2023年, 第36卷, 第11期　刊出日期：2023-11-30

  

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  中国公路学报. 2023, 36(11): 0-0.

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  封一/四

  中国公路学报. 2023, 36(11): 2-0.

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  重大隧道工程建设关键科学问题及技术突破专栏导语

  中国公路学报. 2023, 36(11): 3-0.

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  近年来，中国隧道工程建设取得了举世瞩目的巨大成就，极大地推动了中国从“隧道大国”向“隧道强国”的转变。可以预见，在“一带一路” 倡议、“交通强国”战略和“全国骨干流通大通道”规划等政策的加持下，在川藏铁路、天山胜利隧道、北京东六环改造工程、江阴靖江长隧道、海太过江通道、深中通道、深圳机荷高速改扩建工程等新时代超级工程的驱动下，我国隧道工程建设在勘察、设计、施工和运维等方面面临巨大挑战的同时，也必将会在重大科学问题和关键技术上取得突破性进展，隧道建设的新材料、新装备、新工艺、新工法、新技术、新理念、新结构等将会不断涌现。
  为及时总结重难点隧道工程的最新研究成果，推动该领域的技术创新和应用，进一步促进中国隧道工程学科可持续、高质量发展，《中国公路学报》编辑部联合广西大学张稳军教授（本刊副主编）共同策划了“重大隧道工程建设关键科学问题及技术突破”专栏；并邀请中南大学王树英教授、同济大学禹海涛教授、西南交通大学封坤教授、北京交通大学房倩教授、中交公规院吕勇刚教授级高工、北京工业大学李鹏飞教授、中南大学傅金阳教授、河海大学闵凡路教授（均为本刊青年编委）作为组稿专家，共同向该领域的知名专家、学者约稿，出版本期“重大隧道工程建设关键科学问题及技术突破”专栏。
  本专栏共收到相关论文80余篇，最终录用17篇，研究内容主要集中于极端环境下隧道防灾减灾与韧性提升技术和隧道施工安全控制与运维技术2个方面。研究成果主要包括：穿越活动断层隧道抗震韧性设计理念与关键问题、基于机器学习的隧道支护体系智能化设计与评价方法、软岩隧道锁脚锚管应变现场测试及对拱脚的约束作用、基于多目标调控技术的超大直径盾构管环动态自主纠偏、考虑接触热阻的钢壳沉管隧道结构火灾温度场研究、错台对盾构管片纵缝压弯力学性态的影响、无中墙连拱隧道爆破振动响应特性及安全控制措施、管幕箱涵一体化隧道结构抗剪性能试验与理论研究、基于三维超像素分割的隧道围岩结构面智能识别方法研究、局部失效盾构隧道管片承载特性及破坏机理、强降雨下岩溶隧道衬砌结构受力特征分析、高压富水岩溶隧道底鼓变形演化机制及防控对策研究、明挖隧道固化土的重塑及重金属浸出特性研究、考虑流-固耦合效应的异形盾构开挖面稳定性极限、主-余震序列作用下隧道结构增量损伤研究、半定向T形地下互通立交风网稳定性分析及应用、针对隧道景观带视觉突变问题的渐变措施研究。
  在此特向专栏组稿专家、审稿专家、作者的辛勤付出致谢！希望本期专栏的出版可以进一步推动交通基础设施中隧道工程的技术创新和应用。《中国公路学报》将持续关注该领域的国内外最新研究进展，以期为广大专家、学者及工程技术人员提供学习、交流的平台，促进我国隧道建设事业的高质量与可持续发展。由于水平及时间有限，专栏中的不足之处在所难免，恳请各位专家不吝指出。
特别策划
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  中国汽车工程学术研究综述·2023

  《中国公路学报》编辑部

  中国公路学报. 2023, 36(11): 1-192. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2023.11.001

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  为进一步提升中国汽车工程学科实力，促进中国汽车技术发展，从汽车电动化与节能、汽车智能化与网联化、汽车动力学与控制、汽车噪声-振动-声振粗糙度（Noise，Vibration，Harshness，NVH）控制与轻量化、汽车电子电气与软件技术、汽车测试与评价技术6个方面，系统梳理了国内外汽车工程领域近年的学术研究现状、前沿热点问题、最新研究成果及未来发展前景。汽车电动化与节能梳理了纯电动汽车、插电式混合动力汽车、氢燃料电池汽车、增程式电动汽车和节能汽车的关键技术研究；汽车智能化与网联化梳理了智能驾驶环境感知技术、自动驾驶定位技术、智能车决策规划、运动控制技术、车路协同、智能安全技术、车联网安全技术和智能座舱与人机交互等研究；汽车动力学与控制梳理了线控制动技术、线控转向技术、线控悬架技术和线控底盘协同控制技术研究；汽车NVH控制与轻量化梳理了汽车气动噪声预测与优化、纯电动汽车系统的NVH控制、声学超材料与汽车结构振动控制、汽车噪声主动控制、汽车轻量化技术以及碰撞安全技术等研究；汽车电子电气与软件技术梳理了汽车电子电气架构、汽车软件技术与空中下载技术（Over the Air，OTA）升级、芯片与系统功能集成等研究；汽车测试与评价技术梳理了燃油车、新能源汽车和智能网联汽车的测试与评价技术等研究。该综述可为中国汽车工程学科研究的进一步发展提供研究参考，为汽车工程关键技术发展提供方向引导。
重大隧道工程建设关键科学问题及技术突破专栏
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  穿越活动断层隧道抗震韧性设计理念与关键问题

  朱合华, 禹海涛, 韩富强, 卫一博, 袁勇

  中国公路学报. 2023, 36(11): 193-204. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2023.11.002

