铁路隧道衬砌裂缝整治及衬砌补强加固设计研究

通过对某铁路隧道衬砌裂缝的现场调查和研究,把衬砌质量缺陷按照裂缝宽度和长度的不同分为AA、A1、B和C四个等级,并采取不同的加固措施。重点对W钢带补强和骑缝锚杆注浆两种整治措施进行了研究,采用ABAQUS软件对整治前后衬砌的进行数值计算,得到整治前后衬砌的内力,最后计算得出整治前后衬砌的安全系数。结果表明:缺陷整治后衬砌缺陷范围内衬砌的刚度提高,并有效地提高了衬砌的安全系数,达到了整治的预期效果。该研究为隧道衬砌裂缝病害的分类提供了借鉴,同时也为隧道衬砌裂缝病害的整治与加固提供了新的方法和思路。     

基于FTA的运营隧道衬砌渗水原因分析及预防

隧道衬砌渗水已成为影响运营隧道结构强度和稳定的关键因素。为了能在运营隧道的日常管理与维护过程中有效预防运营隧道衬砌渗水的发生,从隧道运营管理与维护的角度,运用事故树分析法较为系统、全面地分析得出了运营隧道衬砌渗水的11个基本原因和8个理论预防方案。通过综合比较分析,提出了“有效泄压”和“及时检测修复裂缝”2个预防运营隧道衬砌渗水的可行方案,并相应地给出了各可行预防方案的具体措施。针对不能从本质上解决隧道衬砌裂缝的情况,指出加强运营隧道衬砌渗水检测与预警技术的研究和应用,是实现有效预防运营隧道衬砌渗水的必要途径。     

空间裂缝病害下铁路隧道衬砌结构安全性研究

基于现场检测结果,针对隧道衬砌裂缝病害,借助ANSYS有限元分析软件,采用荷载－结构法建立含纵向裂缝的隧道计算模型,考虑拱顶和拱腰部位裂缝,分析不同长度、深度裂缝对衬砌结构安全性影响大小,并总结不同规模裂缝下衬砌结构安全性的变化规律。结果表明:裂缝对裂缝附近区域结构的安全性危害最大,拱顶裂缝对衬砌结构的危害程度要远大于拱腰裂缝,且裂缝深度对衬砌结构安全性影响较裂缝长度更为显著,最后在此基础上提出了空间裂缝下衬砌结构安全性评判标准,对不同规模裂缝危害进行等级划分,为隧道相应的病害整治提供了依据。     

铁路长大隧道健康状况远程监测诊断装备系统研究

基于服役期铁路长大隧道健康状况劣化影响因素分析,结合隧道衬砌结构特点和健康状况监测实际,采用智能传感、信息融合、故障诊断技术,构建集监测、诊断、评估于一体的长大隧道健康状况远程监测诊断装备系统。研究系统的软硬件设施及其布设技术,建立长大隧道健康状况综合评估体系,给出健康诊断量化评估标准。以国内某铁路长大隧道为例,对其健康状况实施远程监测与诊断分析。结果表明,该条服役隧道健康问题的主要影响因素为隧道衬砌漏水、隧道衬砌裂缝、隧道衬砌变形、隧道衬砌剥落等病害,尤以隧道衬砌变形最为严重,健康等级为4级。     

基于混凝土循环剥落的隧道火灾损伤数值模型研究

为研究混凝土高温剥落对隧道衬砌火灾损伤的影响,在现有隧道结构非线性瞬态热—力耦合有限元模型基础上,提出1种在火灾高温条件下混凝土发生剥落的循环算法,以模拟火灾下衬砌结构截面面积的损失,并引入混凝土临界剥落温度的概念,得出基于混凝土循环剥落的隧道衬砌火灾损伤数值模型建立流程。利用该模型对某隧道衬砌结构进行火灾损伤模拟,并与试验结果进行对比验证。结果表明:火灾下隧道混凝土衬砌结构内逐渐增大的热应力是导致普通混凝土高温剥落的主要原因;可将衬砌受火面是否达到临界剥落温度作为隧道发生高温剥落的充分条件进行火灾损伤分析;模型求解所得的数值模拟结果与现场火灾试验数据基本吻合,验证了其可行性;混凝土高温剥落与否对衬砌结构等效温度应力有较大影响,在隧道衬砌结构抗火性能分析过程中应尽量考虑混凝土高温剥落造成的影响。     

