地下空间与工程学报

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陈雨露, 赵子维, 郭东军, 邹大海, 陈志龙

地下空间与工程学报. 2021, 17(3): 637-648.

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随着城市化进程的加速,开发利用地下空间已经成为解决城市空间资源约束问题的重要方式。人口作为城市空间的需求表征,其分布密度是影响地下空间开发的重要因素。为探究地下空间与人口分布的关系,本文以南京市雨花台区地下空间为例,利用人口热力图动态数据,通过ArcGIS的空间分析和SPSS的相关性分析方法,考察地下空间与人口分布的关系。研究结果表明,地下空间形态分布和开发强度都与人口分布呈现不同程度的相关性,揭示了地下空间利用的时间弹性,论证了人口分布密度对地下空间开发强度的正向预测能力,为雨花台区地下空间规划提供一定的决策参考。

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宏观层面地下空间产权分区规划研究

项瑜, 查君, 孙效东

地下空间与工程学报. 2021, 17(3): 649-656.

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随着地下空间重要度的进一步提升,地下空间的公共活动承载量、人性化设计要求、景观环境需求及建设标准不断提高,地下空间一体化开发的需求变得十分强烈,但是开发过程中涉及的产权问题往往成为这类项目的最大障碍,为了有效规避因产权问题带来的地下空间建设方面的问题,就需要在开发之初的宏观规划层面对产权模式进行研究和分区引导。本文结合济南新旧动能转换先行区地下空间专项规划,从宏观层面出发,将产权分区相关内容融入到地区顶层规划中,对地下空间产权分区提出引导和控制,可为类似地区的地下空间规划提供借鉴和参考。

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城市轨道交通站内换乘效率影响因素调查研究

夏海山, 吴黎明, 张纯

地下空间与工程学报. 2021, 17(3): 657-665.

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本文将换乘时间视为城市轨道交通车站内部乘客换乘效率的深层含义,对影响乘客换乘效率的因素进行了文献调查和分析,发现轨道交通车站内部的影响因素多与车站内部的换乘设施、环境质量、空间设计等方面密切相关。并在乘客换乘效率影响因素综合分析的基础上,针对目前城市轨道交通车站乘客换乘效率研究的不足,对北京市轨道交通车站内部乘客换乘效率及空间设计问题分别进行了现场调研、专家访谈和问卷调查。最后指出乘客因车站换乘空间构型和环境质量不同所表现出的不同换乘状态对其换乘效率影响的量化研究依然有所不足,在因乘客自身主观特性影响换乘效率的科学量化研究层面仍需继续深入。

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城市地下物流的货物种类及需求预测方法研究

兰婷, 郑立宁, 刘永权, 李曙光, 向楠

地下空间与工程学报. 2021, 17(3): 666-672.

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地下物流系统是通过自动运输技术与地下隧道或管道相结合,利用地下空间进行货物运输的新模式。在城市地下物流系统规划中,明确系统服务的货物品类,预测地下物流货运需求量十分重要,然而目前新模式下的运输单元、货物品类、货运量等尚不明确。本文首先是分析适应城市地下物流系统的运输制式,再根据运输制式与其他运输方式的接驳,制定城市地下物流系统的运输单元,然后依据运输单元规格对进入城市地下物流系统的货物品类进行分类和筛选,最后用两种不同维度的预测方法:地区生产总值GDP与货运量的关系,以及人均消费量与货运量的关系预测地下物流货运量,并通过算例验证。本文分析了城市地下物流运输制式、运输单元、货物品类,同时提供了城市地下物流系统货运量的需求预测方法,以期为城市地下物流系统的发展及规划提供有价值的研究基础。

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深圳城市地下空间开发现状及典型工程案例分析

彭琦, 罗毅

地下空间与工程学报. 2021, 17(3): 673-682.

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深圳是我国的经济特区和粤港澳大湾区的核心城市之一,在城市建设方面取得了显著成就,而随着地面空间越来越有限,开发地下空间成为深圳未来发展的必然趋势。本文首先综述了深圳在地下交通系统(包括轨道交通系统和地下快速道路)、地下综合管廊、地下商业中心及其他地下市政设施方面的建设现状及未来规划情况,并提出了深圳地下空间开发利用现状中存在的问题和不足。然后,结合几个深圳已建成或拟建的典型地下空间开发工程实例,介绍了几个不同类型的地下工程案例的设计与建设概况,分析了其中的技术创新及重难点问题。最后,针对深圳地下空间在统筹规划、开发程度、施工难度和政策法规等方面存在的不足,提出了关于深圳未来地下空间开发的几点建议。

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皖南红层软岩崩解特性试验分析

王晓强, 姚华彦, 代领, 张琳琳, 鲁建国

地下空间与工程学报. 2021, 17(3): 683-691.

