Journal of Zhejiang University

Current Issue: <JZUS-A>

Journal of Zhejiang University-SCIENCE A (Applied Physics & Engineering)

ISSNs 1673-565X (Print); 1862-1775 (Online); CN 33-1236/O4; started in 2000,Monthly.

JZUS-A is a peer-reviewed physical and engineering journal, indexed by SCI-E, Ei Compendex, INSPEC, CA, SA, JST, AJ, ZM, CABI, ZR, CSA, etc. It mainly covers research in Applied Physics, Mechanical and Civil Engineering, Environmental Science and Energy, Materials Science and Chemical Engineering, etc.

Impact factor: 0.408 (2011), 0.527 (2012), 0.608 (2013), 0.882 (2014), 0.941 (2015), 1.214 (2016), 1.215 (2017), 1.369 (2018).

Journal of Zhejiang University SCIENCE A

ISSN 1673-565X(Print), 1862-1775(Online), Monthly

2024 Vol.25 No.5 P.357-442

Cover:

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Contents:

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<<< CONTENTS >>>

Review

Review: From tunnel boring machine to tunnel boring robot: perspectives on intelligent shield machine and its smart operation

Yakun ZHANG, Guofang GONG, Huayong YANG, Jianbin LI, Liujie JING

DOI: 10.1631/jzus.A2300377 Downloaded: 1445 Clicked: 1274 Cited: 0 Commented: 0(p.357-381) <Full Text> <PPT> 212

Chinese summary <12> 智能盾构机及其智能操控技术的发展现状与展望

作者：张亚坤^1,3，龚国芳¹，杨华勇¹，李建斌²，荆留杰²
机构：¹浙江大学，流体动力基础件与机电系统全国重点实验室，中国杭州，310058；²中铁工程装备集团有限公司，中国郑州，450016；³普渡大学，Maha流体动力研究中心，美国西拉法叶，IN 47905
概要：近年来智能盾构技术的发展体现出盾构机正在由传统的隧道掘进机转变为隧道掘进机器人的趋势。这一转变旨在解决传统盾构机行业在施工环境和人工操控方面所面临的挑战。本文通过系统的文献分析，梳理了智能盾构的技术发展现状，提出了智能盾构的定义，分析了智能盾构的含义、内容和发展模式。通过分析盾构掘进过程各环节的操作流程，从盾构单机作业和盾构机群施工两个层面提出了盾构自主操控技术框架（图12和13）。针对智能盾构及其自主操控技术发展中所面临的挑战，本文给出了未来研究中需重点关注的问题建议。智能盾构的发展应采用在传统盾构的基础上集成相应智能模块的方式逐渐演进。盾构掘进操控中涉及到的离散数字量调控采用可编程逻辑控制器比较容易实现自动化，而需要决策和连续调节的模拟量调控则需要相应的智能化模块。智能盾构技术发展迅速，潜力巨大，在强泛化能力的盾构-环境交互模型、执行器控制器自动设计与整定、智能操控平台、试验与工程验证等方面仍面临挑战。

关键词组：智能盾构；隧道掘进机；隧道掘进机器人；自动驾驶；自主控制；盾构机

Research Articles

Two simple memristive maps with adaptive energy regulation and digital signal process verification

Feifei YANG, Lujie REN, Jun MA, Zhigang ZHU

DOI: 10.1631/jzus.A2300651 Downloaded: 374 Clicked: 754 Cited: 0 Commented: 0(p.382-394) <Full Text> <PPT> 198

Chinese summary <9> 两类自适应能量调控的忆阻映射和数字电路实现

作者：杨飞飞^1,2，任璐洁³，马军^1,2，朱志刚²
机构：¹兰州理工大学，电气工程与信息工程学院，中国兰州，730050；²兰州理工大学，物理系，中国兰州，730050；³大连工业大学，信息科学与工程学院，中国大连，116034
目的：从物理角度论证忆阻型映射设计的方法和可靠性判据，给出能量函数并表达其自适应调控的机理。
创新点：1.设计两种不同忆阻型映射并论证忆阻型映射的物理可靠性；2.给出忆阻映射的能量函数定义方法；3.提出自适应调控忆阻映射的能力机理。
方法：1.以两类忆阻器分别耦合电感型和电容型器件，设计两类忆阻电路和忆阻振子；2.利用两种方法分别计算忆阻振子的能量函数；3.对忆阻振子的变量和参数进行线性变换得到对应的忆阻映射和能量函数；4.引入阶跃函数和取整函数来表达参数自适应调整，忆阻振子能量超过一定阈值则促进参数进一步增长。
结论：1.非线性电路和振子的构造需要最基本的电感型、电容性器件和非线性器件（变量和函数）；2.能量决定着振子和映射的振荡模态；3.包含时间标度的线性变换可以把非线性振子转换为等效的非线性映射；4.随机性刺激可诱发忆阻映射产生相干共振；5.准确的能量定义有利于判断非线性振子的物理意义和可靠性。

