地下空间与工程学报

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黄慷

地下空间与工程学报. 2021, 17(5): 1337-1350.

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在我国当前大规模城市基础设施建设进程中,为提高城市生命线工程的防护性能,降低战时破坏带来的不利影响,对于综合管廊兼顾人防设计的需求逐渐提上议事日程。本文首先系统回顾了我国在该领域内的理论研究历程及工程实践现状,对综合管廊工程兼顾人防设计的理论要点做了全面分析总结,归纳了全套设计方法;其次以杭州亚运村片区综合管廊防护设计为例,侧重于片区管廊防护单元的总体布局特点,介绍了按浙江省人防标准进行防护设计的方法和思路,详细分析各专业防护设计方法及技术措施;最后基于前述内容,提炼了该领域内关键技术问题,并对技术标准及相关技术措施提出了建议。本文提出的设计思路方法以及工程实例,可供目前国内类似工程规划设计借鉴参考。

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基于客货协同的地铁货运系统设施规划研究

胡万杰, 董建军, 任睿, 陈志龙

地下空间与工程学报. 2021, 17(5): 1351-1361.

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地铁-货运系统因其较低的工程投入和显著的社会及环境效益,被认为是当前城市地下物流的优先发展模式。本文针对地铁货运网络设施在“共线-分离”运作模式下的若干共性决策问题,提出系统性规划框架与原型设计方案。首先从节点通道设施分级、单元装箱策略、网络化运输流程和系统运行边界4个方面阐释了地铁客货协同机理;其次,基于“客货零干扰”、“自动化作业”、“地下空间节约”等原则,针对换乘地铁货运站点这类复杂设施,界定了10项站内基本功能模块和6项货流搬运业务;最后以南京地铁大行宫站为例,构建了“中岛-双侧式”地铁客货站台、站厅的3层地下功能区布置方案及配套物流作业方案,实现了站点整体配置的可视化。

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综合管廊与地下空间一体化建筑设计模式研究

刘文, 袁红

地下空间与工程学报. 2021, 17(5): 1362-1375.

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在城市高度集约化发展的背景下,城市地下空间得到快速发展,但综合管廊与其他类型地下空间的分离导致城市发展遭遇诸多问题。为了实现城市地下空间的集约高效发展,必须将综合管廊纳入城市地下空间实现一体化设计和建设。通过案例研究和资料总结,以建筑设计的视角,研究综合管廊与不同功能地下空间的一体化设计模式,包括综合管廊+地下车道、综合管廊+地下商业+地下停车、综合管廊+地铁+地下商业+地下停车、综合管廊+地铁+地下商业+地下停车+地下车道4种,探讨其适用情况及优缺点,以及与点状、线状、围合式、商业街式4种类型建筑综合体地下空间的3D接口模型。该论文的研究在原有“建筑-城市一体化、建筑-交通一体化”基础上提出了建筑-城市市政一体化理论,在建筑设计方法上提出了管廊与城市地下空间接口的多种模式,对城市空间立体集约化发展具有重要意义。

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含交叉裂隙岩石试样单轴力学特性与破坏机理

汤双臣, 冯鹏, 赵家琛

地下空间与工程学报. 2021, 17(5): 1376-1383.

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为系统性地研究节理岩体在单轴压缩试验条件下其力学特性及破坏机理,利用MTS-815岩石试验装置对完整岩石试样、不同构型单裂隙和交叉裂隙岩石试样进行单轴压缩试验,分析了各构型试样的力学参数及能量演化规律。与完整岩石试样力学参数相比,含单裂隙岩石试样的强度和弹性模量相对较小,含交叉裂隙岩石试样各项参数值最小。在加载过程中,含交叉裂隙岩石试样用于裂纹产生及发展的耗散能远大于完整岩石试样和含单裂隙岩石试样。一般地,含交叉裂隙岩石试样裂纹从预制交叉裂隙尖端起裂,首先贯通同侧预制裂隙形成反翼型裂纹,最终呈拉伸劈裂型破坏。

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低围压下脆性岩石单裂纹扩展与影响因素分析

徐士良, 徐营, 施国栋, 沈华章, 马茂艳

地下空间与工程学报. 2021, 17(5): 1384-1390.

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为了探究低围压下脆性岩石单个裂纹扩展与影响因素,开展了混合片麻岩室内岩石力学基本实验,确定了Sheorey强度准则参数;利用岩石滑动裂纹模型和非局部线弹性理论,在综合分析裂纹尖端应力场包括非奇异应力项的基础上,建立了混合片麻岩单裂纹扩展USR判据。理论分析认为:脆性岩石单个裂纹扩展过程分为缓慢、中等和加速3个阶段,并且裂纹逐渐向最大竖向压力方向扩展;影响因素分析表明:(1) 随着裂纹摩擦系数和裂纹倾角增大,竖向应力随着裂纹扩展而增大;(2) 当侧压力为拉应力时,竖向应力随着裂纹扩展而减小;当侧压力为压应力时,随着测压力系数增大,竖向应力随着裂纹扩展而增大;(3) 随着初始裂纹长度增大,竖向应力随着裂纹扩展而减小。

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两种有效应力下花岗岩和充填体渗透率变化规律研究

武治盛, 冯子军, 张驰, 石晓巅, 惠峥

地下空间与工程学报. 2021, 17(5): 1391-1398.

