地下空间与工程学报

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陈一村, 郭东军, 陶西贵, 陈志龙, 张伟锋

地下空间与工程学报. 2021, 17(6): 1687-1694.

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为了解决城市地下物流系统在规划设计中面临货运需求量数据缺失的难题,针对城市地下物流系统的适用性,建立了货运需求量预测模型,以优化其网络形态和性能。根据灰色关联理论、遗传算法和BP神经网络方法,提出了基于GRT-GA-BP算法的货运需求量预测模型,进而识别影响城市地下物流系统货运需求量的关键因素,并对影响货运需求量的关键要素的历史数据进行训练以预测城市地下物流系统货运需求量。以北京市某新区规划设计的城市地下物流系统货运网络为例进行了仿真计算,案例研究结果表明,通过本文提出货运需求量预测分析方法,能够为城市地下物流系统的规划设计提供数据基础,进而合理设计网络节点和通道的货运容量。

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隧道式四季滑雪场功能改建及其规划设计研究

王艺霖, 付丹, 王述红, 张德海

地下空间与工程学报. 2021, 17(6): 1695-1703.

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以既有人防隧道改建为隧道式四季滑雪场项目为依托,进行了既有人防隧道创新性的功能改建及其规划设计研究。既有人防隧道,因年代久远,图纸信息等资料并不完整,因此既有隧道改建为隧道式四季滑雪场项目具有很大阻碍,为突破这一困难,在保证设计质量,提升工程效率基础上,利用BIM技术对其功能改建以及规划设计、隧道选线、断面选型进行研究,引入基于Dynamo的参数化体系创建复杂三维信息模型的新方法,并在隧道式四季滑雪场项目深化设计中应用,实现隧道主体及钢筋模型的精确、快速创建,提高了建模效率和精度,辅助滑雪场的功能改建及其规划设计,解决四季滑雪场设计、施工、运维等阶段BIM应用模型的基础问题。

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渗透侵蚀下砂性土细颗粒流失率预测方法

王明年, 江勇涛, 张艺腾, 于丽, 曾正强

地下空间与工程学报. 2021, 17(6): 1704-1712.

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渗流过程中内部不稳定砂性土细颗粒易于流失而形成渗透侵蚀,将对土工建筑物或地基造成不良影响。细颗粒流失率是土体力学性能劣化及稳定性分析的关键参数,为了对渗透侵蚀下砂性土细颗粒的流失率进行预测,笔者讨论了判断土体是否会发生渗透侵蚀的内部稳定性评价准则;介绍了细颗粒起动临界坡降,并对应力折减系数进行修正,以考虑土颗粒受力的差异性;提出了“细颗粒起动概率”,对细颗粒起动与否进行量化;分析细颗粒在土体孔隙网络中的迁移过程,给出了细颗粒通过收缩的概率和渗透迁移距离;根据细颗粒起动和迁移规律给出了细颗粒侵蚀和沉积定律,基于质量守恒定律形成细颗粒流失率预测方法。采用预测方法进行流失率计算,计算结果和试验结果吻合较好,误差基本在15%以内。

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超临界CO₂在高温裂隙岩体中的热交换研究

杨一奇, 何忱, 姚池, 杨建华, 周创兵

地下空间与工程学报. 2021, 17(6): 1713-1722.

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近年来,由于超临界CO₂(Supercritical CO₂,简称scCO₂)额外的地质封存效益,将scCO₂替代水,作为深部地热开采的工作流体的设想,正受到越来越多的关注。因此,开展高温裂隙岩体中流体运动和热交换过程的模拟研究,对于理解深部地热开采机理具有重要意义。本文在充分考虑scCO₂热物理性质随压力和温度变化的基础上,建立了基于三维裂隙网络显式描述的复杂高温裂隙岩体scCO₂热-流耦合模型。通过与热流耦合作用下的二维单裂隙模型的解析解进行对比,验证了数值模型的正确性,然后对scCO₂在复杂三维随机裂隙岩体的渗流和热交换过程进行了模拟。研究发现:贯通的裂隙网络通道是scCO₂的主要流动路径,在贯通的裂隙簇中会出现明显的优势流,突破现象最早在贯通裂隙簇中产生,scCO₂流体对压力非常敏感,选择合适的注入压力能显著增加热交换效率和降低流动难度。模拟结果表明,本模型可以很好地展现裂隙岩体换热过程的非均质特性和结构面控制特性,可作为评价scCO₂采热过程的有效工具。

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高温围岩封闭空气夹层隔热的理论与数值分析

李文菁, 邹声华, 杨万鑫, 胡琦

地下空间与工程学报. 2021, 17(6): 1723-1732.

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随着矿井开采深度的增加以及深埋隧道的发展,高地温地下空间热害问题日益突出,研究如何控制围岩散热在其热害治理中具有重要意义。结合空气夹层在建筑围护结构中保温隔热的作用,提出应用封闭空气夹层控制围岩散热量的隔热方法。利用FLUNET建模分析了巷道为不同截面形状时相应封闭空气夹层结构内的自然对流换热特性,拟合了不同形状巷道的空气夹层内平均自然对流强化系数的计算式K_ave=f(Ra,2δ₂/d₃)。得到以下结论:(1)不同形状巷道的自然对流强化情况不同,差异产生的原因是空气夹层顶部对流换热强度不同;(2)空气夹层隔热方法可有效降低巷道壁面的总放热量;(3)空气层厚度对岩壁散热量影响不显著,但巷道底部宽度对总放热量有明显影响,最佳空气层厚度为8 cm左右。

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浅埋层状岩体偏压隧道滑移破坏机理及判定方法

陈红军, 刘新荣, 杜立兵, 刘坤

地下空间与工程学报. 2021, 17(6): 1733-1741.

