地下空间与工程学报

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唐春安, 杨菊英, 王凯凯

地下空间与工程学报. 2019, 15(3): 637-642.

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随着城市建设规模的不断扩大,城市交通拥堵、停车难及汽车尾气伴生的环境污染、热岛效应等问题日趋严重,已成为未来城市发展的瓶颈问题。近年来,全方位开发利用地下空间的呼声日渐升高,其中包括地下交通、地下商业空间、地下基础设施,甚至地下人居环境等,然而,人类需要阳光、雨露、空气,甚至风、雨、雪等自然生态。笔者认为,地下空间发展应该遵循的最基本原则,就是最大限度地满足人类生态环境的自然回归。基于这一理念,本文提出了以人为本的高架城市理念,通过人类活动空间层(高架层)、交通空间层(地面层)和地下基础设施空间层(地下层)的三层式空间结构,形成人居活动空间上移、影响人居活动的基础设施下移的城市规划建设新模式,为有效破解城市交通拥堵、人居活动空间短缺、城市空气污染等当代城市“综合征”提供新的思路。

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城市发展背景下日本地下街的空间设计

米满宁, 龙雁翎

地下空间与工程学报. 2019, 15(3): 643-651.

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从建筑空间出发,以城市发展为宏观背景,尝试建立起日本地下街空间的研究结构。通过对实际案例、统计数据与图文资料的总结,得出地下街空间设计演变的重要推力因素——城市发展中提出的功能需求,在此基础上尝试提炼出地下街与城市发展、更新之间的相互关系。同时,以建筑学为理论平台,结合天神地下街、八重洲地下街等典型案例,采用定性结合定量的混合性研究方法分析地下街的空间组成、空间形式(量、形、质、分隔、界面和色彩质感),从而总结出日本地下街比较共性的4点空间设计特征,以期为未来中国的地下街空间设计策略提供一些可参考的思路。

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城市地下分层空间功能定位和形态演变探讨

王凯, 黄云艺, 陈卫忠, 曾灿军

地下空间与工程学报. 2019, 15(3): 652-659.

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城市地下空间竖向分层化成为地下空间开发利用的主要趋势之一。本文立足于中国城市化以及城市地下空间利用迅速发展的新时代背景,通过分析浅层地下空间(地下10 m以上)、中层地下空间(地下10～50 m)和深层地下空间(地下50 m以下)的主要资源特性和最优功能设施布置,明确城市地下不同分层空间的主要功能定位。同时分析国内外不同的地下空间开发案例,重点探讨城市地下空间分层利用的布局模式和内在演变机理。以武汉市地下空间开发为例,分析了武汉市不同区域地下分层空间的结构形态的差异性。其研究成果有助于不同城市进行地下空间规划时,决定不同分层空间的功能设施和结构形态。

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基于地下交通空间的城市地下空间开发浅析

唐杰, 孙苗苗, 魏新江, 丁智, 虞梦菲

地下空间与工程学报. 2019, 15(3): 660-667.

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作为一座已成功举办G20峰会以及即将主办2022年亚运会等重大国际活动的城市,杭州开始大步迈向国际舞台。然而随之而来的大量外来人口涌入使得有限的城市土地不堪重负。目前城区土地利用已趋于饱和状态,现有的地面交通结构无法满足要求,因此迫切需要向地下空间发展。本文通过简要阐述杭州市区地下交通设施的建设现状,对以地下交通空间为代表的城市地下空间开发利用问题进行探讨,希望能为快速发展的中国其他城市地下空间的布局与发展提供经验和启示。

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脆弱性视角下的城市综合管廊路径优化模型

李锐, 王蕾, 景亚杰

地下空间与工程学报. 2019, 15(3): 668-675.

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城市地下综合管廊是实现地下空间资源可持续发展的重要措施之一,大规模敷设综合管廊使之形成管廊网络势在必行,而综合管廊路径规划对综合管廊网络形成至关重要。本文在脆弱性视角下对城市地下综合管廊路径规划进行定量研究。首先基于地质脆弱性与脆弱路段内涵,建立地质脆弱性与脆弱路段评价指标体系与评价模型;其次,以地质脆弱性与脆弱路段等作为约束条件,建立多约束最短路径优化模型,并对基本蚁群算法进行改进求解;最后用不同方法对同一工程实例进行综合管廊路径优化。研究结果表明,脆弱性视角下的多约束路径优化模型计算过程简单、实用性强,且更符合工程实际,为城市地下综合管廊规划提供了新视角和新方法。

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综合管廊加权复杂网络节点重要度评估方法

李锐, 李婷

地下空间与工程学报. 2019, 15(3): 676-683.

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综合管廊是城市地下公共设施空间可持续发展的最好方式之一。综合管廊建设应“规划先行”,而节点作为引导综合管廊网络布局形成的重要组成部分,对综合管廊的规划起着重要作用。本文引入复杂网络理论,将道路网抽象成为加权复杂网络,首先建立管廊路径适建性评价模型确定路径适建性权值;其次,将路径适建性权值赋于路网的边,结合综合管廊自身特点对节点收缩法进行改进,评价综合管廊网络节点重要度;最后通过工程案例进行验证,并利用K-means进行聚类分析,确定节点重要度优先级。研究结果表明,综合管廊规划布局时,可根据节点重要度优先级选择综合管廊布局的控制点,为综合管廊最优路径规划提供依据。

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基于ANP-TOPSIS的地下物流系统可行性综合评价方法

潘欣维, 董建军, 付光辉, 章冠弘

地下空间与工程学报. 2019, 15(3): 684-690.

