寒区高速铁路隧道温度场模型试验系统的研制及应用

 基于寒区高速铁路隧道温度场研究现状及存在问题,以俄罗斯400 km/h的莫喀高铁隧道防寒保温设计为研究对象,研制不同洞外气温、围岩地温、列车运行速度和运行间隔等条件下寒区高速铁路隧道的温度场模型试验系统。该系统由高速列车模型驱动装置、隧道模型、温度控制装置、测试系统以及列车模型五部分组成：高速列车模型驱动装置采用伺服电机,通过PLC梯形图语言编程技术实现列车模型加速、匀速和减速过程的精确控制;隧道模型主体材料采用有机玻璃,通过法兰、螺栓和密封条连接而成,整个试验过程可视化并兼具美观性,还可根据试验需求通过预留多组螺栓孔实现纵向尺寸的拓展,从而模拟不同长度的隧道;温度控制装置由洞外温度控制装置和围岩地温控制装置构成;测试系统由高灵敏度的温度测试元件、风速测试元件以及数据采集仪构成;列车模型以CHR 380A高速列车为模型蓝本,主体材料采用有机玻璃,原型与模型几何相似比为50∶1。试验结果表明：采用控制变量法,洞外气温每降低5 ℃,洞内气温负温长度平均增加104 m;围岩地温每升高5 ℃,洞内气温负温长度平均减少145 m;列车运行间隔短于15 min的寒区隧道,在防冻保温设计时应考虑列车运行间隔对保温设防长度的影响。     

海底隧道流固耦合模型试验系统的研制及应用

 围岩与水体的流固耦合作用对海底隧道的稳定性具有重要影响,很有必要开展流固耦合模型试验研究。根据流固耦合模型试验的特点,研制可用于模拟准三维平面应力和平面应变的新型流固耦合模型试验系统。该系统的整体尺寸为3.4 m×3.0 m×0.8 m(宽×高×厚),由钢结构架、钢化玻璃试验箱和水压加载装置组成。其中钢结构架由6榀可独立操作的高强度合金铸钢构件通过高强螺栓连接组合而成;钢化玻璃试验箱结构,既能保证试验要求的密封性,又便于可视化观察施工过程中海底隧道围岩渗流、变形特征。同时,采用研制的新型流固耦合模型试验系统和独立研制的新型流固耦合相似材料依托青岛胶州湾海底隧道开展流固耦合模型试验研究,揭示海底隧道施工过程中洞壁压力和围岩位移场、渗流场等的变化规律。研究方法技术及结果对类似工程研究具有一定的指导和借鉴意义。     

十字岩柱法隧道开挖地质力学模型试验研究

 以重庆市轨道交通三号线为工程背景,开展十字岩柱暗挖法地质力学模型试验研究,优化大断面隧道开挖工序,进行围岩岩土相似材料配比试验、模拟洞室开挖过程中锚固注浆加固作用、洞室开挖过程的围岩位移变形监测分析。试验结果表明：研制的钢结构台架可成功模拟加围压条件下的洞室开挖,可直观地观察到模型开挖时围岩的渐进破坏过程。模型试验采用的监测系统能对开挖过程中洞室围岩的位移进行实时监测,实现了开挖支护与监测记录同步进行。根据相关参数建立数值分析模型,将数值计算结果与试验实测结果进行对比分析可知：二者结果基本一致,规律大致相同,且最终位移值满足试验要求,表明模型试验取得了较为理想的效果。研究工作对实际工程施工及今后类似模型试验研究的发展具有一定指导作用。     

隧道施工过程大比尺模型试验系统的研制及应用

 为研究隧道不同开挖方法的施工力学过程,研制大比尺三维模型试验系统,该系统最大外部尺寸为5.2 m×4.5 m×2.7 m(宽×高×厚),结构合理,可任意拆卸,组合拼装,自动液压控制系统具有压力高、保压时间长、可进行稳步梯级加载等特点,能够满足各类地下工程的三维和平面地质力学模型试验的要求。在既有地质力学相似材料的基础上,通过大量的不同材料配比及其力学参数测试,获得满足V级软弱围岩的相似材料配比。基于此开展铁路隧道施工过程的大比尺三维地质力学模型试验,真实模拟隧道在开挖和支护过程中不断变化的力学过程。试验结果表明,该系统稳定可靠,可广泛应用于其他地下工程的地质力学模型试验研究,其研究方法技术及所得结果对类似工程研究具有一定的借鉴和指导意义。     

