地下空间与工程学报

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潘高, 王大川, 周铁军, 梁正

地下空间与工程学报. 2022, 18(4): 1051-1061.

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我国地下车站的开发建设向深层化与综合化发展,深层地下车站组织复杂、结构特殊,在破坏性灾害下,深层地下车站存在疏散路径长、层数多、出口少等问题,疏散困难,易造成人员的重大伤亡。因此,本文以深层地下车站空间中人员疏散安全设计面临的主要挑战为切入点,通过疏散目标、疏散时间、性能化消防工程安全指标3个方面,梳理现有疏散安全法规与评估方法中深层地下车站安全疏散存在的问题,分析可用于深层地下车站疏散的楼梯、扶梯、电梯等疏散设施,提出了深层地下车站空间中人员应急疏散组织的同时疏散、分阶段疏散、延迟疏散3种策略。研究成果可为城市深层地下车站开发建设中疏散安全设计提供参考。

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基于动态可靠性评价的城市地下物流网络设计

林锦辉, 胡万杰, 董建军, 陈志龙, 杜修力

地下空间与工程学报. 2022, 18(4): 1062-1074.

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基于国内外城市地下物流系统研究实践,提出3种代表性的城市地下物流系统网络原型,对网络布局范式、运作流程和设施配置进行设计。综合拓扑与运行指标,构建城市地下物流网络可靠性评价模型,根据同源案例和现实数据开展随机实验,分析3种网络在设施随机攻击及物流需求激增情景下的动态可靠性。研究表明:线轨式网络在承受高强度随机攻击时易出现突发破坏而失效;连通式网络受攻击时的拓扑可靠性最强,但大范围需求增加易导致管道快速饱和而失效;轴辐式网络在供需水平耦合扰动时的可达性、运输效率、连通性和负载稳定性综合表现最佳,据此提出城市地下物流网络原型的若干应用场景和规划建议。

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成都地铁10号线地下(线上)列检库建筑设计

郭琳

地下空间与工程学报. 2022, 18(4): 1075-1081.

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以成都地铁10号线地下(线上)列检库为例,成都地铁10号线一期工程具有初期列车少、列车运行间隔大的特点,考虑地下空间的规模、形态和功能,提出:在运营初期利用车站配线修建地下列检库承担工程月检,定修由7号线车辆基地解决,厂架修由快线网厂架修基地解决,远期车辆的检修任务改由板桥车辆基地解决。该方案实现了资源共享及地下空间利用的可持续发展。详细阐述了地下(线上)检修库的建筑空间设计与功能布局、建筑防火与特殊构造设计,以“空间换时间”的创新思路建设全国首座地下(线上)列检库,为轨道交通地下空间建设利用及建筑设计提供可借鉴样本。

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基于改进D-S证据理论的冲击地压预警方法

夏永学, 陆闯, 冯美华

地下空间与工程学报. 2022, 18(4): 1082-1088.

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冲击地压监测信息往往存在不准确、模糊甚至相互矛盾的问题,经典D-S理论在对高冲突信息进行融合时常常出现“Zadeh悖论”。采用D-S证据冲突概率平均加权融合算法进行处理,即将λ·f(A)替代证据冲突概率赋值函数f(A),有效解决了融合结果易失真的问题。将改进的D-S证据理论应用于冲击地压多源监测信息的融合预警,得到冲击概率δ_hp,能够实现对高冲突信息的一致性描述。通过对冲击概率δ_hp进行实时修正,得到冲击态势δ_rs,将冲击态势δ_rs和背景概率相结合,得到了冲击地压发生的概率增益指标G(A),有效消除了危险指数受预测对象时、空、强、范围及背景概率的影响,进一步提高了融合结果的准确性和可操作性。

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预压脆性岩石动态宏细观力学模型研究

李晓照, 张骐烁, 贾亚星, 戚承志

地下空间与工程学报. 2022, 18(4): 1089-1096.

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预压应力脆性岩石动力特性研究,对深部地下工程围岩变形评价有重要实践意义。细观裂纹扩展严重影响预压脆性岩石动态力学行为。基于细观裂纹扩展与应力关系模型、裂纹速率与动态断裂韧度模型、裂纹速率与应变率关系模型及应变率与应变关系模型,提出了一种考虑预压轴向应力及围压的脆性岩石承受动态荷载作用下的宏细观力学模型。其中裂纹速率与应变率关系模型是通过对应变相关的裂纹长度求解时间导数获得。应变率与应变关系模型描述了预压岩石动态荷载导致的应变率随应变演化曲线。研究了不同预压轴向应力及应变率影响下的脆性岩石应力-应变关系曲线,并利用试验结果验证了模型的合理性。讨论了围压、初始裂纹尺寸、初始裂纹角度、及初始裂纹摩擦系数对预压应力岩石的动态应力应变关系、预压裂纹长度、预压轴向应变、及动态峰值强度的影响。主要研究结果:预压应力越小、围压越大、初始裂纹面尺寸越小或初始裂纹摩擦系数越大,则预压轴向应变及裂纹长度越小,且预压岩石动态强度越大。

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矩形顶管考虑泥浆触变特性的顶推力计算

孙阳, 宋德威, 李耀东, 邵国建

地下空间与工程学报. 2022, 18(4): 1097-1103.