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城市地下物流系统(Underground Logistics System, ULS)是缓解城市交通问题的新思路,虽然在20多年间多个国家进行了许多实践尝试,且大量的研究使技术系统逐渐趋于成熟,但世界上至今尚未出现一例成功案例。尽管相当大比例的研究成果都探讨了ULS的可行性,但多集中于动因、技术系统和效益分析等方面,尚未形成完整的可行性综合评价方法。笔者分析了世界各国地下物流研究成果和工程经验,重新定位ULS,将其作为城市综合交通系统的重要补充。针对我国如何实施城市地下物流系统,从技术、经济、综合交通、环境与社会、运营组织管理5个方面,采用Delphi结合网络层次分析法(ANP法)构建了ULS可行性综合评价的指标体系,并基于TOPSIS法提出可行性综合评价方法。

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高温条件下砂岩动态力学特性试验研究

平琦, 吴明静, 张欢, 袁璞

地下空间与工程学报. 2019, 15(3): 691-698.

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为研究实时高温作用对岩石动态力学性能的影响,利用φ50 mm变截面分离式Hopkinson压杆(SHPB)试验装置及高温环境箱,对砂岩试件进行了常温(25 ℃)、100 ℃、200 ℃、400 ℃、600 ℃、800 ℃和1 000 ℃7个温度等级的冲击压缩试验,得到了不同温度砂岩试件的动态应力、应变、弹性模量和应变率等,分析了温度变化对砂岩动态力学性能和破坏形态的影响规律。试验结果表明:高温条件下砂岩试件的动态力学性能比其常温状态下发生了显著变化。随着作用温度的升高,砂岩试件的动态抗压强度表现为先增大后减小,峰值应变呈线性增加,弹性模量整体呈二次抛物线下降,平均应变率呈二次抛物线增加;试件受冲击破碎程度随作用温度的升高表现为先减少再逐渐增大的趋势,其动态破坏特征也反映了砂岩试件的强度特征。

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砂质泥岩人工冻结力学特性的单轴声发射研究

张功, 刘波, 马永君, 刘颖超

地下空间与工程学报. 2019, 15(3): 699-707.

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人工冻结法是西部矿区竖井建设的主要方法,但针对西部软弱岩层的低温冻结研究仍不足。本文以内蒙古鄂尔多斯某矿区深部砂质泥岩为例,通过声发射技术研究了砂质泥岩在正冻过程以及不同温度下(常温及负温)单轴试验中的声发射特征变化。结果表明,正冻过程中泥岩的损伤主要集中在冻结前期,其损伤程度随时间逐渐维持在某一水平。单轴试验中,常温与负温环境下的岩石压密过程存在较大的差异性,且声发射参数随温度的降低而增加。上述成果对于进一步研究岩石在负温下物理力学性质变化的根本原因以及冰与岩石颗粒的作用机理有重要的参考价值。

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川东北碳酸盐岩酸化损伤及力学特性试验研究

邓鹏, 杨春和, 郭印同, 陈青林, 刘杰

地下空间与工程学报. 2019, 15(3): 708-718.

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通过岩芯静态酸蚀试验并结合矿物微观组构分析和岩石力学特性试验,从不同尺度和性质研究了酸液对碳酸盐岩储层岩石力学特性损伤问题及其规律,并通过压裂室内模拟试验研究了裂缝起裂和扩展演化规律以及酸液化学作用对体积缝的影响。该研究有助于指导现场储层酸压改造设计及优化技术参数,对于提高碳酸盐岩储层深度酸压增产改造技术具有重要的工程意义。试验结果表明:酸液对碳酸盐岩试样主要以表面溶蚀为主,微细观结构形成了溶蚀缝洞和微裂隙,矿物含量方解石由73.43%减至47.51%,方解石含量高且易酸化,属可压性较高储层;酸液对岩石物理力学特性劣化衰减具有明显的时间效应,酸岩反应后试样纵波波速迅速降低,岩石单轴抗压强度和弹性模量均随酸化时间增长而降低,破坏模式仍呈现拉伸劈裂破坏,但破坏方式有脆性向延性转化的趋势;碳酸盐岩水力压裂和酸化压裂的泵注压力随时间演化和声发射特征具有一定的相似性,但酸压裂缝更为复杂,裂缝表现出粗糙的溶蚀孔缝,且酸压起裂泵压明显小于水压起裂泵压。

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页岩卸荷能量演化特征试验研究

曾韦, 刘向君, 梁利喜, 庄大琳

地下空间与工程学报. 2019, 15(3): 719-726.