深长隧道充填型岩溶管道渗透失稳突水机制三维流–固耦合模型试验研究

 为研究岩溶地区隧道开挖过程中充填型岩溶管道受施工扰动和地下水渗流作用发生失稳突水的机制,以湖北省保康至宜昌高速公路尚家湾隧道突涌水段为工程背景,通过大型三维可视化固液耦合试验平台、水压加载控制系统以及水压环境下有较好相似度的流-固耦合岩石和充填物相似材料的研制,开展深长隧道充填型岩溶管道渗透失稳突水的大比尺三维流-固耦合模型试验,真实再现隧道开挖和水压加载过程中,岩溶管道充填物中裂隙形成–扩展–导水通道贯通–突水的全过程,通过位移、应力和渗压变化规律的分析,揭示了充填物渗透失稳突水过程的灾变演化机制。试验结果表明：(1) 施工过程中充填型岩溶管道突水是开挖扰动和高地下水位高渗透力作用诱发充填物渗透失稳的结果;(2) 充填物受开挖扰动影响比围岩更明显,变形量比围岩大20%～25%,应力释放率比围岩高30%;水压加载阶段,水头高度升高到6.0 m时,充填物位移突增50%,渗压下降速率达0.6 kPa/min,达到失稳临界状态;(3) 岩溶管道突水受其发育形态影响比较明显,其弯曲角度较大的部位是阻碍上部水和充填物突出的主要屏障;(4) 充填型岩溶管道渗透失稳突水的灾变演化过程经历四个阶段：形成离散的微小裂隙、裂隙连通形成导水通道、在渗流作用下导水通道扩展延伸、导水通道贯通形成突水路径,其中前两个阶段主要受开挖扰动影响,后两个阶段与高水位高水压的渗流作用密切相关。试验成果对突涌水机制的研究和工程中突涌水灾害的防治具有一定的指导意义。     

断层破碎带隧道突水突泥模型试验系统研制与应用

为研究吉莲高速永莲隧道扰动作用下突水突泥灾变演化过程及破坏特征,以F2断层破碎带为研究对象,研制大型三维地质模型试验系统,该系统由模型架、地应力加载系统、水压加载系统以及信息监测系统组成,通过材料配比试验及物理力学性能参数测试,研制出适用于流–固耦合模型试验的新型断层围岩及正常围岩相似材料。采用该系统进行模型试验,揭示正常围岩开挖过程中及揭露断层后的隧道围岩渗流压力、应力应变、位移以及涌出物等特征参数的变化规律,模型试验结果与实际工程灾变特征具有较好一致性。试验结果表明该系统稳定可靠,可广泛应用于其它地下工程的模型试验研究,其研究方法及结果对类似工程研究具有一定的指导和借鉴意义。     

岩土工程抗爆结构模型试验装置研制及应用

根据地下工程科研需要,专门研制了岩土工程抗爆结构模型试验装置.该装置由抗爆箱体、基坑、拉杆联接系统、油缸推拉系统及消波措施等5部分组成.利用该装置可进行常规武器对地下工程的侵彻爆炸破坏效应或核武器对深埋工程产生的直接地冲击破坏效应等室内模型试验.文中给出了该装置的功能指标、模型试验理论和试验技术及其初步应用情况.     

组合式地质力学模型试验系统及其在分岔隧道工程中的应用

地质力学模型试验是根据一定的相似原理对特定工程地质问题进行缩尺研究的一种方法。地质模型是客观物理实体的再现,在满足相似原理的条件下,能够真实反映岩土介质的基本力学变形特性。要进行模型试验,就必须有相应的模型试验装置。根据地质力学模型试验的特点,本文研制出一种能实施同步非均匀加载的组合式地质力学模型试验系统。该系统主要由盒式台架装置、变荷加载板和液压加载控制试验台组成,其具有尺寸可调、加载规模大、持荷稳定的显著优点。应用该系统对一大型分岔隧道工程进行了三维地质力学模型试验研究,有效揭示了分岔隧道围岩位移场、应力场的变化规律和岩锚支护效应。     