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矩形顶管施工顶推力的计算是施工中非常重要的环节,主顶油缸在设计顶力时需要依据公式计算结果进行配置,因此,公式计算结果的准确性往往关系到施工的财力物力成本。顶推力主要由顶管掌子面的迎面阻力和管壁周围的摩阻力两部分组成,迎面阻力可以被认为是一个定值,因此顶推力公式计算的关键是管周摩阻力的推导。考虑管土之间的泥浆触变特性,通过黏性流体力学的N-S方程结合微元分析法计算矩形顶管管壁周围的摩阻力,并以此推导出顶推力计算公式。通过工程验证,推导的公式结果误差为21%,与现有矩形顶管顶力计算公式对比,更接近实际测量值,验证了本文公式在矩形顶管顶推力计算方面的准确性。

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改进圆盘试验方法分析与抗拉强度公式的修正

郑伟, 程炯, 黎冰

地下空间与工程学报. 2022, 18(4): 1104-1110.

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测定岩石、混凝土等脆性材料抗拉强度时最常用的方法是改进巴西圆盘试验,但存在几种不同的改进圆盘试验方法,各试验结果是否准确、相互之间有何差异需要明确。考虑不同的加载面圆心角,通过数值模拟的方法对比分析了3种改进圆盘试验之间的差异,并与理论结果进行了对比。结果显示,相同的加载面圆心角,采用弧形集中加载模式时试样劈裂面上的拉应力区分布范围最大,其次是弧形均布加载模式,最后是平台加载模式。当加载面圆心角在20°~40°范围内时,试样满足中心起裂的要求,且试样中心点处压应力与拉应力的比值较小,因此建议采用该范围内的加载面圆心角进行试验。根据脆性材料格里菲斯破坏准则,引入了修正系数k,对改进圆盘试验抗拉强度公式进行了修正。

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基于太沙基极限平衡理论的螺纹桩承载力计算

马甲宽, 胡志平, 任翔, 李芳涛, 张永辉

地下空间与工程学报. 2022, 18(4): 1111-1118.

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基于太沙基极限平衡理论,对螺纹桩极限承载力进行理论推导,提出螺纹桩两种破坏模式下临界螺距的确定方法和螺纹桩极限承载力计算方法,分析了不同参数对螺纹桩承载力的贡献。研究结果表明:螺纹桩破坏模式由临界螺距H_cr决定,螺距大于临界螺距时为螺牙独立破坏模式,小于临界螺距时为圆柱剪切形破坏模式;螺纹桩螺牙改变了桩体的承载方式,对比同外径圆桩承载力约提高40%,在达到极限荷载时,螺牙提供的承载力约为总承载力的85%;影响螺纹桩螺牙承载力的主要土体指标为黏聚力c、摩擦角φ以及埋深,而滑动区土体自重因素对螺牙承载力的贡献并不明显;当考虑抗剪强度提供的竖向力时,螺纹桩的极限承载力最大提高20%左右。

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流变性软土地层桩基沉降位移的粘弹性解析方法

王颖轶, 李涛, 吕威帆, 黄醒春

地下空间与工程学报. 2022, 18(4): 1119-1126.

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考虑流变性软土地层桩基工程特性,并通过构建桩底土体虚拟柱状结构模型,建立了由桩体变形和桩底沉降时效特性的桩基沉降位移计算模型及其理论解。研究了桩基承载模式及其随荷载的演变规律、对应承载模式条件下桩基沉降位移及其时效特性。结果表明:软土地层中桩基荷载通过桩周阻抗自上而下传递,桩基承载模式随荷载增大存在摩擦承载模式、摩擦与桩端共同承载模式及其随荷载与环境条件逐步演化的动态关系;当桩基处于摩擦承载模式时,桩基沉降位移等于桩体压缩瞬态弹性变形;当桩基承载模式处于摩擦与桩端共同承载状态时,桩基总位移为桩体变形和桩底土体沉降位移的叠加,受土体的流变特性影响,桩基总位移呈现显著的时效特性,且随荷载增大桩端承载效果以及桩基位移的时效性愈加显著。

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复杂坑道内爆炸冲击波传播快速算法研究

邓烨, 陶西贵, 赵健, 陈一村, 奉祁林

地下空间与工程学报. 2022, 18(4): 1127-1137.

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通过对爆炸初始段、入口传入段、直线传播、拐点、分叉、断面等典型工况条件下爆炸冲击波衰减影响因素分析,提出统一考虑多种传播衰减因素的综合衰减系数模型,基于网络流理论将复杂坑道中冲击波传播过程抽象为网络图进行建模,给出复杂坑道内爆炸冲击波最不利传播路径模型。提出传播累计距离、传播累计节点度、传播累计体积3个最不利传播路径评价指标,并基于3个指标设计了复杂坑道内爆炸冲击波传播快速算法,并对算法中用于计算网络最短路、任意网络拐点夹角、任意网络分叉夹角和内部任意点效应值的关键算子进行详细说明。最后通过一个应用案例与数值仿真计算结果进行对比,表明了该方法在计算效率上具有明显优势。

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空间随机性围岩隧道纵向差异变形设计值确定

沈才华, 陈伟, 于洪亮, 郭金勇

地下空间与工程学报. 2022, 18(4): 1138-1145.