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隧道、硐室和矿井等地下空间,应力卸荷是导致岩体破坏的主要原因之一。因此,为研究卸荷条件下的岩石破坏行为,以页岩为研究对象,开展恒定轴压卸围压三轴压缩试验。基于能量耗散与释放原理,分析试验不同阶段能量演化规律及临界围压对试样吸收的总能量和耗散能的影响,探讨卸荷条件下岩石破坏条件。研究结果表明,卸荷试验能量变化主要分为能量聚集阶段、能量耗散阶段和能量释放3个阶段:(1)外力对试样做的功主要以弹性能形式存在;(2)外力所做的功主要耗散于微裂纹形成、扩展,岩石强度降低,此阶段耗散能迅速增加而弹性能基本保持不变;(3)当岩石强度降低到一定程度时,弹性能瞬间释放,岩石破坏。

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压实红黏土三轴蠕变特性试验及模型研究

杨果岳, 徐运龙, 李良吉, 孙希望, 屈畅姿

地下空间与工程学报. 2019, 15(3): 727-735.

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利用SLB-1型应力应变控制式三轴剪切渗透试验仪对中石油云南石化铁路专用线高填方路基的压实红黏土进行了一系列三轴蠕变试验,着重研究了压实红黏土在不同围压、不同应力水平以及不同排水条件下的蠕变特性。结果表明:围压、应力水平和排水条件对压实红黏土的蠕变特性均有显著影响;压实红黏土总体呈现衰减蠕变特征;不排水情况下得到的应力-应变等时曲线具有明显的非线性特征,且曲线成一曲线簇,具有“归一化”现象,而在排水情况下则呈一定线性关系;并根据应力-应变曲线确定了压实红黏土的长期强度为瞬时强度的0.54~0.72倍。基于不排水蠕变试验数据,建立适合该地区压实红黏土的经验蠕变模型,通过与Burgers模型对比发现,该模型参数少、易获取,且对试验数据拟合效果优于Burgers蠕变模型。

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隧道中气囊阻漏的工作机理及模型试验研究

闫澍旺, 陈静, 岳长喜, 孙立强, 郎瑞卿

地下空间与工程学报. 2019, 15(3): 736-746.

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近年来,地下隧道工程发展迅速,在建设和使用过程中的突发事件也层出不穷。地下隧道常经过含水丰富的土层或岩层裂隙发育地带,因此容易发生渗漏或者涌水突泥的问题。为减少工程损失,需尽快将涌水区隔离,为进一步的处置争取时间。采用大尺寸橡胶气囊进行隧道挡水,是通过快充而膨胀的气囊与隧道内壁之间产生的摩擦力抵消水压力,将水阻隔在气囊一端,避免涌水面积扩大。本文假设气囊材料不可拉伸,内部气体满足理想气体状态方程,通过分析气囊的受力情况和边界条件,对气囊在充气过程中和一端有外力时的形状和受力特点试验和理论研究,得到气囊受到外压时整体形状和内部气压的理论公式,以及外压与内压的关系,提出气囊阻水的设计计算方法。通过模型试验对变化规律、公式和气囊失稳方式进行了对比分析,研究结果表明,隧道中气囊正常工作需同时满足3个控制条件:(1)一端的外压必须小于气囊的内压;(2)气囊的张拉力必须小于气囊材料的抗拉强度;(3)外荷载推力必须小于气囊与隧道壁之间的最大摩阻力。通过理论研究所得的气囊失效机理和内压增长规律与模型试验所得结果有较高的一致性,研究成果可作为隧道中大尺寸胶囊设计的依据。

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静/动载作用下埋地管道力学性能的试验分析

肖成志, 王嘉勇, 何晨曦

地下空间与工程学报. 2019, 15(3): 747-754.

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针对埋地管道开展了静载和循环荷载试验,综合分析了荷载类型、加载角度、管道外径和管道材质等因素对管道力学与变形性能以及管周土压力分布规律的影响。结果表明:静载作用下,管周土中垂直土压力大小与加载位置关系密切,水平土压力受“土拱效应”影响显著;管道呈现水平向外鼓胀、垂直径向压缩的椭圆状变形,且承压板荷载越大,管道变形越严重,同时管顶“土拱效应”越显著。循环荷载对埋地管道上方土层的沉降影响明显大于静载;改变承压板角度时效果差异明显,当加载范围关于管道轴线对称时埋地管道所受影响显著。对比不同外径和材质的埋地管道,发现当厚径比相同时,管径越大,壁厚越大,弹性模量也越大,管道的抗变形性能也就越好;公称压力相同时,聚丙烯管道抗变形能力强于外径相等的高密度聚乙烯管道。

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层状泥岩隧道锚围岩滑动破坏特性研究

杨星宇, 周火明, 王中豪, 郭喜峰, 易亮

地下空间与工程学报. 2019, 15(3): 755-761.

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为了研究层状泥岩隧道锚围岩滑动破坏的特性,通过隧道锚1∶10现场缩尺模型进行加载破坏试验,分析加载过程中模型锚系统的地表变形、深部岩体变形、地表破坏裂缝,得到了在加载破坏过程中围岩的荷载-变形曲线和破坏特征,并结合数值计算结果进行分析。研究结果表明:荷载加载到3.5P(P为设计荷载)后岩体开始进入破坏屈服阶段,出现在地表的裂缝形成倒U型破坏轮廓线,位于前锚面正上方的典型裂缝(a)贯穿整个裂缝群,从而推断出上滑移层位置,深部岩体在深度为7.67 m的位置发生较大错动,且错动的方向与锚体成约17°的夹角向前,可推断出下滑移层位置,且围岩的破坏模式是拉剪破坏,两滑移层面内围岩变形较明显且塑性破坏大部分位于这两条滑移面之间。

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盐穴储气库水平井造腔扩展规律试验探究

唐海军, 李晓康, 刘伟, 张治鑫

地下空间与工程学报. 2019, 15(3): 762-768.