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渝涪高速公路鸭江隧道是典型的层状岩体隧道,其出入口段更是兼具了浅埋、地形和地质偏压等多重特点。基于鸭江隧道出口段的围岩参数,利用UDEC软件对不同岩层倾角条件下的浅埋层状岩体偏压隧道破坏过程进行了模拟。数值模拟的结果发现,当岩层倾角较小时易沿结构面垂直方向发生弯折破坏,当岩层倾角较大时易沿结构面发生滑移破坏。通过对隧道拱顶上方被挖断岩层建立受力模型,得出了拱顶上部岩层下滑力计算公式,并确定了下滑力大于零时会发生滑移破坏的判定准则。岩层倾角、地面坡角、隧道开挖范围内岩层厚度这3个因素的值越大,越易发生滑移破坏;结构面内摩擦角、岩层埋深这两个因素的值越小,越容易发生滑移破坏。研究成果对浅埋层状岩体隧道的设计、施工具有理论和现实指导作用。

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盾构切削混凝土桥桩刀盘荷载分析

杜欣, 黄雪梅, 郝岩, 刘维

地下空间与工程学报. 2021, 17(6): 1742-1750.

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依托北京地铁12号线盾构直接切削西坝河桥16根800桥桩工程,通过三维数值模拟和理论推导,对盾构法清障掘进面荷载展开研究。通过三维动态模拟,分析单个刀具逐次切混凝土荷载变化规律。基于等效原理与单刀切削荷载,提出一种对切桩刀具数、推力及扭矩的估算模型。并将此估算模型用于计算苏州地铁直接切削广济桥掘进面荷载,对比分析计算结果与精确叠加值在推力、扭矩方面的平均误差分别为10%、3.3%,验证了该估算模型的正确性。应用本文模型对盾构穿越西坝河桥各轴桩位掘进面切桩荷载进行预测分析,指出切桩工况主要对扭矩造成影响。研究结果可为类似地层盾构清障工程中掘进面荷载计算提供参考。

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盾构隧道变位复变函数解的验证与参数分析

宋文杰, 项彦勇, 刘毅, 商峰

地下空间与工程学报. 2021, 17(6): 1751-1761.

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针对不排水黏土浅埋盾构隧道的一种(均匀)收敛-椭(卵)变(形)-(刚体)下沉复合体积损失模型,分别引入椭变系数与下沉系数,采用改进的复变函数求解方法,求解对应的地层变位和地层应力,并分析复合体积损失模型参数的影响。参数分析表明:(1)随着隧道下沉系数或椭变系数的增大,地表沉降值增大,沉降槽宽度也增大,但增加的量值不大;(2)隧道椭变系数主要会影响地层水平变位的大小及方向,而隧道下沉降系数则主要影响地层水平变位分布曲线的曲率;(3)最大环向应力出现在开挖边界的顶部,主因是隧道的下沉,次因是隧道的椭变。本文方法可以计算分析粘土浅埋盾构隧道开挖引起的地层变位以及应力分布。

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软土基坑开挖引起地下连续墙水平变形的能量法

居玥辰, 宫全美, 赵昱, 陈娟

地下空间与工程学报. 2021, 17(6): 1762-1774.

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针对软土基坑开挖引起的地下连续墙水平变形计算问题,为克服以往解析方法的不足,提出了能量计算法。通过分析其典型变形模式,提出了适用于5种约束条件下的水平变形统一数学表达式;考虑地下连续墙非极限状态土压力,根据3种滑动面模型推导出相应的侧土压力表达式,进而建立整个围护系统总势能,利用最小势能原理,推导了地下连续墙水平变形的解析解。分别计算3种滑动面模型下的水平变形,并与基坑实测数据进行了对比验证,分析了各滑动面模型应用于地下连续墙水平变形计算的合理性。研究表明:对于内凸及复合式、悬臂式、踢脚式变形模式中,分别采用直线及对数螺线组合型、圆弧型、直线型滑动面较为合理,而三者对应的约束条件分别为两端固定、顶端自由底端固定、顶端固定底端平动。

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考虑围岩开挖扰动裂化的定位块体稳定性分析

李海轮, 李刚, 李奇, 王川, 冷先伦

地下空间与工程学报. 2021, 17(6): 1775-1781.

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节理、裂隙、断层等结构面与开挖面形成的块体稳定性一直是大型地下厂房施工安全的核心问题。施工中由于围岩的开挖扰动形成不同深度的“裂化面”对地下厂房关键块体的形成和稳定具有显著的影响。在对围岩开挖扰动分区裂化现象进行概化的基础上,将“裂化面”等效为平行于开挖面的结构面,采用一般块体分析理论,对某抽水蓄能电站施工过程中出现的围岩衬砌开裂和块体塌落开展定位块体稳定性分析。研究结果表明:考虑“裂化面”的块体多以棱台状出现;围岩开挖扰动裂化深度较浅时形成的定位块体易出现塌落,当裂化深度增加时,考虑“裂化面”相对于不考虑“裂化面”形成的定位块体的体积有明显增加,这些大体积的块体若发生小的滑移变形极易导致围岩衬砌开裂。

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HW-CSC应力-应变模型及其在强度预测中的应用

边晓亚, 程宇熙, 白希选, 白俊龙

地下空间与工程学报. 2021, 17(6): 1782-1788.

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采用低掺量水泥固化高含水率黏土(以下简称HW-CSC)作为围垦填料,能有效缓解填土资源紧张和疏浚淤泥弃置问题。加快推进HW-CSC工程应用,不仅要探明HW-CSC强度特性,还应掌握HW-CSC变形特征。为此,利用海泥制作HW-CSC试样开展无侧限抗压强度试验,测定不同配合比下HW-CSC试样无侧限抗压强度,并对HW-CSC试样应力-应变关系进行拟合,筛选函数模型描述HW-CSC试样应力-应变关系。分析结果表明,HW-CSC的应力-应变特性均表现为单峰值函数,宜选用Extreme函数来描述HW-CSC试样应力-应变关系。研究还分析了HW-CSC试样应力-应变模型参数的取值范围,并利用得到的应力-应变模型对HW-CSC进行强度预测,预测结果与试验结果对比结果表明了选用函数模型的有效性和适用性。

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盐岩三轴蠕变与损伤恢复变形特征研究

任奕, 徐邓, 刘建锋, 张强星, 吴池

地下空间与工程学报. 2021, 17(6): 1789-1795.

