地下空间与工程学报

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王睿, 李晓昭, 王家琛

地下空间与工程学报. 2019, 15(1): 1-8.

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伴随我国地下空间建设的加速,大量人口进入地下空间工作和生活。而对于地下空间的环境对工作人员的健康心理影响的研究尚缺乏。本文针对国内城市地下空间内的工作人群对自身工作环境的评价和满意程度,在南京、重庆、南通、西安、咸阳等地的地下空间场所、设施中进行了问卷调查和统计分析。在统计的基础上剖析了地下空间的物理环境和人文环境对内部工作人群的心理环境的影响,以及工作人群的心理环境与其自身年龄、性别、地下空间工龄等影响要素之间的联系。文章得出地下空间的多种环境要素以及人的自身心理要素对人群心理环境的作用规律,并从地下空间长期使用者的角度出发总结了环境改善的方向。

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南京城市地下空间综合防灾规划研究

王江波, 柴琳, 苟爱萍

地下空间与工程学报. 2019, 15(1): 9-16.

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安全性是地下空间开发建设中所面临的重要问题之一;若由于初时设计不当,将严重影响地下空间中广大民众的人身安全;科学的规划,将有效提升地下空间的综合防灾能力。本文针对南京地下空间面临的主要灾种类别,系统梳理了其在防灾建设与管理中的突出问题,提出了未来地下空间应满足“内部防灾和外部减灾”两方面的需求,并针对火灾、水灾等主要灾种,布局相关防灾设施,制定实施措施;同时,明确了防洪排涝设施、避难场所与应急物资储备库等不同类型项目结合地下空间建设的策略和选址。最后,提出了平灾结合策略,以及未来城市地下空间综合防灾设施系统发展建设的三大契机。

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城市住宅小区人防车位的产权问题分析

徐生钰, 张竞妍

地下空间与工程学报. 2019, 15(1): 17-24.

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《物权法》虽然对普通小区车位、车库的产权纠纷提供了定分止争的依据,但是,没有提及小区人防车位的产权问题,在《物权法》实施10年以后的今天,围绕小区人防车位的产权纠纷愈演愈烈。对此,目前理论上的研究局限于法学和法律视角,且争论不休、难以达成一致意见。其实,小区人防车位产权问题实质上是个经济学问题,因此,立足于经济学基本理论,沿着物品属性决定供给,供给决定产权的思路,通过分析发现:防空效能属于公共物品范畴,小区人防车位作为人防工程的一部分,政府是其防空效能的实际供给者和有效维护方,因此,其产权应该归国家所有。

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基于量化分析的地下街道空间适宜尺度研究

孙良, 李战, 冯乐

地下空间与工程学报. 2019, 15(1): 25-31.

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地下街道尺度变化直接影响人的空间认知及心理感受,进而作用于人的行为方式。针对地下街道空间尺度的心理认知,笔者试图探索舒适的地下街道尺度,结合实验心理学的相关理论与街道宽高比、面宽比和长宽比理论,运用虚拟现实技术展开空间尺度认知实验,运用SPSS专业统计软件量化分析地下街道空间各个心理认知指标、物理尺度指标与心理认知量之间的相关关系;进一步运用SPSS软件中的因子分析,根据评分筛选出较适宜试验场景的物理尺度指标值及其对映尺寸。研究结果得出:地下街道空间尺度指标在宽高比1.0~1.7之间、面宽比指标比值在1.9~2.7之间、长宽比指标比值在10.2~12.2之间的数值范围较为适宜。

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注液方式对深层页岩裂缝形态影响实验研究

考佳玮, 金衍, 付卫能, 常智

地下空间与工程学报. 2019, 15(1): 32-38.

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开发深层页岩需要通过对储层进行水力压裂,而注液方式会对压裂效果产生很大的影响。采用真三轴水力压裂实验系统,研究不同的注液方式对深层页岩的裂缝形态的影响规律。实验结果表明:高地应力差下水力裂缝会沿着垂直于最小地应力方向起裂并扩展成横切缝,遇层理或天然裂缝会沟通并形成分支缝;采用先小排量后提升至大排量的注液方式可以开启更多的裂缝;先注入高粘度的压裂液制造主缝,然后替换为低粘度压裂液开启分支缝,形成主缝+分支缝的裂缝形态,有利于提升储层SRV。本实验研究结果可以为深层页岩压裂设计提供参考。

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富水砂岩中囊式扩体锚索足尺试验研究

罗利锐, 刘钟, 杨松

地下空间与工程学报. 2019, 15(1): 39-44.

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在现场足尺试验基础上,研究了囊式扩体锚索在兰州全风化富水砂岩中的承载特性。试验结果表明,采用水泥浆护壁方式成孔扩孔,即可以防止全风化岩塌孔,又可以将岩屑有效地置换出来。选用合适的高压旋喷压力、复喷次数、进尺速度和水灰比,能够保证扩体段扩径达到设计要求。与普通锚杆相比,囊式扩体锚索在承载力和力学性能方面均有显著提高;通过对锚索扩体段的开挖验证,承压型囊式扩体锚索对周围富水砂岩没有扰动,并且能够在防腐和耐久性方面提供明显的优势。

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磁性岩土相似材料物理力学性能试验研究

阮博, 罗先启

地下空间与工程学报. 2019, 15(1): 45-51.