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  历史震害表明，穿越活动断层隧道损坏严重且震后修复或重建难度巨大，提升强震活动断裂区隧道抗震韧性已成为工程建设面临的关键难题。在调研穿越活动断层隧道结构典型震害实例的基础上，总结分析了震害启示并指出穿断层隧道结构抗震设计需要重点关注工程场地地震危险性评估、穿断层隧道抗震设防策略和安全防控措施3个方面；其次，结合文献调研，综述了目前穿断层隧道结构抗震研究相关工作，重点阐述了穿越活动断层隧道抗震分析方法、结构灾变机制认识和抗减震控制措施等方面的研究现状；在此基础上，搭建了穿越活动断层隧道工程抗震韧性的统一设防理念和设计框架，提出以“震前预留、震中稳定、震后恢复”为核心思想的隧道结构抗震韧性设防目标，并进一步考虑强地震动-活动断层位错耦合作用，建立了“场地分区、结构分段”的隧道抗震设防分区准则，提出了面向不同地震设防水准以“抗（减）、让、诱（避）/抢”分阶段的隧道抗震韧性设计思想，从而为穿越活动断层隧道抗震韧性设计提供了全过程防控策略；最后，讨论了目前穿断层隧道抗震研究急需攻克的关键科技问题，并对该领域今后研究工作的发展方向提出了展望。该研究旨在为穿越活动断层隧道工程建设提供面向抗震韧性的统一设防理念和设计策略，同时也为今后抗震工作的研究重点指明方向。
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  基于机器学习的隧道支护体系智能化设计与评价方法

  何川, 陈子全, 周子寒, 马伟斌, 汪波, 张金龙

  中国公路学报. 2023, 36(11): 205-217. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2023.11.003

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  随着人工智能的大力发展，采用智能算法进行非线性映射的深度学习为解决隧道及地下工程长期依赖经验设计的现状提供了新的思路。通过多指标融合（力学及变形控制指标、支护体系协同度相关系数）提出了一种以适配度表征的支护体系评价方法，并基于该方法收集了公路隧道718个断面、铁路隧道486个断面信息用于搭建算法训练的数据样本库。将隧道工程背景信息中岩石坚硬程度、完整程度、岩层厚度、地下水量、埋深水平、地质构造、施工工法、内轮廓形式共计8种属性作为输入指标，将支护体系中喷射混凝土+钢筋网、锚杆、钢拱架、二次衬砌、超前支护共计5种标签作为输出指标，对输入输出指标进行了量化处理。在对比了PSO-SVM、SA-PSO-SVM、CLS-PSO-SVM算法在支护体系智能反馈模型应用中的特点后，对生成的智能设计及反馈模型进行了检验。研究结果表明：评价方法首先剔除了偏弱设计方案，对强支护和一般支护方案的适配度分别为4.28、4.68，验证了该方法在保证结构安全的前提下可对材料性能利用率作出评价；3种智能算法中，搜索范围最广的CLS-PSO-SVM算法反馈准确率最高但耗时最长，而PSO-SVM算法虽耗时最短但准确率最低；最终，利用CLS-PSO-SVM算法设计的5种输出标签的准确率分别为93.4%、92.6%、89.3%、91.8%、94.3%，5种输出指标的综合准确率为81.1%。
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  软岩隧道锁脚锚管应变现场测试及对拱脚的约束作用研究

  陈建勋, 陈丽俊, 罗彦斌, 刘立明, 王传武, 赵鹏宇

  中国公路学报. 2023, 36(11): 218-230. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2023.11.004

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  鉴于传统电阻应变片法现场测试锁脚锚管应变存在诸多局限，基于光纤光栅传感技术，设计制作了φ50光纤光栅锁脚锚管，开展了光纤光栅法测试锁脚锚管应变的现场试验，分析了软岩隧道锁脚锚管受力特性及支护作用，进而建立了软岩隧道锁脚锚管力学分析模型，推导了锁脚锚管对软岩隧道初期支护拱脚支承刚度的计算公式，探讨了锁脚锚管各参数对拱脚支承刚度的影响规律和敏感度。结果表明：受隧道分部开挖扰动及锁脚锚管连接方式影响，锁脚锚管管身各测点处应变变化规律十分复杂；从管身应变整体分布看，锁脚锚管靠近钢架一端的应变明显大于管身其他部位，靠近钢架一端的应变随时间的变化幅度也明显大于靠近围岩深处一端；锁脚锚管横向以上、下弯曲变形为主，轴向受到拱脚传递的压力，随着锁脚锚管角度的增大，其轴向承压特性越来越显著；锁脚锚管轴向锚固作用很小，主要发挥横向抗弯抗剪能力约束拱脚沉降，对拱脚水平收敛变形的约束作用有限；增大锁脚锚管直径对提升拱脚竖向支承刚度最为有效；锁脚锚管轴向支承条件较差时，增大其角度会显著降低拱脚竖向支承刚度，此时应确保钢架与围岩之间密贴；随着锁脚锚管管身长度的增大，提供的拱脚竖向支承刚度呈现出“先快速增长，然后缓慢增长”的规律；考虑锁脚锚管受力特点及工程经济性，建议φ50锁脚锚管长度取2.5 m。
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  基于多目标调控技术的超大直径盾构管环动态自主纠偏研究

  张稳军, 杨洋, 张弛, 张高乐, 何历超, 吕计瑞

  中国公路学报. 2023, 36(11): 231-243. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2023.11.005

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  为提升超大直径盾构隧道管片拼装精度及质量，对管片自适应拼装和纠偏曲线计算进行了研究。研究明确了盾构隧道三轴线之间的相互关系和影响管片自适应拼装的控制因素，建立了综合考虑各项控制因素的管片自适应拼装函数。此外，针对盾构机与隧道设计轴线的相对位置进行了分类，通过考虑盾尾间隙控制、推进油缸最大行程差等影响因素，得到了最小纠偏半径，并建立了相应的盾构掘进纠偏曲线计算的数学模型，实现了盾构掘进纠偏曲线的合理化设计。最后，基于Python语言开发了可实现多目标调控的盾构管环动态自主纠偏系统，并通过重大工程应用验证了其在实现管片自适应拼装、掘进曲线纠偏及油缸精确推进全过程的准确化、高效化和信息化。
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  考虑接触热阻的钢壳沉管隧道结构火灾温度场研究

