盾构隧道下穿地下建筑物时的地表沉降分析

为研究盾构隧道下穿地下建筑物时的地表沉降特征和地层沉降规律,对沈阳地铁1号线某区间盾构隧道下穿地下结构引起的地层沉降进行了理论分析、数值模拟和工程监测。结果表明：盾构机从不同方向接近地下框架结构端墙的下方时,端墙下方土体出现较大的位移,因此端墙下方土体需加固;盾构机在独立基础下方掘进时,提高同步注浆压力和增加注浆量对减小地表沉降的作用不明显;地下框架结构对土层的约束作用使盾构隧道施工引起的地表最大沉降值减小,沉降槽宽度系数增大,曲线更平缓;忽略地下框架结构刚度的地表沉降数值分析结果与地表位移监测数据接近,可用于指导工程实践。     

盾构过富水砂层对地表建筑物影响的研究

结合深圳地铁2号线盾构过富水砂层施工实际,考虑流-固藕合水土本构关系,用FLAC3D软件建立了盾构施工数值分析模型。计算结果与工程实测数据对比验证了数值模型的合理性。进一步研究了盾构过富水砂层对地表不同位置建筑的影响:建筑物基础在隧道正上方时产生沉降最大且较均匀,水平位移最小;盾构机开挖下穿时建筑物差异沉降最大,建筑物倾向盾构开挖方向;建筑物基础横向上离隧道中心一倍隧道埋深时,建筑物水平移动最大,易受剪切破坏,倾向垂直盾构开挖方向,周边地表沉降差最大;建筑物离隧道中心横向距离超过两倍隧道埋深时,盾构开挖对建筑物基础沉降的影响较小,建筑物沉降与其周边地表沉降较均匀。     

城市地铁盾构施工地层变形三维数值模拟分析

富水砂层条件下,盾构施工问题多、风险大、施工变形难控制。以南昌地铁某区间盾构隧道工程为研究背景,采用有限差分软件FLAC3D建立了三维盾构施工力学模型,对富水砂层条件下的盾构施工过程进行动态数值模拟,并结合现场实测数据分析了盾构施工引起的地表沉降规律。结果表明：盾构施工引起的横向地表沉降呈＂V＂形,最大地表沉降发生在隧道中心正上方,最终形成的沉降槽宽度约为6倍隧道外径;盾构施工引起的纵向地表沉降呈＂S＂形,盾构开挖面前方表现为隆起,开挖面后表现为沉降,在开挖面后一定距离逐渐趋于稳定;开挖面支护力对稳定开挖面土体及减小地表沉降有较大影响;盾构进洞与出洞施工中存在较大风险,应采取相应的工程措施以保证盾构施工安全进行。所得结论可供南昌地铁区间盾构隧道设计与施工参考。     

机载探地雷达的进展以及数值模拟

机载探地雷达可能解决危险环境或广域条件下的近地表探测问题,用于解决环境、生态或军事方面的问题.然而由于种种原因,该技术的发展却显得比较慢.为了推进该技术的发展,本文介绍了目前世界范围内机载探地雷达的进展,并利用时间域有限差分法对一些典型模型进行数值模拟,并用特定的偏移成像方法对模拟结果进行成像.目前存在的机载探地雷达主要有三种类型:第一种为将常规探地雷达天线悬挂在直升飞机上,第二种为针对机载探地雷达开发的雷达系统,第三种为具有探地能力的合成孔径雷达.数值模拟结果表明,不管是水平地面的情况下,还是起伏界面的情况下,机载探地雷达都能清楚探测一定深度范围内的地下目标.可见,机载探地雷达是存满希望的一种方法.     

FDTD数值模拟在GPR管线探测中的应用

探地雷达是一种非常重要的管线探测技术,为了提高地下管线雷达图像特征的认识,确定管线异常体的位置,提高雷达资料的解释精度.论文从Maxwell两个旋度方程出发,推导了二维TM波的差分方程、CFL数值稳定性条件、频散关系.然后,基于Matlab平台编写了探地雷达正演的FDTD程序,应用该FDTD程序开展了管线探测中探地雷达探测效果分析,包括对管线埋藏深度、管线间距、管线内物质、管线材质等影响因素的数值模拟.通过分析雷达正演剖面特征,可以清晰了解并掌握雷达管线探测与各种影响参数之间的关系,对实际地下管线探测可起到指导作用.最后,将GPR应用于武广高速浏阳河隧道管线探测中,GPR准确地定位了PVC通迅电缆的位置在埋深,为工程施工与处置提供了依据.     