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地质力学磁力模型试验能够模拟实际工程中的复杂情况,从而确定现场中难以确定的问题。而磁性岩土相似材料与原型材料的力学性能参数是否相似,是地质力学磁力模型试验是否可靠的重要因素,为了保证模型试验结果的可靠性,需要对磁性岩土相似材料进行试验研究。由于岩土中岩体与结构面力学性能相差很大,将岩土相似材料分为岩体相似材料与结构面相似材料分别研究,选取铁粉、石英砂、粘土为岩体磁性相似材料,选取铁粉、重晶石粉、石膏为结构面相似材料。测量相似材料的密度、抗压强度、弹性模量、粘聚力、内摩擦角、泊松比等力学性能参数,研究材料含量与物理力学性能变化之间的规律,为地质力学磁力模型试验提供指导。

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不同气候环境下黄土胶结性状的试验研究

崔强, 段辉顺, 毛矛, 张振华, 陈爽

地下空间与工程学报. 2019, 15(1): 52-59.

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黄土作为一种常见的非饱和土天然地基,由于其特殊的胶结结构,往往较常规粉土或粉质粘土的粘聚强度高。为了研究黄土胶结物赋存状态和组成类型及气候环境对其的影响,本文选取我国甘肃、陕西两省5处黄土作为研究对象,采用全分散法和半分散法对每种试样进行溶解处理,对处理后的土悬液进行粒集形态和粒径分析。试验结果表明:经半分散法处理后的土悬液上层水体清澈,灰色碎屑颗粒沉淀在容器底层,分层明显;经全分散法处理后的土悬液由于试验过程中破坏了土颗粒中的内、外胶结单元,呈现出明显的溶胶状态,分层不明显;在全分散法处理后的土悬液中提纯出粒径小于0.005 mm的黏粒,分别对其进行矿物组成、碳酸钙、易溶盐、离子交换量等进行测试。分析表明:处于干燥干旱地区的ZY、DX、GG黄土,胶结物以黏土矿物和微晶碳酸钙组成为主,处于湿润多雨的QZ、WG黄土,胶结物以黏土矿物为主,并且五处黄土的胶结能力自西向东依次增强。

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石灰粉煤灰固化天津滨海软土试验研究

杨爱武, 肖敏, 周玉明

地下空间与工程学报. 2019, 15(1): 60-67.

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天津滨海新区大面积分布的海积软土含水量高、孔隙比大、强度较低,对工程的安全建设和使用存在很大影响,在工程实践中常需要进行固化处理。本文以石灰粉煤灰为固化材料,通过大量室内试验,以及微观结构测试,研究其对天津滨海软土的改良效果。室内试验结果表明,二灰土各项力学性质明显提高,即压缩性降低,水稳性良好,无侧限抗压峰值应变及三轴峰值应变较小,由于其强度很大程度依赖于土体颗粒间的胶结作用,一旦破坏,二次抗压强度则较低。微观结构测试分析表明,石灰粉煤灰与软土在拌合均匀状态下,经一系列物理化学作用,土体颗粒胶结成土团粒,粒间孔隙也得到填充。随着龄期的增长,二灰土孔隙数量减少,等效直径减小,土体颗粒数量减少,等效直径增大;而随着压力的增大,二灰土表现出孔隙数量增多而孔隙等效直径减小,颗粒数量和等效直径变化较小的趋势。室内试验与微观测试认为石灰粉煤灰可用于固化天津滨海软土,是一种经济合理的固化剂。

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剪切应变速率对淤泥土力学性状影响试验研究

刘勇健, 杨鑫, 李彰明, 黄承泽, 张佳乐

地下空间与工程学报. 2019, 15(1): 68-75.

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为研究剪切应变速率对高含水量淤泥土力学性状的影响,运用SPAX-2000真三轴测试系统进行了不同周围压力和不同应变速率的固结不排水剪切试验,分析了淤泥土不排水抗剪强度和孔隙水压力随应变速率的变化规律。试验结果表明,高含水量淤泥具有“应变速率软化”现象。在剪切过程中(应变速率为10^-6/s～10^-2/s),淤泥土不排水抗剪强度随剪切应变速率增长而增长,符合指数变化规律;根据试验数据,建立了经验方程式,并求得其应变速率参数η_e1为0.130 5,η_e2为0.131 9;当变率增长10倍时,淤泥土的不排水抗剪强度增长率为13.12%。不同于强结构性黏土,淤泥土的强度随剪切应变速率呈渐进性变化,未出现明显临界速率转折点。在加载初期,孔隙水压力增长和最大孔隙水压力受应变速率影响较明显;在试验过程中,孔隙水压力变化具有一定波动性和滞后性。

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海相复合地层泥水盾构施工泥水材料试验研究

吕锦, 范杰, 黄凯

地下空间与工程学报. 2019, 15(1): 76-83.

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在泥水盾构工程领域的泥浆研制中,不同的地层和应力水平对泥浆特性有较大影响,同时影响泥浆的渗透性和保持开挖面稳定的泥膜特性。实际施工过程中,泥膜的质量直接影响泥水盾构施工的安全和进度。本文以马骝洲交通隧道新建工程为背景,针对特有的海相复合地层特点,通过室内试验进行了海相复合地层泥水平衡盾构施工泥水材料研究,开发了新型泥水材料,并借助盾构掘进现场试验验证室内分析及其相应产生的施工改善成效。研究发现,1#新型泥水材料造浆能力强,能优化泥水的颗粒级配,有效降低滤失量,形成致密有强度的泥膜;1#新型泥水材料运用实际施工中后,能显著提高盾构推进速度,降低刀盘扭矩,减小总推力,可为类似地层盾构施工土体改良提供参考。

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XCC桩单桩荷载传递特性的离心机模型试验研究

马语卿, 吕亚茹, 许宏发, 解东升

地下空间与工程学报. 2019, 15(1): 84-92.