关键词组：哈密顿能量；离散忆阻器；自适应调控；数字电路实现

Preparation and properties of poly(ethylene glycol)-b- poly(3-acrylamidophenylboronic acid) glucose responsive particles and their hyaluronic acid-based microneedle patches

Yichuan HONG, Haojie YU, Li WANG, Xiang CHEN, Di SHEN, Yu WANG, Shuning REN, Yudi HUANG, Jian YANG

DOI: 10.1631/jzus.A2300386 Downloaded: 446 Clicked: 861 Cited: 0 Commented: 0(p.395-410) <Full Text>

Chinese summary <11> 聚乙二醇-b-聚丙烯酰胺基苯硼酸葡萄糖响应粒子及其透明质酸微针贴片的制备与性能研究

作者：洪溢川¹，俞豪杰^1,2，王立^1,2，陈翔¹，沈迪¹，任书宁¹，黄宇笛¹，杨健¹
机构：¹浙江大学，化学工程与生物工程学院，化学工程联合国家重点实验室，中国杭州，310058；²浙江-俄罗斯光电磁功能材料联合实验室，中国杭州，310058
目的：微针给药具有高效、方便、无痛等特点，有望用于透皮递送胰岛素治疗糖尿病。本文旨在制备糖敏响应负载胰岛素粒子，然后与透明质酸混合制备糖敏微针贴，研究其糖敏响应性能和对糖尿病大鼠的血糖控制性能。
创新点：1.通过嵌段共聚物的亲疏水自组装制备葡萄糖响应粒子并负载了胰岛素；2.制备苯硼酸基糖敏微针贴，此微针贴具有较好的血糖控制性能。
方法：1.通过可逆加成-断裂链转移聚合（RAFT）反应制备不同链长的PEG-b-PAAPBA嵌段共聚物（图4）；2.通过嵌段共聚物在不同pH值下的亲疏水相互作用，自组装制备葡萄糖响应粒子NP-PEG₁₁₄-b-PAAPBA_n，并负载胰岛素（图7）；3.用NP-PEG₁₁₄-b-PAAPBA_n负载胰岛素粒子和透明质酸制备糖敏微针贴，并通过动物实验验证所得糖敏微针贴片具有较好的血糖控制性能（图15和21）。
结论：1.合成了不同链长的PEG-b-PAAPBA嵌段共聚物，并通过自组装方法制备了葡萄糖响应粒子NP-PEG₁₁₄-b-PAAPBA_n并负载了胰岛素；2.用NP-PEG₁₁₄-b-PAAPBA_n负载胰岛素粒子和透明质酸制备了糖敏微针贴；3.所得糖敏微针贴片可以将糖尿病大鼠的血糖控制在正常水平超7h。

关键词组：糖尿病；透明质酸；苯硼酸；糖敏水凝胶；微针

Investigation of mechanical failure performance of a large-diameter shield tunnel segmental ring

Binyong GAO, Renpeng CHEN, Huaina WU, Chengcheng ZHANG, Meng FAN, Chao XIAO

DOI: 10.1631/jzus.A2300446 Downloaded: 783 Clicked: 804 Cited: 0 Commented: 0(p.411-428) <Full Text> <PPT> 218