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干热岩是地热资源的主要载体。干热岩体花岗岩受地质构造运动影响产生裂隙,熔融岩浆侵入到花岗岩裂隙中,形成含有充填体的花岗岩体。故采用压力脉冲法,以花岗岩母岩和充填体为研究对象,研究改变围压或孔隙压力两种路径下有效应力对花岗岩母岩和充填体渗透率的影响规律。研究表明:在孔隙压力一定情况下,随着围压增大,花岗岩母岩和充填体的渗透率都有一个快速大幅下降阶段和缓慢小幅降低的阶段;通过孔隙压力不变时卸载围压的路径减小有效应力,可以有效恢复花岗岩的渗透率。但通过围压不变时提高孔隙压力的路径减少有效应力达到恢复渗透率的目的时,存在一个“失效围压阈值”,当围压低于该阈值时,提高孔隙压力可以使渗透率得到有效恢复,高于该阈值,提高孔隙压力对渗透率不会有太大的提高;采用孔隙压力一定时降低围压和围压一定时(低于“失效围压阈值”)增大孔隙压力两种路径测试同一试样渗透率时,若两种路径下有效应力相同,则试样渗透率相差不大;通过波速对比和偏光镜图像对比分析了试样在试验前后的孔隙裂隙的压密和塑性变形,从宏观和微观角度证明了“失效围压阈值”存在的合理性。

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约束型压缩条件下破碎煤岩体的承载特性

唐建新, 王育林, 王艳磊, 代张音, 李成

地下空间与工程学报. 2021, 17(5): 1399-1407.

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为研究破碎煤岩体的承载特性,对不同粒径和不同煤岩混合比破碎岩石试样分别进行约束型压缩试验,结果表明:在承压过程中,块体粒径和煤块占比与应力增长速率呈负相关,与最大应变值和承压持续时间呈正相关。空隙率和压实度均随应力增长而下降,最终趋于平稳,二者的降幅与粒径大小、煤块占比均呈负相关性。破碎煤岩体压缩后具有分形特征,分形维数与压缩后的原始粒径块体质量占比之间呈良好的线性衰减关系,可用来表征岩块承压后的碎裂程度。随着块体粒径增大,分形维数值在2.26~2.50范围内依次增加,大粒径试样承压后的碎裂程度更严重;随着煤块占比增加,分形维数呈先减后增的趋势,其值在2.31~2.58之间,表明不同煤岩比试样的碎裂活动先减弱后增强。

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关于圆形隧道卡斯特纳公式的讨论

汪波, 喻勇

地下空间与工程学报. 2021, 17(5): 1408-1413.

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隧道围岩的应力及变形是隧道力学中的基本问题,它直接影响到隧道的安全评价及施工支护措施。20世纪50年代提出的卡斯特纳公式,描述了圆形隧道的塑性区半径和塑性区的应力分布规律,公式已成为隧道力学分析的理论基础。以满足莫尔-库伦准则或Mises准则的理想弹塑性材料为例,按照塑性力学加卸载准则,证明了圆形隧道的开挖过程是加载过程,支护过程是卸载过程;对圆形隧道开挖和支护过程进行了弹塑性FLAC有限差分数值计算,同时针对外压和地应力均为0、内压值为支护应力的隧道进行弹性分析。结果表明,围岩的应力分布在开挖后与卡氏公式相符,但在支护后则与卡氏公式不符。弹塑性分析中,支护引起的围岩应力增量及位移增量分别与弹性分析中的应力和位移相同。因此在涉及塑性变形的隧道力学分析中,卡氏公式只适用于开挖阶段,不适用于支护阶段。

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考虑温度影响的球形盐穴弹塑性解析分析

杨永恒, 王华宁, 蒋明镜

地下空间与工程学报. 2021, 17(5): 1414-1421.

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地下盐穴储库在存储运营过程中洞室内的高温是关乎盐穴稳定性的重要因素。将地下盐穴储库的形状简化为球形,考虑温度不均匀变化产生的热应力以及温度对黏聚力的影响,基于Mohr-Coulomb屈服准则、理想弹塑性模型以及非关联的流动法则,得到了存储内压、地应力和温度共同作用下盐穴储库围岩应力及位移的解析解答,与相同假定下有限元模型的结果吻合很好。分析了温度以及温度引起的盐岩黏聚力劣化对盐穴稳定性的影响。结果表明,温度对于盐穴洞室的稳定性有着不可忽略的作用,温度升高促进了塑性区半径和变形的扩展;高温差下盐岩黏聚力劣化对塑性区的影响更加明显。

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基于联合强度理论的主动土压力计算方法

陈睿杰, 廖少明, 王坤, 刘孟波, 武军

地下空间与工程学报. 2021, 17(5): 1422-1430.

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考虑结构性黄土的抗拉强度和有限土体对土压力的影响,推导了抛物线加直线形式的联合强度理论。基于此强度理论,建立了土体主动极限平衡状态,推导了无限土体主动土压力的计算公式;通过滑动块体理论推导了有限土体主动土压力的计算公式。通过算例对公式进行了验证比较,研究结果表明:基于联合强度理论计算的土体开裂深度明显小于朗肯土压力理论的开裂深度,且基于联合强度理论土体应存在拉应力区,在此区域内,挡土墙与土体存在胶合力的情况下,需考虑挡土墙受到的拉力和因此导致的局部应力集中;有限土体的土压力小于朗肯主动土压力,且随着挡土墙与既有构筑物距离的增加,有限土体土压力趋近于无限土体土压力。基于联合强度理论和有限土体理论建立的主动土压力计算方法能更合理地评价黄土的主动土压力。

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上海结构性软黏土本构模型与试验验证

姜文澜, 钱建固, 叶源新, 张景亮

地下空间与工程学报. 2021, 17(5): 1431-1436.