  吴梦军, 吴庆良, 金文良, 胡学兵, 曹鹏

  中国公路学报. 2023, 36(11): 244-255. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2023.11.006

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  钢壳沉管隧道在火灾高温下易出现强度退化、结构承载性能下降甚至失稳破坏等情况，因此有必要开展火灾高温下钢壳沉管隧道结构温度场分布规律等基础研究。以国家重大工程“深中通道海底沉管隧道工程”为依托开展了系统研究。首先推导了火灾高温下钢壳混凝土结构瞬态温度场求解简化解析公式，然后在管节结构局部全尺寸火灾试验的基础上，拟合了工程尺度下钢壳-混凝土界面接触热阻值，并通过建立具有等效薄层结构的数值模型验证了理论求解的正确性，最后基于解析方法进行了温度场的计算与分析。综合3种方法分析得出以下结论：①基于理论解析公式对火灾试验结果的拟合，分析得到钢壳-混凝土界面接触热阻近似值为0.01 m²·K·W^-1；通过具有等效薄层结构的数值模拟结果与理论解析解的拟合分析，得到等效薄层结构的密度、比热容和导热系数分别为1.29 kg·m^-3、1 005 J·（kg·K）^-1和0.1 W·（m·K）^-1。②通过理论解析方法，对火灾温度场进行了分析，分析结论与数值模拟、模型试验结果基本一致；火灾高温对钢壳-混凝土结构的影响深度主要在400 mm左右，400 mm以后结构温度增加不大。③由于钢壳和混凝土2种材料的导热性能不同，以及两者之间的界面接触热阻效应，致使钢壳与混凝土交界面处在火灾曲线的不同阶段出现温度突减和突增现象，并且整个管壁结构温度场在升温、恒温阶段及降温阶段前期出现“外高内低”现象，在降温阶段后期出现“外低内高”现象。提出的温度场分布规律为依托工程设计提供了依据；提出的界面接触热阻值确定及其等效模拟方法，可为类似工程计算分析提供参考借鉴。
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  错台对盾构管片纵缝压弯力学性态的影响

  丁文其, 吴昱东, 张晓东, 乔亚飞

  中国公路学报. 2023, 36(11): 256-265. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2023.11.007

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  管片错台是盾构隧道的常见病害，严重危害了隧道的安全及耐久性，但关于错台对管片结构力学性能的影响研究还不充分，其发生机制尚不明确。采用足尺试验和数值模拟研究了错台对管片纵缝抗弯性能的影响。首先，针对错台管片接缝试件进行正负弯矩下的足尺压弯试验，建立并验证了考虑混凝土损伤的三维精细化错台接缝数值模型，综合试验数据和数值结果，总结了错台纵缝的破坏过程和破坏特征；然后，开展不同错台量工况下隧道纵缝的数值模拟计算，分析了不同错台量对管片接缝力学性态的影响。结果表明：错台管片接缝的破坏过程可分为5个阶段，阶段间的4个特征点分别为螺栓开始受力、管片明显损伤、管片顶部闭合和接缝破坏。错台对正弯矩接缝力学性能影响较小，但对负弯矩接缝抗弯能力影响明显，极限负弯矩承载力下降11.7%，第1阶段刚度下降22.8%，并且两者均随错台量的增加而线性减小。相对于无错台工况，错台接缝会引起螺栓对螺栓孔混凝土过度挤压，使其出现严重压溃，且负弯矩下管片内侧受力不对称导致受压损伤加剧，会提前形成因开裂导致的渗漏水通道。因此，在隧道运营阶段，应根据错台量正确预估接缝的承载力，并考虑错台可能引起的局部混凝土压溃等混凝土病害及二次灾害。
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  无中墙连拱隧道爆破振动响应特性及安全控制措施

  王亚琼, 杨御博, 高启栋, 江伟, 周海孝, 杨瑞鹏

  中国公路学报. 2023, 36(11): 266-277. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2023.11.008

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  无中墙连拱隧道相较传统连拱隧道取消了中墙结构，其先行洞与后行洞初支拱架相互搭接构成整体隧道结构，因此在后行洞爆破开挖时，先行洞及连拱处的爆破振动安全控制极为关键。依托榨坊隧道工程，开展后行洞爆破振动跟踪监测，并对先行洞二衬的爆破振动衰减规律及频谱特性进行了分析；通过LS-DYNA三维有限元数值模拟，研究了先行洞横断面及轴向的爆破振动响应特性，比较分析了注浆加固及布设减震层对连拱处三角区围岩与先行洞衬砌结构的安全控制效果，并通过现场监测，对其应用于实际工程的控制效果进行了评价。实测数据显示：无中墙连拱隧道后行洞开挖时，先行洞边墙二衬的水平径向振动强度最大，且以掏槽孔爆破振动为主，主频集中在40~65 Hz。数值分析显示：先行洞爆破振动速度沿其横断面和轴向的分布均不对称，迎爆侧振动速度显著大于背爆侧，且迎爆侧拱腰至拱肩部位的振速最大；受波传播路径的影响，先行洞未开挖方向的振速相对较高，爆破振动速度沿隧道已开挖方向衰减更快；围岩超前注浆加固可保证连拱处上方三角区围岩的稳定与安全，可分别降低振速和最大主应力69.2%和57.9%；布设减震层可有效控制先行洞衬砌结构的振动安全，可分别降低拱腰和拱肩振速65.2%和57.3%。现场实践也表明：围岩注浆加固和布设减震层2种控制措施各有侧重，二者结合可有效控制爆破振动安全，总体可降低先行洞二衬质点峰值振速35%~50%，且均未超过安全控制标准。
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  管幕箱涵一体化隧道结构抗剪性能试验与理论研究