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基于量纲分析法搭建了水平井水溶造腔的试验平台,采用室内模型实验的方法研究不同注水流量时腔体体积扩展规律。结果表明:(1)前期腔顶的上升极为快速,若盐层厚度不大,顶板的极限位置很容易暴露,造成漏失。在后期,腔顶上升变缓,但仍处于上升,若富余盐层薄则有漏失风险。(2)待腔顶位置暴露到某位置,可以以腔顶现有位置接近顶板极限位置(现有腔体高度/到顶板的腔体高度≤0.8)的位置,开始注油垫以控制上溶。但实验发现,腔顶暴露面积较大,注油量将会比较多;且注入油垫后,腔顶的位置仍然处于缓慢上升状态(从223 mm→230 mm),若采取注油垫保护顶板,顶部盐层厚度应该留厚。该研究可为现场开展水平井水溶造腔提供一定的指导。

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凸起地形中半圆形衬砌隧道对SH波的散射解析解

张海, 苏振飞, 刘中宪, 王雪杰

地下空间与工程学报. 2019, 15(3): 769-777.

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根据弹性波动理论,结合分区和契合思想,利用傅里叶级数展开法,由连续性条件和自由地表边界条件,求得了凸起地形中衬砌隧道对SH波散射的解析解。通过研究半圆形山岭衬砌隧道对SH波散射的影响,得到的计算结果表明:对于软性和硬性衬砌隧道而言,凸起地形对地震波有明显的放大作用,当入射频率增大时,地表位移幅值也增大,这种现象在凸起地形范围内尤为明显;当入射频率较低时,位移幅值在凸起地形附近变化明显。与此同时,刚性衬砌表面的动应力集中现象尤为显著。除此以外,结果还表明动力反应特征主要影响因素包括入射波角度、入射波频率及衬砌材料属性等。

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表面荷载下横观各向同性介质中水平裂纹分析

王炳军, 肖洪天, 党彦, 岑达, 张舜庆

地下空间与工程学报. 2019, 15(3): 778-785.

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首先采用基于横观各向同性双材料基本解的一种数值方法计算半无限介质的弹性场,然后根据线弹性断裂力学叠加原理获得裂纹处的内应力,再利用另一种数值方法获得裂纹面的张开或滑移位移,最后应用应力强度因子(SIF)与裂纹面位移之间的关系,获得裂尖SIF值。基于建议的方法,讨论了表面矩形荷载作用下横观各向同性半无限介质中的单条裂纹问题以及两条裂纹间的相互影响问题。分析结果表明:加载面中心点下单条裂纹应力强度因子开始随距离自由面深度的增加而增大,达到一定深度后减小;相邻裂纹的存在对加载面中心点下裂纹的影响除相隔最近的相邻裂尖外均为抑制效应;而加载面中心点下裂纹的存在对相邻裂纹的影响主要体现在相隔最近的相邻裂尖上。

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考虑开挖面空间效应的围岩虚拟支护力分析

辛法, 崔岚, 张军

地下空间与工程学报. 2019, 15(3): 786-793.

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基于围岩与支护相互作用两阶段分析法,针对静水压力下的圆形隧道,提出了一种预测理想弹塑性、应变软化、弹-脆-塑性围岩下虚拟支护力的数值方法。根据该方法,首先给出了隧道纵向变形曲线与围岩特征曲线的求解程序,在此基础上,根据一定工况下围岩应力应变一致性对虚拟支护力进行耦合求解。通过与其他方法的计算结果对比论证了本文方法的优势。同时还探讨了临界塑性软化系数、岩体质量、初始应力、剪胀系数对虚拟支护力与开挖面空间效应的影响规律,参数分析结果表明:许多关于隧道掘进的数值模拟研究或实际工程中,经常基于弹性假定计算应力释放率,相应的支护设计并不安全。

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拟静力法计算隧道横截面地震响应的一点改进

曹杰, 郑建国, 王华山, 黄强兵, 杨超

地下空间与工程学报. 2019, 15(3): 794-801.

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隧道、输水管道、地下管廊等地下结构的应用日趋增多,此类地下结构在地震作用下的动力响应将会以形变的方式体现。隧道地震响应目前有众多计算方法,本文就土-结构相互作用的解析解进行研究,估算圆形隧道横截面的变形和力。本文基于弹性力学理论,就两种相对刚度法的原理与计算结果进行了对比与分析,建立了两种方法的转化关系解析解,便于工程应用。通过对前人的研究成果总结与分析,对拟静力法计算隧道横截面地震响应做了相应的改进,并与已有算例进行对比,使其更加接近于真实的地震响应结果,文章成果对于地下结构初步设计具有一定的借鉴意义。

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考虑墙体位移与土压力耦合的弹性地基梁法

黄彪, 李明广, 马元, 陈锦剑, 王建华

地下空间与工程学报. 2019, 15(3): 802-810.