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隧道沿纵向的差异变形是引发衬砌破损和开裂渗漏病害的主要原因之一,而围岩空间分布的变异性则是隧道纵向差异变形预测不准的主要因素。本文根据围岩弹性模量空间变异性的随机分布统计规律特征,选择截断式正态分布进行拟合,建立了考虑围岩空间随机分布的三维随机有限元数值模拟方法,对隧道纵向差异变形进行预测,并引入可靠度理论,提出隧道纵向差异变形的概率可靠度设计值确定方法。通过案例分析发现:围岩弹性模量空间随机性与纵向差异变形值有明显的正相关性,围岩弹性模量空间随机统计函数的变异系数越大,差异变形量就越大,采用传统均匀法计算的误差就越大;差异位移值可近似分为近指数型离散阶段、波动性离散阶段、非线性离散阶段、单一化线性离散阶段4个阶段,其对应的临界变异系数分别为15.94%、23.02%、56.30%。

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软硬互层岩体力学及变形特性的离散元模拟

黄锋, 周洋, 郑艾辰, 杨永浩, 胡学涛

地下空间与工程学报. 2022, 18(4): 1146-1156.

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采用离散元软件PFC2D模拟软硬互层岩体渐进破裂过程,研究倾角、软硬层厚比和围压对其力学特性及变形特性的影响。研究结果表明:(1)软硬互层岩体抗压强度、黏聚力、内摩擦角和弹性模量随岩层倾角的增加先减小后增大,随围压的增加逐渐增大,随软层厚度的增加逐渐减小;(2)软硬互层岩体强度与其单结构面理论强度分布规律大致相同,但实际强度没有保持不变的倾角范围,且在最不利破坏倾角α=π/4+φ_j/2附近的变化幅度也没有单结构面理论强度明显;(3)硬层中生成贯穿层理面裂隙所需应变随软层厚度增大,增大岩体裂隙数量发展速度随岩体倾角的增加先增加后减小,在45°或60°时达到峰值,围压增大,岩体裂隙发展越充分;(4)软硬互层岩体在岩层倾角0°时为贯穿层理面的张剪破坏,在30°~60°时为沿层理面的剪切滑移破坏,90°时为沿层理面和局部贯穿层理面的复合张剪破坏;(5)围压的增大会诱发岩体发生剪切破坏,而软层厚度的增加可增强岩体破坏时的完整性。

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基于多场耦合的PCCP管道力学性能研究

翟科杰, 郭成超, 方宏远, 王钰轲, 杨康建

地下空间与工程学报. 2022, 18(4): 1157-1165.

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为了探究预应力钢筒混凝土管(PCCP)在多场耦合下的力学性能,通过ABAQUS建立了管土相互作用三维模型,利用已有试验数据对PCCP结构模型进行了评估。之后,通过FLUENT建立了流场模型,并基于MpCCI实现了埋地PCCP管线的多场耦合计算。通过耦合计算,对PCCP管道力学性能进行了分析,研究了管体各层结构应力应变沿管道环向分布规律。最后,探究了断丝率对管道服役性能的影响。研究发现,砂浆、混凝土外芯和钢丝的应力应变最大位置发生在管侧位置,而混凝土内芯和钢筒在管侧位置的应力应变则小于管顶和管底位置;断丝率小于15%时,管道仍能承受工作内压0.8 MPa。

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沉管隧道半刚性管节节段接头力学性能数值模拟

李瀚源, 李兴高, 崔迪

地下空间与工程学报. 2022, 18(4): 1166-1176.

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接头是沉管隧道受力最薄弱的环节。依托实际工程建立了沉管隧道节段接头三维数值模型,研究了沉管隧道半刚性管节节段接头抗弯及抗剪力学性能,得到了接头受力与变形规律及接头抗弯、抗剪刚度变化规律。研究结果表明:(1)在压弯工况下,节段接头张开量与接头弯矩关系呈现三阶段变化规律,当接头张开量小于0.1 mm时,其抗弯刚度约占本体刚度的49%～87%,当接头张开量大于1 mm时,其抗弯刚度不足本体刚度的10%,初始预应力损失导致接头抗弯性能降低;(2)压剪工况下的接头抗剪性能主要由节段之间端面混凝土摩擦力提供,设置剪力键传力垫层可充分发挥节段接头端面混凝土摩擦抗剪力,提高接头整体抗剪性能;(3)在压弯工况下传力垫层不影响接头转动,而弯剪受力模式降低了传力垫层总受压荷载。

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玄武岩-粗聚丙烯纤维钢筋混凝土管力学性能

梁宁慧, 游秀菲, 兰菲, 刘新荣, 邓志云

地下空间与工程学报. 2022, 18(4): 1177-1187.

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针对实际工程中钢筋混凝土管节管壁易产生裂纹、影响工程质量问题,鉴于玄武岩纤维与粗聚丙烯纤维能够明显改善混凝土的抗拉、抗裂等力学性能,设计制作了一组普通钢筋混凝土管节B0P0和一组混掺玄武岩-粗聚丙烯纤维钢筋混凝土管节B2P4,进行室内三点试验,对比试验过程中两组管节的开裂破坏形态和荷载位移曲线,并利用ABAQUS软件建立钢筋混凝土管节数值分析模型,研究不同纤维配比和钢筋配置对钢筋混凝土管节受力性能的影响规律。研究结果表明:相较于B0P0,混掺玄武岩-粗聚丙烯纤维钢筋混凝土管节B2P4承载力提升了30.19%,管节表面裂缝宽度明显减小,阻裂增韧效果好;数值模型与试验结果的误差在5%以内,能够合理预测管节的破坏过程、荷载位移曲线和极限承载能力,并通过数值模拟确定了混掺玄武岩粗聚丙烯纤维时的纤维最佳配比和合理钢筋配置。

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硬脆性玄武岩破裂变形特征研究

钟大宁, 丛俊余, 陈建林, 周辉, 陈祥荣

地下空间与工程学报. 2022, 18(4): 1188-1198.