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XCC桩是根据等截面异形周边扩大原理改造而来的异形截面桩,通过改变截面形状来改变桩土荷载传递机理。为了得到真实应力状态下XCC桩-土荷载传递机理,开展了单一均质Toyoura干砂中XCC单桩与等截面面积的圆形单桩的离心机对比模型试验,得到了真实应力状态下XCC异形桩的极限承载力、轴力和侧摩阻力分布特性。结果表明,以10%桩径沉降作为承载力判别标准时,XCC单桩极限承载力较圆形单桩提高了约30%,其主要来源于桩侧摩阻力的提高;XCC桩侧摩擦力稍大于圆形桩,其总侧摩阻力至少是等截面面积圆形桩的1.65倍,侧摩阻力的提高部分来源于截面周长的增大,其余来源于XCC单桩的“异形效应”。

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岩溶矿区采动裂隙发育及溶洞破坏特征相似模拟

朱川曲, 崔栋歌, 周泽, 李青锋, 黄友金

地下空间与工程学报. 2019, 15(1): 93-100.

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针对岩溶矿区煤层开采采动裂隙发育规律及其对溶洞稳定的影响问题,通过构建岩溶洞区域煤层开采模型,对煤层开采条件下的岩溶洞破坏特征以及岩层移动特征进行了分析,分析结果表明:在强烈的采动影响下,岩溶洞顶板最容易发生破坏,导致采动裂隙发育高度在岩溶洞顶板方向达到最大;在非均匀采动影响下,岩溶洞两侧岩层呈现极不均匀下沉,岩层以岩溶洞为端点发生回转,致使岩溶洞顶板和底板发生破坏。若此时,岩溶洞处于浅埋状态,则其顶板裂隙与地表容易贯通,使得地表土体颗粒流失,而底板裂隙造成岩溶洞内充填物漏失,岩溶洞顶板裂隙和底板裂隙的共同作用为岩溶地表塌陷创造了有利的客观条件。因此,在岩溶地区进行煤层开采时,应防止岩溶洞区域受到非均匀采动的影响。

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含瓦斯煤弹性应变能计算新方法研究

胡祖祥, 徐小奔, 郝学

地下空间与工程学报. 2019, 15(1): 101-107.

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为了探索含瓦斯煤破坏时释放弹性应变能的科学计算方法,针对硬岩与含瓦斯煤力学特征的差异,理论分析了常用冲击倾向性指标法计算弹性应变能的局限性。基于含瓦斯煤扩容力学特性,提出了以扩容临界点为界限,依据应力-体积应变曲线与横坐标轴围成的面积计算含瓦斯煤弹性应变能的新方法,并分别对硬岩和含瓦斯煤弹性应变能计算分析。结果表明,对于硬岩,常用冲击倾向性指标法和新方法计算结果基本一致,验证了本文提出的新方法的科学性;对于含瓦斯煤,常用冲击倾向性指标方法计算值远远大于新方法计算值。本文提出的“应力-体积应变”弹性应变能计算方法更能反映含瓦斯煤加载过程变形特征,为煤矿动力灾害的防控研究提供理论依据。

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升温和降温对无约束花岗岩热破裂的影响

武晋文, 陈淑萍

地下空间与工程学报. 2019, 15(1): 108-115.

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温度变化会引起岩石内部矿物颗粒膨胀(收缩)不均匀,发生热破裂。温度变化有温度升高和降低两种作用方式,本文通过无约束花岗岩在升温和降温两种温度作用方式下的热破裂声发射实验研究,得到如下结论:(1)花岗岩升温过程中热破裂主要表现为中高温弹塑性破裂;降温过程中热破裂主要表现为中低温脆性破裂;(2)升、降温过程岩石的热破裂机理不同,升温过程主要为压缩热应力集中形成的压剪破裂,降温过程主要为局部拉应力集中造成的拉剪破坏;(3)根据声发射特征参数统计分析,同等温度范围内,岩石降温过程的热破裂声发射事件频度和强度均高于升温过程,约为2倍,降温过程的热破裂比升温过程剧烈。

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双根并联恒阻大变形锚杆吸收冲击能量研究

宫伟力, 张自翔, 高霞, 何满潮, 李晨

地下空间与工程学报. 2019, 15(1): 116-124.

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为了研究恒阻大变形锚杆在动力冲击作用下的吸能规律,开展了双根并联恒阻大变形锚杆动态冲击拉伸实验。实验结果表明:随着冲击速度的增加,恒阻大变形锚杆的工作阻力和伸长量均越来越大,恒阻大变形锚杆伸长单位长度吸收的能量增加。双根并联恒阻大变形锚杆冲击力时程曲线可见两个峰值,第二个峰值总是小于第一个峰值,即当多个恒阻大变形锚杆并联工作时,其冲击力响应水平是逐个衰减,能够有效缓解冲击效应。同时,采用红外热成像法对恒阻大变形锚杆和普通锚杆冲击过程中的温度场变化进行监测,对比研究二者吸能特性,实验表明,与普通锚杆相比,恒阻大变形锚杆吸能效果更好,更利于巷道防冲支护。

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隧道爆破下建筑结构局部应力响应及损伤研究

王旭春, 管晓明, 于云龙, 余志伟, 李伟

地下空间与工程学报. 2019, 15(1): 125-133.