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采用皖南地区3种红层软岩开展了室内“饱水-干燥” 循环(湿-干循环)条件下的崩解试验。研究了不同湿-干循环次数下岩石的崩解现象和特征;分析崩解物的颗粒粒径分布随湿-干循环次数的变化规律;对浸泡岩样的水溶液离子浓度进行测试,同时对经历不同湿-干循环次数的岩样开展扫描电镜(SEM)试验;探讨软岩的崩解机理,比较分析不同岩石崩解特性的差异。试验结果表明:3种岩样的耐崩解能力大小依次为岩屑砂岩、钙质细砂岩、砂质泥岩;随着湿-干循环次数增加,砂质泥岩和钙质细砂岩耐崩解指数逐渐下降,岩屑砂岩的耐崩解指数基本不变;浸泡水溶液中Na⁺、K⁺、Ca²⁺、Mg²⁺等离子浓度随着湿-干循环次数增大有不同程度的变化,水-岩化学作用的剧烈程度与崩解性之间存在一定的对应关系;湿-干循环对不崩解的砂岩的微观形貌影响不大,而易崩解的砂岩容易形成裂缝或者颗粒剥落。不同岩石崩解性的差别与所含矿物成分及含量密切相关,也与岩石结构特征有关,颗粒粒径小且填隙物胶结强度低的岩石更容易崩解。

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土体冻胀对桩锚支护结构影响试验研究

高欣亚, 李元勋, 石冬梅, 李双好, 向田

地下空间与工程学报. 2021, 17(3): 692-697.

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在我国西北季节性冻土地区,冬季土体冻胀对基坑安全危害不容忽视。为探究土体冻胀与桩锚支护结构间的相互作用,进行桩锚支护结构基坑冬季室外试验。通过研究冻胀作用下桩锚支护结构内力与桩后土压力的变化规律,得出以下结论:浅层桩侧土压力易受温度与土体含水率等多种因素影响产生突变;支护桩上部内力随冻胀次数增加而增大,锚杆能够减弱土体冻胀对桩身内力的影响;温度降低可使桩身上部弯矩增幅变大;锚杆自由段应力大于锚固段,且锚固段应力易受冻胀作用影响产生增长。所得结论可为桩锚支护结构在季冻区基坑工程中的应用提供参考。

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地铁盾构穿越富水砾砂地层渣土改良试验研究

潘振兴, 梁博, 杨更社, 魏尧, 李祖勇

地下空间与工程学报. 2021, 17(3): 698-705.

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富水砾砂地层具有内摩擦角大、渗透性强等特点,在盾构掘进时容易造成螺旋输送机堵塞或刀盘结泥饼等工程事故。通过改变含水率、泡沫剂浓度及膨润土泥浆浓度,测试砾砂渣土的坍落度得到其变化规律,同时观察土样的流塑状态,采用析因试验设计理论对多因素影响渣土改良试验效果的耦合作用进行显著性分析。研究结果表明:含水率是影响渣土改良试验的主要因素,最优坍落度范围为185～200 mm;当含水率为5%时,坍落度随着改良剂浓度的增高逐步降低;当含水率为16%时,坍落度随着改良剂浓度的增高而增大。对坍落度的显著性影响从大到小依次为含水率(A)、一级交互作用(A×C、A×B)、膨润土泥浆浓度(C)、一级交互作用(B×C)、泡沫剂浓度(B)、二级交互作用(A×B×C)。基于现场试验与等值关系图,得到最优坍落度对应的含水率、泡沫剂浓度、膨润土泥浆浓度范围分别为10.6%～14.2%、 2.5%～4%、11%～13%,研究结果对于提高富水砾砂地层的盾构掘进效率具有重要的指导意义。

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超长地铁区间隧道高压细水雾试验与应用研究

丛北华, 韩新, 干思诗, 孙少华

地下空间与工程学报. 2021, 17(3): 706-711.

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地铁作为人员高度密集的地下公共场所,一旦发生火灾事故,人员易受到火灾高温烟气的不利影响导致中毒进而发生伤亡。本文针对地铁超长区间隧道人员安全疏散的难题,开展了高压细水雾在地铁区间隧道火灾下分隔有毒烟雾以保障人员安全逃生的研究。通过建立1∶2.5的缩尺度区间隧道火灾试验模型,设置多种着火工况,比较高压细水雾系统在不同风速、不同喷雾强度、不同喷头工作压力下的隔烟、消烟效果,并以烟气蔓延情况和有毒气体(CO)浓度作为主要标准进行评判。结果表明,环状设置的高压细水雾形成雾幕有效隔离和消减区间隧道火灾有毒烟气,在区间隧道人员逃生路径上形成“准安全区”,为人员疏散创造有利的安全环境。

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高压电缆排管变形控制标准破坏性试验研究

梁爱武, 刘庭金, 王彦峰, 郭金根, 杨雨冰

地下空间与工程学报. 2021, 17(3): 712-719.

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由于受周边建设活动的影响,高压电缆排管结构出现了沉降、变形和裂损等问题,但目前还没有针对这一电力系统独有的地下结构的保护控制指标和标准。基于地层-结构法开展了排管结构在外均布荷载作用下的破坏性试验和混凝土及保护管结构的受力和变形分析。结果表明,排管结构发生类似于少筋简支梁的“脆性破坏”,其极限承载力试验值远大于理论计算值,是因为理论计算没有考虑下卧土体地基反力和保护管加筋作用的贡献。建议将高压电缆排管结构内电缆保护管的变形作为长期监测指标,并重点关注其变化趋势;建议采用曲率半径来描述排管结构的纵向变形,并以最小曲率半径不小于18 000 m作为控制值。

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温泉融化路面冰雪试验及其对路面强度影响研究

杨枫, 郑金龙, 蔚艳庆, 汤积仁

地下空间与工程学报. 2021, 17(3): 720-726.