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天然上海软黏土具有很强的结构性,传统的剑桥模型无法合理地对其进行描述,改进后的运动硬化结构模型不仅引入了描述土体结构性的状态变量,可以反映土体塑性应变发展过程中所产生的结构损伤对其力学行为的影响,还对原始运动硬化结构模型中的形状参数、塑性模量公式等进行了改进,能更好地描述上海软黏土的力学行为。基于改进之后的运动硬化结构模型,通过天然上海软黏土等压固结三轴不排水剪切试验对该模型进行参数标定,进而对偏压固结三轴不排水剪切试验与加-卸载等向压缩试验进行预测。结果表明:改进后的运动硬化结构模型可以更好地模拟上海软黏土在三轴试验中的结构损伤、应力路径以及应力应变关系,同时对加-卸载过程中土体的滞回特性也有较好的模拟效果。

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干密度和粒径对非饱和尾矿砂土水特征曲线的影响

刘浚基, 温树杰

地下空间与工程学报. 2021, 17(5): 1437-1443.

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为了得到干密度与粒径对非饱和尾矿砂土水特征曲线的影响规律,利用GEO-Experts压力板仪,开展了不同干密度、粒径的尾矿砂土-水特征曲线试验,探讨了干密度与粒径对尾矿砂土水特征曲线的影响,并采用F-X模型对试验数据进行拟合。结果表明:尾矿砂粒径越小,进气值越高,残余含水率越大,且小于0.25 mm粒径的含量增加能有效提高尾矿砂的持水能力;干密度对尾矿砂土水特征曲线的影响集中表现在过渡阶段,粒径相同时随着干密度的增大,脱水速率减小,残余含水率增大,但残余基质吸力基本不变;F-X模型对于尾矿砂土水特征曲线具有较高的拟合精度,能较好地反映尾矿砂的持水性能。

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储层非均质性对水力压裂裂缝扩展的影响研究

申峰, 任相彦, 周雷, 汤积仁

地下空间与工程学报. 2021, 17(5): 1444-1456.

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为了研究滤失和储层非均质性对水平井多簇射孔水力压裂裂缝扩展形态的影响,在前期建立的水力压裂流固耦合模型基础上,增加考虑多孔介质内流体流动,裂缝-孔隙间的流体交换和射孔流量分配的物理过程,形成了用于多簇射孔水力压裂裂缝扩展的裂缝-孔隙流固耦合模型,并数值模拟研究了致密砂岩气储层性质均质、非均质下水平井多簇射孔水力压裂裂缝扩展。研究发现:(1)滤失对中间簇射孔水力压裂裂缝扩展影响较大;(2)在储层均质情况下,多裂缝呈对称扩展,而在储层杨氏模量、抗拉强度、基质渗透率等非均质分布情况下,多裂缝呈非对称、非均匀扩展;(3)在储层复杂非均质情况下,四簇和三簇射孔水力压裂存在射孔簇过度改造、欠改造、甚至未起裂扩展的情况,尤其是在小间距条件下的四簇射孔。而两簇射孔水力压裂即使在间距较小时裂缝也能正常起裂扩展。因而,为了裂缝更多地有效扩展,在实际工程中,如果水力压裂密集施工,建议采取两簇射孔压裂;如果水力压裂不密集施工,兼顾施工成本建议采取三簇或四簇射孔压裂。

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内蒙古好鲁库地区硅藻土物理力学性质研究

周承京, 杨智, 曹海峰, 李广瑞, 关涛

地下空间与工程学报. 2021, 17(5): 1457-1462.

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硅藻土结构性显著,是非常罕见的特殊性岩土,通过室内含水率、侧限压缩、直接剪切等试验,对比分析了内蒙古某高速公路不同埋置深度硅藻土的基本物理性质,研究了压缩特性,探讨了硅藻土抗剪强度参数与埋置深度的相关性。结果表明,硅藻土质地轻、孔隙比大、有机质含量高,虽然在天然状态下硅藻土多为半固态或固态,但具有极高的含水率;e-p曲线可根据孔隙比随竖向荷载减小速率的变化分为2个阶段,对应E_s-p曲线压缩模量基本平稳和显著提升两阶段,好鲁库地区硅藻土E_s-p曲线上难以找到明显的结构屈服应力;在不高于1 600 kPa的荷载条件下压缩变形稳定后,好鲁库地区硅藻土还具有大孔隙比和较小的压缩模量,可能产生可观的后期变形;抗剪强度参数与深度线性相关性不显著,确定抗剪强度参数标准值可以不考虑参数与深度的相关性。

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三轴剪切下珊瑚砂颗粒破碎规律及强度特征

刘杰, 姚志华, 翁兴中, 李婉, 王伟光

地下空间与工程学报. 2021, 17(5): 1463-1471.

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珊瑚砂广泛分布于我国南海岛礁,其性质与普通砂有明显的差异,主要体现在颗粒具有显著的破碎特征。为进一步研究珊瑚砂的破碎特征和破碎对其强度特征的影响规律,本研究通过控制相对密实度、含水率和围压等多种初始条件展开三轴固结排水(CD)的剪切试验。结果表明:珊瑚砂颗粒破碎会根据相对密实度以及围压的逐渐增大而增大,随着含水率的增大而先增大后减小,但是随围压的增大,颗粒的破碎不会无限制增大,当到达一定程度时会逐渐趋于停止;在相对密实度保持一定时,珊瑚砂的内摩擦角会依据含水率的增大而先增大后减小。珊瑚砂大颗粒破碎形成小颗粒并嵌固在孔隙中,大小颗粒之间的相互作用及级配趋于良好,颗粒的破碎一定程度上增大了珊瑚砂的强度。此试验成果可以为岛礁珊瑚砂工程建设提供参数依据,为深入研究珊瑚砂颗粒破碎的理论提供借鉴。

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高地应力千枚岩隧道支护体系试验研究

刘小俊

地下空间与工程学报. 2021, 17(5): 1472-1478.