基于时序InSAR技术的西安地铁沿线沉降监测及预测分析

城市轨道交通建设和运营造成的地铁沿线及周边区域的地表沉降,给地铁的安全运营带来极大的隐患,甚至造成严重的经济损失和不良的社会影响.本文以西安市地铁沿线地面形变现象为研究对象,利用覆盖西安市2017—2021年的44景Sentinel-1A影像数据,采用SBAS-InSAR方法获取地铁网络沿线的地表形变信息,并基于SVR模型和LSTM模型对典型地铁站点地面沉降进行预测分析.研究发现：(1)西安市地铁沿线呈现不同程度的地表形变现象,抬升区域主要集中在鱼化寨地区、电子城地区、西安城墙的南部,抬升速率最大为25 mm/a;(2) 2号线的南部、5号线的东西两段以及9号线的东段是沉降发生的主要路段,且5号线沿线整体不均匀沉降现象较为严重,最大沉降速率为32 mm/a,最大累积沉降量达130 mm;(3)通过不同预测模型实验对比,发现LSTM模型精度较高,预测结果显示2、5、9号线典型沉降区域未来四个月以每月约2.3 mm的最大速率继续沉降,需对典型沉降段进行持续监测．     

机载探地雷达数值模拟及逆时偏移成像

机载探地雷达可以用于人类无法到达的危险地区、植被严重覆盖的地下目标体探测,然而由于机载探地雷达的特殊性,影响机载探地雷达探测效果的因素包括天线的极化方向、天线的飞行高度以及地表粗糙度等.为了研究这些影响因素与探测效果之间的关系,用三维时间域有限差分模拟电磁波的传播过程,以沙漠地区地下空洞掩体的机载探地雷达探测为实例,分别模拟了不同天线极化方向、天线高度及地表粗糙度情况下的机载探地雷达剖面,分析了各因素对机载探地雷达探测地下空洞目标体的影响.天线极化方向与目标体走向垂直更有利于地下目标体探测;天线距离地表越近,可以获得更高分辨率的雷达剖面;沙漠地表起伏越大,雷达剖面中的散射杂波能量越强,浅部地下目标体信号容易被掩盖.为了消除起伏地形造成的散射杂波,提出用逆时偏移成像技术对共炮集机载探地雷达数据进行偏移成像,成像结果优于基尔霍夫偏移成像结果.     

地铁盾构隧道开挖对邻近立交桥桩基影响分析

采用广州市轨道交通十三号线二期工程西彩区间盾构隧道项目资料,使用三维有限元模拟的方法,研究盾构隧道施工对立交桥桩基产生的影响.由于该区间盾构隧道下穿德尼立交桥,需进行桩基托换,从桩基托换及盾构掘进的设计、施工特点出发,针对所提出的不利影响开展三维建模及数值计算.分析结果表明:桩基托换和盾构开挖均对土体造成了一定程度的扰动,引起的桩基竖向位移较大,随着桩基托换和盾构开挖施工的进行,结构位移变化呈现先逐步上涨,后趋于稳定的趋势.根据数值计算结果的位移大小,均在规范的安全控制值内,不影响既有立交桥的结构和运营安全,并一步提出相应的施工建议.     