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川西高海拔地区冬季寒冷,路面冰雪问题严重威胁行车安全。而川西丰富的地热资源给解决路面冰雪问题提供了清洁高效的新方法。以海拔高度4 200 m的雀儿山隧道为例,通过数年监测明确了区域气象与温泉温度变化规律,进而研究了PVC与不锈钢管两种管道引入温泉融化路面冰雪效果及其对路面强度影响。结果表明:与间距24 cm布置的PVC管相比,间距40 cm的不锈钢管试验段路面冰雪融化时间降低了47%,保障了路面在30 h降下12 cm雪的环境中无积雪。与原路面相比,加入不锈钢管后抗压与抗折强度分别提高了 12.7%和11.3%,提高了路面的承载能力。研究成果对于高原和高纬度地区利用温泉消除道路冰雪具有借鉴意义。

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内撑式地连墙变形特征及其参数优化研究

刘新荣, 王林枫, 陈峰, 袁小峰, 蔺广义

地下空间与工程学报. 2021, 17(3): 727-738.

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随着国内深基坑工程的不断发展,越来越多的基坑支护形式被提出并得到了广泛的实践,为了保证基坑工程的安全,限制基坑变形与保护周边环境,选用适当的支护形式与支护参数显得尤为重要。本文依托广州新白云国际机场第二高速公路北段暗埋隧道深基坑工程,采用有限差分软件FLAC^3D建立数值模型,取地连墙厚度、地连墙入土深度、横向支撑布置形式3个变量,探讨了不同支护参数取值对内撑式地连墙支护结构中地连墙侧向位移和支撑轴力分布的影响,提出合理的支护参数取值建议与优化效果。结果表明,基坑存在明显的坑角约束作用,限制坑角地连墙侧移与支撑轴力;地连墙整体侧移在地连墙厚度0.6~0.8 m时明显较大,且由于刚度不足出现反弯点;地连墙底部嵌固作用可有效限制侧移量,地连墙侧移随开挖深度变化曲线呈现“中间大,两头小”的抛物线形状;将支撑整体下移2 m,可有效减小墙体最大侧移,改善支护效果。

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不同强度煤体声发射特征研究

韩军, 韩韶泽, 马双文, 张璐宇, 曹晨

地下空间与工程学报. 2021, 17(3): 739-747.

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为研究不同强度煤承载的声发射特征,选取平均单轴抗压强度分别为30 MPa(大同矿区忻州窑矿)和10 MPa(双鸭山矿区东荣二矿)的煤体试样进行了单轴压缩条件下的声发射试验,对煤在单轴压缩过程各阶段声发射能量、振铃计数等进行分析。试验结果显示,不同强度的煤压缩过程中表现出的AE能量、振铃计数等存在着差异,尤其在线弹性阶段和应力峰值阶段,AE特征发生明显突变;强度较大的忻州窑矿的煤样振铃计数出现的时间晚于东营二矿,但振铃计数与能量峰值增幅较东营二矿更快。论文亦综合分析了文献中其他煤样受压声发射研究的数据,均支持本文结论。

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岩石磨蚀性指数分级讨论

龚秋明, 许弘毅, 李立民

地下空间与工程学报. 2021, 17(3): 748-758.

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隧道施工中,岩石的磨蚀性是影响各类破岩工具磨损的主要因素之一。国际上设计了许多评价岩石磨蚀性的小型试验,其中Cerchar试验因其操作简易性获得了普遍应用,其结果CAI(Cerchar Abrasivity Index)值能够较好地预测破岩工具连续、平稳的正常磨损,目前我国也广泛采用该试验进行岩石磨蚀性评价。由于我国引进该试验时间较晚,尚无国家试验规范,CAI值的等级划分不明确。本文收集了国际上各试验室与机构使用的分级标准,从CAI值分级所用的钢针硬度、CAI值对应的破岩工具磨损量、大量试验数据的分布3个方面综合比较,认为国际岩石力学协会推荐的CAI值分级比较合理。本文对国内Cerchar试验规范创立、岩石磨蚀性评价具有借鉴意义。

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高地应力下花岗质片麻岩蠕变损伤模型研究

钟祖良, 王南云, 任玉琪, 李洋

地下空间与工程学报. 2021, 17(3): 759-767.

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高海拔地区深埋隧道的花岗质片麻岩在高地应力条件下具有较强的蠕变力学特性,易导致隧道结构开裂,对结构的安全性和耐久性影响较大。在花岗质片麻岩基本力学特性试验的基础上,对其开展了高围压下的三轴蠕变试验。研究表明: 随着围压的增大,轴向蠕变量减小显著,环向蠕变量受影响较小;不同围压下的加速蠕变阶段,环向蠕变效应均比轴向更显著;破裂面倾角随围压的增大逐渐减小。基于蠕变试验结果,分析了花岗质片麻岩的损伤演化规律,提出了指数型损伤变量,将传统Burgers蠕变模型改进为能够描述加速蠕变段的全损伤蠕变模型,并推导了一维和三维蠕变损伤方程,利用加速蠕变阶段的试验数据对模型进行了参数识别,拟合效果较好。

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石英砂颗粒冲击破岩数值模拟与影响因素分析

韩传军, 邹孟东, 颜俊梅

地下空间与工程学报. 2021, 17(3): 768-775.

