隧道轴向变形发展,根据塑性区和剪切滑移区扩展范围,最终形成宽5 m、高4 m的塌腔,掌子面前方岩体受影响深度3~4 m。对易塌方段提出台阶法开挖等控制措施,现场监测洞周位移收敛量不超过5 cm,整体优化后支护效果明显。     

Duct-venting of dust explosions in a 20 L sphere at elevated static activation overpressures

Ducts are often recommended in the design of dust explosion venting in order to discharge materials to safe locations. However, the maximum reduced overpressure increases in a duct-vented vessel rather than in a simply vented vessel. This needs to be studied further for understanding the duct-venting mechanism. Numerous duct-vented dust explosion experiments were conducted, using a 20 L spherical chamber at elevated static activation overpressures, ranging from 1.8 bar to 6 bar. Duct diameters of 15 mm and 28 mm, and duct lengths of 0 m (simply venting), 1 m and 2 m, were selected. Explosion pressures both in the vessel and in the duct were recorded by pressure sensors, with a frequency of 5 kHz. Flame signals in the duct were also obtained by phototransistors. Results indicate that the secondary explosion occurring in the duct increases the maximum reduced overpressure in the vessel. The secondary explosion is greatly affected by the duct diameter and static activation overpressure, and hence influences the amplification of the maximum reduced overpressure. Larger static activation overpressure decreases the severity of the secondary explosion, and hence decreases the increment in the maximum reduced overpressure. The secondary pressure peak is more obvious as the pressure accumulation is easier in a duct with a smaller diameter. However, the increment of the maximum reduced overpressure is smaller because blockage effect, flame front distortion, and turbulent mixing due to secondary explosion are weaker in a narrow duct. The influence of duct length on the maximum reduced overpressure is small at elevated static activation overpressures, ranging from 1.8 bar to 6 bar at 15 mm and 28 mm duct diameters.     

敞开式TBM施工隧道粉尘扩散及除尘系统研究

TBM掘进过程中产生大量粉尘，为了掌握粉尘的分布规律并优化除尘系统，以敞开式TBM为例，采用数值计算方法研究不同除尘风管位置，不同除尘风速和不同掘进面产尘量下的洞内粉尘浓度分布规律。研究结果表明:敞开式TBM隧道施工过程中，掘进面至除尘风管区域质量粉尘浓度较高，在除尘风管口后方区域下降到 2 mg/m3以下；除尘风管布置在距掘进面30 m位置处时，洞内沿程粉尘含量相对较大，除尘风管布置在距掘进面20 m位置处时洞内沿程及TBM支护区域粉尘含量相对较小；排风风速为15 m/s时，敞开式TBM支护区域粉尘质量浓度最小，排风风速为30 m/s时，该区域粉尘质量浓度最大；掘进面产尘量越大，洞内沿程及敞开式TBM支护区域粉尘质量浓度越大，不同产尘量下洞内粉尘浓度均在除尘风管后方达到规范限值以下。     

Effect of scale on flame speeds of methane-air

Explosions are the main types of accidents causing casualties in underground coal mines. Research on the mechanisms of gas explosions is needed as a basis for the development of techniques and strategies for explosion prevention, suppression, and mitigation. The prevention of loss in explosion accidents and inquiries into their causes require understanding of the explosion process of methane in air. Because of the high cost and safety issues in full scale experiments, the experiments with small scale ducts have become a key alternative approach. Whether the experimental results at small scales agree with those at full scales needs to be investigated to validate the significance of the experimental results at small scale. Numerical simulation was used to obtain the explosion characteristics of a methane-air mixture in a gallery or duct. If the grid size is too fine in the numerical simulation for a methane-air explosion it is difficult to calculate using the present computer resource. If the grid size is too coarse, the considerable error may result. The effect of grid size on results of calculation depends on the scenario being investigated. The effect of grid sizes on simulation accuracy was analyzed in this work. The overpressure and temperature distributions and the flame propagation for the deflagration of methane-air mixtures in a gallery or duct were obtained by the AutoReaGas code at three different scales. The geometry of investigated objects and the grids in the calculation domain were similar in the three cases. The calculated overpressures vary with the scale. The calculated temperatures do not vary with the scale for the three cases.     

高风险城市环境地铁小净距隧道近接隧道群施工方案优选

为优选高风险城市环境中小净距隧道近接施工方案,依托北京地铁19号线新草区间新建小净距隧道近接隧道群工程,利用有限差分软件FLAC3D,对工程采取管棚管幕预加固措施和改变施工顺序2种施工方案,并对2种方案下的位移控制效果进行研究.研究结果表明:采用管棚管幕预加固措施,并以东侧隧道完工后西侧隧道开挖的顺序施工,可有效控制位...     

高烈度地震区隧道软硬围岩交接段刚柔并济抗减震技术研究*

为提高高烈度地震区隧道抗震性能，以某铁路隧道为研究背景，分析3种抗减震措施下隧道不同监测点隧道拱顶沉降、边墙收敛、衬砌结构PGA及最小安全系数，通过对比分析得到最优抗减震措施。结果表明:相比于工况1，工况2隧道拱顶沉降减小10.54%~81.10%，边墙收敛减小13.92%~78.77%，衬砌结构PGA减小31.42%~72.02%，最小安全系数增加18.04%~66.13%；相比于工况1，工况3结构拱顶沉降减小3.04%~18.02%，边墙收敛减小4.70%~32.00%，PGA增加13.95%~27.48%，最小安全系数增加7.49%~30.99%；工况4即“减震层+SFRC衬砌”刚柔并济法，相比于工况1，隧道拱顶沉降减小18.46%~83.98%，结构边墙收敛减小17.54%~85.47%，PGA减小30.00%~69.98%，最小安全系数增加47.95%~83.56%；4种工况抗减震性能由高到低依次为:工况4＞工况2＞工况3＞工况1。研究结果可为隧道软硬围岩交接段抗震设防提供理论参考。     

南京长江隧道火灾数值模拟

以南京长江隧道为研究背景,运用火灾动力学模拟软件PYROSIM建立实体物理模型,并将空间划分为0.1 ×0.1 ×0.1m3的网格,对南京长江隧道火灾过程中的纵向通风进行模拟计算.定量分析了不同通风速率条件下火灾及烟气蔓延的规律,并得到隧道拱顶附近温度和烟气分布状况.模拟结果显示较小风速下烟气会产生回流,但随着风速增大烟气扩散速率随之加快,通过对3种不同风速的分析比较,选择3.0m/s纵向通风作为临界风速.进一步结合南京长江隧道现有的消防设施及应急救援系统,分析该临界风速下烟气温度对隧道结构和毒害气体对人员疏散救援的影响.结果显示此临界风速下隧道结构安全,且在疏散及时、救援有效的基础上,基本能保证人员疏散安全.     

泡沫镍对甲烷-空气预混气体爆燃超压影响的研究

为了有效抑制气体爆炸时产生的冲击波强度,设计加工了内部截面为110 mm×80 mm,长500 mm的爆炸实验管道,利用高频动态压力传感器,对比研究了泡沫镍在管道内的安放位置对甲烷-空气预混气体爆炸的影响。结果表明:当把泡沫镍铺设在管道中间位置时其对爆炸超压的抑制效果最好,其次是放置在管道的尾部,效果最差的是将多孔材料放置在管道的前部。