管线模型的探地雷达物理模拟实验

地下管线是保障城市运行的重要基础设施与生命线,开展管线探测是城市地下工程建设中必不可少的环节.探地雷达正演有助于掌握雷达波在地下的传播规律、加深对管线回波的认识.由于真实的地下介质分布不均匀、测区环境充斥着多种干扰,导致实际的探地雷达剖面中回波信号成分复杂、目标双曲线形态不完整,难以直接进行地质解释,而数值模拟常不考虑杂波干扰,模拟结果相对理想化.因此,本文聚焦于管线模型的物理模拟实验,在室内实验室和野外现场构建了一系列不同材质、不同埋深、不同管径的管线模型,利用不同中心频率的天线开展探测实验;分析了地下管线的雷达波传播规律及特征;结合管线材质、大小和埋深等信息,进一步验证雷达资料解释的准确度.结果表明：在背景介质均匀的沙池实验中,原始雷达剖面中背景噪声较小、目标双曲线形态完整,金属管线的反射波能量最强,含水管线会引起明显的多次波.而在野外现场采集到的雷达数据中存在较多的噪声干扰,不同管线引起的雷达回波呈双曲线或“类双曲线”;与背景介电常数的差异越大,反射波能量越强;相较于深埋管线,浅埋管线的双曲线特征更明显、振幅能量更强.由此可见,不同管线具有不同的双曲线特征、相位和振幅特征,可为地...     

裂缝宽度探地雷达波场响应的数值研究

裂缝是沥青混凝土公路路面的常见病害,为了研究沥青混凝土中隐含裂缝的宽度与其探地雷达波场之间的对应变化关系,本文基于各结构层沥青混凝土的多相离散随机介质模型参数,应用量化约束多相离散随机介质模型建模算法,构建了与公路各结构层实际情况更相符的多相离散随机介质三维模型,并基于商用探地雷达蝶形天线三维模型,数值模拟与对比分析了探地雷达波在多相离散随机介质和均匀介质中的传播特征,研究了探地雷达波场随裂缝宽度变化的函数关系.研究结果表明:探地雷达波在多相离散随机介质中发生了散射,致使其数值模拟剖面具有明显的随机扰动特征和"噪声",降低了探地雷达对裂缝的成像能力;随着裂缝宽度由窄变宽,其在探地雷达剖面图上的横向异常宽度差异较小,但裂缝顶端绕射波振幅强度与裂缝宽度之间具有明显的规律性,这为探地雷达定量估算公路结构层隐含裂缝宽度提供了理论依据.     

盾构超近距离上穿诱发既有隧道纵向与水平变形研究

盾构超近距离上穿既有运营隧道时,由于施工引起的土体扰动较大,控制地层沉降和扰动变形的难度也随之增大.基于宁波轨道交通5号线上穿运营的宁波轨道交通2号线区间隧道建立Flac3D模型,研究了掘进过程中既有隧道的变形规律,并探究了不同推进速度对隧道变形的影响.结果表明,当隧道开挖时,在掌子面还未达到既有隧道范围、位于既有隧道...     

基于小波熵的地下管线探地雷达频率波数偏移成像研究

地下管线实际形状与准确位置的确定是探地雷达图谱解释的主要内容之一.制约管线探地雷达反射归位精度最主要的因素是电磁波在地层中的传播速度,如何准确确定电磁波传播速度是探地雷达偏移处理能否成功的关键.为便于对探地雷达图谱特征进行定量解释,开展了不同大小、埋深与重叠等情况管线的正演模拟与模型实验.结合小波熵理论与频率波数偏移成像方法,提出了一种基于小波熵的探地雷达频率波数偏移成像方法,将其应用于地下管线正演模拟与模型实验探地雷达信号偏移处理.研究结果表明:探地雷达图像经基于小波熵的频率波数偏移处理后,电磁波速度的估计值与真实值误差可控制在2％以内;随着管线管径大小与埋置深度的增加,绕射双曲线的开口弧度不断增大,管与管之间绕射波交叉干扰越严重;探地雷达信号经基于小波熵的频率波数偏移处理后可大大提高图像的分辨率,压制了多次波的干扰,使绕射双曲线更收敛,能量更聚焦,从而有利于地下管线实际形状与具体位置的准确提取.研究结果对城市地下管线探地雷达图谱解译工作提供技术支持.     