山岭隧道地震动力响应规律的三维振动台模型试验研究

 以国道318线黄草坪2#隧道为原型,开展大型三维振动台模型试验,重点研究隧道结构的地震动力响应规律及隧道与围岩的相互动力作用。通过对模型试验的关键技术研究,建立一套山岭隧道大型振动台模型试验设计、制作、加载及测试的工艺与方法流程。模型震害分析表明：隧道洞口边坡以开裂和滚落石震害为主,坡面加速度沿高程方向递增且具有一定的放大效应,在坡面原生裂缝和薄弱部位极易出现震害;隧道结构以衬砌开裂和掉块震害为主,初期支护和二次衬砌出现裂缝的部位不同,但钢筋网能够有效地阻止裂缝的发展。模型试验结果表明：隧道结构的加速度响应要大于周边围岩且对周边岩土体的加速度响应有一定的放大效应;对于一般的硬岩质山岭隧道来说,隧道洞口段0～50 m范围的加速度响应较大,为隧道抗减震设防的重点区域;山岭偏压隧道横向不同部位的地震动力响应存在明显差异;当地震波从隧道底部小角度入射时,隧道结构的加速度响应最强烈,对隧道结构的安全性是非常不利的;随着加载地面峰值加速度(PGA)的增大,隧道不同部位的加速度响应增大,但当隧道结构进入非线性破坏状态后,PGA呈减小趋势,地震能量逐渐被耗散。     

土工离心模型试验的发展与应用

本文介绍了土工离心模型试验的相似理论和发展状况，从六个方面对离心模拟技术在岩土工程领域的应用进行了简要介绍。     

超高压智能数控真三维加载模型试验系统的研制及应用

 随着世界对矿物资源和能源需求的增加,人类地下开采活动不断走向地球深部。为了揭示超深埋地下洞室在高地应力条件下的非线性变形特征与强度破坏机制,采用数控技术和光电装换技术研制了超高压智能数控真三维加载模型试验系统,该系统主要由模型反力架、超高压加载系统、智能液压控制系统、模型位移自动采集系统、高清多探头窥视系统组成。系统额定出力63 MPa、最大加载45 000 kN、加载精度0.05 MPa。通过智能数控技术实现模型超高压真三维梯度非均匀加载;通过光电转换技术实现模型洞室任意部位位移的自动测试,位移测量精度0.001 mm;通过高清多探头窥视系统实时动态观测模型洞室的破坏状况。利用研制的整套模型试验系统对新疆塔河油田超深埋油藏溶洞的成型垮塌破坏过程进行相似材料三维地质力学模型验,揭示出古溶洞成型垮塌破坏模式、非线性变形特征和应力变化规律。通过地质力学模型试验验证超高压智能数控真三维加载模型试验系统的可靠性,该系统在研究超深埋地下洞室的非线性变形破坏机制方面具有广泛的应用前景。     

采动覆岩涌水溃砂灾害模拟试验系统研制与应用

 为研究煤层开采过程中覆岩涌水溃砂灾害的演化特征,研制采动覆岩涌水溃砂灾害模拟试验系统。该系统由主体承载支架、试验舱、承压水仓、模拟采煤装置、储能罐、水压水量双控伺服系统和位移应力双控伺服系统组成,具有模拟空间大、可视度优、密封性好、加载方式多样、数据精度高等特点。以西部地区煤炭赋存地层为工程背景,利用研制的低强度非亲水相似材料对煤系地层进行模拟铺设,并对其进行模拟开采,较好地再现了覆岩涌水溃砂灾害孕育、发展及发生的全过程,获得工作面开采过程中覆岩变形破坏、裂隙发育扩展、水砂通道形成及水砂突涌参数和特征。试验结果表明该试验系统稳定可靠,研究方法及结果对进一步认识采煤工作面涌水溃砂灾害的形成机制具有指导和借鉴意义。     

隧道岩溶管道型突涌水动态演化特征及涌水量综合预测

建立了隧道岩溶管道型突涌水模型,进行了突涌水过程中动态演化特征分析,结果表明揭露岩溶管道型突涌水的动态演化无明显的时间效应,但空间特征呈现阶段演化的规律,突涌水区域可分为三种典型流速演化区域:管道内部的近似高速稳定区,隧道与岩溶管道临界面附近的流速升高区以及隧道内部灾害水体的衰减–低速稳定区。基于管道内部区域流速动态衰减规律,提出了基于数值分析法和极限(离散)解析法的涌水量综合预测方法,形成揭露岩溶管道型突涌水的涌水量预测体系,并设计了相应的模型试验,进行了涌水量的实时监测,监测结果验证了涌水量综合预测方法的合理性。     