公路隧道衬砌背后缺陷风险评估研究

衬砌背后缺陷是隧道工程的常见病害之一,具有隐蔽性、复杂性和不确定性等特点,因此就衬砌背后缺陷存在时的隧道结构风险评估进行了研究。对衬砌背后缺陷进行辨识和分析,确定缺陷发生的概率,同时对一个二维圆形公路隧道模型设置不同位置且大小不同的各种背后缺陷,数值模拟得出这些缺陷对衬砌结构内力的影响,从而建立其后果的严重程度,再采用风险矩阵得出风险等级。在此基础上以某公路隧道为例,就存在的衬砌缺陷对该隧道结构进行具体的风险评估。衬砌背后存在缺陷时,衬砌的内力会大幅增长,使得结构面临很大的破坏风险,采用风险评估的方法得出具体的风险等级,从而正确定位缺陷,可以更加直观地看出衬砌背后缺陷对隧道结构的危害。     

基于云模型的长时停工隧道衬砌结构质量评价

基于长时停工隧道衬砌结构质量评价中通常存在的定性描述和定量转化问题,引入一种基于云模型理论的长时停工隧道衬砌结构质量评价方法。根据长时停工隧道衬砌结构的特点,选取锚杆数量和衬砌厚度等20项评价指标,建立了长时停工隧道衬砌结构质量分级的评价模型;通过正向正态云发生器生成对应的云模型参数,再结合各评价因子的权重,获得云模型的综合确定度,最后利用最大隶属度原则确定长时停工隧道衬砌结构质量状态等级;将该模型应用于某一长时停工隧道工程实际,评定了该隧道衬砌结构的质量状态等级。结果表明,该方法不仅能给出长时停工隧道衬砌结构的质量等级,还能客观反映长时停工隧道衬砌结构中各因素的合格情况。     

基于贝叶斯网络的公路隧道服役状况诊断方法研究

隧道结构的服役状况评价结果直接影响隧道养护决策,为客观合理反映运营隧道衬砌的服役状况,基于已有研究成果和专家知识,运用层次分析法建立了由目标层、一级指标层和二级指标层构成的隧道结构服役状况评价指标体系,确定了隧道衬砌服役状况的4个评价等级。在此基础上,采用贝叶斯网络结构学习TAN方法并结合专家经验知识,建立了隧道衬砌服役状况评价的贝叶斯网络模型,并结合某隧道工程实例验证了该方法的有效性。结果表明,基于贝叶斯网络的评价模型能较好地反映隧道衬砌结构的服役状况。利用贝叶斯网络进行推理分析,能考虑评价指标之间的交互性,使得诊断结果更符合客观实际。     

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。     

火灾下盾构隧道管片衬砌热力耦合数值分析

结合盾构隧道工程实例,利用ANSYS有限元分析软件,建立了隧道衬砌结构的有限元实体模型,对隧道内施加温度荷载,先分析衬砌结构内部温度场的分布情况,在温度场分析的基础上,进一步对混凝土管片衬砌结构进行力学分析,分别得出衬砌结构内的温度分布规律及衬砌结构在高温作用下的应力变化规律,进一步研究其在火灾作用下的破坏部位,从而为评估盾构隧道在火灾作用下的安全性提供理论依据。     

基坑开挖引起邻侧盾构隧道开裂特性研究*

为探究基坑开挖导致邻侧既有盾构隧道出现开裂破损而带来的不利影响,采用地层-结构法与荷载-结构法相结合的计算方法,同时考虑内置钢筋对混凝土的加强作用,精细化地模拟基坑开挖影响下,非连续盾构管片结构接头处裂缝的扩展过程,揭示其开裂机制。研究结果表明:基坑开挖过程中,管片衬砌“横鸭蛋”变形模式决定了其开裂范围,即左、右拱腰附近为主开裂区;管片的裂损特征为纵向裂缝,初始裂缝由左、右拱腰外弧面逐渐向两侧接头处延展,右拱腰接头处裂缝扩展连接为沿厚度方向的环状裂缝。     

基于地铁运营日志文本挖掘的危险源辨识算法研究*

为探究地铁运营过程中致使险性事件发生的关键因素,识别关键危险源,加强对危险事件的预防管控,研究基于地铁运营日志文本挖掘的地铁运营危险源辨识算法,通过引入自定义专业术语词典和自定义停用词典,删除干扰数据并进行数据分词,实现对地铁运营日志的预处理,进一步构建进行危险源辨识的AFP-tree算法,实现对日志中关键危险源的挖掘。研究结果表明:AFP-tree算法能够显著提升计算效率,通过分析共挖掘出25类有效关键危险源,研究结果可为地铁运营单位实现“事前”的事故预防提供重要依据。     