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引入墙土摩擦角和土体内摩擦角发展规律的公式,建立非极限土压力与围护结构水平位移的耦合关系。并将该土压力模型嵌入弹性地基梁法的控制方程,利用杆系有限元法求解开挖全过程地下连续墙的受力变形特性。算法经应用于实际基坑案例,并与传统弹性地基梁法计算结果及现场实测数据对比分析,结果表明:考虑围护墙位移与土压力耦合关系的弹性地基梁法能够合理计算及反映土压力从静止土压力向主动土压力的发展过程;对比传统弹性地基梁法,该修正方法计算的围护结构的受力变形特性计算值与实测值更吻合,可为工程实践与设计优化提供更好的理论支持。

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PDC钻头岩石可钻性测定与分级新方法研究

杨迎新, 高翔, 陈红, 陈军海, 陈炼

地下空间与工程学报. 2019, 15(3): 811-819.

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PDC钻头作为最重要的油气钻井破岩工具,其岩石可钻性级值是进行钻头个性化设计与选型、优化钻井参数的关键依据,在中硬以上的地层价值尤为重要。然而,我国2000年颁布实施的石油天然气行业标准《岩石可钻性测定及分级方法》却存在明显的缺陷,对中硬以上的岩石经常出现测试无效、无法获得可钻性级值数据的现象。通过对不同岩性岩石试样的大量微钻头可钻性实验测试,发现标准钻压过低、PDC微钻头结构参数不合理是中硬以上岩石测试无效的主要原因。针对这些问题,首先,研究了微钻头切削齿安装角度对其干涉状态的影响规律,提出了最优的微钻头侧转角,消除了微钻头切削齿与岩石发生干涉的可能性;其次,开展了5种岩石在不同钻压下的微钻头钻岩实验,实验数据表明变压可钻性级值与钻压之间呈线性关系,提出了采用钻压分档测试、当量转化分级或分档独立分级的可钻性测试与分级新方法。该方法既能有效解决中硬以上岩石的可钻性测试问题,又能与过去的软岩测试数据相兼容。主要研究成果已经被2016版行业标准《岩石可钻性测定及分级》所采纳。

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断层破碎带在渗流作用下应力特征及控制

刘银, 张志强, 赵梓彤, 李化云

地下空间与工程学报. 2019, 15(3): 820-826.

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采用瞬变电磁仪对回风巷穿越断层破碎带的现场水文情况进行探测,获取区域地下水在巷道两帮集聚导致低阻异常区存在的水文特征。建立了回风巷赋水断层三维流固耦合力学模型,模拟分析了断层破碎带在动压及渗流作用下的应力分布及变形特征。研究结果表明:孔隙水压力集中区和巷道两帮压应力集中区具有一致性,随着与断层距离的减小,双场集中区中区由两帮向顶角处转移;回风巷围岩变形失稳概括为3个阶段:即,两帮压密顶底板产生张拉裂隙阶段;地下水向巷道渗透及围岩软化阶段;围岩变形持续增大阶段。为控制回风巷进一步变形,提出了对两帮及底板进行注浆加固的方案。

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强膨胀土—桩基相互作用及隔胀效果数值模拟

吴志轩, 张大峰, 李连友, 沈兆普, 杨军

地下空间与工程学报. 2019, 15(3): 827-834.

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黑棉土是一种强膨胀土,其受湿度变化影响呈现很强的胀缩特性,对桩基的承载力和变形不利,易导致断桩等多种问题。本文建立了强膨胀土-桩基有限元模型,分析了胀缩条件下桩基内力和位移的变化规律,与桩-土共同作用解析解对比,验证了数值模型的有效性并解释离心机试验现象。利用该模型进行参数分析,指出黑棉土胀缩对桩的不利影响及工程中采用隔胀措施的必要性,进而模拟局部换填和界面隔胀措施。结果表明:浅表层黑棉土适合采用局部换填隔胀,换填宽度宜不小于膨胀土厚度;深厚层黑棉土适合采用双层分离式隔胀,隔胀套管应保证界面折减程度达到土体参数的30%且布置至黑棉土和普通土分界面附近;桩基承台底部宜增加柔性垫层,预留胀缩空间。

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基于离散元方法的PDC钻头破岩仿真研究

况雨春, 曾昭安, 张毅, 张明明, 韩一维

地下空间与工程学报. 2019, 15(3): 835-841.

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针对前人对PDC(聚晶金刚石复合片)钻头破岩仿真研究多采用有限元法,忽略了岩体的各向异性、不均匀性以及不连续性等问题。提出了采用离散元法来研究PDC钻头的破岩仿真过程,利用离散元软件PFC3D建立了虚拟单轴压缩实验和虚拟巴西劈裂法实验,推导出了岩石的三维离散元模型的细观参数,确定了岩石的本构模型。在此基础上建立了PDC单齿切削岩石的离散元模型,讨论了侧倾角对切削力的影响关系,并与单齿切削岩石的有限元模型进行了对比。结果表明:离散元模型与有限元模型结果比较接近,离散元数值模拟的求解时间为有限元数值模拟的1/3,离散元方法具有潜在的高效率。在单齿切削岩石的离散元模型的基础上建立了全钻头破岩离散元模型,研究了PDC钻头动态破岩过程中各切削齿所受扭矩和钻压的分布规律。并通过全钻头破岩室内台架实验对模型的准确性进行了验证。

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盾构地表沉降的数值分析及归一化模型建立

张坤勇, 陈恕, 王耀

地下空间与工程学报. 2019, 15(3): 842-849.