地铁站施工荷载对软土地表沉降的数值分析

目前我国软土地区城市地下空间迅速发展,高层建筑的深基坑、地下轨道交通地铁车站及隧道区间的建设带来了一系列岩土工程问题。针对目前施工中的问题,本文结合宁波软土地区某地铁站深基坑工程,揭示随着地铁深基坑分层降水、分步开挖和分步支撑的施工步序,触发地面沉降的机理。采用有限元软件FLAC建立了考虑施工步序的宁波某地铁车站深基坑计算模型,计算分析不同施工步序下的地表沉降。研究结果表明,不同施工步序对地表沉降的影响作用不同,其中降水的影响作用随着开挖的加深而增强;在深基坑的开挖过程中,基坑外侧20m范围内的土体沉降急剧变化,工程技术人员比较重视,而20~30m范围内的土体沉降差异较大,也易引发工程事故,对此不容忽视;控制基坑外侧土体的水平位移能够有效减小地表沉降,保护周边建筑和市政管线。     

基于辛算法模拟探地雷达在复杂地电模型中的传播

近年来,探地雷达(GPR)凭借其快速、高效、无破损等特点,已经广泛应用于浅地层目标探测中.数值模拟是研究探地雷达电磁波在地下结构中传播规律的有效手段.辛算法是一种保持Hamilton系统总能量不变的时域数值计算方法.本文提出了基于一阶显式辛分块龙格库塔方法的探地雷达数值模拟方法.通过对比本文算法与时域有限差分方法计算结果可知,在同等计算精度下,本文算法可以节省25%的计算时间.并基于本文算法对两个复杂GPR模型进行正演模拟,得到模拟GPR探测wiggle图,这有助于更好的理解和分析实测雷达数据.     

制基于提升方案的第二代小波有限元探地雷达正演（英文）

探地雷达是一种高效快速无损的浅地表勘探方法,为了提高探地雷达探测的解释精度,需要开展探地雷达高精度的数值模拟方法研究。因此,本文将第二代小波有限元引入探地雷达的正演模拟中,以提升方案构造的第二代小波尺度函数代替多项式函数作为有限元基函数,具有多尺度、多分辨的特性。该算法可根据实际需要,任意改变分析尺度,在大梯度处采用小的分析尺度以提高分析精度,而在小梯度处采用大的分析尺度以提高分析效率,从而有利于捕捉解的局部突变特征,在不改变网格剖分的前提下提高分辨率,实现GPR正问题的高效求解。将该算法应用于具有解析解的线电流辐射源及隧道衬砌不密实模型的数值模拟中,结果表明:第二代小波有限元的求解结果与解析解及常规有限元算法求解结果都能较好地吻合,验证了第二代小波有限元算法的正确性,而且第二代小波有限元可以根据实际问题的需要任意改变分析尺度,不需要网格单元的重新剖分,是一种优于传统单元网格加密和阶次升高的自适应算法,特别适合于求解大梯度、奇异性的复杂GPR正演模拟问题。     

探地雷达在公路路面变形沉降检测中的应用

路面变形沉降是公路深层隐性病害的外在表现,不仅会降低路面平整度和行车舒适度,甚至会诱发翻车、撞车等严重交通事故,而且也是路面塌陷的前期征兆.探地雷达是一种有效的浅地表地球物理成像方法,利用探地雷达对其进行精细化检测,可以快速查清路面变形沉降区域下方潜伏的深层隐性病害,依据探地雷达波场特征识别隐性病害的类型(如裂缝、土质疏松、沉降、脱空、空洞等),定位其水平位置、埋深、空间范围和走向,评价其严重程度或病害等级,找到路面变形沉降的根本原因,从而为对症下药,制定针对性的非开挖处治设计和维修治理提供科学依据.     

西安地铁双线隧道地表沉降预测模型研究

针对西安地铁留核心土、上下半洞开挖、超前小导管注浆加固与水平钢撑锁脚的钢拱架和挂网喷层支护的饱和黄土隧道,根据现场地面沉降监测数据,分析了隧道右线、左线掌子面间隔30m开挖过程中洞顶地表沉降变形的历时变化规律,以及左、右线单洞沉降槽和双线沉降槽的分布特征。结果表明,洞顶地表沉降变形可以划分为初期沉降变形、右线开挖主变形、左线开挖主变形及沉降变形稳定4个阶段;左、右线单洞沉降槽和双线沉降槽均可用高斯分布曲线拟合。基于沉降槽Peck公式及O’Reilly和New最大沉降与隧道埋深的关系,得到了饱和黄土隧道单洞与双洞地面沉降槽的宽度和最大沉降,以及右、左线隧道先后开挖单洞的沉降槽宽度比和最大沉降比。考虑双线隧道洞间距、左右洞先后开挖地层松动相互影响以及围岩饱和黄土固结变形的影响,提出了一种饱和黄土隧道双洞开挖施工引起地表沉降的预测模型,验证了该预测模型应用的可靠性。     