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为了深入研究白鹤滩坝址区杏仁状玄武岩的破裂变形特征,重新整理室内单轴和三轴压缩试验成果,获取杏仁状玄武岩的应力应变曲线、破坏特征和强度特征,结果表明,杏仁状玄武岩的脆性特征显著,试件最终形成贯穿的从左上延伸到右下的倾角约70°的大裂缝。采用连续非连续的数值分析方法CDEM进行细观数值模拟,确立杏仁状玄武岩的应力应变曲线、破坏特征和裂纹演化特征,结果表明,随着围压增大,试件逐渐从拉剪破坏过渡为剪切破坏。同时利用CDEM模拟圆形洞室开挖过程中的破裂现象,研究成果表明,连续非连续的数值分析方法CDEM在模拟硬脆岩石的渐近破坏方面具有一定优势,数值模拟结果与室内试验结果具有较好的一致性,为进行下一阶段工程尺度的数值模拟奠定基础。

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带裂纹花岗岩试件三点弯变形演化及破裂机制

许海亮, 任合欢, 宋义敏

地下空间与工程学报. 2022, 18(4): 1199-1207.

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为建立岩石工程灾害精准预测预报体系,开展含预制裂纹花岗岩试件的三点弯试验,研究岩石试样变形演化及破裂机制。以声发射技术和数字散斑相关方法作为试验观测手段,通过矩张量反演方法研究岩石破裂类型。通过对岩石预制裂纹扩展长度及声发射振铃计数、能量和体积参数进行分析,研究岩石试件变形演化特征和破裂机制。研究结果表明:(1)三点弯岩石试样裂纹扩展具有明显的阶段性和不连续性,其过程为某次裂纹扩展微裂纹静默积累-裂纹再次扩展;(2)预制裂纹扩展与不同破裂类型裂纹的声发射指标具有相关性。预制裂纹扩展时,张拉裂纹体积参数、能量和振铃计数随之出现;预制裂纹扩展前后,3种类型裂纹体积参数、能量和振铃计数随机产生;在预制裂纹长度保持稳定不变时,没有声发射信号产生;(3)裂纹扩展后到下一次裂纹扩展前,先是在贯通裂纹尖端附近随机出现各种破裂类型的裂纹,随着微裂纹的积累,贯通裂纹所主导的裂纹类型占比开始增加,直至产生新的贯通裂纹。

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三轴压缩条件下单裂隙花岗岩破坏特性研究

黄明智, 李新平, 王刚, 刘婷婷, 徐坤

地下空间与工程学报. 2022, 18(4): 1208-1218.

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基于常规三轴压缩室内试验分析不同倾角和张开度的单裂隙花岗岩宏观破坏特性,进一步结合颗粒流离散元分析法,对裂纹扩展、能量转化等规律进行探究,结果表明:裂隙倾角α对岩石力学特性影响显著,随着α增加,弹性模量呈现单调增大趋势,同时三轴抗压强度表现出先减小后增大规律,在约60°时达到最小值;随着裂隙倾角的增加,岩石破坏模式逐渐由拉剪混合破坏向宏观剪切破坏转变;裂隙张开度增大,将导致岩石三轴抗压强度大幅下降,围绕初始预制裂隙形成更宽的破碎带;岩石破坏过程中,裂纹数量整体呈“S”型累积,其突变点与应力应变曲线的弹、塑性和破坏特征点一致;能量耗散与细观劣化特征具有较好的相关性,岩石结构劣化及失稳破坏本质上是能量储存、耗散、释放的过程。

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干湿循环作用下非饱和重塑黏土变形特性研究

宋亚亚, 朱佩宁, 卢廷浩, 齐昌广

地下空间与工程学报. 2022, 18(4): 1219-1225.

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为了研究了基质吸力与干湿循环对非饱和重塑黏土压缩变形特性的影响,利用最新研制的全自动非饱和土固结仪,在控制基质吸力的条件下进行非饱和土压缩试验。研究结果表明,吸力越大,土体的压缩性越小,屈服应力越大,含水率减小的幅度也越小。试样经历干湿循环后,土体的压缩性增大,屈服应力减小,土体弹性变形的应力范围也减小。非饱和土的压缩变形以孔隙气体的压缩为主,土体中孔隙水的排出处于次要地位。干湿循环对非饱和土变形特性有重要影响,考虑其影响对于实际工程应用是十分必要的。

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基面粗糙度对喷膜防水层粘结性能影响的试验研究

杨娟, 杨其新, 邱品茗

地下空间与工程学报. 2022, 18(4): 1226-1232.