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采用ABAQUS有限元分析软件,建立三维弹塑性模型,分析了不同隧道埋深H、直径D、土体弹性模量E、应力释放率P、静止侧压力系数K₀条件下,盾构开挖对地表变形的影响。通过灰色关联分析,建立了各因素与地表沉降关系。综合考虑各种因素影响,采用归一化处理方法,建立了由于盾构施工导致地表沉降计算公式。分析表明,盾构施工过程中,不同因素与地面沉降关联强弱不同,由大到小依次为K₀＞H＞D＞P＞E,即静止侧压力系数K₀对地面沉降最为敏感。应用建立的归一化地表沉降计算公式,对实际盾构施工引起地层位移进行了计算,结果与实测地表沉降规律一致,可供类似工程参考。

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硬石膏岩膨胀特性试验及隧道抗膨胀衬砌设计

李强, 陈扬勇, 李信臻, 刘罡

地下空间与工程学报. 2019, 15(3): 850-855.

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石膏质岩的膨胀机理复杂,膨胀时间漫长,其膨胀力对隧道支护结构破坏性极强。本文采用室内试验方法研究了硬石膏岩的膨胀力学特性,得出膨胀应力-应变曲线为凹形函数,膨胀应变-时间曲线为“S”型函数, 膨胀应力-时间曲线为指数型函数等规律。基于试验结果提出了可考虑时间效应的硬石膏岩膨胀变形计算公式,进而建立硬石膏岩隧道围岩膨胀变形、膨胀应力及时间的关系,用以描述隧道修建过程中膨胀应力应变的动态变化。并提出一种新型石膏质岩隧道抗膨胀衬砌设计,从主动和被动两个方面减缓石膏岩遇水致膨胀对衬砌结构的影响,为类似工程提供借鉴与思考。

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大断面越江地铁盾构隧道衬砌结构方案研究

邱月, 封坤, 游龙飞, 陈鹏

地下空间与工程学报. 2019, 15(3): 856-864.

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文章以武汉轨道交通8号线一期工程越江隧道为背景,针对越江隧道断面大、水压高、穿越地层软硬不均,运营期水位涨跌以及河床冲淤变化幅度大的特征,通过建立能较为真实反应接头刚度和不均匀地层影响的地层-管片-内衬模型,研究“单层管片”、“管片+双侧非封闭内衬”、“管片+底部非封闭内衬”以及“管片+全环内衬”结构型式下,管片及内衬的受力变形特性。研究结果表明:水位升高使管片偏心距减小,河床淤积使管片偏心距增大,在地层较弱区域管片弯矩明显增大。施作内衬后,管片受力最大减小16%,拱顶下沉最大减小28%,结构的长期安全和稳定性增强,但会增加施工难度、工期和造价。考虑到内衬能在隧道火灾、撞击时对结构起到较好的保护,并且“底部非封闭内衬”能最大程度的减小结构受力,对工期影响较小,推荐采用“管片+底部非封闭内衬”结构方案。

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浅埋地下大跨空间的合理结构体系研究

刘建辉, 郭乾坤, 石玉华

地下空间与工程学报. 2019, 15(3): 865-870.

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深圳某大型地下轨道交通枢纽,位于城市主干道下,为地下3层4线换乘枢纽站,总深度30 m;枢纽呈“十”字形,横向长880 m,纵向长222 m,“十”字交叉处为公共区;公共区覆土2 m,公共区负一、二层核心区抽柱形成长、宽48 m跨度的大空间中庭,中庭范围外柱距12 m,中庭顶板开直径12 m大洞口。为确定安全稳妥、可实施性好、实施风险小的中庭结构方案,本文通过3种结构体系的有限元计算来进行比选。计算结果表明,平顶正交梁结构不能满足承载力要求,折板结构和拱形结构体系的受力性能好,满足承载力及正常使用的要求,其中,拱形结构尤其是交叉蝴蝶拱结构体系中不仅受力性能好,而且具有更好的建筑艺术效果。通过本文比选结构方案的结果,对浅埋地下大跨结构具有一定的工程参考价值。

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缆线型综合管廊设计要点探讨

崔龙飞, 许大鹏

地下空间与工程学报. 2019, 15(3): 871-877.

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地下综合管廊包括干线型综合管廊、支线型综合管廊和缆线型综合管廊(简称缆线管廊),其中缆线管廊主要负责将市区架空的电力、通信、广播电视等缆线容纳至埋地的管廊中。近几年,地下综合管廊迅速发展,而国内、外研究主要集中在干、支线型综合管廊,对于缆线管廊的研究很少。本文结合国内形势,提出了缆线管廊的优势和建设时机的选择,探讨了缆线管廊在我国的应用前景,并结合国内、外工程经验,介绍了缆线管廊的一般设计原则以及缆线管廊主通道、工作井的几种设计方案,并提出了每种设计方案的适用情况,可供同类工程参考。

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地铁暗挖车站成本优化合理埋深研究

仇文革, 张自光

地下空间与工程学报. 2019, 15(3): 878-884.