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成兰铁路茂县隧道穿越龙门山活动断裂带,地层以千枚岩为主,围岩破碎、软弱、强度低,且存在高地应力。在茂县隧道1号斜井施工过程中,遇到了围岩大变形、喷射混凝土开裂、钢拱架扭曲等现象。为了解决这一技术难题,在施工现场将斜井按正洞施作,设置4种不同的支护体系试验段,并对围岩变形、围岩与初支接触压力、钢拱架应力进行监测分析,得出以下结论:I20工字钢刚度低,不能有效地抵抗围岩前期变形,使围岩的变形进入塑性流动阶段;H175型钢刚度大,与3 m长短锚杆相结合能主动控制围岩的变形,能有效地控制围岩前期变形,8 m长的锚杆能被动控制围岩变形,能有效地抑制围岩塑性区的扩大;以H175钢拱架+3 m锚杆+8 m锚杆+喷射混凝土+超前注浆小导管为主的初期支护体系对茂县隧道高地应力千枚岩大变形的控制有较好的效果,可为后期茂县隧道正洞的施作提供指导。

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洱海泥炭质土动剪切模量和阻尼比试验研究

刘超, 屈俊童, 段自侠, 张翔, 杨擎宇

地下空间与工程学报. 2021, 17(5): 1479-1485.

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为探究洱海地域泥炭质土动力学特性,利用GDS动三轴仪对重塑土样进行循环加载试验,得到了一系列围压、固结比、频率控制条件下的泥炭质土动应力-应变关系曲线,分析了不同围压、固结比、频率对土体动剪切模量G_d、动剪切模量比G_d/G_dmax和阻尼比λ的影响规律。结果表明:动剪切模量G_d随剪应变γ_d增大而减小,γ_d较小时,衰减速率较小,随着γ_d继续增大,衰减速率先增大后减小;在同一剪应变下,G_d随围压、固结比增大而增大,G_d对频率变化表现不敏感;采用Hardin-Drnevich双曲线模型(H-D模型)对重塑泥炭质土动应力-应变曲线拟合效果较好,动剪切模量比G_d/G_dmax随剪应变γ_d增大而减小,围压、固结比和频率对G_d/G_dmax的衰减规律无明显的倾向性;阻尼比λ随剪应变γ_d增大而增大,围压对λ变化规律影响较复杂,γ_d较小时,λ随围压增大而减小,γ_d较大时,λ随围压增大而增大;固结比越大,λ越大,频率越大,λ越小,λ对频率变化表现更敏感,体现了循环加载下泥炭质土的速率效应。

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考虑应力路径的软黏土小应变特性试验研究

李泉, 吴楠, 肖军华

地下空间与工程学报. 2021, 17(5): 1486-1494.

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以苏南地区原状软黏土经K₀固结形成的试样为对象,利用配备了弯曲元系统和局部位移测量系统的GDS应力路径三轴测试系统,研究了小应变范围内应力路径转角θ对剪切模量衰减曲线以及阈值剪应变(γ_0.7)的影响。试验结果表明,土体的初始剪切模量G₀值与初始固结应力大小呈正相关关系,并可表示为与孔隙比e、平均有效应力p′相关的函数关系式。土体的剪切模量在10^-6~10^-3的应变范围内随着剪应变的增加而逐渐衰减,并表现出和试验应力路径与近期应力历史间夹角θ的相关性:应力路径对衰减曲线的影响随着应力路径转角θ的增大逐渐增大,当两者完全相反时,其影响最大。在K₀固结条件下,应力路径转角θ对γ_0.7的影响大于初始固结平均有效应力p′,同时γ_0.7值随着应力路径转角θ的增大而逐渐增大。

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深部黏土的土力学内涵及关键试验技术初探

商翔宇, 钟慧琅, 田一帆, 郝飞, 周国庆

地下空间与工程学报. 2021, 17(5): 1495-1506.

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深部黏土地层是深部岩土工程中的常见土层,然而目前对其力学性质的认识尚落后于工程实践。首先通过与浅部硬黏土、浅部非硬质黏土等工程概念的对比分析,表明深部黏土具有独特的土力学内涵,即处于高压工况的饱和正常高压固结硬黏土,同时指出了无论是非硬质正常固结黏土或者是硬质的严重超固结黏土,其相关理论并不适合于少量已获得的正常高压固结硬黏土的力学性质;其次介绍了系统开展正常高压固结黏土力学试验的技术瓶颈在于高压固结阶段的严重耗时特点,分析了将高压固结阶段与后续剪切阶段分开进行的必要性;最后介绍了用于批量制备高压固结黏土试样的大尺寸高压固结试验系统的研制与初步应用实例。

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富水砂加卵石双地层锚索现场试验及数值模拟

魏支援, 王勇, 龚晓南, 郭盼盼

地下空间与工程学报. 2021, 17(5): 1507-1516.