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针对复杂地质条件下使用石英砂颗粒破岩并对影响其破岩效率的多种因素进行了流场分析。通过建立喷嘴冲击灰岩的有限元模型,进行了流体介质冲击灰岩壁面的非定常射流分析,研究了入口排量、孔距、喷射角和颗粒直径对破岩效率的影响规律。结果表明,破岩后形成的流道呈扇形放射状分布,进口小,出口大。出口流速在轴向方向呈递减变化,径向方向呈“凹型”分布,流速先增加后减小至零;喷射角或喷嘴直径增大,破岩面积增加,破岩深度减小,其破岩区域的集中性先增加后减小;孔径比或孔距增大,破岩面积减小,破岩深度增加,破岩区域分散性变大;石英砂颗粒直径增加,冲蚀率先增加后减小,湍流动能持续增加后达到稳定状态。

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薄壁闭腔对装配式车站结构力学性能影响研究

陶连金, 石城, 丁鹏, 黎思成, 吴尚

地下空间与工程学报. 2021, 17(3): 776-785.

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国内首例全预制装配式地铁车站采用薄壁闭腔构件代替传统实心构件,实现了装配式构件的轻量化。为了研究闭腔布设形式对装配式结构性能的影响,以装配式地铁车站单环结构为研究对象。分别对实心结构和空心结构在竖向荷载作用下的非线性力学与变形性能开展研究,得到了各结构的破坏形态和荷载-位移曲线,并对结构应力、内力进行对比分析。分析表明:装配式结构整体具有较好的承载与变形能力。实心结构与空心结构具有相似的破坏形态。实心构件内设置闭腔,结构应力分布相对集中,承载能力与刚度降低。但空心构件的截面内力较小,延性性能更好。基于装配式结构绿色环保的设计理念,考虑到极限承载情况下结构的承载能力与变形能力,预制装配式车站选用空心构件且设置双排闭腔更符合要求。研究结论可为装配式地铁车站的深化研究和工程设计提供理论支撑与技术参考。

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深基坑钢支撑温度应力计算方法研究

张宏, 刘海洋

地下空间与工程学报. 2021, 17(3): 786-792.

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针对大温差地区温度应力对钢支撑轴力预警判断和基坑支护结构稳定与安全分析影响显著的现象,基于温克尔地基假设,建立考虑钢支撑—围护桩—桩侧土体变形协调以及不同土层水平抗力系数变化影响的基坑多层钢支撑体系温度应力简化计算方法。依托呼和浩特市某在建基坑,分析温度应力对基坑支护结构的影响,并验证所建方法的合理性。结果表明:钢支撑温度应力随温度变化近似成线性关系,当温度变化20 ℃时,支撑轴力变化达初始值的45%,温度变化引起的钢支撑温度应力变化明显。所建立的温度应力计算方法在计算两道钢支撑时总的迭代次数为14次,平均误差精度在2.4%;相比未考虑桩后土层水平抗力系数变化的方法,迭代次数少,预测精度高,可更快更准的收敛于实际值。研究结果可指导大温差地区的工程实践。

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多种作用下超长地下混凝土结构开裂概率分析

徐兆全, 苏成, 廖旭钊

地下空间与工程学报. 2021, 17(3): 793-799.

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为了充分利用地下空间,超长地下混凝土结构在许多城市中得到应用。该类结构建造和运营过程中受到多种因素作用,其中温度和收缩徐变效应明显,存在较大开裂风险,其适用性和耐久性受到很大影响。超长地下混凝土结构温度及收缩徐变效应具有明显随机性,目前常用的确定性分析方法无法合理评估结构开裂可能性。本文考虑超长地下结构建造过程、材料特性及环境等多种因素,结合有限元仿真分析、响应面拟合技术和蒙特卡罗法,获得超长地下结构最大主拉应力的统计矩,并从概率的角度对超长地下结构的开裂问题开展评估,所获得的结果可以用于指导相关设计工作。

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分节预制式多曲线顶管的顶力估算公式

陈孝湘, 贺雷, 孙清, 刘华清, 陈文兴

地下空间与工程学报. 2021, 17(3): 800-807.