强震区跨断层隧道纤维混凝土衬砌抗震效果分析*

为进一步提高高烈度地震区跨断层隧道在地震时的安全性和稳定性,依托天坪寨隧道F1断层段,通过有限元数值计算软件ABAQUS对纤维混凝土隧道衬砌的抗震效果进行研究。分析素混凝土二衬结构、钢-玄武岩混杂纤维混凝土（SBHFRC）二衬结构及钢纤维混凝土（SFRC）二衬结构的位移、应力及安全系数的变化情况。结果表明:SFRC衬砌结构最大横向、纵向位移分别增大12.57%,1.43%,竖向位移减小33.83%,SBHFRC衬砌结构的最大横向、纵向、竖向位移分别增大6.69%,22.35%,25.32%;SFRC二衬最大、最小主应力分别增加26.09%,19.69%,SBHFRG二衬最大、最小主应力分别增加3.16%,2.16%;SFRC二衬与SBHFRC二衬的最大剪应力分别增加20.82%,2.23%;衬砌结构采用SFRC和SBHFRC时的安全系数分别提高59.72%,54.74%;二衬结构采用SBHFRC时抗震效果优于采用SFRC时的抗震效果。研究结果可为强震区跨断层隧道抗震设计提供依据。     

基于数据挖掘技术的事故隐患预警方法研究

为改良企业既有隐患排查治理方法,提高辨识效率,提升整改效果,应用并优化数据流滑动窗口模型、等价类变化算法、变化挖掘算法等数据挖掘技术,构建1种关联隐患预警方法,该方法以企业历史隐患数据为基础,通过挖掘实时隐患数据的关联规则,发布关联隐患的类型、存在可能性和变化模式等预警信息,指导企业进行针对性排查和整改。最后,以72家安全管理性质相似企业的28 957项隐患数据为例,验证该方法可行性。研究结果表明:该方法不但能挖掘关联隐患类型及其变化模式,而且预警准确率随置信度水平提升而不断提高。     

隧道入口冰雪环境下驾驶员心生理特性研究*

为提高高速公路冰雪环境下隧道入口行车安全水平,探究隧道入口冰雪环境下驾驶员心生理反应特性,依据心生理理论,通过模拟驾驶试验采集驾驶员在冬季晴、雪天气下隧道入口行驶的心率增长率、速度等数据,分析照度变化率、路面摩擦系数、速度对驾驶员心生理的影响规律,明确不同影响因素下隧道入口驾驶员心率增长率变化特征,利用Matlab构建多因素耦合下隧道入口驾驶员心生理反应模型,并设计实车试验验证心生理反应模型有效性。研究结果表明:冰雪环境下隧道入口驾驶员心率增长率紧张阈值为28%,隧道入口冰雪环境下照度变化率安全阈值为51%,心生理反应模型误差小于10%,吻合程度较好。研究结果对提高山区高速公路隧道入口冰雪环境的行车安全性、降低隧道入口事故风险具有重要意义。     

基于红外热成像技术烃类火灾下沉管隧道开裂分析

为了研究烃类火灾下沉管隧道的开裂深度,建造沉管隧道缩尺模型,采用HCinc升温曲线在沉管隧道左、右两侧孔内同时开展明火试验。在沉管隧道火灾试验过程中,利用热电偶和红外热像仪测量沉管隧道的温度场变化,利用红外热像仪对混凝土裂缝位置的温度变化进行监测。基于混凝土内水分迁移原理,结合混凝土裂缝中水和水蒸气的温度变化及混凝土内温度场分布,推断出在点火95 min时,混凝土裂缝开展深度超过150 mm。研究结果表明：在沉管隧道内部发生火灾的情况下,受火侧受热膨胀容易导致沉管隧道外侧混凝土受拉开裂,在沉管隧道抗火设计中,建议考虑内外侧温差导致的混凝土开裂问题。     

连续管复合裂纹的应力强度因子有限元分析

针对解析法计算连续管复合裂纹应力强度因子繁琐的问题,引入扩展有限元法（XFEM）进行分析。应用有限元软件ABAQUS计算不同裂纹角度对应的连续管Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ型裂纹的裂尖应力强度因子KⅠ,KⅡ,KⅢ,分析了裂纹角度对应力强度因子的影响,并模拟得到了受单向拉伸载荷的连续管裂纹扩展的整个过程。研究结果表明:扩展有限元解与计算解很接近,验证了利用扩展有限元法计算复合型应力强度因子的有效性。随着裂纹夹角θ的增大,裂尖处KⅠ不断减小、KⅡ始终很小,可以忽略、KⅢ先增大后减小、总应力强度因子K不断减小。通过扩展有限元法计算出裂尖应力强度因子,可有效预测含裂纹CT80连续管的安全性。