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以锚拉地连墙为支护形式的基坑工程项目为背景,研究了锚固段穿越富水砂加卵石双地层条件下预应力锚索的锚固性能、传力机理、设计计算及优化方法。首先,通过锚索现场拉拔试验发现富水砂加卵石双地层可以提供较好的锚固力,成孔和注浆工效良好。然后,通过调整FLAC^3D中的cable单元的浆体粘结力参数逼近现场试验结果,得到锚固段与砂层与卵石层间的极限粘结强度建议值分别为30 kPa和200 kPa;与锚索传力机理理论解析方法相比,FLAC^3D中cable单元包含12项参数,可以更加全面地考虑多项影响因素,而且可以反映剪应力峰值随锚固段前端屈服向内部转移的动态过程。最后,通过FLAC^3D调整锚固段长度与设置位置达到优化锚索设计的作用。

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盾构掘削土体颗粒运动规律及传力特性DEM研究

李培楠, 翟一欣, 程盼盼, 朱合华

地下空间与工程学报. 2021, 17(5): 1517-1528.

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土压平衡盾构掘进时土舱压力的设定往往缺乏足够的理论支撑,其内部掘削土体颗粒的运动规律也无法直观展现。基于离散单元法(DEM)对土舱内砂卵石颗粒集合进行三维精细化仿真,通过支持向量机反演标定细观接触参数,获得了土舱内部颗粒流速度场分布情况和运移沉积规律,纵向上从土舱前端到隔板流动效果越来越差,横断面上靠近辐条外边缘及支撑柱附近区域的流动性较好,结合局部滞流特征提出了土舱内部结构优化措施。进一步阐述土颗粒内部接触力链变化更迭特征,分析了土舱隔板压力分布情况,其总体上呈现隔板压力左右对称,从上而下逐渐增大的特征。同时揭示了在砂卵石地层中开口率为66%的辐条式刀盘盾构机土舱隔板压力与刀盘前支护压力的映射关系,DEM计算所得压力传递系数为0.771 1,土舱隔板压力的合理设定值为47.08 kPa～70.69 kPa,研究成果可为砂卵石地层盾构土舱压力的设定提供理论基础。

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侧向荷载作用下公路隧道衬砌损伤演化分析

刘学增, 段俊铭, 郭乔堃

地下空间与工程学报. 2021, 17(5): 1529-1536.

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为了研究侧向荷载作用下隧道衬砌的损伤演化机制,采用1∶10相似模型试验分析了隧道结构在侧向荷载下的受力变形特征、破坏形式和损伤过程,基于试验结果利用数值计算反演分析了衬砌结构刚度衰减规律。研究表明:侧向荷载下隧道受力变形过程分为4个阶段:弹性受力阶段、拱腰开裂阶段、保护层局部破碎剥离阶段、结构软化破坏阶段;结构破坏模式表现为拱肩位置的斜剪破坏,关键部位破坏顺序为“拱腰开裂—拱肩脆性剪坏—拱腰延性破坏”,破坏时形成三铰拱可变体系。衬砌结构刚度在拱腰开裂后快速衰减,结构丧失承载力时刚度衰减幅度为84%;考虑隧道安全性评价,以结构技术状况评定值为界,结构在无破损、轻微破损、中等破损、严重破损、危险状态下的刚度折减系数分别为0.95、0.57、0.33、0.21、0.16。

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固相含量对盾构泥浆性能的影响研究

邢世宽, 孙平贺, 朱俊毅, 王心龙, 赵明哲

地下空间与工程学报. 2021, 17(5): 1537-1543.

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泥浆在盾构施工中起着难以替代的作用,而泥浆中的固相成分对泥浆的性能有很大的影响。为研究固相含量对泥浆性能的影响,本文选取湖南省长沙市某盾构施工工程所用泥浆为研究对象,通过X射线衍射实验测定泥浆固相成分及其含量,向基浆中反向加入不同含量的固相,测量分析泥浆性能的变化规律。研究结果表明:泥浆的漏斗粘度等流变参数随固相含量的增加而增加,在固相含量达到20%以后该规律更加明显;固相含量大于10%后会严重影响泥浆润滑性;泥浆滤失量随固相含量增加而持续减小,固相含量在5%~10%之间时,泥饼性能最优。综合分析,盾构泥浆的固相含量应控制在10%以内为宜。该研究成果对于盾构施工中固相控制有重要意义,为其安全性以及经济性提供保障。

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标准地铁出入口参数化设计研究

艾万民, 徐来, 蔡维龙, 程继武, 颜益红

地下空间与工程学报. 2021, 17(5): 1544-1548.

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地铁作为重要的城市地下空间,在建设过程中已逐渐强制应用BIM技术。通过对我院车站出入口BIM正向设计的研究,将两扶一楼地铁出入口定义为标准地铁出入口,分析了对其斜坡段进行参数化设计的必要性、急迫性和可行性;借鉴智能化设计的思路,总结与出入口斜坡段相关的设计规则、修正法则和触发条件,据此将参数分为独立参数、默认参数和因变参数,并建立各参数间的关系式,应用GDL语言进行封装。利用参数对应策略,保证图面表达满足国家标准,并用实际项目进行验证。该方法提高了地铁出入口BIM正向设计效率和质量,为其他地下空间的参数化设计和智能化研究提供了参考。

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电力隧道顶管工作井支护结构受力与变形实测分析

王靖, 张鹏, 陈晓龙, 牛国伦, 马保松

地下空间与工程学报. 2021, 17(5): 1549-1556.