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依托新红岩隧道工程,探究了隧道典型爆破地震波与砌体低阶与高阶模态之间的关系,研究了不同工况爆破振动下砌体结构不同构件上的应力响应。砌体结构局部构件上的内力响应远比位移响应要显著,并且与质点的振速约成正比。在峰值振速相同条件下,当隧道爆破振动主频较高时,引起建筑物高阶局部模态下的动力反应,竖向振动引起的结构局部构件上的应力较大;反之,爆破振动主频较低,引起建筑物的低阶整体模态的动力反应,水平振动(结构弱轴方向)引起结构局部构件上的应力较大。砌体结构上的门角、窗角等应力集中部位最容易受损开裂,其次是在峰值振速较高时,局部振动较大的女儿墙、中隔墙等部位及砖墙与混凝土接触的部位也可能受损开裂。

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叶巴滩水电站拱坝坝肩深部卸荷带影响研究

张文, 陈媛, 张林, 杨宝全, 张冲

地下空间与工程学报. 2019, 15(1): 134-141.

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针对叶巴滩拱坝左右坝肩内存在的深部卸荷带等不良地质缺陷,采用地质力学模型试验超载法,对叶巴滩2 750 m高程拱坝和坝肩的工作性态开展平面地质力学模型试验研究。通过试验获得拱坝、坝肩及深部卸荷带的变形特性和破坏形态,探明了深部卸荷带对拱坝和坝肩的工作性态的影响,揭示了工程的薄弱部位。研究表明深部卸荷带对拱坝和坝肩的工作性态有明显影响,其影响程度与强松弛IV_s类岩体所处位置及与拱端附近断层的组合作用有关。位于左坝肩强松弛IV_s类岩体对拱坝和坝肩的变位、拱推力的传递影响较大,位于右坝肩的断层f29(f74)对坝肩稳定有明显影响。对左右坝肩内的这些薄弱部位需采取相应的加固措施,以改善拱坝和坝肩的工作性态。

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真三轴卸载煤爆实验破坏特征演化分析

赵菲, 何满潮, 李德建, 袁广祥, 陈上元

地下空间与工程学报. 2019, 15(1): 142-150.

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对煤岩体进行真三轴卸载煤爆实验,获得了其临界破坏应力、破坏碎屑分形维数及声发射参数特征,引入处理声发射波形的短时傅里叶变换方法获得时频演化特征,利用离散元颗粒流数值方法对该过程进行模拟揭示其细观损伤机制。研究结果表明:煤爆临界破坏应力状态为28.6 MPa/17.8 MPa/8 MPa,煤爆时刻声发射能量快速释放,能率达到峰值;量测粒径尺寸大于10 mm的喷出碎屑尺寸,按照粒度-数量方法算得的分形维数值为2.04;声发射时频特性在煤岩体煤爆实验过程中经历了由单峰低幅低频向双峰高频演化再过渡到单峰高幅高频,最后变为多峰高幅低频的过程,预示着破裂源由单一小尺度不断向复杂大尺度演化的损伤机制;通过颗粒流软件对煤爆过程进行模拟,发现煤岩模型试件内部主要存在张拉损伤,而随着模型加卸载不断进行,剪切破裂逐级增多,与声发射时频特性相吻合。

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压实黄土强度及渗透各向异性研究

鲁洁, 孙亚男, 王铁行, 罗扬

地下空间与工程学报. 2019, 15(1): 151-157.

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为揭示各向异性对黄土强度和水分场的影响,通过抗剪强度试验和渗透试验对压实黄土强度和渗透各向异性进行研究。结果表明:压实黄土存在强度各向异性,其垂直方向强度参数大于水平方向;压实黄土粘聚力各向异性随含水率增大而减小,干密度对压实黄土粘聚力各向异性无显著影响;含水率和干密度对压实黄土内摩擦角各向异性均无显著影响;压实黄土存在渗透各向异性,水平方向渗透系数大于垂直方向;压实黄土渗透系数随着干密度、围压的增大而减小,且增大到一定程度后变化趋于平缓;干密度、围压对压实黄土渗透各向异性都有较大影响,随着干密度和围压的增大,压实黄土的渗透各向异性会逐渐削弱。

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隧道压力拱动态演变机制及规律分析

叶飞, 韩鑫, 刘燕鹏, 唐勇三, 林剑飞

地下空间与工程学报. 2019, 15(1): 158-166.

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隧道开挖后形成的压力拱是随着围岩的渐进性破坏而动态发展的。以毛洞情况下隧道的最终状态为依据将动态压力拱分为稳定无塌落拱、稳定有塌落拱和不稳定无塌落拱三类,将围岩压力拱的动态发展分为原始应力状态、雏形压力拱状态、初始压力拱状态、塌落压力拱状态4个典型的时间段,从而对动态压力拱理论进行了完善。对初始压力拱和塌落压力拱的拱体厚度进行了理论推导,从理论上揭示了围岩压力拱动态发展的影响因素。通过实例计算得到了隧道埋深、侧向土压力系数与初始压力拱拱体厚度的关系以及塌落压力拱随塌落高度发展的动态演化规律。结果表明:初始压力拱拱体厚度与侧压力系数呈线性负相关,与隧道埋深呈正相关;侧压力系数对初始压力拱拱体厚度的影响随隧道埋深的增加而增大;随着塌落高度的增加,围岩压力拱范围先增大后逐渐趋于稳定,而拱体厚度则先增大后减小;若塌方在拱体厚度达到最大时仍无法稳定,则最终会发展为塌穿型塌方。

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常州砂性地层联络通道解冻规律研究

马俊, 杨平, 刘增光, 李志远, 陈亮

地下空间与工程学报. 2019, 15(1): 167-173.