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地下盐岩储气库建设在我国能源储备战略中具有重要的地位,盐岩蠕变特性对地下盐岩储气库长期安全运行具有重要意义。为研究长期荷载作用下盐岩蠕变变形与损伤恢复特征,进行了不同围压、定偏应力的三轴蠕变及损伤恢复试验,损伤恢复时长超过150 d。研究结果表明:(1)高偏应力作用下,盐岩试样出现了明显的蠕变变形,轴向变形在30~40 d达到7%,体积变形先压缩后发生扩容;(2)低偏应力作用下,盐岩轴向蠕变变形量较小,体积变形持续压缩并趋于稳定;盐岩体积应变增幅随围压增大而逐渐增大,损伤恢复阶段试验达到150 d时,围压10、15、20、25 MPa对应体积应变分别相对增大1.06%、1.31%、1.30%及1.42%,盐岩体积应变增幅与围压之间呈正线性相关;(3)根据盐岩损伤恢复过程中体积变化特征及盐岩体积变形速率曲线,将盐岩损伤恢复划分为损伤快速恢复与损伤缓慢恢复两个阶段;盐岩损伤恢复主要发生在损伤快速恢复阶段,该阶段的体积增幅均达到全恢复过程的80%以上。

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盐溶液对膨润土-砂混合物膨胀性能的影响

吕立勇, 项国圣, 葛磊

地下空间与工程学报. 2021, 17(6): 1796-1802.

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利用自制固结仪,开展膨润土-砂混合物在蒸馏水及不同浓度的NaCl、KCl和CaCl₂溶液下的膨胀变形试验,研究盐溶液浓度和阳离子交换反应对混合物膨胀变形的影响。试验表明,试样在蒸馏水与不同浓度的NaCl溶液下可用同一条e_m-p_e曲线表示,表明NaCl主要通过渗透吸力的作用影响混合物的膨胀变形。K⁺、Ca²⁺主要通过置换吸附在钠基膨润土表面的Na⁺,使得膨胀性能减弱,因此NaCl溶液的抑制性小于KCl和CaCl₂。值得关注的是,膨润土-砂混合物在KCl与CaCl₂溶液下随浓度的变化产生了不同的膨胀变形规律。当浓度为0.1 mol/L时,由于同浓度下CaCl₂溶液中的总离子浓度大于KCl,从而通过渗透吸力的提高增大了有效应力,此时CaCl₂的抑制效果强于KCl;而浓度在0.5 mol/L时,CaCl₂的抑制效果弱于KCl,因为此时溶液中离子浓度较高,一方面K⁺可以充分置换吸附在膨润土表面的Na⁺;另一方面K⁺更容易嵌入相邻晶层间硅氧四面体中氧原子形成的孔穴里,使得相邻晶层连接起来,导致水分子不易进入层间,无法正常吸水,从而明显地抑制了膨胀变形。

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垫条直径对岩石劈裂抗拉强度的影响研究

段玲玲, 杨正春, 齐豫, 李涛, 邓华锋

地下空间与工程学报. 2021, 17(6): 1803-1808.

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在岩石巴西劈裂试验中,垫条直径直接影响岩石抗拉强度的大小。为此,选取典型砂岩试样,进行了1.3 mm、1.8 mm、2.3 mm、2.9 mm、3.5 mm、4.0 mm 6种垫条直径的巴西劈裂试验。研究结果表明:(1)钢丝垫条直径从1.3 mm增大到4.0 mm,砂岩劈裂抗拉强度呈“减小—稳定—增大”的非单调变化规律,总体可以分为三个阶段,其中,垫条比为0.026～0.046、0.058～0.081时,砂岩的抗拉强度试验结果变化幅度较大,而且离散性比较明显;垫条比为0.046～0.058时,砂岩的抗拉强度趋于稳定,而且,试验结果离散性明显较小,破裂面平直,垫条对岩样的劈裂张拉破坏起到很好的导向控制作用。(2)钢丝垫条直径对岩石抗拉强度及破坏模式的影响,实际上是垫条直径与矿物颗粒粒径相互关系的影响,从试验结果来看,当垫条比为0.046～0.058时,也即垫条直径与矿物颗粒粒径比值在5.750～7.250时,试验得到的岩石劈裂抗拉强度比较稳定,离散性较小。因此,在岩石巴西劈裂试验中,建议根据岩石矿物颗粒大小选取合适的垫条直径,以保证试验结果的合理性和准确性。

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公路隧道钢管混凝土拱架偏压长柱承载机理研究

任兆丹, 王智勇, 孔超, 张俊儒

地下空间与工程学报. 2021, 17(6): 1809-1820.

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通过对不同尺寸的钢管混凝土长柱进行偏压试验,对比分析了试验结果与数值模拟结果,主要研究了核心混凝土以及钢管的力学性能和破坏特征,研究结果表明:(1)钢管是影响钢管混凝土压弯承载力的主要因素,钢管的直径、壁厚与钢管混凝土长柱在偏压荷载作用下的承载能力有较大关联;(2)偏心距的增大会减小钢管混凝土长柱的承载力,但影响程度与钢管尺寸有关,钢管截面尺寸越小,偏心距对其承载力的影响越小;(3)钢管在承载时表现出明显的弹塑性特性,在达到极限承载力时,钢管弯曲部位由于受压屈服导致破坏;(4)核心混凝土在承载过程中主要承受压力。由于钢管对核心混凝土的约束效应,虽然核心混凝土已经进入塑性阶段,但在钢管的约束下仍有一定的承载能力;(5)在轴向压力作用下,钢管混凝土的破坏过程是整体达到屈服极限,但由于整体变形的差异导致弯曲破坏。

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单幅值循环动载下饱和砾砂动力特性试验研究

王家全, 祝梦柯, 唐毅, 唐滢

地下空间与工程学报. 2021, 17(6): 1821-1828.