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优秀的地铁车站设计方案应在保障安全性的前提下提高经济性。在对青岛地铁6座暗挖车站土建成本工程数据统计分析和君峰路车站典型案例细致剖析的基础上,构建了上软下硬地层地铁暗挖车站建设成本数学分析模型,系统分析了不同软弱土层厚度地铁车站建设成本随埋深变化特征,深入探讨了上软下硬土岩组合地层地铁暗挖车站成本优化合理埋深问题。结果表明:车站主体开挖面从软硬土岩组合地层交界面过渡到下覆岩层,车站建设成本有一个突然下降的阶段;覆岩厚度是衡量地铁车站土建成本的有效指标;车站主体置于坚硬岩层中并满足围岩自稳要求的最小覆岩厚度时车站经济性最好,可将车站主体隧道围岩满足自稳要求最小覆岩厚度时的设计深度作为合理埋深。

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桩身残余应力的机理分析与测试方法

吕军, 聂如松, 魏丽敏

地下空间与工程学报. 2019, 15(3): 885-890.

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桩基静载试验中,忽略桩身残余应力,虽然不会影响桩基极限承载力的大小,但会影响桩侧摩阻力和端阻力的真实值。分析了残余应力产生的原因、机理和效果,分析和总结了残余应力的现场测试方法,并通过现场试桩实例分析了忽略桩身残余荷载对桩侧摩阻力和桩端阻力的影响。结果表明,忽略残余荷载的存在,竖向抗压桩静载试验结果会高估中性点以上桩段侧摩阻力和低估中性点以下桩段侧摩阻力和桩端阻力,会高估桩的竖向刚度。为了很好地了解和洞察桩基的荷载传递机理,在桩基静载试验中,建议在试桩前后系统地采集桩身测试元件读数,不能在试桩前人为地将测试元件读数设置为零。

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电导率在土遗址易溶盐快速测定中的研究与应用

郭青林, 周杰, 裴强强, 尚东娟, 李志强

地下空间与工程学报. 2019, 15(3): 891-901.

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盐害严重影响着土遗址的保存,并诱发一系列的病害,为快速、准确地测定遗址土体中易溶盐的总含量,本研究基于盐溶液导电原理,测试遗址土体中常见的易溶盐及其混合盐电导率与含盐量的关系,采用固定容器和适宜的操作方法,建立电导率与含盐量的关系,将电导率与含盐量关系曲线分为线性区、指数区和参考区,并给出相应区域含盐量的回归方程和测定误差,通过现场试验验证电导率测试法在遗址保护加固工程中水源检测、工程用土选址和遗址盐分测定中的可靠性。研究表明:已知盐分类型和混合比例的条件下,电导率在0~8 ms/cm时,电导率与含盐量具有很好的线性关系,线性相关系数超过0.98;电导率在8~12 ms/cm时,电导率与含盐量表现为指数关系,相关系数超过0.99,电导率大于12 ms/cm时,含盐量变化迅速,可据此得到遗址体含盐量的下限。未知类型的盐渍土,线性区的测试误差低于0.2%的土体含盐量,指数区的测试误差低于0.5%,并在水源、工程用土土源和夯筑墙体易溶盐检测中,取得了很好的效果。该方法具有操作简便、快速测试、微损检测的优点,所测的土体易溶盐含量具有较高的精度,满足实际工程中快速测试评价的要求。

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二里河铅锌矿采场结构参数及巷道布置研究

李俊平, 叶浩然, 李宗利, 张磊, 陈明寿

地下空间与工程学报. 2019, 15(3): 902-910.

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二里河铅锌矿目前正在准备开采埋深500~800 m的深部矿体,从已掘进的1 100 m中段探矿巷道地压显现来看,深部的采场结构参数及巷道布置位置需要优化。应用FLAC^3D正交数值模拟采场结构参数对采场稳定性的影响,建立多指标综合评价模型以便优选采场结构参数;应用FLAC^3D分析距矿体下盘边界不同距离的巷道围岩应力变化,借助监测巷道顶底板上某点的应力变化趋势优选巷道布置位置。研究结果表明:深部采场最佳结构参数为矿房走向长度40 m,间柱厚度10 m,顶柱厚度12 m,其中,顶柱厚度对采场稳定性的影响最显著,增大顶柱厚度是提高采场稳定性的最有效途径;下盘脉外运输巷道布置在距矿体下盘边界线12 m处最为合理;距巷道较近的本中段矿体开采是引起巷道地压显现的主要原因,矿柱回采会加速中段运输巷道的破坏。实践证明,深部采场结构参数及巷道布置的研究结论合理、可靠。

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四线叠交隧道盾构施工地基变形及控制研究

孟庆军

地下空间与工程学报. 2019, 15(3): 911-919.

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随着轨道交通的不断发展,越来越多的城市地铁线路互相重叠穿越,如何预测并控制隧道所在地层的变形显得尤为重要。本文依托南宁地铁1、2号线在朝阳广场站形成的四线叠交隧道工程,旨在探讨四线叠交这种复杂空间关系下隧道盾构施工的变形规律,进而提出有效措施控制地基变形。基于对水文地质情况及隧道情况的研究,借鉴成都、武汉等地工程情况,提出采用上下洞夹层土体洞内加固、结构加强、螺栓加强以及下洞临时支撑相结合的加固措施来控制地基变形,通过数值模拟验算加固效果,并与现场监测数据作对比,结果表明,加固后地层沉降显著减小,地表沉降满足变形控制要求,隧道变形大大减小。本文的研究成果保证了该重叠段隧道施工的安全,也能为今后类似工程的施工和设计提供借鉴与指导作用。

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基于BIM的地铁隧道结构分析与安全预警

何高峰, 罗先启, 张辉, 攸巧仙, 张海涛

地下空间与工程学报. 2019, 15(3): 920-926.