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现有的曲线顶管顶力估算公式是由直线顶进公式乘以一个曲线顶管顶力附加系数而来,估算结果与实际工程顶力的匹配程度较低,尤其是在三维曲线顶管工程中,受曲线段的影响,准确估算顶力的难度更大。文章在分析曲线顶管管节静力平衡原理及其传递规律的基础上,提出了一个能够考虑多曲线顶进姿态影响的顶力估算公式,并基于某2.88 m外径、625.0 m顶程的三维曲线顶管实测顶力,对比分析本文公式和规程算法之间的差异,对比结果显示:本文公式的估算结果更能够体现出不同曲线段对总顶力的影响,且在单曲线顶进时与实测顶力的匹配程度更好,能够更好地用于指导工程实践。最后,结合工程实测分析结果,提出了软土地层中不同工况下平均摩阻力的取值建议,为类似工程建设提供依据。

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基于AnyLogic的城市地下物流系统终端仿真与设计

尚鹏程, 陈志龙, 陈一村, 朱星平

地下空间与工程学报. 2021, 17(3): 808-814.

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城市地下物流系统将城市货运功能从地面转移到地下空间,既能够有效解决交通拥堵问题,释放地面道路运输的压力,又能降低货运车辆尾气排放对城市环境的影响,减少货运安全事故的发生。终端作为城市地下物流系统与其他运输形式衔接的重要节点,其合理的规划与否决定了地下物流系统能否有效提高运行效率。本文利用AnyLogic仿真建模软件,对南京某商业区地下物流终端进行建模、仿真和优化。通过采用敏感性分析实验方法对搬运AGV数量和打包时间两个参数进行优化,本文从货物流通、配送时效、设备利用率、车辆利用率等方面分析了地下物流系统的有效性,为该地区的地下物流终端规划设计提供了数据支持。

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某紧临地铁车站土岩基坑设计与变形规律研究

金雪峰

地下空间与工程学报. 2021, 17(3): 815-824.

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广州某紧临地铁车站土岩组合深基坑,开挖深度大,周边环境复杂,变形控制要求非常严格。依据实际监测数据,详细分析了基坑施工各阶段的围护结构变形、土岩体侧移、支撑轴力、锚索拉力及周边环境沉降的变化规律。分析结果表明:围护墙与外侧土岩体最大水平位移均发生在土岩结合面附近;基坑开挖结束至底板施工期间,围护墙及外侧土岩体水平变形呈蠕变特点;地下室采用的“复合墙”及跳仓法施工技术,使施工完毕后的围护墙、土岩体水平位移均发生了明显回弹,最大水平位移约为开挖至基底时的40%~60%;开挖引起的周边地面沉降最大值发生在离坑边0.5倍开挖深度附近,沉降值约为邻近围护墙最大水平位移的0.47倍;条件允许时,土岩组合基坑可优先采用支撑+锚索组合支护方案。本工程的监测数据相互印证,揭示了该土岩深基坑在各种条件下的实际工作状况,可为类似情况深基坑的设计与施工提供参考。

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超浅埋暗挖双层隧道下穿城市主干道设计

陈敬军

地下空间与工程学报. 2021, 17(3): 825-833.

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城市内双层隧道下穿既有主干道,因受线型、埋深等影响,存在“浅埋、地质条件差、周边环境复杂”等特点,工程实施难度大。结合工程案例,全面介绍了超浅埋、小间距双层隧道采用“大管棚+小导管+掌子面TSS注浆”的超前加固措施、双层衬砌结构配合CRD或双侧壁导坑法的支护方案,以及近接桥梁“加桩补强法”的保护方案是合理可行的;并提出地表沉降控制值可结合工程情况突破常规值(+10 mm~-30 mm),加强分块施工的初支拱脚刚度和拱部回填注浆有利于控制地表沉降的建议。

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深埋岩溶富水地层铁路隧道泄水洞设计

袁溢

地下空间与工程学报. 2021, 17(3): 834-839.

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深埋岩溶富水地层的隧道设计和施工一直是隧道界的难题,岩溶区隧道不仅在施工存在发生突水、突泥的施工安全风险,运营阶段还可能会产生高水压衬砌开裂、渗水及水沟排水能力不足等长期病害,严重影响铁路隧道运营安全。基于改建铁路阳安线增建第二线田坝村隧道岩溶裂隙水泄水洞工程实例,结合现场揭示地下水的来源及涌水特点和涌水量,对泄水洞平纵位置设置方式进行了方案比选,详细分析了高位泄水洞和低位泄水洞的优缺点,同时对平行泄水洞及横洞段与正洞的位置关系及各部位结构设计进行了优化设计,解决了隧道施工及运营期岩溶水害难题,可为今后同类工程设计提供参考。

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基于近景摄影测量的多模型盾构管片检测方法

何春辉, 肖东升, 戴小军

地下空间与工程学报. 2021, 17(3): 840-847.

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针对传统管片检测方法费时费力、检测结果可识别程度低、以圆为基础模型的检测方法存在较大误差等问题,提出了一种基于近景摄影测量的自动化管片检测方法。在盾构管片上设置标志点,通过近景摄影测量获取标志点空间坐标,以此为依据同时使用圆和椭圆两种基础模型拟合管片,求解管片特征值,对管片拼装质量和管片姿态进行检测。实验结果表明,两种模型对管片中心点检测结果误差都在2.7 cm以内,均满足管片检测精度要求,结合自定义用户界面,该方法能够高效便捷地完成管片检测;通过比较两种模型的检测结果,椭圆模型检测精度高0.5 cm左右,以椭圆为基础模型可以提高盾构管片检测精确度。

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隧道-基坑多重开挖对既有桩影响的参数分析

张天赐, 刁红国, 王新泉, 崔允亮

地下空间与工程学报. 2021, 17(3): 848-855.