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针对隧道渗漏水严重的问题,采用一种新型隧道喷膜防水技术以建立与前、后混凝土均具有粘结性能的隧道支护结构形式(CSL)。从而克服混凝土加防水板的传统支护结构在防水性能上的弊端。喷膜防水层与前、后混凝土间的粘结性能是CSL设计的一个重要参数,直接决定CSL的防水和支护性能。鉴于此,开展了CSL隧道支护结构喷膜防水层粘结性能试验,研究了基面粗糙度对CSL粘结性能的影响。研究表明:增大基面粗糙度,可以提高防水膜层与基面的粘结性能;通过扫描电镜观察接触面微观形貌,界面处观察到由喷射混凝土到膜层的过渡区,即膜材料填充喷射混凝土的粗糙面、表面孔隙结构,增大了喷膜层与喷射混凝土间的机械咬合力,从微观角度解释了增大基面粗糙度可以提高粘结性能的机理。研究结果对喷膜防水技术在隧道中的应用具有实际意义。

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浅埋隧道施工对上覆地层变形影响的试验研究

张家文, 邢文豪, 蒋仕清, 乌青松

地下空间与工程学报. 2022, 18(4): 1233-1240.

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以浅埋隧道近接施工引起上覆地层的变形为研究对象,引入透明土试验技术和粒子图像测速技术(简称PIV技术),设计开展了隧道开挖对地层变形影像的透明土模型实验,并且考虑了隧道分部开挖过程中地层变形的动态变化情况。采用量纲分析法推导出模型试验的相似准则,并基于该相似准则设计了隧道开挖模拟试验模型箱,对不同隧道埋深工况进行了隧道开挖模拟,得到了竖直平面内地层沉降分布结果。研究结果表明,基于透明土材料和PIV技术可以有效地开展浅埋隧道开挖模拟试验研究,上覆地层沉降的演变过程与隧道掌子面推进时的相对位置具有密切关系。

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盾构隧道壁后注浆固结装置研发及试验研究

闵凡路, 马佳伟, 俞超杰, 戴俊杰, 戴叶谦

地下空间与工程学报. 2022, 18(4): 1241-1249.

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鉴于标准固结试验研究壁后注浆体固结特性的局限性,分析总结了现有固结装置的不足之处,设计发明的分段式有机玻璃柱-气压活塞式固结装置,能够实现20 cm的壁后注浆体厚度和不同地层排水条件的模拟;特制橡胶活塞能够有效解决组装过程中气体滞留问题,保证浆体各部分固结排水程度一致;加压系统最高可保证0.8 MPa固结压力的施加,压力精度达0.01 MPa;数据采集系统可以自动采集浆体及地层内的孔压消散情况,准确反应浆体的固结排水程度。改进的气压活塞式固结装置,不仅可以研究浆体固结排水及浆液扩散过程,还可以进行不同浆液与地层的匹配性、固结试样的无侧限抗压强度和弹性模量等力学参数的测试,实验结果可以为壁后注浆施工工艺的优化提供数据支撑。

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有限宽度土体被动土压力及滑裂面试验研究

王崇宇, 刘晓平, 曹周红, 毛文涛, 蔡忠志

地下空间与工程学报. 2022, 18(4): 1250-1258.

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采用无黏性砂开展平动模式(T模式)、绕墙底转动模式(RB模式)、绕墙顶转动模式(RT模式)下有限宽度土体模型试验,利用微型土压力计测试了移动挡墙上的土压力,利用数字图像相关法分析土体变形图像得到了剪切应变(滑裂面)、水平和竖向位移等变形特征。结果表明:(1)T模式下,有限宽度土体滑裂面经过移动挡墙墙踵、固定挡墙墙顶,被动土压力值大于库仑被动土压力,位于挡墙下部H/3范围的土压力受B/H影响较大;(2)RB模式下,滑裂面呈现为以挡土墙顶为中心的多道弧线,弧线半径为H/3~H,被动土压力为“鼓”形分布,当B/H≤1.0时,受固定挡墙影响,滑裂面半径缩小;(3)RT模式下,滑裂面线型特征与T模式相似,被动土压力较大值位于挡墙下部,当B/H减少时,挡墙下部土压力值增大,土体滑裂面范围缩小;(4)不同被动变位模式下,土体位移均可形成大小不同的水平土拱、竖向土拱,土拱形状和大小与变位模式、B/H均密切相关,两土拱的外边缘与滑裂面曲线基本一致。

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锥形齿齿形参数及间距优化试验研究

李纪东, 龚秋明, 殷丽君, 马亚楠

地下空间与工程学报. 2022, 18(4): 1259-1265.

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镶齿滚刀已被广泛应用于多种开挖机械,如隧道掘进机、反井钻机、采掘机等。镶齿滚刀上合金齿的齿形参数以及齿间距、排间距的优化研究,对于提高机械掘进效率、降低施工成本有重要意义。设计并制作了不同齿形参数的锥齿,搭建了侵入试验平台,应用不同锥齿对北山花岗岩大块岩样(300 mm×300 mm×200 mm)进行了单齿侵入试验及齿间相互作用侵入试验。针对试验的北山花岗岩,试验结果表明,锥顶角为60°、锥顶半径为5.5 mm是其最优齿形参数。而齿间距和排间距分别在35 mm和40 mm左右为最优布齿参数。本研究可为开挖北山花岗岩地层的机械设备的刀具设计提供参考。

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某地下水封洞库水幕多孔联合试验参数分析

黄圣楠, 胡成

地下空间与工程学报. 2022, 18(4): 1266-1275.