  谢雄耀, 邹佳, 周彪, 戴清, 韩建军, 曾英俊

  中国公路学报. 2023, 36(11): 278-288. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2023.11.009

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  管幕箱涵一体化隧道结构是打通城市新建道路与既有道路相交形成的断头路的新型地下穿越通道结构，结构横截面抗剪性能对确保隧道安全至关重要。为研究该结构的抗剪性能，开展足尺抗剪试验验证了结构的抗剪能力并明确了结构破坏模式，建立有限元分析模型分析了填充混凝土强度、钢板强度、腹板厚度和CT形一体化接头长度对抗剪承载力的影响，并基于抗剪试验现象和有限元分析结果推导了抗剪承载力理论计算公式。试验与理论分析结果表明：CT形一体化接头的脱空破坏导致结构刚性显著减弱引导结构破坏；结构破坏模式主要表现为临界斜裂缝贯通破坏、跨中竖向剪切裂缝贯通破坏和CT形一体化接头区域受剪破坏；抗剪承载力随着材料强度的提高而提高，相比于填充混凝土，钢板的强度提升对抗剪承载力的提升效果更加明显；腹板厚度对抗剪承载力的影响最显著，腹板增厚66.67%能够引起44.54%的承载力提升；CT形一体化接头长度越小，抗剪承载力越大，但影响效果较小，53.33%的接头长度变化只能造成7.71%的承载力变化；根据从试验现象和有限元分析结果总结得到的合理理论假定、混凝土斜压杆传力机制和接头三角区破坏推导的抗剪承载力理论计算公式，考虑了腹板和CT形一体化接头的影响，能够以很小的误差（平均误差-2.30%、标准偏差2.75%）预测试验和有限元分析的抗剪承载力结果。
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  基于三维超像素分割的隧道围岩结构面智能识别方法（双语出版）

  傅金阳, 梁向荣, 王宇, 王浩宇, 阳军生

  中国公路学报. 2023, 36(11): 289-301. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2023.11.010

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  随着人工智能的不断发展，基于智能算法的快速、无损化隧道开挖面岩体特征识别方法，为在建或在役隧道地质灾害事故下的开挖面结构面调查提供了新思路。在开挖面三维全景图像的基础上，提出了三维SLIC超像素分割改进算法，将三维Mesh图像的基本元素——三角面（Triangle）按照颜色、空间坐标、法向量等指标进行聚类分组，以获取开挖面三维超像素；提出了基于角度差异性的结构面提取算法，对超像素进行逐一筛选，获取开挖面节理裂隙识别结果；基于此，进一步提出了基于无监督聚类学习的多级聚类围岩结构特征融合算法，将围岩节理裂隙识别结果进行聚类，获取开挖面的优势结构面组和大型跨里程结构面组；最后，结合浙江虎溪台隧道的21组开挖面三维图像数据对所提出算法进行了验证。结果表明：所提出算法的识别结果与地勘资料中2个主要结构面方向的倾向误差不超过14.8°，倾角误差不超过17.8°，验证了所提出算法有效性，该方法能较为准确地反映隧道围岩的结构面信息，并为隧道开挖面的结构面三维信息识别与评估提供了一种新的思路与方法。
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  局部失效盾构隧道管片承载特性及破坏机理

  高晓静, 李鹏飞, 张明聚, 王海峰, 贾子琦, 冯武

  中国公路学报. 2023, 36(11): 302-311. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2023.11.011

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  局部失效（混凝土或钢筋缺失）会显著影响盾构管片的承载性能，甚至会诱发隧道整体结构的破坏。为明确局部失效对管片承载特性的影响，分别开展了标准管片和跨中及侧部开孔管片承载特性的足尺试验，并对管片的位移、裂缝扩展及混凝土应变进行了监测。试验结果表明：管片破坏过程分为4个典型阶段，并将各个阶段的临界荷载定义为管片的3个特征荷载。根据各特征荷载值对管片的承载特性进行了对比分析，明确了开孔管片的承载能力低于标准管片，且开孔位置对管片的承载特性具有较强影响。为进一步明确局部失效盾构管片试验结果的准确性，采用混凝土弹塑性损伤本构建立了与试验对应的三维精细化数值模型，并通过与模拟的对比验证了试验结果的合理性。随后，依据标准管片各承载特性，定量分析了管片开孔直径及开孔位置等因素对管片抗弯承载特性的影响规律，并初步提出了局部失效盾构管片抗弯承载特性的理论计算模型。研究结果可为极端条件下地铁盾构隧道的安全性评估及加固设计提供理论基础。
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  强降雨下岩溶隧道衬砌结构受力特征分析

  万飞, 李开军, 王华牢, 张翾

  中国公路学报. 2023, 36(11): 312-322. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2023.11.012

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  为掌握强降雨条件下岩溶隧道衬砌结构受力特征，分别采用现场测试与数值分析法分析岩溶隧道衬砌水压与力学响应待征。其中，针对依托隧道运营期间15个月的衬砌水压测试数据，着重分析了3次降雨后的衬砌水压升降总历时、水压升高时间、达到峰值时间、消散时间、水压分布形式、水压峰值等水压特征指标；针对单处承压状态、多处承压状态、水压范围扩大状态等3种荷载状态的12种荷载工况，建立隧道荷载-结构模型计算分析隧道衬砌结构的轴力、弯矩和安全系数变化情况。研究结果表明：2个测试断面的衬砌水压峰值可相差约1.83倍，水压升降总历时分别为20~57 h和4~9 h，均基本符合水压峰值越大的部位开始升高的时间越早、达到峰值时间越早、水压消散的时间越晚的规律；在降雨全过程中，隧道衬砌水压分布形式表现为偏压→较均匀分布→偏压的“三阶段”时空规律，并且水压峰值主要出现在较均匀分布时；不同水压荷载状态下衬砌结构的安全系数排序为：多处承压状态>单处承压状态>水压范围扩大状态；当隧道衬砌水压极大和大时衬砌结构任一部位均可能破坏，水压较大时衬砌结构主要为拱腰和拱脚破坏。该研究成果可为强降雨区岩溶隧道衬砌结构设计、土建结构检查和病害处治设计等提供参考。
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  高压富水岩溶隧道底鼓变形演化机制及防控对策研究