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人工冻结联络通道施工常采用跟踪注浆解决软弱地层工后融沉问题,为此必须掌握解冻温度场的变化规律。以常州市轨道交通1号线某隧道联络通道冻结法施工为背景,将冻结阶段现场实测与温度场数值模拟进行对比,验证数值模拟方法正确性,并通过数值模拟对自然解冻与强制解冻规律进行分析。结果表明,60 ℃~90 ℃循环热水强制解冻周期为33.5~22 d,较自然解冻周期的160 d缩短了5~7倍,不同温度的强制解冻解冻周期大致呈线性变化。强制解冻完成次序依次为上部结构、冻结管内侧土体、冻结管外侧土体、集水井底部。冻结壁厚度不同工程可采用不同温度热水循环进行强制解冻,冻结壁厚度较薄时可适当降低热水温度;强制解冻融沉注浆前期应将重点放在联络通道上部结构侧边及顶部,后期应将重点放在底部。

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基于离散元法的接触冲刷影响因素研究

常利营, 陈群, 叶发明, 邵磊

地下空间与工程学报. 2019, 15(1): 174-180.

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成层土间容易发生接触冲刷破坏,对水工建筑物的安全运行有不利影响。为此探讨了粗层孔隙率、粗层颗粒形状和剪切位移对接触冲刷的影响,采用离散元法对成层无粘性土进行了接触冲刷数值模拟,得到以下结论:粗土层孔隙率的增加对土层抗渗流冲刷不利,对于D₁₀ /d₁₀比值为10的土层,当粗土层的孔隙率相对较大时,在一定的渗流压力作用下,试样的渗透流速在初始阶段会有一定减小,随着细颗粒流失比的不断增大,渗透流速也随之增大,土层结构发生较大改变,也会发生接触冲刷破坏,在工程实践中应该引起一定的重视;当粗层颗粒形状为非球形时,细土层颗粒流失比减小,土层抗冲刷破坏能力有所提高;剪切变形后试样中粗土层孔隙率会有一定增大,孔隙结构也会发生改变,细土层颗粒流失比增大,加剧了土层发生接触冲刷破坏的风险。

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基于各向异性模型的引水隧洞围岩稳定性研究

刘杰, 高进, 黎照, 张罗送, 兰俊

地下空间与工程学报. 2019, 15(1): 181-193.

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以丹巴引水隧洞石英云母片岩为对象,研究了岩体各向异性特性及开挖卸荷作用对围岩稳定性影响。针对石英云母片岩横观各向同性特性,将Adina中Hill48各向异性模型转化为用Lankford系数描述的横观各向同性模型,从而用泊松比描述各向异性系数,并根据试验结果对模型进行修正,使计算结果更为准确。为考虑岩体各向异性特性下的高埋深高地应力隧洞开挖卸荷作用,提出了一种针对层状岩体变形参数的卸荷弱化方法,应用该方法可得到各自方向的卸荷参数,减少按参数折减法的人为主观性对结果的影响。建立地应力场中3个主应力方向与模型边界垂直模型,并利用在垂直边界施加与3个主应力等值面力的建模方法,极大简化了传统构造地应力场的工作量。将数值模拟结果与实际监测结果进行对比,得出塑性区、应力区与试验洞下游侧边墙位置的岩层鼓胀断裂现象有较好的吻合,说明计算模型的准确性。

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近距离煤层群上行开采工作面巷道布置研究

赵象卓, 高照宇, 吴涛, 张璐宇, 韩军

地下空间与工程学报. 2019, 15(1): 194-201.

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钱家营矿主采煤层以典型的近距离煤层群形式赋存,为解决钱家营矿近距离煤层群开采中由于村庄压煤而面临的采掘衔接困难问题,对下部12_-1煤层开采的保护范围进行计算,并通过理论分析、数值计算、相似材料模拟试验等方法,分析了12_-1煤层开采后对9煤层的影响和破坏程度,研究了12_-1煤层回采后上覆岩层变形和应力变化以及煤柱区域垂直应力变化特征。结果表明:下部12_-1煤层开采后,对9煤层具有保护效果,采动影响系数K值为10.8~13.0,煤层破坏程度在30以内,9煤层总体形态较好,处于12_-1煤层的裂隙带中,应力降低明显,卸压效果显著。提出跨煤柱巷道布置方案,进一步减弱了采动影响。现场监测表明运用上行开采跨煤柱巷道布置方式对解决钱家营矿近距离煤层群的开采问题效果良好。

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田下凝灰岩应力松弛特性及数值模拟研究

张海龙, 宗赵波, 魏燕, 汤杨

地下空间与工程学报. 2019, 15(1): 202-210.

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岩石应力松弛特性是预测地下工程长期稳定性的重要基础。首先,对峰前、峰值和峰后区域应变水平下田下凝灰岩进行分别加载应力松弛试验,研究松弛过程中应力变化规律,并分析了应力松弛水平随应变水平的变化规律;其次;对田下凝灰岩进行分级加载应力松弛试验,研究分级加载条件下应力的变化规律,试验结果表明,分级加载和分别加载应力松弛具有相同的规律,且峰值处、峰值后的应力松弛特与峰值前的基本相似;最后,利用基于弹簧模型的可变模量本构方程对田下凝灰岩应力松弛试验进行数值模拟,试验结果与计算结果一致性很好,表明该本构方程可以较好的描述田下凝灰岩的应力松弛特性,可以预测工程流变破坏寿命。

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页岩变形过程中表面红外辐射演化规律探究

杨少强, 杨栋, 王国营, 陈达常, 张洁莹

地下空间与工程学报. 2019, 15(1): 211-218.