Chinese summary <11> 大直径盾构隧道管片环力学失效性能研究

作者：高斌勇^1,2，陈仁朋^1,2，吴怀娜^1,2，张称呈^1,2，凡猛^1,2，肖超³
机构：¹湖南大学，地下空间先进技术研究中心，中国长沙，410082；²湖南大学，建筑安全与节能教育部重点实验室，中国长沙，410082；³中国建筑第五工程局有限公司，中国长沙，410004
目的：当前对盾构隧道管片衬砌的变形破坏机理和控制标准研究主要集中于小直径隧道。随着大直径盾构隧道逐步投入运营，隧道周边的开挖、超载等施工活动导致隧道变形渗漏水及失效问题日益突出。大直径盾构隧道管片直径大、分块多、接头刚度弱，其变形失效机理与小直径管片存在差异，由此缺乏相应变形控制标准。因此，针对大直径盾构隧道管片衬砌开展变形失效机制研究至关重要。
创新点：1.通过建立精细化数值模型，分析大直径盾构隧道管片环的变形失效机理；2.提出适用于大直径盾构隧道管片的变形控制标准。
方法：1.通过数值模拟，分析大直径盾构隧道管片环的横向变形响应（图2和12）；2.通过将计算的管片内力结果带入已有的压弯承载力理论中，分析大直径管片环失效特征（图14）。
结论：1.大直径盾构隧道管片环的横向变形可分为4个阶段：线性增长阶段（阶段I），拟线性增长阶段（阶段II_a和II_b），非线性增长阶段（阶段III）和破坏阶段（阶段IV）。2.在阶段I，钢筋、螺栓和混凝土均处于弹性状态，未发生裂缝贯通。在阶段II_a和II_b，螺栓、钢筋的应力和混凝土的压应变开始增大，管片出现大量裂缝，管片环的刚度逐渐降低。在阶段III，半塑性铰相继形成，并在结构中向完整塑性铰发展，导致管片环刚度急剧下降。在阶段IV，结构的完整塑性铰相继形成，最终结构不能继续承受荷载。裂缝的大量发展和4个塑性铰的完全形成是导致管片环刚度降低的主要原因。3.选取大直径盾构隧道管片在形成第一个半塑性铰（即第一屈服点）时的横向变形，即管片外径的8‰作为变形控制值。该值可作为防止大直径盾构隧道管片破坏的加固标准。4.将计算得到的内力代入管片环的抗弯承载力特征曲线中，发现管片的最大内力组合不超过管片极限承载力曲线（SUBC）。而接头9°、85°和161°及其沿0°~180°轴对称位置的内力组合超过接头极限承载力曲线（JUBC）。这说明大直径管片环的破坏主要是由于接头强度不足导致结构失稳。当管片环接头中的三个或三个以上螺栓屈服时，大直径管片环就会迅速失稳破坏。

关键词组：有限元模型；横向变形响应；上方超载；塑性铰；抗弯承载力

Comparative analysis between single-train passing and double-train intersection in a tunnel

Jianming DU, Qian FANG, Xuan ZHANG, Hualao WANG

DOI: 10.1631/jzus.A2300339 Downloaded: 568 Clicked: 810 Cited: 0 Commented: 0(p.429-442) <Full Text> <PPT> 232

Chinese summary <10> 隧道内单车经过与双车交汇的对比分析

作者：杜建明¹，房倩²，张翾¹，王华牢¹
机构：¹交通运输部公路科学研究院，桥梁隧道研究中心，中国北京，100088；²北京交通大学，隧道及地下工程教育部工程研究中心，中国北京，100044
目的：气动压力是高速铁路隧道结构服役性能的重要影响因素之一。文章旨在对比高速铁路隧道内单车经过与双车交会诱发的气动压力差异特征，探究列车速度、隧道长度以及阻塞比对气动压力差异特征的影响规律，进而为高铁隧道结构后续的科学服役提供理论支撑。
创新点：1.对比分析高速铁路隧道内单车经过与双车交会诱发的气动压力差异特征；2.探究列车速度、隧道长度以及阻塞比对气动压力差异特征的影响规律。
方法：1.通过三维数值仿真，再现高速列车经过隧道的全过程；与现场实测数据进行对比，验证三维数值仿真所用模型参数的准确性与合理性。2.通过数理统计，对比高铁隧道内单车经过与双车交会诱发的气动压力差异特征，探究列车速度、隧道长度以及阻塞比对气动压力差异特征的影响规律。
结论：1.高速铁路隧道内单车经过与双车等速交会时，气动压力时程曲线同步升降低，且双车交会诱发的压力峰值显著大于单车经过；2.列车在隧道内行驶时，气动压力与速度幂次方成正相关性；3.气动压力峰值与隧道长度幂次方之间无显著的线性关系；4.列车在隧道内行驶或驶出隧道后，气动压力峰值与阻塞比幂次方均成正相关。

关键词组：铁路隧道；气动效应；压力特征；列车速度；隧道长度；阻塞比