  欧雪峰, 欧阳淋旭, 张学民, 张永杰, 田娇

  中国公路学报. 2023, 36(11): 323-334. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2023.11.013

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  当隧道穿越高压富水岩溶地层时，易发生衬砌开裂、底鼓及渗水等灾害。为探索隧道底鼓变形演化机理，建立高压富水岩溶隧道底鼓变形控制体系，采用现场测试、室内实验、数值模拟相结合的方法，分析了贵州省德江隧道高压富水段底鼓病害成因及孕育过程。研究发现：围岩中大型隐伏溶腔通过地层中复杂的岩溶管道网络与上伏暗河水源连通，导致隧道结构承受高达2.1 MPa外水压力；隧底基岩在水岩作用下劣化严重，饱和状态下基岩抗压强度仅为27.7 MPa，且其强度随浸泡时长增加而显著降低。数值计算揭示了高水压力是诱发隧道底鼓破坏的主要因素；基岩软化对隧底变形存在一定影响，但与高水压叠加效应不明显。基于此，总结提出以“限排、泄压”为主，“主动加固”为辅的高压富水岩溶隧道底鼓防控基本思路，具体为“预留控制砼室+集水管引排+注浆加固基底围岩”的联合控制程序。实现深部溶腔岩溶水的可控排放，消解隧底水压力，辅以注浆重塑隧底基岩，从而改善隧道结构应力环境。长期监测结果表明：隧道衬砌背后水压力较处治前减少了97%，隧道结构稳固。研究结果可为类似岩溶隧道底鼓病害控制提供参考。
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  明挖隧道固化土的重塑及重金属浸出特性研究（双语出版）

  陈龙, 陈永辉, 李德晟, 陈庚, 闵凡路

  中国公路学报. 2023, 36(11): 335-344. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2023.11.014

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  苏锡常南部高速公路常州至无锡段太湖隧道（以下简称太湖隧道）工程采用明挖法施工，存在先固化湖底淤泥开挖，后在隧道顶回填的过程。通过室内试验，研究了不同水泥掺量情况下，破碎过程对于土体强度损失规律的影响、重金属浸出规律及水稳定性。研究发现，破碎过程使得土体的强度损失较大，不同重塑固化土的强度在20~70 kPa之间，相较于破碎前的强度降低量为67%~87%。重塑固化土的强度随二次养护龄期的增加而增加，破碎的时间越早后期增长强度越高，养护总龄期为60 d时，重塑固化土的强度在123~155 kPa。Hg、Pb、As、Cr、Cu等元素的最大浸出浓度随着养护时间的增加逐渐减少，当养护龄期超过28 d后趋于稳定。无论是固化土还是重塑固化土，Cu和Hg的最大浸出浓度均保持较低值，破碎重塑没有显著增大其浸出量。破碎过程会使得其他金属元素的浸出量增加，但是总体均能够满足Ⅳ类水限值的要求。一次掺灰的重塑固化土浸水后均出现崩解情况，需要进行二次掺灰。重塑固化土的二次养护龄期超过7 d，即可获得相对较高的水稳定性。一次养护28 d后破碎的重塑固化土的强度为51.3 kPa，浸水7 d后其强度提高到83.9 kPa，增幅63.5%。根据室内试验结果，综合考虑强度、耐久、环境和经济等因素，选用水泥掺量为5%+2%（使用二次掺灰方法），就地固化后养护28 d，并在回填后继续养护7 d以上的施工方案；该方案在太湖隧道工程中取得了较好的效果。
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  考虑流-固耦合效应的异形盾构开挖面稳定性极限分析

  张成平, 尚祎凡, 李巍, 涂诗琴, 马萌硕

  中国公路学报. 2023, 36(11): 345-357. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2023.11.015

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  为有效评估含水地层异形盾构隧道开挖面的稳定性，解决异形盾构隧道开挖面稳定性预测和控制等关键问题，采用理论分析和数值模拟相结合的方法，研究了主动破坏模式下含水地层中异形盾构隧道开挖面发生失稳破坏的演化过程以及开挖面极限支护力的确定方法。运用FLAC3D有限差分软件，建立了考虑流-固耦合效应的异形盾构隧道开挖面主动破坏数值模型，通过FISH语言编程提取了异形隧道开挖面附近地层的孔隙水压分布。基于空间离散化技术和极限分析上限定理，采用线性插值方法计算了异形盾构隧道开挖面附近地层渗透力做功率，建立了含水地层考虑流-固耦合效应的异形盾构隧道开挖面稳定性分析模型，揭示了断面形状、地层参数、地下水位等因素对隧道开挖面极限支护力和三维破坏模式的影响规律。研究结果表明：流-固耦合情况下的地层孔隙水压力要明显大于单渗流情况下的孔隙水压力；隧道开挖面附近的孔隙水压力梯度明显大于其他区域；在同等工况下，矩形、五心马蹄形隧道开挖面的极限支护力相对较大，椭圆、三心马蹄形隧道开挖面的极限支护力相对较小；各断面形状下的隧道开挖面的极限支护力随黏聚力、内摩擦角和地下水位的增大而增大；随耦合时间的增大极限支护力先是不断增大，而后保持稳定。
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  主-余震序列作用下隧道结构增量损伤研究

  禹海涛, 李心熙, 任辉辉

  中国公路学报. 2023, 36(11): 358-366. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2023.11.016