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为探寻含裂隙岩体变形失稳过程中表面红外辐射演化规律,对沉积类岩石油页岩内部原生孔隙裂隙进行CT扫描定位,以单轴压缩过程中红外监测实验为例证,探究其表面红外辐射温度演化规律,并以表面辐射最高温度、平均温度及变异系数三个统计量为指标进行分析。结果表明:(1)不同于花岗岩、大理岩、砂岩等完整岩石单轴压缩过程中表面温度随应力增加表现为上升现象,含孔隙、裂隙岩石油页岩表面温度随应力增加则表现为下降;但临近试件发生破坏,二者均会产生温度陡然升高的现象;(2)平均温度与最高温度曲线具有共性特征,随载荷增加,二者表现出明显的阶段性,即快速下降阶段-缓慢下降阶段-快速上升阶段,且最高温度曲线临近破坏具有更高的敏感性;(3)变异系数曲线可以较好地反应试件表面辐射温度离散程度,随应力增加,首先表现为快速增长,随后进入相对稳定期,临近破坏时刻再次出现快速增长;稳定期后变异系数曲线的快速增长预示岩石破坏;(4)油页岩变形失稳过程中表面温度下降与其内部气体逸出及孔隙、裂隙坍塌破坏相关。原生裂隙在加载初期表现为温度降低,临近破坏时该区域则转变为升温区。该研究为预测沉积类岩体特别是含有天然裂隙岩体变形失稳过程中表面红外辐射变化规律提供了新的内容。

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某铁路隧道下穿高速公路爆破振动研究

叶宇, 余春涛, 刘新荣, 黄华

地下空间与工程学报. 2019, 15(1): 219-225.

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结合沪昆铁路某隧道下穿沪昆高速公路的实际工况,应用三维有限元软件MIDAS/GTS-NX模拟下穿隧道与既有高速公路相对位置不同时,新建隧道爆破施工引起既有高速公路挡墙和路基的动力响应规律。结果表明:在装药量保持不变情况下,新建隧道与既有高速公路相对位置发生变化,既有挡墙和路基振速响应峰值的出现部位不尽相同,当隧道位于挡墙正下方和左下方时,挡墙底部临空侧点的振速值最大,当隧道位于挡墙右下方时,挡墙底部内侧点的振速值(峰值为0.61 cm/s)略大于挡墙底部临空侧点的振速值(峰值为0.59 cm/s);对于路基,当隧道位于挡墙正下方和右下方时,左线路基底部右侧点的振速值最大,当隧道位于挡墙左下方时,左线路基底部左侧点的振速值最大。因此,在下穿隧道爆破施工时,为保证既有高速公路挡墙和路基的安全运营,应重点监测距爆心最近的挡墙底部临空侧和左线路基的振速响应,必要时可进行加固处理。此研究成果可为类似工程爆破开挖及振动控制提供参考。

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高水平应力差下水平井螺旋射孔参数优化研究

吴越, 侯冰, 韩慧芳, 周小金

地下空间与工程学报. 2019, 15(1): 226-231.

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在压裂施工中,射孔是一个重要环节。射孔能够降低岩石破裂压力,减少近井筒缝网结构的复杂性,有利于水力压裂之后的油井增产。通过开展大尺寸真三轴室内实验,研究水平应力差大小以及在高水平应力差下射孔相位、射孔密度和射孔簇间距对于裂缝的形态、裂缝面的扩展和岩石破裂压力的影响。实验证明:在高水平应力差下,由于地层的各向异性,导致地层的能量不稳定性,有利于相邻裂缝扩展的相互影响,减少近井筒附近的裂缝的复杂性,同时减少岩石的破裂压力;在高水平应力差下,射孔相位增大时,射孔间距变大,不利于相邻裂缝的沟通,增加了近井筒裂缝的复杂的可能性。通过物模实验表明,与射孔相位为90°相比,射孔相位为60°形成的单一平整裂缝扩展面更有利于油井增产,同时岩石破裂压力更小,有利于水力压裂;射孔簇间距适当增加,能够减少两簇之间的相互影响,能够增加多簇同时起裂的可能性,同时还能增加射孔过程中总的射孔起裂数量;射孔密度增加还能减少孔间距,减少相邻射孔之间相互影响的能量,减少近井筒裂缝的复杂性,同时还能够有效地减少岩石破裂压力。

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地面出入式盾构引起地下管线附加荷载研究

魏纲, 姜鑫, 林雄

地下空间与工程学报. 2019, 15(1): 232-239.

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考虑盾构仰俯角β(即隧道埋深变化)以及地下管线自身宽度,基于Mindlin解和统一土体移动模型三维解,推导出地面出入式盾构隧道掘进中正面附加推力、盾壳摩擦力、附加注浆压力和土体损失引起的土体附加应力计算公式,进而得到邻近地下管线附加荷载计算方法。算例分析结果表明:盾构上仰时,随着β增大,管线承受的总附加荷载最大值变小;随着管线埋深变大,隧道轴线两侧各0.5h范围内,y向附加荷载分布曲线呈上移趋势;隧道轴线两侧各0.5h范围外,y向附加荷载分布曲线呈下移趋势;隧道轴线两侧0.5h左右处,为管线附加荷载分布曲线的交点。

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不同围岩地质条件下盾构掘进效能评价方法

王利明, 杨振兴, 周建军, 陈帅, 吕乾乾

地下空间与工程学报. 2019, 15(1): 240-246.