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以佛山市某电力隧道顶管工程工作井(始发井)为例,对顶管工作井施工期间支护结构受力与变形情况进行现场监测。工作井施工期间监测数据表明:围护结构的变形具有明显的时空效应,工作井开挖期间长时间的暴露会导致地连墙深层水平位移增量变大、墙顶产生隆起以及内支撑轴力增大;内支撑的架设和底板的施工能够抑制地连墙水平位移向井内进一步增大,同时,也会使得其他内支撑轴力减小;拆除内支撑时,工作井围护结构整体水平位移变化幅度较大,靠近拆撑位置向井内位移,远离拆撑位置向井外位移,并且使得其他内支撑轴力增大;工作井支护结构“角部效应”明显,内支撑轴力和位移实测值均相对较小,设计偏于保守,应对设计方案进行优化。

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隧道明暗挖分界面处基坑支护桩施工力学效应

王桂林, 陈相宇, 冉龙宝, 寇鸿斌

地下空间与工程学报. 2021, 17(5): 1557-1568.

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论文以重庆某轻轨车站区间隧道明暗挖工程为例,提出隧道明暗挖分界面处支护桩结构的物理概化模型,采用数值模拟并结合现场监测结果,对隧道明暗挖分界面处基坑支护桩施工力学效应进行研究。分析结果表明:支护桩桩间距、桩截面尺寸、桩截面形状对支护桩力学效应的影响中,桩截面尺寸对支护桩桩身变形及力学效应影响最为显著;隧道洞径、埋深及走向变化对支护桩力学效应的影响中,洞径对支护桩变形影响较大;先开挖隧道后开挖基坑能有效减少坡顶沉降及侧向位移,同时桩身弯矩剪力值也较小;支护桩施工后设置拱形连梁可以有效增强余桩的支护作用。

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基于应力平衡的上穿施工既有隧道微变形控制

白海卫, 王剑晨, 刘运亮

地下空间与工程学报. 2021, 17(5): 1569-1577.

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新建工程上穿施工卸载导致下卧地层及既有地铁结构发生上浮变形。相比于下穿施工的超前预加固、千斤顶顶升、桩基托换等成熟且有效的变形控制技术,目前上穿施工引起既有结构的上浮变形尚未有较好的控制及恢复方法,是工程界亟需解决的问题。本文以北京某框架桥上穿既有地铁盾构区间工程为背景,基于案例搜集明确了当前上穿工程主要采用注浆加固和拉锚等辅助措施、既有结构实测上浮变形介于1.90~15.59 mm、新建工程开挖断面越大及既有结构纵向刚度越小则既有结构上浮变形越大的规律;采用理论分析提出了“应力平衡顶推法”,并制定了“力平衡,短进尺,勤量测”的施工控制措施;通过三维有限元计算,与压顶法和明挖法进行了对比,应力平衡顶推法引起既有隧道最大上浮变形最小(0.5 mm),是明挖法和压顶法的10%和12%。工程实际应用后,既有隧道实测累计最大上浮0.6 mm,为上穿工程提供了一种新的微变形控制方法。

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地铁运行对沿线不同砌体结构的振动影响研究

赵江涛, 苏洁, 吴奇兵, 宋伟, 李明星

地下空间与工程学报. 2021, 17(5): 1578-1585.

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随着地铁建设规模的不断扩大,地铁列车运行对沿线砌体结构振动影响日趋严重。针对这一问题,以某地铁线路邻近砌体结构为研究对象,建立了车辆-轨道-隧道-地层-砌体结构耦合模型,分析了砌体结构层数、墙体材料、基础材料对振动响应分布规律的影响。结果表明,墙体材料除石砌体外,均在不同层数出现振动响应放大现象,且配筋砌体最大;各种基础材料均出现振动响应放大现象,且峰值频域范围均为40~50 Hz;对于不同层数的砌体结构,水平向、垂向倍频程峰值个数略有区别,但每种层数下的最大加速度振级基本相同,均为60 dB左右。研究成果对地铁沿线砌体结构的振动控制具有指导意义。

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隧道初支与二衬间接触压力统计分析

王文卓, 梁庆国, 贾桂云, 史宝东

地下空间与工程学报. 2021, 17(5): 1586-1597.

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复合式衬砌一般由初期支护和二次衬砌共同组成,二者相互作用关系是隧道工程中的研究热点,本文通过对43座隧道79个监测断面初支与二衬接触压力的统计分析,探讨了接触压力的总体分布特征及其与围岩等级、隧道埋深、跨度等因素的关系,研究了二衬荷载分担比在洞周的分布规律,讨论了接触压力随时间的变化规律及其空间分布特征。结果表明:初支与二衬接触压力值分布在10~200 kPa之间;接触压力及其离散程度随隧道埋深增大而增大,Ⅴ级围岩增大趋势比Ⅳ级围岩更明显;二衬荷载分担比集中在0~20%范围内;接触压力有明显的时间效应,随时间的变化表现为快速增长至峰值之后减小,进而缓慢增大趋于稳定,稳定所需时间在二衬浇筑后30 d左右;接触压力空间分布规律为拱顶→拱肩→拱腰→拱墙增大,拱墙→拱脚→拱底减小。研究结论可为隧道结构受力分析与优化提供参考。

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隧道衬砌后方隐伏洞穴地质雷达响应特征分析

张湘桂, 邹明, 刘宗辉, 唐甫, 蓝日彦

地下空间与工程学报. 2021, 17(5): 1598-1605.