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能源储备体系不仅是保障国家社会经济安全,应对突发事件的必要手段,更可以有效控制能源产品的价格,稳定供求关系。水幕系统水力效率试验中,多孔联合试验对水幕孔孔间水力传导效率进行直接判断,通过3个阶段的试验,得到水幕孔压力、流量等重要水力参数。在大量工程试验的基础上筛选出标准曲线,对水幕孔压力曲线进行定性评价。但由于此方法主观性强,识别上存在一定困难,因此难以推广成为评价标准。在洞库封存原理和水平水幕孔工作原理的前提下,将水平孔视为等强度的线汇,不考虑水平井井管中的流动对地下水渗流场的反作用,假设水幕层岩体为均值各项同性,通过对水幕孔周围裂隙水流态识别,结合Åberg关于洞室储存的水力梯度理论,推导出阈值求解路线。根据已知条件求解运营期的水幕系统临界效率值,通过线性函数拟合求解试验阶段的阈值,为定性评价水幕系统效率、优化系统结构提供了可靠的数据支持。数据分析的工程中,总结了一套适用于阈值法评价水幕系统的补孔原则。

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单桩静载试验的桩顶沉降稳定收敛特征研究

谢鹏, 董天文, 郑颖人, 何嘉峰, 张成

地下空间与工程学报. 2022, 18(4): 1276-1283.

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采用单桩静载试验,系统地对36根工程桩的324个荷载级进行沉降稳定分析和荷载稳定时间分析,并通过中等直径灌注桩和超长大直径嵌岩桩两种桩型的15根单桩进行了对比分析。研究表明:不论是嵌岩桩还是非嵌岩桩,各级荷载总体都在1小时内稳定且占比高达96.3%;桩顶的沉降速率、加速度均表现出随时间衰减的特征,证明了桩顶位移具有基于时间、位移的收敛的性特征,且试验耗时降低40%以上。采用P-s曲线法、LogP-s曲线法、E-Δs/ΔQ法判定了单桩的极限荷载,验证了桩顶沉降值在合理的范围之内,同时也表明对桩顶沉降收敛特征的研究可以有效的缩短桩基础检测的时间并提高检测效率。

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格栅条带式加筋胎面挡土墙变形性能数值计算

姚宝宽, 王丽艳, 巩文雪

地下空间与工程学报. 2022, 18(4): 1284-1291.

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采用土工格栅加筋的方法提高废旧轮胎挡墙的承载性能,促进废旧轮胎挡墙的推广应用,通过数值计算方法分析了不同墙顶荷载下有无土工格栅加筋的废旧轮胎挡墙的水平变形与竖向沉降反应特征,得出铺设土工格栅加筋的方法可显著减小墙体的水平变形和竖向沉降,提高废旧轮胎挡墙结构的承载能力,随着外荷载的增加,墙体变形模式依次呈凹凸微小变化型、“弯弓”型、“似弯弓”型和“鼓腮”型和直线型。考虑土工格栅的加筋长度、竖向加筋间距以及格栅加筋刚度3种因素对废旧轮胎+土工格栅加筋土挡墙的水平变形的影响,得出在废旧轮胎加筋土挡墙设计中,建议土工格栅的加筋长度选取范围为0.5H～0.7H,土工格栅竖向间距的选取范围为0.4 m~0.7 m,格栅刚度不宜大于5 000 kN/m。

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近距离穿越古迹隧道爆破施工爆源参数优化

叶飞, 冯浩岚, 曹凯, 韩兴博, 韩鑫

地下空间与工程学报. 2022, 18(4): 1292-1304.

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利用ANSYS/LS-DYNA有限元分析软件研究了监测节点受循环进尺长度和掏槽型式影响的动力响应规律,并结合现场测振系统的反馈数据优化施工方案;为验证优化方案的施工效果、进一步探究振动波传播规律,利用小波时频分析研究了影响主振频率、幅值及振速幅值的主要因素。结果表明:不考虑山体崖面影响,循环进尺为2 m、3 m时,爆源垂直对应的监测节点振速峰值由1 m循环进尺对应的“谷底”位置转变为“坡顶”位置,但总体仍表现为循环进尺越大,隧道爆破对监测点的影响越大;考虑山体崖面时,越靠近出洞口崖面,各监测节点振速峰值受隧道洞室影响的变化规律逐渐消失;而相同掏槽型式下,循环进尺的减小能有效地降低主振频率的集中范围。

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矿山法隧道BIM建模技术研究

高玮, 汪义伟, 葛双双, 谢渊, 王森

地下空间与工程学报. 2022, 18(4): 1305-1316.

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为系统研究BIM建模技术的发展情况,对建模过程中的关键环节进行总结,提出一种通用于矿山法隧道的BIM建模方法。首先,从平台选择、模型精度与轻量化、信息标准与分解标准、参数化建模4个关键环节对BIM建模方面的研究进行了分析;其次,基于以上研究分析,提出了一种基于Revit的适用于矿山法隧道全生命周期的BIM参数化建模方法,其可适用于隧道结构及地质模型的建立;最后,通过实际工程验证该方法的实用性。该方法通过EBS分解标准建立隧道构件模型库并通过WBS分解标准建立隧道BIM模型,其符合工程管理与项目管理的要求;而且,通过遵从IFC、IDM及IFD标准实现隧道BIM模型在不同平台之间的无损传输及数值软件的利用。

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系列超深超大基坑群设计实践与探索

黄俊光, 李健斌, 王伟江, 罗永健

地下空间与工程学报. 2022, 18(4): 1317-1327.