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  强震作用后通常伴随多次余震，而余震作用可能会进一步加剧结构损坏或倒塌的风险。以强震区不同地层条件下的隧道结构为对象，对比分析了主-余震序列作用下软土地层和岩石地层中隧道结构非线性动力响应的差异性，并基于定义的余震地震动强度指标，探究了余震对隧道结构增量损伤的影响规律。首先，从COSMOS强震数据库中选取了6组真实的主余震序列记录，选定5个主震-余震峰值加速度的比值作为控制指标，从而构建了30条主震-余震序列作为输入地震动；其次，建立了地层-结构有限元动力分析模型，分别对软土和岩石地层中的隧道结构开展非线性动力时程分析，依据定义的隧道衬砌损伤体积比指标，计算得到了主震-余震序列作用下隧道结构的增量损伤指数；最后，分析了不同地层条件对隧道结构增量损伤的影响规律，并讨论了地表峰值加速度（PGA）和Arias强度（I_a）与余震引起的结构增量损伤之间的相关性。结果表明：余震引起的增量损伤随着主余震相对强度比的增大而增大；当地层条件分别为软土和岩石地层而隧道结构形式不变时，软土地层中的隧道结构在主震-余震序列作用下的增量损伤会更大；余震引起的增量损伤与I_a的相关性比PGA更强，因此采用余震的I_a能够更好地预测隧道结构在余震作用下产生的损伤程度。
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  半定向T形地下互通立交风网稳定性分析及应用

  曾艳华, 赵东旭, 陶亮亮, 杨桂畅, 刘振撼

  中国公路学报. 2023, 36(11): 367-374. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2023.11.017

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  为探究半定向T形地下互通立交风网中某支路通风动力h_f发生变化时，系统中其他支路风流稳定性变化规律。以通风网络稳定性特征为基础，通过理论推导和通风网络解算，分析半定向T形地下互通立交风网稳定性规律，提出一种定性分析风量变化的方法，以建宁西路地下互通风网主隧道e₃支路发生交通阻滞为例，研究满足支路需风量要求的射流风机开启方案。研究结果表明：半定向T形地下互通立交风网某支路通风动力h_f发生变化时，其他支路风量变化符合简单角联风网的稳定性变化规律；自然风压不变时，可忽略虚边风量变化对风网稳定性的影响；风网中多条支路通风动力h_f同时变化，对某一支路风量影响可用简单的数学叠加计算；半定向T形地下互通风网稳定性可通过树的形式分级简化为多个简单角联风网之间的稳定性问题；建宁西路半定向T形地下互通立交风网中匝道e₅支路敏感性系数最大为3.33，受风网通风动力h_f变化影响最大；主隧道e₃支路主导性系数较大为1.91，通风动力h_f改变时对其他支路影响较大；主隧道e₃支路发生交通阻滞时，e₁、e₂、e₃、e₅支路分别开启6、4、9、2台射流风机通风效果最优。
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  针对隧道景观带视觉突变问题的渐变措施研究

  叶飞, 温小宝, 张兴冰, 苏恩杰, 刘佳, 朱文豪

  中国公路学报. 2023, 36(11): 375-385. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2023.11.018

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  公路隧道设置洞内景观带能够通过唤醒驾驶人并减轻驾驶疲劳达到保障驾驶安全的作用，尤其是对于超过7 km的特长隧道。然而，景观带区域环境亮度和图案信息的突变可能引起驾驶人的视觉不适。为此，提出了一种景观带渐变设计的解决措施，包括照明和壁画的线性渐变，以优化驾驶体验中安全性和舒适性的平衡。基于对国内21座公路隧道景观带的参数调研，构建隧道仿真模型，探讨了12种隧道景观设计优化方案的可行性，包括有无渐变、不同渐变方向、不同渐变长度。通过驾驶模拟试验来测试驾驶人的反馈，以眼动仪和心率带为传感器，收集心率变化率、视觉分心次数和瞳孔直径极差变化率等数据。结果表明：所提出的隧道景观带渐变设计在安全性方面不会显著分散驾驶人的注意力。在位置设计方面，将渐变景观带设置在接近方向可以提高驾驶人的舒适度，而不是将其放置在出口处；且该提升效果与接近方向渐变长度的倒数呈幂函数关系。在长度设计方面，参数分析表明，在接近方向设置200、250 m的渐变区域或双向150 m三种方案，可以在不影响安全性的情况下，显著减少视觉突变问题带来的不适感。此外，当景观带长度为300 m时，建议在接近方向设置200 m渐变。
桥梁工程
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  近爆作用下双层方钢管混凝土墩柱的抗爆性能试验

  李明鸿, 夏梦涛, 宗周红, 刘晏辰

  中国公路学报. 2023, 36(11): 386-394. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2023.11.019

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  为研究双层方钢管混凝土墩柱的抗爆性能，开展了3根双层方钢管混凝土墩柱试件的近距离及接触爆炸试验，并对3根爆炸损伤试件和1根无损试件进行了静力轴压承载力试验。基于剩余轴压承载力损伤指标，将双层方钢管混凝土墩柱的损伤破坏程度分为4个等级，分析了不同爆炸距离和炸药当量作用下的试件损伤程度。研究结果表明：近距离及接触爆炸作用下，双层方钢管混凝土墩柱主要在正对爆心区域发生局部凹陷变形、钢管断裂破口、混凝土压碎和前壁贯穿等局部破坏模式，墩柱未发生明显可见的整体变形；爆炸损伤导致试验墩柱承载力损失了22%～41%，装药距离对爆炸后墩柱剩余承载力具有显著影响；3根爆炸试验墩柱均属于中度破坏，能保持较好的爆炸后承载能力。与钢筋混凝土墩柱的对比分析表明：相同爆炸作用下，双层钢管混凝土墩柱损伤破坏小、剩余承载能力高，且钢管约束作用可以有效抑制混凝土剥落破坏形成高速飞射破片，避免其对周围人员和设施造成二次伤害，具有显著优于钢筋混凝土墩柱的抗爆性能。
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  基于统计矩理论的梁式桥模态振型识别新方法