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探明隧道衬砌后方隐伏洞穴对保障隧道结构安全和隧道耐久性具有重要意义。采用地质雷达(GPR)进行隧道衬砌后方隐伏洞穴检测时,双层钢筋网的屏蔽问题、洞穴尺寸和洞穴内填充物类型判断问题一直未能得到很好的解决。将不同围岩等级的隧道二衬结构简化成双层钢筋网和素混凝土结构两种形式,分别开展双层钢筋网后方洞穴探测和衬砌后方洞穴尺寸与充填物类型识别试验。试验结果表明:同时采用天线垂直极化和尽量小的道间距进行探测能有效地降低双层钢筋网对衬砌后方目标体的屏蔽作用;衬砌后方圆形和近似圆形洞穴的尺寸可用渐近线法估算,且具有较高的精度;充填物类型的识别需要综合考虑洞穴上下界面反射波双程走时,上界面反射信号单道波相位的正负、振幅的大小和时频谱下界面反射波中心频率变化情况等特征综合分析。

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基于隧道衬砌脱空模型的叩击信号特征分析

卢松, 裴向峰, 杨玲洁, 于维刚

地下空间与工程学报. 2021, 17(5): 1606-1612.

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为分析叩击法在隧道衬砌脱空中的信号特征,获取叩击信号对脱空病害的关联参数,在对隧道衬砌脱空病害分析的基础上,建立多种工况的实体模型用以叩击信号分析。该模型厚5~45 cm以5 cm递增,分脱空5 mm、20 mm、完整衬砌3类情况,共计27种工况。对叩击信号的时域响应时长、频宽、频峰数量等8项参数进行统计分析,确定了获取稳定的波场信号所需的震源锤类型;并分析了8项参数对脱空情况、脱空大小的相关特性。明确了4项对脱空的强关联性参数、1项对脱空无关联参数、6项对脱空大小的关联性参数,并得出所述8项参数无法识别35 cm厚及以上厚衬砌脱空的大小等信息。本次隧道衬砌脱空模型叩击信号特征分析的成果,能有效指导叩击法对衬砌脱空病害的识别。

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爆炸平面波作用下大跨度洞室的抗爆性能研究

王建龙, 徐景茂, 顾金才, 唐海, 谢冰

地下空间与工程学报. 2021, 17(5): 1613-1621.

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为研究大跨度洞室在爆炸平面波作用下的抗爆性能,采用Froude相似理论对大跨度洞室在锚喷衬砌支护与不支护两种情况下进行抗爆模型试验,比较和分析两种洞室在不同工况下位移、应力、和应变的差别。结果表明,两种洞室的拱顶位移集中现象最明显,开始毛洞拱顶垂直应力略大,但随着药量的增加和爆距的减小,支护洞室拱顶应力逐渐增大直至大于毛洞受力。以其临界破坏荷载计算安全系数显示:毛洞仅相当于支护洞室的50%。对洞室的临界破坏进行数值模拟发现:各工况下,毛洞拱顶部位及其周边岩体产生的位移形变均大于支护洞室,主要是锚喷衬砌支护对洞室周边围岩的刚度、密度影响,减小拱顶荷载集中,增强了洞室的抗爆能力。数值模拟与试验结果基本一致,表明研究结论可靠性较高,对后续开展大跨度洞室抗爆模型试验和抗爆加固技术研究具有重要的参考价值。

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秦岭输水隧洞微震活动特征研究

李立民

地下空间与工程学报. 2021, 17(5): 1622-1629.

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岩爆是深埋地下岩体工程中面临的世界性难题。针对秦岭输水隧洞岭南工程开挖过程中面临的岩爆问题,本文基于微震监测技术,分析了相邻洞段不同开挖方式、相同开挖方式不同洞段条件下的微震活动特征。结果表明:微震活跃性与岩爆风险高低密切相关,可作为岩爆防治的重要参考依据;埋深与岩性相近条件下,钻爆法比TBM法的微震能量相对更低,岩爆风险相对更低,但TBM法掘进效率更高;微震活跃性与开挖进尺、隧洞埋深不存在明显正相关性,围岩较好、微震活跃性较低时可适当增加掘进速度,提高开挖效率,当围岩变差、微震活跃性较高时宜适当降低掘进速度,延缓或降低岩爆风险。本研究结果可供类似工程岩爆防治和微震监测参考。

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STS新管幕对地铁车站结构地震响应影响分析

王超, 吴凤元, 赵文, 王凯

地下空间与工程学报. 2021, 17(5): 1630-1637.

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为实现STS新管幕对地铁车站结构地震响应影响分析,以沈阳地铁十号线东北大马路站为工程背景,应用Midas-GTS软件,研究了在不同加速度强度的地震作用下,有STS新管幕和无STS新管幕地铁车站结构的地震响应变化规律。结果显示:在地震作用下,由于STS新管幕结构的存在,减小了车站结构的弯矩、位移及加速度,从而减小了地铁车站的变形,对抗震结果有利。地铁车站衬砌的连接部位特别是柱顶受地震强度影响较大,是地铁车站抗震的薄弱环节。STS新管幕结构对地铁车站抗震的影响规律与衬砌强度增加对地下结构抗震的影响规律相一致。研究可为沈阳地区地铁车站抗震研究及工程应用提供支撑。

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基于DBL理论的隧道排水管岩溶水结晶规律研究

黄骤屹, 王永东, 徐仁华, 蒋定然, 聂鑫磊

地下空间与工程学报. 2021, 17(5): 1638-1645.

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针对岩溶区隧道排水管结晶堵塞问题,在DBL理论的基础上结合水动力学,分别讨论了层流、紊流两种流态下的流速分布并推导出结晶沉淀速率函数表达式;采用模型试验的方法对岩溶水结晶规律进行探讨,以管道铺设坡度和液面高度为变量,将结晶厚度增长速率作为结晶沉淀速率分析指标,结果显示:随着管道铺设坡度的增大,结晶厚度增长速率逐渐减小,随着管道液面高度的增大,结晶厚度增长速率逐渐减小。此外,对比理论与试验的结果发现管道铺设坡度为3%、4%、5%时,相对误差分别为11.54%、10.14%、11.29%;管道液面高度为7.2 mm、10.2 mm、13.3 mm时,相对误差分别为11.29%、15.87%、15.09%,因此在误差允许的范围内,可认为结晶沉淀速率函数预测模型得到了有效的验证。

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基于监测大数据的地表沉降控制值研究

张建全, 姚爱敏, 闫宇蕾

地下空间与工程学报. 2021, 17(5): 1646-1652.