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为探究动应力比和围压对饱和砾砂动力特性的影响,通过一系列饱和砾砂动三轴试验,分析了动应力比和围压对饱和砾砂轴向累积应变、回弹模量、动孔隙水压力以及滞回曲线的影响。结果表明:在同一围压下,动应力比增加时,砾砂的轴向累积应变、回弹模量增大,而动孔隙水压力减小;不同围压下,饱和砾砂的轴向累积应变、回弹模量以及动孔隙水压力均随围压的增加而增大;围压的增大有利于提高土体能量耗散的能力,而振次的增加会使土体的耗能作用减小;滞回曲线的倾斜程度随动应力比、围压以及振次的增加而增大,表明土体的回弹模量增加、刚度增大;滞回曲线的演化规律能够更加形象地反映出土体形变、刚度和耗能作用的变化,对土体动力特性进行分析时应结合滞回曲线的演化规律进行综合分析。

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微生物固化纤维加筋砂质黏性紫色土试验研究

程果 , 汪时机 , 李贤, 沈泰宇, 许冲

地下空间与工程学报. 2021, 17(6): 1829-1838.

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微生物诱导方解石沉积(MICP)技术是一种新型土体加固措施,大量的研究表明,土体加固强化的同时也使得土体破坏呈现明显脆性。为了改善微生物固化紫色土的脆性破坏模式,采用纤维加筋与微生物固化相结合的加固方法,将质量分数为0.4%、0.6%、0.8%的纤维与紫色土混合,然后采用巨大芽孢杆菌和钙盐溶液对土样进行不同灌浆次数的固化试验(3次、5次、7次、9次)。通过无侧限压缩试验测定试样抗压强度,洗酸法试验测定试样碳酸钙含量,烘干法测定试样干密度,结果表明:(1)在微生物固化紫色土中掺入纤维,能显著提高试样固化后的无侧限抗压强度和峰值强度对应的轴向应变,改善了土体破坏时的韧性;(2)纤维掺量影响微生物固化紫色土的力学性质,其强度随纤维掺量总体上呈先增大后减小的趋势,最优纤维掺量为0.6%;(3)随着固化时间增加,试样的碳酸钙生成量和干密度逐级增加,强度与碳酸钙生成量呈正相关且有效碳酸钙沉积越来越少,强度趋于稳定;(4)纤维加筋可以提高碳酸钙沉积的效率和产量,土样内生成的碳酸钙对纤维加筋效果具有强化作用。研究成果可以为纤维加筋与MICP固化相结合的土体加固技术应用提供指导和参考。

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紧邻基坑的地铁隧道跟踪注浆保护模型试验

陆幸, 郑明飞, 刘干斌, 叶俊能, 郦亮

地下空间与工程学报. 2021, 17(6): 1839-1846.

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以宁波轨道交通3号线陈-姜区间隧道为依托,开展了紧邻基坑的地铁隧道跟踪注浆保护模型试验研究,测试了隧道的位移、隧道外侧土压力与孔隙水压力、地连墙压力和位移及地表位移等,分析了注浆在土体内部的流动机理及对隧道位移的影响机理,结果表明:注浆后隧道位移有一定幅度的减缓,注浆停止后位移继续增大;土体中孔压、土压力增量较小,约为注浆压力的1/70~1/50,且注浆压力受土体阻力作用后快速衰减;注浆距墙体较近时,地连墙压力、水平位移显著增大,对基坑稳定不利;跟踪注浆的劈裂面平行于地连墙长度方向,浆液沿着土体应力最弱面,即小主应力面垂直方向进行劈裂。

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管道型岩溶隧道衬砌结构受力特征试验研究

谭信荣, 樊浩博, 宋玉香, 刘勇, 杨海宏

地下空间与工程学报. 2021, 17(6): 1847-1856.

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为了研究管道型岩溶对隧道衬砌结构的影响,以郑万线典型岩溶隧道为依托,开展管道型岩溶隧道衬砌结构受力特征试验研究,分析岩溶管道发育位置、管道尺寸及管道内水头高度对衬砌内力的影响。结果表明:当岩溶管道位于隧道拱顶或仰拱中心时,衬砌轴力及弯矩沿隧道轴线呈对称分布,当岩溶管道位于隧道边墙中部或边墙脚时,存在岩溶管道的一侧轴力显著大于另一侧区域;随着管道内水头高度及管道直径的增加,岩溶管道与衬砌相交处的轴力及弯矩均大幅增加;岩溶管道与隧道相交处的衬砌内侧承受较大的正弯矩,衬砌内侧被拉裂的风险较高。研究结果可为管道型岩溶隧道的结构设计及施工提供指导。

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铁路隧道衬砌机制砂混凝土耐久性能试验研究

王立川, 傅蕾, 王永林, 张学民, 邓柏流

地下空间与工程学报. 2021, 17(6): 1857-1863.