隧道突水灾害电阻率层析成像法实时监测数值模拟与试验研究

突水灾害已成为危及隧道安全施工的重大问题,为了实现隧道突水灾变演化过程的监测和灾害预警,将电阻率层析成像法尝试引入到隧道突水的监测工作中,提出了一种基于图像灰度相关性理论的电阻率层析成像监测信息定量评价方法.首先,针对非地质缺陷类和地质缺陷类这两种典型的突水类型进行概化,得到了突水灾变演化过程不同阶段的地电模型,为隧道突水实时监测数值模拟奠定了基础.其次,采用有限单元法进行电阻率层析成像法突水实时监测数值模拟,揭示了电阻率图像对突水灾变演化过程的响应特征,通过对突水灾变演化过程电阻率图像灰度相关性的定量分析,发现相关性系数小于0.5(或0.3)的样本点数目大幅增多,且相关性分布和正演图像标准差急剧增大,是突水发生的重要前兆特征.最后,进行了隧道突水电阻率层析成像法实时监测模型试验,较准确地捕捉到了突水前兆信息,实现了突水灾害预警,表明电阻率层析成像法用于突水实时监测是可行的.     

岩溶隧道承压隐伏溶洞突水模型试验与数值分析

为研究不同充填水压条件下隐伏溶洞对隧道围岩稳定性的影响,进而揭示溶洞突水致灾机理,利用自主研发的大型三维流固耦合模型试验系统,针对强充填滞后型溶洞突水孕灾模式开展了试验研究,揭示了承压溶洞突水过程位移、应力及渗压的变化规律,综合模型试验与数值计算各自的优势,开展了不同充填水压下(0.4~1.1 MPa)隧道开挖过程流固耦合数值模拟,对模型试验结果进行补充验证。研究结果表明:溶洞影响范围主要集中于一倍洞径范围内,受溶洞影响普通围岩的应力水平及应力释放量均高于隔水岩体,孔隙水压力消散速度较大,位移变化相对平稳;在隧道开挖阶段,随着溶洞充填水压增大,隔水岩体应力释放率越低,渗透压力整体升高,上升梯度逐渐减小,当溶洞水压高于0.8 MPa时,位移出现明显异常;模型试验水压加载阶段真实再现了隔水岩体破裂突涌水过程,研究结果对于岩溶隧道施工过程突水灾害防控具有指导意义。     

Risk assessment of water inrush in karst tunnels based on attribute synthetic evaluation system

A veracious and feasible method is presented to systematically evaluate the risk of water inrush in karst tunnels. The methodology consists of two attribute recognition models: one is used in design stage, and the other one is applied in construction stage. Based on the principles of scientificity, rationality, operability and representative, several influence factors are selected as evaluation indices. In order to meet the requirement of the data format of attribute mathematical theory, a couple of evaluation indices are modified and quantitatively graded according to four risk grades through expert evaluation method. The weights of evaluation indices are rationally distributed by comprehensive assignment method, and the attribute measure functions are constructed to compute single index attribute measure and synthetic attribute measure. A confidence criterion is adopted to discern the risk grade of water inrush. Comparisons of the results derived from the present method and a case study are made. The results of the comparisons indicate that the evaluation results obtained from the proposed method are generally in a good agreement with the field-observed results. This risk assessment methodology provides a powerful tool for systematically assessing the risk of water inrush in karst tunnels.     

有砟轨道路基翻浆冒泥模型试验系统的研发与应用

为研究既有线有砟轨道路基的翻浆冒泥机理,自主研发了一套能够模拟循环荷载–湿化耦合作用的模型试验系统。模型试样直径500 mm,由厚度分别为350 mm的路基土和200 mm的道砟组成,整个试样在高强度透明有机玻璃模型筒中制备完成。模型试验系统配备有监测荷载、位移、体积含水率和孔隙水压力的4种传感器,并通过高清相机对颗粒迁移过程进行图像捕捉。基于所研发的试验系统,针对辛泰铁路典型翻浆冒泥病害路段土样,开展翻浆冒泥模型试验。试验结果表明：动孔隙水压力是导致翻浆冒泥病害产生的关键因素。随着体积含水率的增加,动孔隙水压力引起的颗粒迁移量逐渐增加;在饱和状态下,会引起大量颗粒迁移,翻浆冒泥现象显著。试验结束时,道砟污染指数达到25%,在实际工程中已严重影响铁路的正常运营,有必要对污染道砟进行换填。