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妥善解决周边环境保护和施工相互影响问题是确保基坑群工程安全经济的关键。系统归纳基坑群分类、工程设计施工重难点及解决措施,依托广州复杂超深超大基坑群工程,开展不同建设模式的方案对比,结合具体工况重点探讨建设过程中的重难点,并针对性提出解决方案。结果表明:基坑群工程在理论技术层面需重点关注群坑效应;基坑群设计应合理安排施工顺序,分区、间隔、对称开挖,支护体系加载卸荷的传力路径应清晰。在超深超大基坑群工程中,为保护周边建筑,先开挖远侧坑,创新利用八字撑和主撑轮换受力实现接撑及支顶传力;集束群锚设计可解决部分地段常规桩锚施工难的问题;地块独立实施结合局部合并的建设模式能较好解决整体合并开发模式相互制约大、进度慢的问题;根据现场建筑的实际拆迁进度,运用先化整为零后组合的思路,采用基坑群分坑动态设计结合建筑物逐个孤岛保护的方案进行分期施工。

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地铁“先隧后站”车站基坑施工力学效应分析

施有志, 刘旭东

地下空间与工程学报. 2022, 18(4): 1328-1337.

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为了解“先隧后站”法先期隧道施工产生的土体扰动对后期地铁车站基坑开挖的影响规律,以厦门地铁2号线高林站工程为依托,根据工程经验考虑4种地层损失率η,通过数值模拟先盾构隧道后明挖法扩建地铁车站基坑开挖过程,研究基坑开挖破除隧道前后基坑变形及围护墙内力变化规律。计算结果表明:地表沉降和墙体侧移及内力分布规律基本不变,但极值存在一定变化;对于地表沉降极值η为0.5%、1%和2%时的比无隧道时(η=0)分别增大15.8%、12.6%和10.7%;对于围护墙侧移,η从0.5%增至2%,极值增幅约4.1%;先期盾构隧道施工力学效应不利于后期基坑开挖。为克服这种不利效应,现场提出了一套基坑土方开挖及管片拆除的施工方案,实践表明采取的方案可靠,基坑安全稳定。

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山岭隧道塌方风险评估模型及系统研究

詹金武, 刘国, 黄明, 罗才松, 陈军浩

地下空间与工程学报. 2022, 18(4): 1338-1346.

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塌方是隧道施工过程中经常遇到的灾害问题,由于影响其发生的因子众多,且极具复杂性和模糊性,很难对隧道建设施工过程中的塌方问题进行准确地评估。在综合考虑影响隧道塌方风险因素的基础上,归纳整理了影响塌方风险等级的3大类准则层指标,16项指标层指标,构建了山岭隧道塌方风险等级评估模型;采用模糊数学方法确定各指标的隶属函数,并基于层次分析法的原理,编写权重辅助计算程序计算了各指标的权重;为了避免单指标决策的局限性和主观臆断的缺陷,将人工智能专家系统的方法与模糊数学理论结合起来,以面向对象的表示方法构建知识库,开发基于模糊数学的山岭隧道塌方风险评估专家系统。最后利用隧道塌方实例对所提方法的有效性进行验证,评价结果符合实际情况,为隧道塌方风险的评估提供了一种新的可量化分析方法。

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地下工程连通接驳等效刚度加固机理及方法

雷升祥, 陈桥枫, 赵伟, 丁正全, 高飞鹏

地下空间与工程学报. 2022, 18(4): 1347-1354.

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地下工程拓建连通接驳时,通常侧重既有结构开洞与加固的强度校核,对结构刚度在内力重分配中的作用重视不够,加固环梁初始断面的确定亦缺乏依据。基于超静定结构的力学特性,提出拓建结构连通接驳的等效刚度加固机理及方法。得出如下结论:(1)超静定结构对变形的敏感性强,连通接驳设计及施工应降低开洞变形对既有结构内力的影响;(2)连通接驳等效刚度的目的是实现加固环梁与拆除结构刚度的等效性;(3)等效刚度法为加固环梁初始断面的确定提供计算方法,为结构强度校核提供依据;(4)建议连通接驳采用“先加固、后开洞”的措施,实现开洞过程中,加固环梁承担主要的应力分配,保护既有结构的安全。

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基于数值评价的隧道衬砌裂缝成因分析与维修设计

刘威军, 李天斌, 任洋, 周双龙, 魏大强

地下空间与工程学报. 2022, 18(4): 1355-1362.

