《复杂环境下大跨市政隧道建造与运行关键技术研究》

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大跨市政隧道的建造和运营,往往受周边地质、邻接工程、城市规划、交通安全和大气污染控制等复杂内外环境条件的制约和影响,涉及隧道结构分析、健康监测、照明诱发行车安全和通风控制等诸多技术难题。该项目针对上述难题,开展复杂环境下大跨市政隧道建造与运行关键技术研究,主要内容及成果包括:隧道结构精细化分析:针对深厚软土中大型市政隧道开挖稳定与支护结构安全等问题,以杭州城西软土为对象,基于应力路径三轴土工试验,标定了小应变土体(HSS)本构模型参数;根据软粘土层损失的实际情况,提出盾构隧道掘进过程中土层径向椭圆分布的位移边界场,系统分析了非均匀土层损失对邻接隧道工程的影响,提出了后续地铁盾构隧道施工的控制标准;基于偏态高斯曲线位移增量模式的变形机动场,建立了改进土体发挥强度设计方法(MMSD),并成功应用于紫金港隧道狭长深基坑坑底抗隆起稳定安全性分析。与传统分析方法相比,该研究提出的MMSD法更符合实际软土深窄基坑机动场特性,具有更高的预测精度。隧道运营期内结构健康监测:城市隧道在服役期间,不可避免受环境荷载、疲劳、腐蚀、材料性能老化等因素的影响,导致结构强度下降,从而影响使用并埋下安全隐患。针对城市大跨明挖隧道建设-运营期内结构监测方法的完善、长效监测数据的获取、早期病害发现预警和健康状况评估等问题,采用光纤光栅技术对紫金港隧道的荷载源及力学响应实施了从施工到运营全过程监测,并基于自适应神经模糊推理系统(ANFIS)理论,建立了城市明挖隧道的结构安全评估指标体系,并针对各项指标提出了量化分级评价标准,实现了隧道结构安全的量化评估;开发了一套具有实时监测、分析预警、远程监管等功能的隧道结构健康监测系统,并运用于紫金港隧道工程。该研究建立的基于ANFIS理论的城市明挖隧道结构的安全评估指标体系,通过引入应力、应变等微观、量化指标,克服了传统隧道结构安全评价体系中仅针对宏观单一指标且仅为模糊评价的缺陷,使得隧道结构的安全评估指标更为全面、量化,评价结果更加合理、准确。城市隧道LED照明安全:针对现行规范未充分考虑照明亮度空间分布特征和LED光源属性对视觉功效的影响,忽略了不同朝向隧道洞外亮度日时序变化的差异等问题,采用视觉功效试验,研究并获得"明、暗适应"过程中LED光源色温、亮度空间分布对行车安全性的影响及适用于隧道各照明段的色温及亮度空间分布控制指标;研究洞外亮度的日时序变化规律,结合交通流特征分析,提出了城市隧道LED照明各向异性调光异步时序分级原则及控制方案,并依托紫金港隧道工程进行示范应用和验证。城市隧道通风控制:针对带匝道城市隧道通风的联动效应、时滞性和需兼顾隧道内外环境等问题。搭建了带匝道城市隧道1/20比尺模型通风试验平台,试验揭示了串并联通风段射流风机运行状态、交通流参数和匝道结构对隧道总风量及分流比的影响规律;基于物模和数模结果,提出了考虑渐扩段及弯段影响的矩形断面隧道分岔口局部损失系数的简化计算方法;基于洞内射流增压动力学原理,获得预测纵向通风隧道延迟效应的理论公式,并揭示延迟效应产生的物理机制;提出可同时满足内外环境要求的带匝道隧道通风排污分级调控原则。

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