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隧道和基坑作为两种不同的开挖形式,是目前常见的城市地下工程。随着城市地下空间利用率的提高,既有桩周围存在隧道和基坑依次开挖的工况越来越普遍。从隧道-桩-基坑三者相对位置的角度出发,以“先隧道后基坑”开挖顺序为例,采用ABAQUS建立数值模型开展参数分析,并与相关试验结果进行对比,结果表明:Z₀/L_p对既有桩基附加沉降、水平位移和弯矩均呈现先增后减的变化规律,桩身轴力在Z₀/L_p不同时表现的响应模式不同。H/D或d/H_e越大,桩基附加沉降越小并趋于稳定;最大桩身水平位移的位置随H/D的增大由桩端逐渐上移至桩身中部,但基本不受d/H_e的影响;桩身弯矩随着水平间距的增大先递减后递增并趋于稳定。研究结果可为实际工程设计和施工提供参考。

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跨海隧道孤石密集及基岩凸起段盾构适应性分析

陈建福, 王凯, 陈中天, 杨战勇, 徐磊

地下空间与工程学报. 2021, 17(3): 856-863.

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厦门地铁2号线海东区间多处穿越孤石密集及基岩凸起段,施工中面临高水压、带压频繁进舱等多种施工难题,对盾构设备配置及掘进参数控制提出了较高的要求。本文分析了海东区间孤石密集及基岩凸起段的盾构机适应性,深入研究了该区间内的盾构掘进参数。研究结果表明:①在孤石密集及基岩凸起段施工过程中,可针对性采取配置可伸缩刀盘、加大滚刀、铲刀高差并配置双刃滚刀等措施,以提高盾构机适应性并便于控制掘进参数;②为保证盾构高效穿越孤石密集及基岩凸起区段,需确定盾构参数适应性区间,稳定掘进比能在较低水平;③对比孤石段开仓处理前后的掘进参数,平均转速提高了约3.72%,平均扭矩降低了约34.2%,平均推力降低了约19.04%,平均掘进速度提高了约98.8%,平均掘进比能降低了约68.6%,充分验证该盾构在孤石密集及基岩凸起段配置的适应性。

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地下连续墙成槽施工槽壁整体稳定性分析

路乾, 胡长明, 王晓华, 贾文彪, 杜逸璞

地下空间与工程学报. 2021, 17(3): 864-871.

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地下连续墙槽壁稳定是确保成槽安全及成槽质量的关键前提,为从理论上分析其整体失稳机制,建立了槽壁整体破坏滑动体模型,基于土体相关联流动法则及塑性极限破坏理论,采用极限平衡分析法,得到槽壁整体失稳的最小泥浆重度及安全系数计算方法,并从安全系数角度对比分析两种计算方法的参数敏感性,最后结合工程实例对两种泥浆重度计算方法进行对比分析和验证。研究结果表明:本文方法相较于常用方法更适用于黏土地层槽壁稳定性分析,且安全系数主要受槽段长度、泥浆重度、土体内摩擦角及泥浆-水液面相对高差影响。实际成槽泥浆重度介于理论计算的控制范围之内,理论分析得到现场超声波检测验证,其结果可为今后地下连续墙成槽施工提供理论参考。

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基于隧道断面相对变形率判定围岩稳定性的研究

林明才, 蒋雅君, 杨其新, 李鹏, 唐富军

地下空间与工程学报. 2021, 17(3): 872-882.

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目前常用的判定围岩稳定性手段主要是监测隧道特征点或测线位移,但这种监测方法评价围岩稳定性存在诸多弊端。为此,本文从应变能角度对隧道围岩系统势函数进行理论分析。首先推导了围岩4个分区的应力、应变及位移表达式,进而分析各个分区的应变能,据此建立了隧道围岩系统势函数,并根据软岩破坏时的全应力应变曲线特征,确立隧道围岩系统势函数尖点突变模型,提出了定量评价围岩稳定性的理论依据。利用数值模拟手段,分析了不同荷载释放系数下隧道围岩特征点或测线位移、隧道围岩系统势能、隧道断面相对变形率3类指标变化规律。根据尖点突变模型,利用3类指标对围岩稳定性做出定量评价,并对3类指标下围岩破坏时的荷载释放系数进行对比分析,探讨了利用断面面积相对变形率指标判定围岩稳定性的可靠性。

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泥质粉砂岩隧道变形及长期稳定性研究

邵珠山, 李柏霄

地下空间与工程学报. 2021, 17(3): 883-896.