抽取承压水对区域地表沉降影响分析——以西安高新区为例

地下水超采引发的地面沉降灾害,目前成为影响我国多个重大城市经济可持续发展、城市规划建设及人们日常生活的主要区域性地质灾害,并已引起国内外众多学者的关注,但目前针对城市地面沉降灾害机理的研究多仅从纯数值模拟的角度进行分析,缺少综合多类实测资料从而构建与客观实际更为切合的地下水流模型,获得对地下水超采引发地面沉降机理的深入认知.基于此,本文选取我国地面沉降严重的西安市作为主要研究对象,并针对西安市高新技术开发区近年来越发严重的地面沉降现象,依据Leak夹层理论与太沙基有效应力原理,结合区域地下水与钻孔等实测资料,根据研究区土层结构及地下水流渗透特性将研究区在垂向上划分为5层结构体,构建了该区域较完备的地下水流模型,反演获取了该区域1992—2007年间地表沉降量及其分布特征,并据此分析了抽取地下承压水对区域地表沉降的影响,有效刻画出了研究域地面沉降发展的三个重要时期-快速发展期(1990—1995年)、持续发展期(1996—2001年)、减速期(2002—2008年).最后通过选取典型特征点并利用实测In SAR与GPS监测结果与模型模拟值进行了对比分析,验证了本文模型反演结果的可靠性.本文研究结果可有效弥补区域内其他监测手段数据空白区问题,对于深入理解及预测由于抽取地下承压水导致区域地表沉降具有一定的参考意义.     

基于共形辛Euler算法的非金属地下管道精细化高效探地雷达正演模型

我国城市地下管线种类繁多、规模巨大.近年来,因城市管网家底不清、位置不明导致的管道挖断事故频发.探地雷达(GPR)是目前最为有效的地下设施探测定位设备,通过对探地雷达回波信号进行反演分析,可获取管道埋深、位置等信息.然而,地下管道等地下圆形目标,传统正演模型中阶梯近似方法会产生一定误差.本文结合辛Euler算法与曲面共形技术,建立探地雷达电磁波在含非金属管道地下结构中传播的精细化数值模型,并通过图形处理器(GPU)加速技术进一步提升模型计算效率.数值模拟结果显示,共形网格技术有效降低了由于阶梯近似造成的虚假绕射波,并通过结合GPU并行计算,在不增加网格密度的前提下,实现了对地下管道电磁响应的高效精细化计算.     

利用shearlet变换对探月雷达数据进行月壤结构的重建

探月雷达作为嫦娥三号和嫦娥四号月球探测任务中最重要的科学载荷之一,其目标是探测月壤及地下结构信息.然而,嫦娥三号探月雷达的第二通道数据受到横向杂波的干扰,使得有用的反射信息被掩盖.这些杂波可以认为是影响数据质量的横向噪声,使得探月雷达数据信噪比低,影响数据解释.本文将利用shearlet变换对探月雷达数据进行信号分析与噪声去除,并对嫦娥三号着陆区的月壤结构进行重建.首先,在shearlet域中,观察横向噪声的分布,并分离出以噪声为主的shearlet分量,并得到重建后的雷达数据.随后,为充分利用嫦娥三号第二通道两套数据的整体优势,对两套经过shearlet变换去噪后的雷达数据进行融合,得到综合探月雷达图像,有效得去除了水平噪声并增强了来自浅月表的有效信号.最后,根据探月雷达处理结果对嫦娥三号着陆点的月壤结构进行重建,重建结构中的溅射物厚度与撞击坑溅射物经验公式结果得到了相互印证.