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目前天然河砂资源紧缺,基于叙毕铁路川滇段某标段隧道工程大量采用机制砂施作隧道衬砌混凝土的现状,为揭示铁路隧道衬砌机制砂与河砂混凝土耐久性能方面的差异,考虑细骨料、混凝土强度等级、养护条件等因素的影响,进行电通量与碳化试验,研究不同因素对混凝土抗氯离子渗透性能和抗碳化性能的影响。试验结果表明:相同强度等级的机制砂混凝土耐久性能指标高于河砂混凝土约6%~10%,且混凝土耐久性能随强度等级的提高得到不同程度的提升;标准养护条件下混凝土耐久性能明显优于隧道内自然养护条件下混凝土,其抗氯离子渗透性能和抗碳化性能分别提升约43%、37%。根据试验结果,在隧道施工过程中需加强衬砌混凝土养护以增强其耐久性能。

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高温作用下卸荷损伤花岗岩力学特性试验研究

陈兴周, 陈莉丽, 马彬, 张旭, 杜威

地下空间与工程学报. 2021, 17(6): 1864-1874.

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近年来公路隧道火灾发生频次逐年升高,由隧道失火诱发的非衬砌段隧道围岩稳定性及其安全问题需要重视。为研究开挖卸荷叠加火灾高温效应对隧道围岩物理力学特性的影响,开展了以卸荷损伤试样为对象的高温及三轴再加载试验,对比了高温后卸荷试样质量、波速及表观特征的差异性,分析了试样力学特性及其破坏特征随温度的变化规律。结论如下:(1)高温作用后卸荷损伤试样力学特性劣化明显,温度荷载越大,试样峰值强度降低越多;(2)三轴再加载过程中,峰后应变与卸荷围压和温度关系密切,温度越高,峰后加速应变越大;(3)卸荷效应为高温改变试样的物理力学特征提供了作用通道,不同高温后卸荷岩样颜色差别较大,600 ℃后波速降低显著,平均降低64.73 %;(4)温度荷载加剧了卸荷损伤试样的裂隙演化、扩容及结构松弛,卸荷量级与温度改变了试样主破裂面的展布形式,低温条件下围压对试样变形破坏起主控作用,高温条件下温度荷载为主控因素。研究结果可为非衬砌段隧道围岩的工程设计提供理论参考。

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冲刷条件下砂土中单桩水平循环加载模型试验

潘志杰, 牛壮壮, 俞剑, 黄茂松, 王博伟

地下空间与工程学报. 2021, 17(6): 1875-1880.

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近海风机大直径单桩在波浪的作用下承受水平循环荷载,并产生冲刷效应。采用一套可施加大周数循环荷载的试验装置,探究砂土中冲刷深度与加载路径耦合作用下大直径单桩累积变形特性与位移预测模型。通过对试验结果归一化和回归分析,得到位移预测模型,其为循环次数的幂指数和初次循环累计位移两者的乘积。研究发现,幂指数受加载路径和冲刷深度的影响较小;初次循环累积位移由两个相互独立的参数决定,即荷载峰值和控制循环幅值的荷载类型。荷载峰值受冲刷深度影响,荷载类型与冲刷深度无耦合关系。试验得到的位移预测模型的幂指数和初次循环累积位移公式可用于单桩长期水平循环累积位移的预测。

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剪切波速-相对密度联合试验与经验公式验证

王海, 王永志, 汤兆光, 袁晓铭, 段雪锋

地下空间与工程学报. 2021, 17(6): 1881-1887.

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汶川Ms8.0地震发生的数百公里大规模砾性土液化震害,引起了国内外学者对剪切波速液化判别技术适用性的高度重视。为合理评价波速测试手段应用于高含砾量、宽级配粗粒土液化判别的可靠性,发挥该技术在室内外土动力参数关联方面的独有优势,以相对密度与抗液化强度相关性为基础,通过自主研制大型波速量测系统,开展饱和砂土与砾性土剪切波速-相对密度联合室内试验,分析砾性土相对密度与波速指标内在关联性,对已有经验公式进行验证。研究结果表明:砾性土波速与相对密度呈良好线性关系,颗粒组排结构的不同是导致砾性土与砂土整体波速差异及数据离散度差别的主要原因;砾性土剪切波速对孔隙比变化灵敏度高于角砾砂,所提修正经验公式更适于描述砾性土波速随相对密度变化关系。

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扩底抗浮锚杆的抗拔承载特性试验研究

张晨, 周峰, 王旭东, 朱锐

地下空间与工程学报. 2021, 17(6): 1888-1893.

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我国东南沿海地下水位普遍较高,位于该地区的筏形基础大都需要考虑基础抗浮问题。笔者研发了一种采用向底部空腔二次注浆扩孔形成扩底截面的扩底抗浮锚杆,在此基础上,就该装置的抗拔承载性状及荷载传递机理进行了现场试验研究,给出了实际应用的预期效果。测试结果表明,该装置在软土地基中扩孔效果良好,其承载性能显著优于普通锚杆。试验结果揭示了具有扩底截面的抗浮锚杆的轴向应力和剪应力分别随荷载水平和锚固深度变化的分布。相比较而言,扩底抗浮锚杆具有布置灵活,构造、受力合理等特点,可作为软土地区的基础抗浮设计的优选方案。

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复杂工况下超长联络通道冻结法设计与施工

王书磊, 丁国胜, 吴强

地下空间与工程学报. 2021, 17(6): 1894-1905.

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不同于常规联络通道冻结工程,超长联络通道的设计与施工存在巨大差异。以福州市轨道交通2号线紫阳站—五里亭站区间超长联络通道及泵站工程为例(两隧道中心距65.8 m),系统介绍了复杂工况条件下超长联络设计与施工中的关键技术,包括:区间隧道与联络通道结构优化与调整、长距离水平钻孔试验与质量控制、冻结加固设计理念与主要技术参数、开挖前冻结效果评价、开挖构筑分段与过程管控、冻胀压力释放与后期融沉控制等方面。该工程已安全、顺利完成,开创了国内超长联络通道冻结工程的全新记录。其成功经验表明:超长联络通道采用双泵站结构、双向冻结加固的方案是可行的,整体风险可控;采取分区冻结、错时冻结,对控制冻土体量、减小冻胀量具有重要作用;长距离水平钻孔过程中,应加强过程控制,以最大终孔间距作为控制指标,及时修正下一冻结孔钻孔参数;双向开挖和分段浇筑二次结构,兼顾了效率与风险管控,值得肯定。另外,施工中也存在一些需进一步深入研究问题,如:长距离水平钻孔偏斜控制、长距离泄压、融沉控制等。

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高地温隧道地温特征及预测研究

胡政, 郭维祥, 王平易, 刘金洋, 田茂中

地下空间与工程学报. 2021, 17(6): 1906-1915.