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以广东省惠清高速太和洞隧道工程为依托,通过室内试验和数值模拟,对典型软岩隧道大变形问题进行了研究。首先通过FLAC3D数值模拟软件对隧道开挖阶段的受力特征、施工变形进行计算;其次考虑了流变效应,通过单轴压缩流变试验得到泥质粉砂岩的应变-时间曲线,选取伯格斯黏弹性模型拟合出相关流变参数并运用于隧道长期变形的模拟计算中,对隧道运营期稳定性做出了评价。研究结果表明:(1)泥质粉砂岩具有明显的蠕变特性,在270 kPa左右的应力水平下进入非稳定蠕变阶段;(2)伯格斯黏弹性模型能够较好地描述泥质粉砂岩的流变特性;(3)隧道开挖阶段拱顶、拱底处有明显的应力释放,拱脚处有应力集中现象,右洞支护结构对围岩稳定性的提升,使左洞开挖阶段围岩的受力状态、变形情况均优于右洞;(4)隧道在运营期7年以前表现出较明显的蠕变特性,7年之后进入稳定阶段。

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大采高沿空留巷围岩稳定性及形变规律分析

李春意, 高永格, 陈洁, 崔希民, 柴华彬

地下空间与工程学报. 2021, 17(3): 897-908.

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为了研究云驾岭矿深部大采高沿空留巷围岩稳定性及形变规律,采用理论分析、现场实测和实验室测试综合研究手段和方法,确定了试验工作面巷旁充填体支护阻力和留巷参数,构建了能够反映沿空巷道受初次采动围岩形变规律的回归函数模型,对比分析了一次和二次开采扰动下围岩的应力应变状态,探究了充填体上方顶板岩层的应力传递规律。结果表明,采用弹塑性力学模型得出的巷旁充填体的临界支护阻力和充填体宽度分别为4.1MN/m和2.47 m,经实验室测试和工业性试验,能够保持高水材料充填体的稳定。受初次采动影响,沿空巷道围岩位移量与工作面至测站点距离之间符合Slogistic增长函数模型,求解了巷道顶板、底板和下帮的最大变形量、变形量最大时工作面的位置以及达到最大变形时工作面推过观测站的时间。对于沿空巷道,工作面超前支承压力波及范围至工作面煤壁前方约34 m,留巷顶板3.8 m以浅的采动裂隙可能会导致顶锚杆锚固失稳甚至失效,充填体切顶阻力的“波动性”能够反映顶板岩层的分层垮落特征。

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穿采空区巷道围岩特性分析及稳定性控制

余涛, 张乾, 张尚达, 赵光明, 方勇

地下空间与工程学报. 2021, 17(3): 909-917.

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针对芦岭煤矿穿采空区巷道围岩工程环境特性问题,采用现场测试,钻孔窥视,数值模拟等方法,分析巷道在穿采空区不同区段围岩损伤区及矿压显现规律。研究结果表明,巷道穿采空区不同区段围岩具有明显分区特性,采空区上段巷道在逐渐靠近采空区时,损伤区范围逐渐扩大,完整性变差,围岩压力却较小;远离采空区下区段巷道围岩,裂隙发育程度较低,但是围岩压力表现更为明显。因此,结合巷道围岩的工程环境特点提出分区段控制技术方案,远离采空区卸压范围的围岩,主要采用锚杆、锚索加喷层的联合支护技术,改变浅层裂隙岩体的力学性能与围岩形成整体性结构,抵抗更大的围岩应力;采空区及附近围岩采用以U型钢为主体的刚性支护,防止裂隙岩体进一步碎胀扩容而产生的变形。现场支护表明,巷道顶底板及两帮位移量均小于30 mm,现场支护效果明显。

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采空区隧道二衬受力特性模型试验与耦合分析

向晋扬, 黄锋, 王毅, 董广法, 刘星辰

地下空间与工程学报. 2021, 17(3): 918-926.

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由于采空区地层的非连续特征,下穿隧道衬砌往往处在偏心受压的不利状态,后期运营病害相对严重。为了查清不同采空区条件下的衬砌结构受力特性,采用室内物理模型试验和基于连续-非连续耦合数值模拟相结合的方法,开展了相关研究。结果表明:(1)采空区的存在会使二衬结构受到偏压荷载,远离采空区侧总体受力大于近侧,且倾角越大偏压越严重;(2)采煤层厚度、冒落带与初支距离的增大会引起围岩压力的降低,二衬内力减小,安全性提升,当采煤层厚度大于1.8 m时或冒落带与初支间距大于0.8倍隧道洞跨后,采空区对二衬安全性的影响很小;(3)喷层厚度的增加阻碍了围岩变形,引起围岩压力增加,不利于二衬受力和安全性。研究结论对于完善采空区隧道围岩压力计算理论和支护结构设计方法具有理论指导意义。

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PBA法非对称不均匀变形引起地表沉降规律研究

付春青, 刘波

地下空间与工程学报. 2021, 17(3): 927-942.

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通过北京地铁某地铁车站的工程实践,研究了洞桩法(8导洞)工程从群洞开挖到扣拱期间的施工步序、工序转换和空间变形发展规律,综合分析了几何轴对称的车站结构断面在施工时差条件下导致的空间不均匀变形发展规律,对比工程数值模拟、实测数据,研究了工法执行差异是引起“地层-结构”一体结构的空间不均匀空间变形的主要原因。经过对变形曲线的综合分析得知,形成的洞桩法结构周边的地层空间不均匀变形与空间临空、时空延续效应的叠加效果相关。最后针对性地制订工程对策并在工程中得以验证。本文的经验可以为类似工程的设计和施工提供有益的参考。

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地铁隧道施工坍塌风险耦合机理研究

文艳芳, 陈敬配

地下空间与工程学报. 2021, 17(3): 943-952.