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BIM广泛应用于建筑工程动态可视化管理、信息共享和决策支持中。针对复杂地质环境下的地铁隧道而言,地质模型的准确度决定了隧道的设计质量,影响施工及后期运营安全稳定,而这是BIM较为薄弱环节。以南宁地铁2号线为例,利用Revit的API进行二次开发,建立隧道BIM结构模型和基于地质数据库的三维地质模型,分别得出地铁隧道结构计算和岩土软件数值分析结果,结合项目实时施工进度、隧道结构变形数据、地面沉降数据、建筑物沉降倾斜数据等实时变形监测信息,进行反馈和验证。最终计算结果在web 监测平台上三维可视化,可辅助施工单位及时掌握相关信息并做出应急反应,从而实现BIM在复杂地质环境下地铁隧道三维可视化、结构分析以及安全预警预报的应用。

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高海拔公路隧道施工期粉尘运移特性研究

曹正卯, 刘晓, 牛柏川

地下空间与工程学报. 2019, 15(3): 927-935.

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为了确定不同海拔高度地区公路隧道施工期粉尘运动规律和粉尘质量浓度分布特性,依托巴朗山高海拔隧道工程展开研究。依据气固两相流理论,利用流体计算软件FLUENT,采用三维k-ε湍流非稳态离散相模型,对公路隧道施工期间粉尘质量浓度在隧道内分布特性及其浓度随海拔高度变化规律进行了三维数值模拟计算分析。研究结果表明:考虑湿度与不考虑湿度对不同海拔地区空气密度计算结果影响误差在0.3 %左右;粉尘在隧道内向洞口运动的动态过程中,最高浓度逐渐降低,在隧道内呈U型形态分布趋势,靠近隧道底部的粉尘浓度高于隧道顶部粉尘浓度;随着海拔高度增加,同一测点粉尘质量浓度随海拔高度以线性形式减小,粉尘浓度海拔高度修正系数可按K=-3×10^-5h+1进行计算。

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公路隧道交通拥堵疏散决策技术研究

潘勇, 罗建, 陈建忠, 张琦

地下空间与工程学报. 2019, 15(3): 936-942.

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针对公路隧道发生事故后交通拥堵疏散问题,结合隧道事故等级、事故处理时间、车辆行驶速度,引入交通流、交通波模型,依托重庆某特长公路隧道实际交通量数据,建立公路隧道交通拥堵疏散决策模型,分析公路隧道交通拥堵状态下的疏散控制,通过实例计算和模型仿真,验证了模型的准确性和适用性。结果表明:公路隧道交通拥堵疏散决策模型可非常准确地预判隧道发生各级事故后交通拥堵时间、排队长度等交通特征,依托模型预测结果,可快速制定高效交通诱导方案,实现交通管控和疏散,让公路隧道及所属路段快速恢复高效运行,为公路隧道的安全、高效运营管理提供决策支持。

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基于事故分析的深基坑承压水突涌机理研究

李瑛, 胡德军, 叶向前, 胡琦, 刘兴旺

地下空间与工程学报. 2019, 15(3): 943-948.

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承压水突涌事故多沿基坑底穿透相对隔水层的钻孔发生,而围堰结合注浆加固是主要处理方法。首先介绍杭州钱江新城区域近年发生的5起承压水突涌事故及其处理方案,然后将事故简化为轴对称问题进行分析,利用事故发生前后钻孔内竖向渗流平衡条件研究事故原因,根据基坑开挖到底时加固体重力平衡和加固体边缘渗透平衡条件分析加固范围,最后通过围堰稳定性分析确定围堰高度和宽度。结合典型地层结构和地区经验,分析结果表明:相对隔水层有钻孔时,事故区域基坑最大开挖深度依次由钻孔内竖向渗透平衡、加固体边缘渗透平衡和坑底土层重力平衡决定;围堰高度由承压水头和竖向渗透平衡决定,围堰宽度由开挖面水平渗透平衡和围堰边坡稳定性控制。

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城市综合管廊结构养护体系构建探讨

蒋雅君, 任荣, 许阳, 陈鹏, 李鹏

地下空间与工程学报. 2019, 15(3): 949-954.

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城市综合管廊是现阶段市政基础设施建设的重点,我国即将进入城市综合管廊大规模养护时期,但现有管廊养护方法以维持管廊正常运营环境为目的,缺乏对管廊结构检查、监测及维修的重视,不能较好地满足城市综合管廊长期运营下对结构安全性和耐久性的需求。本文通过分析运营城市综合管廊的长期性能劣化规律和国内城市综合管廊养护方法现状,探讨城市综合管廊养护体系的需求和构建思路,提出了一套包含检查、维修、监测和管理的管廊结构养护体系。该体系采用更为完备系统的管养手段,能有效提高管养工作效率,节约养护资金和延长管廊结构寿命周期。

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