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尼格隧道属长大深埋隧道,兼有高水温与高岩温,最高水温达63.4 ℃,最高岩温达88.8 ℃,最高气温达56.4 ℃。为了研究隧道地温特征并进行地温预测,针对性地设计了一系列地温测量方案,研究成果表明:灰岩段表现为高水温,水温＞气温＞岩温,水温与气温随着隧道进深及埋深呈现上升趋势,出水量及水温在接触带附近达到高值,洞内气温受水温、隧道出水量、积水量影响大;花岗岩段表现为高岩温,无水,岩温与气温随隧道进深及埋深呈现上升趋势,两者差值约为25~30 ℃;超前钻孔在孔深＞2 m时岩温达到稳定;一个完整施工循环的施工环境气温呈现4个阶段:气温下降阶段(打钻施工环节),气温骤升阶段(爆破施工环节),气温快速上升阶段(新爆围岩散热),气温缓降阶段(出渣施工环节),出渣环节由于车辆及挖机等机械作业影响,气温出现多处异常高值;施作二衬后,二衬内外壁温差约3.4 ℃;利用热量传递理论、地热成因理论预测的最高地温值与实测值较为吻合。该工程案例颇为典型,本文研究对西南高地热区隧道工程建设具有指导意义。

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深埋老黄土隧道变形规律及初支受力机理

王刚, 仇文革, 申志军, 龚伦

地下空间与工程学报. 2021, 17(6): 1916-1925.

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为了解决深埋老黄土隧道初期支护因围岩弱化挤压而破坏的现象,为隧道支护破坏整治提供依据,以阳山隧道出口深埋老黄土段为工程依托,对不同含水率下隧道变形规律进行了统计分析,然后综合采用变形反演、强度折减数值计算和实测支护内力规律对比的方法对初期支护的整体受力状态和受力规律进行了研究,最后通过数值计算对初期支护受力关键部位的破坏过程和破坏机理进行了分析。得到如下结论:(1)深埋老黄土隧道变形规律与围岩含水率相关,在围岩含水率低于老黄土塑限前,隧道的变形量小、稳定速度快、拱顶沉降大于水平收敛,含水率大于塑限后,隧道变形量显著增加、持续时间长、水平收敛大于拱顶沉降;(2)初期支护全环整体处于小偏心受压模式,受力关键部位为拱部,随着围岩的不断弱化,支护小偏心受压模式不变、内力逐渐增加,最大内力由拱腰转移至拱脚处;(3)在小偏心压力作用下支护结构为“压-剪”控制破坏,表现为混凝土表面压碎剥落、内部斜向剪切破坏,锁脚锚管的存在对结构破坏发展方向有引导作用,使得结构由“X”型对称剪切破坏转化为固定方向的斜截面剪切破坏。建议支护破坏整治方案采用可提高结构斜截面抗剪强度的加强措施,或采用限阻耗能型支护来释放围岩压力并减小结构内力。

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岩溶地区的精细探查技术

钟世航, 王荣, 孙宏志, 王泽峰, 李利平

地下空间与工程学报. 2021, 17(6): 1926-1934.

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随着在岩溶发育地区大量基础建设工程的兴建,出于工程设计和施工以及城乡防灾减灾的需要,对岩溶地区的勘查技术提出了新的要求。要发展精细探查的综合物探技术,目标是探查200 m深以内0.5～1 m以上大小的溶洞,以及中小断层和交叉断层,探查覆盖层下起伏的灰岩基岩面。目前许多物探方法受到汽车行人振动,地电、电磁波干扰,无法在城市闹市区正常工作,应发展在城市振动、地电和电磁强干扰下能正常进行数据采集的物探技术。近19年来,已有一些物探方法和技术达到了这些要求,还有一些方法技术已有一定进展,只要确定其突破的方向,就有可能在短期内有较大进展。

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地下连续墙接头病害的跨孔雷达检测方法

覃晖, 王峥峥, 耿铁锁, 唐玉, 谢雄耀

地下空间与工程学报. 2021, 17(6): 1935-1943.

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地下连续墙的接头是基坑围护结构的薄弱部位之一,在施工中容易出现渗漏、夹泥、开裂等病害,危害基坑本身和周边环境的安全。为实现在基坑开挖前对病害进行检测,针对跨孔雷达检测方法展开了研究,分析了电磁波在地下连续墙内的传播特点,指出可采用零高差测量对病害进行快速定位,然后实施多高差测量确定病害的具分布形态。基于电磁波时域有限差分法,通过数值仿真模拟了跨孔雷达对地下连续墙接头渗漏、夹泥和开裂病害的探测,分析了各类病害的跨孔雷达数据特征。利用跨孔雷达方法对某地铁车站基坑地下连续墙进行探测试验,准确找出了地下连续墙接头夹泥及其分布范围,验证了跨孔雷达方法的有效性。

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水盐条件下混合钠盐盐渍土的地质雷达波形

温世儒, 吴霞

地下空间与工程学报. 2021, 17(6): 1944-1951.