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通过对我国2004—2018年间71例地铁隧道施工坍塌事故案例研究,发现地铁建设过程中出现的一系列微小的、不可预见的风险因子与风险主体状态及风险响应机制间存在着交互耦合关系,这些耦合作用使得风险系统所积蓄的风险能量突破安全阈值,从而导致安全事故的发生。针对上述安全事故成因分析,以城市地铁隧道施工坍塌风险耦合机理为研究对象,基于PSR-IAHP模型,分析地铁隧道施工坍塌事故发生的致因因子(P)、风险主体所处的状态(S)、风险管理响应(R)三者间的动态变化和作用机理,构建了地铁隧道施工坍塌风险耦合体系并进行了权重分析和计算。并结合灰色关联分析,以坍塌事故发生次数为特征指标,以风险耦合体系的11个指标为因素序列,以灰色关联度计算为基础,提出风险耦合度模型并进行计算。研究表明:影响地铁隧道坍塌事故发生的3个子系统及各因素序列间确实存在耦合作用,且多为“强耦合”,该研究结果可为城市地铁隧道施工坍塌风险断层控制提供理论基础。

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基于Kriging估值法的非煤隧道瓦斯预测

苏培东, 张睿, 杜宇本, 蒋良文, 杨枫

地下空间与工程学报. 2021, 17(3): 953-960.

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在勘察设计阶段,基于一定精度的隧道瓦斯空间分布预测,对于瓦斯隧道安全施工具有十分重要的意义。论文在收集整理区域地质资料和兰渝铁路广元—合川段隧道钻孔瓦斯浓度检测资料的基础上,利用Kriging估值法理论,建立了川中油气区非煤隧道瓦斯空间分布规律的数学模型。利用同区域的巴中—广安高速公路6座隧道瓦斯资料,运用交叉验证的方法验证了模型的合理性。研究表明,该模型可以预测样本点周边4.1 km范围内,深度为32.3～215 m的非煤隧道瓦斯浓度空间分布值;估计方差可以为估计值可靠程度提供参考性;在待估点周边4.1 km范围内,增加样本点,可以提高预测精度;模型实际预测误差范围为3.04～11.71％,平均误差为6.35％。

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隧道冻结法施工风险关联性评估模型与应用

武亚军, 卫珂, 刘全林, 刘斐然, 李磊

地下空间与工程学报. 2021, 17(3): 961-968.

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目前大多数的风险评估不考虑风险事件之间的联系,事实上,风险事件之间并不是相互独立的。如何考虑风险事件之间的联系,对工程风险进行合理的评估是很有必要的。为了研究风险事件之间的关联性,对冻结法施工中一些常见的事故原因进行分析,例如冻结壁薄弱和冻结管断裂等事件之间的联系,建立冻结法施工风险事件关联表。采用关联度及关联概率对工程实例进行定量分析,结合模糊综合评判法对施工总体风险进行关联性评估。结果表明,该工程的风险等级为四级,需要进行风险控制,其中开挖施工的风险最大,冻结管施工的风险最小,风险状态与现场实际情况比较一致。最后结合工程实例的特点,对高风险事件提出了相应的风险控制措施。

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基于统计分析的侧墙混凝土最大开裂风险回归模型

姚婷, 李忠超, 王育江, 徐文

地下空间与工程学报. 2021, 17(3): 969-974.

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地下现浇侧墙结构混凝土开裂渗漏问题是工程界普遍公认的一大顽疾。针对多个工程实体侧墙结构,在采用水化-温度-湿度-约束耦合模型对侧墙混凝土在材料、结构、环境、施工等多种因素耦合作用下的早龄期收缩开裂风险进行量化评估的基础上,进行了四百余种工况的统计分析,通过方差分析进行各参数影响程度分析,并得到适用于厚0.3~1.2 m、强度等级C30-C60的侧墙结构混凝土中心温度和最大开裂风险多元回归模型,结果吻合较好,为快速便捷地预测侧墙结构混凝土的中心温升与最大开裂风险提供了较为有效的方法,为初步制定现浇地下侧墙结构混凝土抗裂方案提供依据。

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岩石变形破坏过程的能量演化研究进展

刘基程, 马林建, 张宁, 王云潇

地下空间与工程学报. 2021, 17(3): 975-986.

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能量演化贯穿于岩石变形破坏全过程,基于能量角度的岩石强度与变形特性的研究,深入揭示其物理力学本质,并合理搭建理论分析至实际工程应用的桥梁。本文系统总结数十年来国内外对于不同应力状态、不同应力路径和不同加载速率下岩石的静动态能量演化规律和分配关系及尺寸、含水率、孔隙率等因素对其的影响;归纳了基于能量原理的岩石强度准则、损伤演化及本构关系、疲劳寿命预测及岩爆预测等方面的应用成果。并建议把岩石变形破坏能量演化中的微细观机制与宏观力学行为的关联性、能量演化本构理论、工程岩体稳定性、多能量场耦合作为进一步研究方向。

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