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考虑盾构掘进过程中掘进机与围岩的耦合作用,提出反应掘进参数和地质条件综合作用的盾构掘进效能评价指标体系。将岩石磨蚀性指标K_CAI作为围岩可掘性评价指标,构建围岩可破量模型,提出适用于盾构施工的围岩可掘性分级体系。通过对盾构掘进效率研究,提出盾构掘进指数K_STI以反应盾构掘进能耗,基于对盾构施工大数据的分析,确定了不同围岩分级下掘进指数合理区间并进行分级评价。综合围岩可掘性分级和盾构掘进指数分级体系建立盾构掘进效能评价方法,并对盾构掘进效能评价划分为1~7个等级。以广州地铁3号线大石-汉溪区间的地质条件和掘进参数为例,进行了盾构掘进效能评价,验证了该效能评价方法的正确性,为盾构掘进参数的设定提供理论参考依据。

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巨型地下洞室脆性围岩高应力破裂防治措施研究

孟国涛, 侯靖, 陈建林, 王红彬, 陈浩

地下空间与工程学报. 2019, 15(1): 247-255.

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脆性岩体高应力破裂是西部水电地下工程面临的主要岩石力学问题之一。依托世界最大规模的白鹤滩地下厂房洞室群,在概括高应力条件和玄武岩脆性特征基础上,说明了地下洞室围岩破裂破坏形式。采用3DEC中围岩能量释放等指标,研究了洞群布置、体形优化等宏观策略;依据围岩高应力集中特征,分析了开挖程序和支护时机等应对措施。结果表明,针对构造应力占主导的地下工程,可研设计应尽可能使主要洞室轴线与σ⁰₁小角度相交、宜选择双向成拱的圆筒形体形、保证顶拱曲率与应力拱相适应,并且,在施工期应尽可能沿σ⁰₁方向优先开挖、对应力集中的顶拱开挖不宜过多分幅、河谷应力条件下应优先开挖临江侧,此外,必须充分利用掌子面效应及时支护,抑制脆性岩体破裂扩展和时效变形。工程实践表明,防治脆性围岩高应力破裂的战略性措施能够降低洞室群围岩产生破裂破坏的总体风险,而战术性措施能够减小支护代价,提升工程安全性和经济合理性。

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地应力套心解除法测量精度的校验方法研究

韩晓玉

地下空间与工程学报. 2019, 15(1): 256-261.

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介绍了国内外空心包体应变计等套心解除地应力测试技术的基本情况,套心解除测试技术测量精度研究的现状,进行测量精度校验研究的依据和重要意义。提出了一种在岩石洞室进行校验试验的装置,论述了校验试验环境、物理模型组成、试验过程和试验真值获取注意事项。首次给出并重点论述了二维和三维地应力测量精度的定量表述方法,给出了量值综合误差、量值最大误差、角度综合误差和角度最大误差公式,以及多样本的平均误差公式。对上述测量精度误差公式的表述效果进行了讨论,对比了在“一般情况下”和“极端情况下”综合误差和最大误差表述方式的效果,明确了表述公式的适用性。

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大断面瓦斯隧道“五步法”预测揭煤技术应用研究

李文树, 周东平, 郭臣业, 张尚斌, 徐涛

地下空间与工程学报. 2019, 15(1): 262-268.

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为确保大断面瓦斯隧道揭煤施工的进度和安全,针对大断面隧道揭煤施工存在的瓦斯安全问题,提出了“五步法”预测揭煤新技术。研究表明:(1)以“分步集中实施区域措施、分层预测检验揭煤”为核心的“五步法”预测揭煤新技术,是视多层突出煤层群的邻近层为一层进行区域措施瓦斯治理,减少了逐层处理的重复环节,缩短了瓦斯治理时间;(2)区域措施中增加了对煤层群分组水力压裂的增透方法,与相似区域相比抽采达标时间缩短了35 d,缩短47%;(3)利用“五步法”预测揭煤技术和煤层群分组水力压裂增透技术后,该瓦斯隧道揭煤时间比预期节省200多天。

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高海拔双向行车公路隧道火灾控烟风速研究

白赟, 张先富, 严晓楠, 曾艳华

地下空间与工程学报. 2019, 15(1): 269-276.

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雀儿山隧道为高海拔双向行车公路隧道,发生火灾后需要兼顾火灾点两侧人员的疏散,烟气控制较单向行车隧道复杂。采用FDS软件对雀儿山隧道进行火灾三维数值模拟,研究了高海拔双向行车公路隧道火灾时的烟气流动规律和能见度分布规律。研究结果表明:高海拔隧道火灾烟气流动比低海拔隧道速度快;纵坡隧道发生火灾时,若不采取任何控烟措施,烟流在火风压效应的作用下会从高洞口排出,而烟流沿下坡方向的蔓延距离仅在10 m左右,火灾烟气沿火灾点两侧蔓延极不对称;当隧道高洞口控制风速过大或横通道内控制风速过小时,易出现烟气蔓延对称性不佳或烟气窜入横通道,故二者应合理取值;当隧道高洞口施加0.5 m/s的风速、横通道施加1.0 m/s的风速时,烟气在火灾点两侧基本呈对称蔓延,且火灾两侧的能见度也基本对称;建议类似于依托工程的单洞双向行车公路隧道火灾疏散救援阶段,隧道高洞口风速控制在0.5 m/s左右、横通道内风速控制在1.0 m/s左右,以利于人员逃生。

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考虑人员逃生公路隧道火灾控制风速研究

王星, 师江涛, 柴伦磊, 韩兴博, 胡强

地下空间与工程学报. 2019, 15(1): 277-286.