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盐渍土在天然状态下的含水率与含盐量具有不定性,为了研究粗粒混合钠盐盐渍土的地质雷达波形特征,根据含水率和含盐量调配了4组模型填土;采用SIR-3000地质雷达配备900 MHz天线对模型填土实施探测,并据此获得探测彩色图像及其初步特征;为了对彩色图像及其初步特征进行验证,基于实际场地实施现场实测。结果表明:影响彩色图像特征的主要因素是含水率,当含水率大于35%时,探测彩色图像变得模糊不清并具有“斑点状”特征,无法继续开展有效的解译分析,低频特征明显且主频不超过中心频率的1/3;当含水率低于20%时,电磁反射的强度随含盐量的增加而增强,探测图像反射明显且清晰可见,可读性良好。研究结果能为基于地质雷达的粗粒混合钠盐盐渍土的无损探测提供一定的参考与借鉴。

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中国西南地区隧道施工事故特征分析

张军伟, 陈云尧

地下空间与工程学报. 2021, 17(6): 1952-1957.

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为探究中国西南地区(重庆、四川、贵州、云南、广西)的隧道施工事故特征,结合事故次数、死亡人数、受伤人数3项指标对2006-2016年间发生的隧道施工进行了分析。通过年度、月度、一天时间段分析研究了事故的时间特征,发现从2012开始3项指标均呈增长趋势、事故高发的月份是11月,并分析了时间因素与省区的耦合关系。依据死亡人数对事故的严重程度进行了研究,发现事故类型主要以较大事故为主且稳定发展。将事故类型划分为9种,通过分析得出西南地区事故类型主要为坍塌、窒息中毒、爆炸,并依据事故类型与省区的耦合关系揭示了各省区事故类型特征。

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天然气管涵顶管下穿对高速公路的影响研究

郭延辉, 孔志军, 李斯桂, 何进

地下空间与工程学报. 2021, 17(6): 1958-1964.

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楚雄-攀枝花天然气管道穿越G5京昆高速时,下穿涵洞采用顶管法施工。为研究天然气管涵顶管下穿对该高速公路安全的影响,在顶管施工对地表土体扰动机理分析的基础上,通过数值仿真,分析了顶管下穿施工引起操作坑和接收坑、顶管结构、管涵围岩以及高速公路路基路面的变形规律和受力特征。结果表明,高速公路处于顶管施工的卸荷扰动区;顶管施工结束后,高速公路路基路面变形较小,满足变形控制要求;操作坑和接收坑、顶管等结构主应力值均小于钢筋混凝土设计强度标准值;在现有顶管施工设计参数下,若合理施工、及时监测、管理到位,则顶管下穿基本不会影响到京昆高速公路的正常运营。研究成果对于下穿顶管的安全施工和京昆高速公路的正常运营具有重要的意义。

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考虑土体刚度衰减的地面堆载对既有隧道影响

王敏, 甘晓露, 杜巍, 俞建霖, 龚晓南

地下空间与工程学报. 2021, 17(6): 1965-1971.

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地面临时堆载可能会使周围土体产生明显的沉降变形,进而对城市地下空间中的邻近既有隧道产生不利影响。理论解析法是评估地表超载对既有隧道影响的有效方法。目前的理论解析分析方法一般假定土体刚度沿既有隧道轴线方向为一定值,忽略了地面堆载引发的土体刚度衰减的影响。基于两阶段分析法提出了考虑纵向土体刚度衰减的地面堆载引发既有隧道变形计算模型。既有隧道被假定为搁置在Winkler地基上的Euler-Bernoulli梁。利用邓肯-张模型对地表堆载引发的土体非线性响应进行评估,并结合现场实测数据对模型的适用性进行验证。研究成果可为合理评估地表堆载对既有隧道的影响提供依据。

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地下水位对某地下综合管廊稳定性影响研究

张朝鹏, 李安强, 张文举, 覃黎, 刘洋

地下空间与工程学报. 2021, 17(6): 1972-1979.

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基于Midas软件,采用有限元分析方法开展数值模拟,分析了不同标高地下水位条件下,地下综合管廊的变形、内力和某一截面的安全系数。并将不同条件下的各项力学指标进行对比分析发现,随着地下水位不断上升,地下综合管廊主体结构最大弯矩由66.4 kN·m变为106.4 kN·m,最大剪力由134.7 kN变为224.3 kN,出现位置也从中间转变为腋角,同时最大水平位移大幅增加,由0.22 mm变为1.71 mm。某一截面安全系数由8.12降低到7.1,地下综合管廊主体结构虽仍处于安全的稳定状态,但稳定性不断下降。本文综合分析了地下水位升高对地下综合管廊稳定性的影响,为实际工程中不同地下水位条件下地下综合管廊保持稳定提供参考。

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上海浅部砂层管道渗漏引发塌陷的数值模拟

蔡剑韬, 付栋, 李婧铭, 戴轩

地下空间与工程学报. 2021, 17(6): 1980-1987.

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为了揭示上海市浅部砂层中因管道渗漏引发地面塌陷灾害的发展过程,采用离散元和计算流体力学(DEM-CFD)耦合的方法,对不同地下水位、不同地层中的管道发生渗漏后引发地层变形规律及水土流失规律进行研究。研究结果表明;富水粉砂层管道渗漏过程中,土体从漏点开始逐步流失,地层变形逐步向地表发展;管道渗漏过程中,地表沉降主要受影响范围为2~3倍漏点埋深;漏水流量经历快速增加进而趋于稳定的过程中,土体损失率随着渗漏时间线性发展;低地下水位时渗漏引发的地层位移发展要显著慢于高地下水位的情况;渗漏发生时,控制地下水位、改良土体性质是控制渗漏引发变形的重要手段。研究成果对管道渗漏引发地面塌陷灾害的预测预防具有一定参考意义。

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下向分层胶结充填采场失稳机理及顶板垮塌模式研究

谭宝会, 张志贵, 陈星明, 朱强

地下空间与工程学报. 2021, 17(6): 1988-1996.