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地下工程衬砌裂缝是隧道工程常见病害之一。由于衬砌裂缝对隧道结构体受力、防排水等安全方面产生不良影响,有必要对裂缝成因加以分析并采取有效措施来降低裂缝对隧道的影响。以四川省某铁路隧道为研究对象,现场调查衬砌裂缝情况,分析隧道边墙纵向开裂原因。采用应力解除法对该隧道进行地应力测试,测点处围岩初始应力处于极高应力状态,分析得出高地应力作用是导致衬砌开裂主要原因。为检验这一推断,采用扩展有限元(XFEM)对该段衬砌结构性能进行数值模拟,根据XFEM得到破坏区域衬砌结构破坏演化、二衬安全系数,模拟结果与实际衬砌损伤形式一致。最后,针对隧道衬砌结构开裂提出一种具体的维修方案,根据数值计算结果及现场施作情况,验证所提维修方法的有效性及安全性。

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上覆地表车载作用下群洞隧道动力响应研究

姚志雄, 刘耀星, 张忠星, 曾子扬, 邓历振

地下空间与工程学报. 2022, 18(4): 1363-1373.

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依托浅埋四孔小净距隧道工程实践,基于行车动载理论,建立了三维弹性半空间隧道振动分析模型,分析车速和载重等10种激励作用下隧道竖向位移及应力响应规律。结果表明,在不同激励力作用下中隔带路面沉降最大,影响范围至隧道拱腰拱脚位置,呈倒槽型分布,且4条隧道均在拱顶出现位移峰值,峰值随载重大致呈线性关系,车行及人行隧道位移曲线近似呈镜面对称的“漏斗型”曲线和渐变曲线。隧道最大主应力峰值主要分布于左、右拱肩,主应力峰值随载重大致呈线性关系。车行及人行隧道主应力近似呈镜面对称的不规则“双峰型”曲线和渐变曲线。公路下穿段范围隧道位移及主应力变化速率较大,但车速对隧道竖向位移及主应力影响并不明显,载重是关键影响因素。结合分析结果,给出了监控加密部位、交通管制及加固措施等建议。

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深长基坑开挖引发邻近建筑群沉降规律研究

刘建华, 吴绍明, 王林枫, 周小涵

地下空间与工程学报. 2022, 18(4): 1374-1382.

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基坑开挖容易导致邻近建筑产生较大沉降,而目前关于基坑开挖引发邻近建筑群变形规律的研究较为匮乏,邻近建筑间的相互影响关系尚需研究。基于实际工程,采用数值模拟手段,分别建立实际情况、仅有建筑1、仅有建筑2的3个计算模型,探究了深长基坑开挖引发邻近建筑群沉降规律,得到以下结论:建筑距离基坑较近时,基坑开挖过程中容易发生较大沉降,后趋于稳定,层数较高且平行于基坑的建筑沉降较大,垂直于基坑的建筑沉降差异较大;基坑开挖后,建筑群沉降小于单个建筑沉降;垂直于基坑的建筑偏转角更大,距离基坑较近处更容易产生不均匀沉降;与单个建筑相比,建筑群中各建筑偏转角更大,尤其是垂直于基坑且中部附近存在其他建筑的情况,更容易发生不均匀沉降。

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防排烟系统对拱形地铁站厅烟气蔓延的影响

王文锋, 付海明, 姚胜旺, 孙沛远

地下空间与工程学报. 2022, 18(4): 1383-1391.

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地铁站厅防排烟系统对人员安全疏散具有致关重要的作用。通过烟气层沉降理论分析,编写了适用于拱形地铁站厅火灾烟气蔓延区域模型程序,研究不同机械排烟量下烟气沉降高度随时间的变化规律。研究表明,随着排烟量的增加,烟气层沉降速度变慢,排烟量为28.4 m³/s时,360 s左右烟气层方才达到溢出口高度,该设计排烟量能满足人员安全疏散要求。通过火灾动力学软件FDS数值模拟的方法,研究不同排烟量和挡烟垂壁高度对地铁站厅能见度、CO浓度的影响。研究表明,烟气从高大站厅空间向狭小的通道空间溢出,容易在通道出口处形成烟气堆积,导致通道出口处能见度最低,CO浓度最高;验证了烟气层沉降理论计算地铁站厅烟气排烟量可以满足人员安全疏散的要求;设置挡烟垂壁可以提高地铁站厅的能见度和降低其CO浓度。

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急倾斜三软厚煤层留小煤柱沿空护巷技术

唐建新, 李霜, 候阳阳, 王艳磊, 易婷

地下空间与工程学报. 2022, 18(4): 1392-1400.

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在急倾斜三软厚煤层走向长壁俯伪斜采煤条件下实施留小煤柱沿空护巷十分困难,煤柱稳定性和巷道围岩变形极难控制。针对这一难题,提出了包含煤柱小角度锚固法和十字护顶方法的留小煤柱沿空护巷技术,有效解决了煤柱易沿顶底板剪切破坏并向巷内搓动的问题,降低了巷道软弱围岩的破碎程度和变形量。现场试验结果显示,留设小煤柱的完整性保持较好,其中相较于原支护方式顶底板移近量减少了40%,两帮收敛量则减少了42%,巷道围岩变形得到了有效控制。与此同时,还得到工作面前后方回采巷道的矿压显现呈现明显的6个分区,分别为工作面前方无影响区、工作面前方矿压显现影响区、工作面前方矿压显现强烈区、工作面后方顶板激烈活动区、工作面后方顶板活动减缓区和工作面后方基本稳定区。其中,工作面前方矿压显现强烈区和工作面后方顶板活动激烈区的范围明显大于缓斜近水平煤层,这为分区制定围岩控制措施提供了有利依据。所得研究成果可为我国急倾斜走向长壁俯伪斜工作面沿空护巷技术研究提供一定的补充。

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