  阳洋, 谭小琨, 王欢, 王瑞琼, 田堃

  中国公路学报. 2023, 36(11): 395-406. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2023.11.020

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  传统的桥梁模态振型识别方法往往存在费时费力、抗噪能力较弱等缺点，为改善传统识别方法的不足，提出一种新型的基于统计矩理论的桥梁模态振型识别方法，并结合新型间接量测技术，进行理论和数值试验分析。利用安装有加速度传感器的2辆测试车以固定间距在桥面预设测点处同步静止采集信号，采集约30 s后，测试车移动到下一个测点继续重复操作，直至完成对所有桥面测点的信号采集，然后利用采集的加速度信号，计算整跨桥梁各测点的统计矩值，最后利用统计矩值与桥梁第1阶模态振型值的对应关系，构造出整跨桥梁的第1阶模态振型曲线。首先从理论上首次推导了桥梁的统计矩比值与第1阶模态振型值的等价关系；然后在各种因素影响下进行数值模拟分析，对比了所提方法与现有模态振型识别方法的差异；最后通过实桥试验对所提方法进一步验证。研究结果表明：相比于传递率和随机子空间等传统模态振型识别方法，所提方法识别的桥梁第1阶模态振型误差更小、时间效率更高、操作便利、抗噪能力更强，且在识别过程中不存在预设参数等人为因素的干扰，可有效弥补直接量测中的传统模态振型识别方法的局限性。
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  跨海桥梁圆柱墩局部冲刷动态演变试验（双语出版）

  吴继熠, 郭健, 翁博文

  中国公路学报. 2023, 36(11): 407-418. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2023.11.021

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  局部冲刷是威胁桥梁安全运营的潜在危险，相比于江河涉水桥梁，跨海桥梁下部结构受海流和潮涌等作用，基础冲刷动态演变复杂，影响变量众多且与冲刷深度之间具有较强的非线性。传统的冲刷深度预测经验模型大多基于物理试验并通过简单的回归方法建立关键参数与局部冲刷深度的映射关系，在实际跨海桥梁应用过程中存在严重的局限性和较大的预测误差。针对上述问题开展了系统分析及研究。首先，考虑跨海桥梁实际尺度，基于单因素控制变量法对比分析了中美规范局部冲刷计算公式中行进流速、水深、墩宽、泥沙粒径等关键参数对计算结果的影响，分析不同参数特征并通过参数降维构建了高径比、水流强度与弗劳德数等3个量纲一的参数；其次，提出了一种非浸入式、动态全过程的试验测试新方法，实现了冲刷过程中墩周地形动态演变实时监测；再次，基于跨海大桥圆柱墩实际物理参数及水文条件开展了15组缩尺物理模型试验，结合提出的测试新方法，揭示了不同冲刷工况下量纲一的参数对圆柱墩局部冲刷深度及范围动态演变的影响；最后，建立了由73组跨海实桥监测数据及多组试验数据组成的冲刷数据样本库，并分别构建了基于提出的量纲一的参数和基于高维参数的随机森林冲刷预测模型，将预测结果与HEC-18经验模型计算结果进行对比，结果表明：基于量纲一的参数的随机森林预测模型具有最优的性能。所提出的试验方法及冲深预测模型可为跨海大桥局部冲刷机理及预测研究提供参考。
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  深水桥梁矩形围堰水流荷载的分流板抑制方法

  牛艳伟, YOUNIS Bassam A, 侯兵

  中国公路学报. 2023, 36(11): 419-431. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2023.11.022

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  围堰是深水桥梁建设顺利开展的重要平台和前提，在其节段施工中动水荷载是影响钢围堰精确定位、下沉及着床的关键因素。为减小水流作用下的钢围堰动水荷载，针对矩形围堰提出一种在尾端增加一定长度分流板的抑制方法。首先采用计算流体力学（CFD）方法基于开源分析平台OpenFOAM建立钢围堰的二维简化模型，引入修正的k-ε湍流模型用以闭合求解钢围堰超高雷诺数效应下的N-S方程，通过方形截面和矩形截面柱验证所提方法的准确性；然后针对足尺钢围堰模型分流板的设置对于钢围堰动水阻力和横向摆动力的影响进行分析，明确不同分流板长度以及前/后端分流板对动水荷载的抑制作用，提出优化可行的分流板设置方案。研究结果表明：在高雷诺数条件下标准的k-ε模型不能准确捕捉方形及矩形钝体的涡旋脱落过程，会严重低估动水荷载，采用修正的k-ε模型可准确模拟矩形钝体的绕流特性，与试验值吻合良好，可用于钢围堰的计算分析；矩形钢围堰采用圆角设置可有效减小动水阻力和横向摆动力，横向摆动频率提高；在钢围堰后端增加中央分流板可显著降低动水阻力和横向摆动力，当分流板长度在1/10钢围堰纵边长时，抑制效率最高；分流板长度超过钢围堰纵边长的75%时，尾流出现摆动，导致横向摆动力增大，此时增加前端分流板可抑制摆动作用；仅设置前端分流板对动水作用的影响可忽略；通过现场流迹线试验，验证了采用尾端分流板方案的有效性，其可减小并推后尾流涡旋的形成，有效抑制了钢围堰受到的动水阻力和摆动力。
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  流线型闭口箱梁大攻角颤振性能及演变机理研究

  刘继久, 刘圣源, 方根深, 程樾, 徐胜乙, 赵林, 葛耀君

  中国公路学报. 2023, 36(11): 432-440. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2023.11.023