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以某矿下向分层胶结充填法采场发生大面积失稳事故为工程背景,通过分析地表及井下工程破坏情况得出采场顶板发生了“下部充填体散体冒落+上部充填体及覆岩整体陷落”的复合垮塌模式,并进行了理论计算验证。数值模拟研究结果表明,随着采场中采空进路数量的增加,各间柱上的垂向压力不断叠加,若有一个间柱因承压达到极限而失稳,压力便向周边间柱转移导致其他间柱失稳,进而引发“多米诺效应”式的间柱连锁失稳现象,空区顶板在拉应力作用下发生散块冒落,空区边缘部位在集中剪应力作用下发生整体剪切滑落,最终发生直通地表的大规模垮塌事件。结合矿山实际生产问题,提出了一系列采场失稳风险防控措施,可为类似矿山提供借鉴。

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小井间距双井盐穴储库稳定性综合评价研究

唐子茜, 姜德义, 陈结, 范金洋, 刘伟

地下空间与工程学报. 2021, 17(6): 1997-2006.

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小井间距双井水溶造腔技术在造腔速度和后期注采气方面要优于单井造腔,但目前小井间距双井工艺建造形成的腔体稳定性缺少更为细致的评价。采用故障树分析方法,针对建腔到成腔运营过程中的各种风险,尤其考虑双井独有的井口距和长短轴之比,建立了小井间距双井稳定性评价体系。根据实验和数值模拟,发现井口距、长短轴之比分别对管柱位移、腔体形状影响较大,由此建立了相应的评分模型。利用AHP计算得到各评价指标的权重后建立了小井间距双井盐穴储气库失效的综合评价方法。最终采用法国GEOSEL-MANOSQUE地区的TA&TB井组验证了评价方法的可行性。

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页岩膨胀对威荣地区套管变形的影响机理研究

李皋, 李泽, 李红涛, 蒋祖军, 何龙

地下空间与工程学报. 2021, 17(6): 2007-2014.

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威荣地区套管变形问题突出,已成为制约该区块页岩气资源高效开发的瓶颈。通过对现场统计数据的分析,明确威荣地区套管变形与页岩性质及岩性分界面有关。并通过有限元数值模拟对页岩膨胀引起套管变形问题开展分析。研究结果表明:层理缝在液相作用下的层间膨胀导致页岩形变。考虑页岩膨胀应变后的套管外载荷急剧上升。不考虑页岩膨胀应变条件下的岩性分界面对套管外载荷影响有限,考虑页岩膨胀应变后的套管在岩性分界面处的应力集中现象显著增加。密集射孔将释放因页岩膨胀而导致的膨胀应力,是防治威荣地区套管变形问题的有效措施。

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基于GIS的长距离工程地质灾害危险性分析

于航, 张社荣, 王超, 严磊, 梁礼绘

地下空间与工程学报. 2021, 17(6): 2015-2020.

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高山峡谷区长距离工程沿线地理环境差异大,滑坡、崩塌、泥石流、地震等地质灾害时有发生,严重危害工程安全,并且高山峡谷地区地貌复杂多变、地势起伏大,不可避免的要受到更多的地质灾害方面的影响。以云南省滇中引水工程楚雄段为例,首先对楚雄段的自然地理环境与地质环境进行了综合分析,基于Geo-GPS技术进行野外调查,分析灾害空间分布,结合RS遥感数据和DEM数据,建立地质灾害的空间关键指标,通过敏感性分析进行各项指标的等级划分,采用GIS空间分析法和层次分析法,计算指标的相对权重,进行指标的加权线性叠加,形成滇中引水工程楚雄段地质灾害危险分级图。研究结果有利于高山峡谷区长距离工程在施工与运行中对地质灾害的预防和监测。

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淮北煤田宿临矿区中层水水文地球化学演化特征

邱慧丽, 桂和荣, 崔琳, 洪荒, 崔亚利

地下空间与工程学报. 2021, 17(6): 2021-2029.

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为了解淮北煤田中层水化学演化过程,选择淮北煤田较具代表性的宿临矿区为研究基地,以历史监测水质数据为基础,采用离子组合比以及主成分分析等方法,分时段开展中层水水文地球化学时空演化特征分析。研究结果表明,宿临矿区中层水水化学类型主要是HCO₃·SO₄—Na·Mg型和HCO₃—Na·Mg型,短期内无明显变化。离子组合比和主成分分析结果显示,中层水常规离子组分主要受硅酸盐风化作用的影响,也伴有离子交换作用。主成分得分等值线图显示整个研究区中层水浓缩作用和阳离子交替吸附作用较稳定。中层水TDS等值线分析表明西部中层水相对东部而言,水流速度较快,滞留时间长。研究结果为矿区水源地实现科学管理提供一定的参考。

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多功能蓄能发光材料辅助隧道照明光环境研究

冯守中, 陈雪峰, 冒卫星, 周龙, 朱合华

地下空间与工程学报. 2021, 17(6): 2030-2036.

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现有公路隧道照明系统多具有能耗大的弊端,导致照明电耗成为公路隧道运营的沉重负担。利用多功能蓄能发光材料结合LED灯具进行隧道照明设计,是公路隧道照明节能发展的新方向。为研究多功能蓄能发光材料辅助隧道照明的光环境特性,选取了一条长160 m的原型隧道结构开展照明试验,根据试验得出了不同色温LED光源下隧道内壁面与路面亮度、光源光谱与显色指数及小物体可视距离的变化规律。试验结果表明,多功能蓄能发光材料反射率较大,隧道侧壁涂装该材料后,壁面亮度与地面亮度比提升至1.3~1.4,增加了背景、路面与物体间的亮度反差,有利于提高司驾人员的视觉功效、增加司驾人员的视反应能力。LED光源色温为3 500~5 500 K时人眼感官最为舒适,且色温为3 500 K时光源功率较多地分布在波长480~580 nm区间、显色指数最高,隧道内小物体的可视距离最大,此时多功能蓄能发光材料的增光效果最佳。研究成果可为多功能蓄能发光材料辅助公路隧道照明设计及工程应用提供参考和依据。

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