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公路隧道火灾人员逃生与控制风速关系密切。本研究基于PHOENICS软件,建立了矩形、圆形及马蹄形断面下二、三及四车道9种计算模型,选取了大客车(20 MW)及无载重货车(30 MW)2种火源释放率, 选取了2.0 m/s、2.5 m/s、3.0 m/s、3.5 m/s及4.0 m/s的入口风速共计40种主要常见火灾工况,考虑了纵向通风对人体极限温度承受值的影响,采用了杨涛修正的动态火源释放率曲线及周勇狄修正的克拉尼公式,选用了适当的人员逃生条件,给出了每种工况8个特征时刻的10个特征点的温度值及曲线图,给出了燃烧5 min、12 min、30 min后火源处的纵横断面温度云图及中轴面烟气云图,给出了对应于火源燃烧位置上下游8个特征位置下人员逃生的忍受时间与逃离时间。研究得出:在基于人员逃生条件下矩形断面隧道在火源释放率为20 MW时二车道控制风速为3.0 m/s,三、四车道均为2.5 m/s;30 MW时二、三、四车道控制风速均为3.5 m/s,圆形与马蹄形断面隧道在火源释放率为20 MW时二、三、四车道控制风速均为3.5 m/s,30 MW时二车道控制风速均为4.0 m/s,三、四车道均为3.5 m/s。在火灾发生1 min后,人员以1 m/s从火源上下游进行疏散均可安全逃生。

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新二郎山隧道通风系统局部结构优化研究

张辉川, 马佳, 韩兴博, 柴伦磊, 刘霁

地下空间与工程学报. 2019, 15(1): 287-293.

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新二郎山隧道长13.4 km,采用四斜井三区段分段纵向式通风。为了降低隧道运营期间的通风能耗,通过数值模拟对隧道通风系统中的渐缩风道长度以及渐缩角度、渐扩风道长度以及渐扩角度、弯曲风道弯曲角度进行了优化;借鉴泥巴山隧道竖井自然风通道经验,增设自然风通道排水设施与风道控制风门,设计了新二郎山隧道的自然风通道;利用CFJZ6通风机综合测试仪对隧道通风系统渐扩段建成后的局部阻力损失系数进行了现场实测。根据优化结果推荐其渐缩段风道渐缩角度为10°,风道长度为6.8 m;渐扩段风道渐扩角度为10°,风道长度为24.1 m;弯曲风道弯曲角度80°。优化后渐扩段局部阻力系数为0.100 7远小于优化前的0.380 2。

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基于截尾概率分布的基坑突涌模糊可靠度分析

李明, 吴波

地下空间与工程学报. 2019, 15(1): 294-302.

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岩土工程可靠度分析中,计算参数具有随机性,稳定性评价具有模糊性。传统的Monte Carlo模拟方法计算可靠度时,往往假定参数概率分布在正负无穷之间分布,与真实情况不符,而且其计算效率也往往较低。规范推荐的基坑突涌验算公式,计算结果往往偏于保守。引入截尾概率分布的确定方法,对参数概率分布进行截尾处理;提出拉丁超立方抽样与最大熵原理结合来确定结构响应概率分布的方法,并将其与模糊可靠度原理结合,构建了基于抽样模拟的模糊可靠度计算模型;推荐了考虑土体抗剪强度的突涌验算公式。将所提方法应用于某深基坑工程突涌分析中,其结果表明,基于截尾分布的抽样可以有效避免参数抽样值为负数的情况,所提计算模型效率明显优于传统的Monte Carlo模拟方法,模糊可靠度的计算结果比经典可靠度更符合工程实际情况。

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考虑土体吸力基坑抗隆起稳定性极限上限分析

师晨翔, 金文, 杨永平, 姚建平, 李镜培

地下空间与工程学报. 2019, 15(1): 303-310.

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软土及高水位地区基坑降水对土体抗剪强度及基坑稳定性有积极作用。基于有效饱和度和土-水特性参数的非饱和吸应力模型,推导了地下水位面以上土体吸应力的空间分布规律。在此基础上,假设基坑地连墙与土体之间部分粗糙,考虑土体吸应力引起的土体内能耗散,基于塑性极限分析上限定理采用Terzaghi机构推导了基坑抗隆起稳定性的上限解。对比分析了考虑降水与不考虑降水时基坑抗隆起稳定性的差异,研究了基坑降水条件下坑底抗隆起稳定性与基坑深度、地下水位以及土体内摩擦角,进气值等因素的关系。研究结果表明,在降水条件下,水位线以上土体基质吸力提高,土体抗剪强度增加,基坑抗隆起稳定性随降水深度的增加而显著提高,基坑抗隆起稳定性随基坑开挖深度的增加而降低。研究结果为基坑降水施工过程中的抗隆起稳定性分析提供了一定的理论依据。

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电力电缆隧道结构病害及检测评估方法探讨

蒋雅君, 许阳, 陈鹏, 李彬, 任荣

地下空间与工程学报. 2019, 15(1): 311-318.

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电力电缆隧道是目前常见的城市地下空间利用形态之一,但是该类隧道的结构病害检测技术体系和规范尚不完善,影响了该类隧道的病害评定及相应处治。电力电缆隧道的病害类型主要包括隧道渗漏水、隧道衬砌裂损、衬砌结构腐蚀这三大类型,其中影响较大的为隧道渗漏水。在电力电缆隧道的检测工作中,需要结合电力隧道的工作环境条件、功能特点,明确检测的目的和需求,有针对性地调查和收集相关的信息和资料以制定检测方案。检测的内容可以划分为外观检查、结构安全性检查、结构耐久性检查这三大类内容,以便选取适宜的仪器和方法开展电力隧道检测工作。论文提出了确定电力隧道结构区段的分项评定标准及综合技术状况评定方法,并建议依据检测评定结果对电力隧道采取对应的养护措施。

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