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  强台风和山区风伴随的大攻角效应直接影响大跨度桥梁颤振安全性能。以某流线型闭口箱梁断面为研究对象，开展不同风攻角条件下的节段模型自由振动与强迫振动风洞试验，获取其颤振临界风速和颤振导数，结合二维两自由度颤振分析方法，探讨了大攻角对闭口箱梁断面颤振性能的影响及其驱动机理，并定义了自由度能量贡献值和名义扭转中心用于描述颤振形态。研究结果表明：闭口箱梁断面的颤振性能具有很强的攻角敏感性，颤振临界风速随初始风攻角变化显著，其直接力学原因是部分关键颤振导数的攻角非线性变化；随着初始风攻角增大，A₂^*导数出现由负转正的现象且符号改变时所对应的折算风速逐渐减小，导致扭转模态的非耦合项阻尼在颤振临界状态附近转变为气动负阻尼，恶化了断面的颤振性能；且随着初始风攻角的增大，结构的颤振形态逐渐由弯扭耦合颤振向纯扭转颤振发展，扭心前移现象减弱。
交通工程
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  基于ETC数据的山区高速公路客货车行驶速度特征研究

  张驰, 翟艺阳, 王韩, 张敏, 袁华智, 赵霄

  中国公路学报. 2023, 36(11): 441-455. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2023.11.024

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  电子不停车收费（Electronic Toll Collection，ETC）系统作为智慧高速的重要组成部分，每天产生着海量实时的交通数据。面向ETC数据质量提升和行驶特征分析的需求，提出了一种基于ETC数据的高速公路客货车行驶速度特征分析方法，其包含数据优化、质量评估、行驶速度特征分析3个部分。在分析总结ETC门架及其数据特点的基础上，探讨了一种数据提取及优化方法。同时从数据规模、准确性、完整性3个方面，构建了用于ETC数据质量评估的量化指标体系；采用统计分析方法研究了不同路段客货车行驶速度特征的差异，进一步利用潜在类别分析（LCA）确定相似速度特性的车型类别。最后，广泛收集了西部某山区高速公路沿线ETC数据，实例验证了所提出的高速公路行驶特征分析的方法，并根据分析结果对高速公路限速方案提出建议。研究结果表明：提出的数据清理和质量评估方法能够较好地解决和评价当前ETC门架数据存在的缺陷；受路段的纵坡影响，客货车的行驶速度分布具有显著差异；基于行驶速度分布特征指标对各类车型行驶速度进行潜在类别分析，在平坡和下坡路段车辆行驶速度适用于4类别模型，在上坡路段车型行驶速度适用于5类别模型；对各路段限速方案提出根据各类别行驶速度特征调整限速值与细分车型限速的建议。研究结果有助于提升ETC数据的质量和应用价值，同时为开展高速公路运行态势监测和分车型动态限速方案制定提供了理论和方法支持。
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  长时驾驶任务中脑力负荷多维特征变化趋势研究

  陶达, 黄玉勇, 吴玉卓, 张奇良, 冉家琪, 张婷茹, 曲行达

  中国公路学报. 2023, 36(11): 456-464. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2023.11.025

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  研究长时驾驶任务中驾驶人脑力负荷多维特征随时间的变化趋势，对构建长时驾驶任务中脑力负荷的动态测评方法有着重要意义。现有研究缺少对脑力负荷动态变化的深入分析，尚未能揭示脑力负荷多维特征随时间的变化趋势。设计基于模拟驾驶场景下不同任务难度的时间纵向驾驶任务仿真试验，采用双因素（3任务难度×6时间段）组内试验设计，记录了驾驶人脑力负荷的主观测评、驾驶行为绩效以及眼动、皮电和心电等多模态生理测评指标数据，通过重复测量的方差分析方法系统地分析了脑力负荷多维特征在长时驾驶任务中的变化机理。结果表明：在长时驾驶任务中，随着驾驶时长增加，驾驶人的主观脑力负荷产生累积增加现象，驾驶行为绩效变差，瞳孔直径先快速变小后趋于平稳，皮肤电导水平先快速变大后趋于平稳，心率变异性pNN20指标随时间缓慢降低，心率低频与高频的能量比LF/HF在一段时间平稳后变大。任务难度对主观脑力负荷、驾驶行为绩效、眼动及皮电指标都有显著影响。不同任务难度下脑力负荷特征的变化趋势有所不同。研究结果揭示了长时驾驶任务中脑力负荷的多维特征变化趋势，可为进一步探究长时驾驶任务中脑力负荷的动态测评方法提供参考依据。
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  基于特征相关度分析的路面凝冰短时预测方法

  刘照仑, 闫茂德, 左磊, 杨盼盼

  中国公路学报. 2023, 36(11): 465-474. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2023.11.026

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  针对高速公路易结冰路段的路面凝冰预测问题，提出了一种基于特征相关度分析的路面凝冰短时预测方法。该方法利用路侧设备的测量数据，包括结冰厚度、相对湿度、风向与风速等，通过ADF （Augment Dickey-Fuller）检验方法分析数据集的平稳性，进而设计出基于长短期记忆网络（Long Short-term Memory，LSTM）的路面凝冰短时预测算法。根据Spearman相关度系数法分析计算上述多种凝冰监测数据的相关度与置信度，并形成基于Spearman特征相关度的数据筛选模型，优化LSTM神经网络中的输入数据集。在此基础上，搭建面向凝冰预测误差的LSTM神经网络模型，并利用筛选后的凝冰数据集训练优化预测算法中的模型参数，提高目标路段路面凝冰预测的效率与精度。最后，通过数值仿真分析比较不同特征相关度下路面凝冰短时预测算法的均方根误差，确定最优预测模型，并于西延高速KM200+918路段进行实地测试。研究结果表明：路侧设备的测量数据中相关度较低的数据对路面凝冰预测算法存在反向作用，并非将所有数据进行组合即可得到最优结果，需对测量数据进行有效筛选，进而优化LSTM神经网络，提高凝冰预测精度。利用所提出的基于特征相关度的数据筛选方法，将相关度较高数据进行组合会得到更精准的预测结果，预测值的均方根误差相比传统方法降低了41%，有效提高了路面凝冰短时预测算法的有效性与精准性。