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城市轨道交通工程建设多处于复杂的城市环境中,其安全风险的控制至关重要。监测项目控制值的大小不仅直接影响到工程自身和周边环境的安全,对设计方案、施工方法的制定及工期造价也会产生很大影响,因此,合理地确定监测项目控制值是一项十分重要的工作。为了进一步精确地表沉降控制值,通过总结分析目前监测项目控制值相关研究成果,基于大量的工程监测数据资料,对城市轨道交通工程地表沉降控制指标进行了系统的统计分析研究,最终给出了不同地层、不同工法的区间及车站地表沉降控制值的建议值。

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地铁双线盾构区间地表横向沉降槽参数分析

吴锋波, 郑卫强, 齐剑峰, 王晓明

地下空间与工程学报. 2021, 17(5): 1653-1663.

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城市地铁盾构隧道的横向变形特点是确定工程影响区域和影响范围的重要依据。对我国22个建设城市的58条地铁线路、126个区间、964个地表横向沉降槽资料进行分析,研究了地铁双线盾构区间隧道的地表横向变形特点。根据地层条件的不同,对不同地层区域的沉降槽Peck公式拟合参数进行统计分析,得出了地层损失率和宽度参数的分布形态、相关统计值以及与隧道相对埋深的相关性。研究结果表明:(1)地层损失率和宽度参数的数理统计结果可以很好地指导不同地层区域地铁双线盾构隧道工程的影响区划分和影响范围的确定;(2)建议各地结合地层条件特点,对地表沉降槽进行深入研究,以提出更为适宜的地表横向沉降槽预测参数。

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空气幕顶部排烟系统控烟排烟有效性的研究

陶亮亮, 周小涵, 付孝康, 曾艳华

地下空间与工程学报. 2021, 17(5): 1664-1670.

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在火源两侧设置两道空气幕能有效阻隔火灾蔓延和烟气扩散。为了探明低射流风速下空气幕在点式集中排烟隧道内对火灾特征参数的影响,通过FDS研究了不同排烟量、射流速度和射流角度下隧道内烟气蔓延、温度分布和排烟效率的变化。结果表明:当HRR为30 MW时,射流速度至少应不小于2.5 m/s才能保证空气幕的隔烟作用;当射流速度在2.5 m/s以下时,射流角度越大空气幕的隔烟效果越差,这明显不同于射流速度较大的情形;空气幕能很容易地将空气幕外的温度控制在40 ℃以下,射流角度对逃生区域的温度分布影响不大,主要影响火羽流的分布;相同射流角度下排烟量越大排烟效率先升高后减小,而相同排烟量下随着射流角度的增大排烟效率逐渐减小;对于30 MW的火灾规模,推荐的控烟方案为:射流速度为2.5 m/s,排烟量为120 m³/s。

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高海拔隧道防烟策略及疏散通道间距探讨

郭志杰, 张奥宇, 鲁水涛, 邓敏

地下空间与工程学报. 2021, 17(5): 1671-1678.

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为了确定高海拔环境下特长公路隧道的服务隧道防烟通风策略及人员疏散通道最佳间距,采用FDS和Pathfinder建立了主隧道+服务隧道的通风排烟及人员疏散仿真模拟平台,分析50 MW火灾规模下隧道内烟气运动规律及人员疏散过程,基于克拉尼公式和FED准则综合判定ASET(可用安全疏散时间)。针对低氧气环境下人员运动效率低下的这一背景情况,对人员疏散速度进行折减,进一步确定RSET(必须安全疏散时间)。结果表明:服务隧道内纵向风速1.6 m/s可保证服务隧道内1 200 s时间范围内无烟,考虑高海拔地区火灾增长系数的折减,人员可用安全疏散时间呈现为“W”形,下游200 m处可用安全疏散时间最少,结合人员必须安全疏散时间分析,人行通道间距宜设置为200 m。

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海拔高度对公路隧道火灾烟气分布特性影响研究

曹正卯, 刘晓

地下空间与工程学报. 2021, 17(5): 1679-1686.

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高海拔地区存在大气压力低、空气密度小、含氧量低等特点,对公路隧道火灾燃烧和烟气扩散的影响与平原地区隧道有显著差异。为了得到不同海拔高度条件下公路隧道内火灾烟气扩散特性和温度场分布规律,依托米拉山高海拔特长隧道,采用FDS计算软件,对海拔0~ 6 km范围内不同海拔高度的隧道火灾进行三维数值模拟计算。分析不同海拔高度条件下火灾烟气逆流长度、隧道拱顶温度、距地面1.8 m高度处温度分布、隧道竖向温度分布等主要参数。研究结果表明:随着海拔高度的增加,火源上游区域烟气逆流长度不断减小,烟气逆流长度与海拔高度大致呈线性关系,海拔6 km情况下烟气逆流长度为平原地区的57%;与平原地区隧道相比,高海拔地区隧道火源上游区域温度较低,火源下游区域温度较高,高海拔隧道火源下游区域烟气温度降低幅度较大;火源下游区域,高海拔地区隧道竖向温度增长较快。

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