地下空间与工程学报

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郭东军, 谢金容, 张琛浩, 赵子维, 陈雨露

地下空间与工程学报. 2022, 18(6): 1751-1757.

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城市地下空间利用规模越来越大,在部分城市中心区浅层地下空间利用甚至已经饱和,对深层地下空间需求日趋强烈,同时,地下工程施工技术进展也已使深层地下开发利用成为可能。本文对国内外城市深层地下空间利用动态进行了分析。地下空间开发利用往往首先从城市中心区开始,继而逐步向城市周边移动,而规划在深层地下空间利用起着战略引领和刚性控制的重要作用,是科学开发利用深层地下空间的首要任务。笔者提出了国内地下空间规划层面优先解决“开发利用前提规律认识不清”“利用模式与准则不明”和“控制引导指标及量化不确定”3类基本问题。

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博物馆类建筑地下空间场所精神评价研究

孙镇郢, 邵继中, 王琳杰, 居少捷, 张秋瑶

地下空间与工程学报. 2022, 18(6): 1758-1768.

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随着我国城市化的进程加剧,城市人口逐渐增加,造成不同程度的用地紧张和交通拥挤,使得城市发展遇到了很大的压力,地下空间的开发显得尤为重要,各种功能的地下场所不断出现。但是,地下建筑的空间使用感受和人的心理活动与在地上截然不同。基于以人为本的原则,开展地下空间场所精神的研究则成为我们所关注的重点。以南京博物院为研究对象,提取并整合了场所精神中各要素,对其场所精神进行问卷调查采集数据,应用探索因子提炼场所精神维度,分析场所精神重要性和满意度的感知特征,最后运用重要性绩效分析法对其进行定量评价研究,并给出了相应的设计对策和建议。

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河口三角洲地区地下空间保护与开发实践

王磊, 周嘉礼, 史雅娟, 黄佳铭

地下空间与工程学报. 2022, 18(6): 1769-1778.

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河口三角洲地区作为河、海、陆交互作用影响下的特殊地理区域,其地下空间资源的开发利用受软土地质条件、工程建设投资等多因素制约,扎实开展地下资源精细化调查和评估、优化地下专项设施空间布局、科学预测开发规模对于软土发育地区的地下空间开发利用至关重要。本文以广州市南沙新区为例,利用高密度钻孔数据精准描绘地下空间资源“一张底图”,高精度开展地下空间开发适宜性评价,并以此为基础提出综合开发与保护的价值分区、兼顾安全与经济的“从地下到地上”的正向优化,以及统筹政府与市场的差异化地下空间规模预测,寻求地下空间资源价值、经济成本和生态保护的平衡,探索实现河口三角洲地区地下空间的科学规划和集约开发。

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探析地下数据中心建造发展现状与挑战

春军伟, 李本云, 张安睿, 周刚贵

地下空间与工程学报. 2022, 18(6): 1779-1788.

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数据中心是推动整个社会高度数字化、信息化的重要组成部分,其可靠性与安全性对国家或企业正常运转至关重要,由于高环境敏感性与高能耗性导致数据中心的选址与节能一直是整个产业链的首要和关键问题。随着国内一些大型隧洞式地下数据中心的成功建成,地下数据中心所具备的诸如高隐蔽、低能耗、抗干扰、低污染等优势逐渐被人们所关注,而大型地下数据中心相比普通地下工程涉及交叉专业更复杂、运营环境更严苛。鉴于未来数据中心不断向高标准、低能耗、绿色化的方向发展,全面综述了国内外地下数据中心的发展与研究现状,并分别从等级划分与相关规范、选址区域与建造过程、能耗需求与冷却技术、绿色数据中心等角度总结分析了数据中心的发展政策、趋势与地下化后的特点,提出了地下数据中心建造在节能与环境控制协同化需求、既有地下洞室适宜性改造、新建地下洞室、智能化预警与防控4个方面面临的问题与挑战。地下空间的开发利用不仅是简单的空间扩展,更多是功能性的需求,本文旨在为今后大型地下数据中心建造提供思路,同时也希望为新型功能性地下空间开发利用提供借鉴。

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土的应力方向依赖性(II):理论与模型

董彤, 孔亮, 郑颖人

地下空间与工程学报. 2022, 18(6): 1789-1798.

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土的应力方向依赖性包含材料方向性(各向异性)与应力方向性(应力绕主轴旋转)两层含义,是土力学领域的热点和难点问题。试验和理论研究均表明,土的各向异性是应力主轴旋转效应的内在原因,复杂的应力状态是各向异性的外部条件,因此,本构模拟须加以综合考虑。相关本构模型可大致分为3类:(1)基于连续介质力学理论和宏观试验现象所建立的宏观本构模型;(2)基于细观机理分析的细观本构模型;(3)基于细观机理与宏观现象合理关联的宏细观结合的本构模型。通过梳理代表性本构模型的建模思路,分析了土的应力方向依赖性的处理方式,总结了不同建模方法之间的优缺点,以期深化对土应力方向依赖性的理解与认识,为广大岩土工作者提供参考。

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岩体裂隙渗透率应力敏感性分形研究

赵明凯, 孔德森, 关盛杰, 巩越, 王晓敏

地下空间与工程学报. 2022, 18(6): 1799-1804.

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应力作用下裂隙性储层的渗流问题在油气勘探开发等工程领域有着重要的研究价值。在应用分形理论和流体力学的基础上,建立了考虑应力敏感性的裂隙渗透率预测模型。通过定义归一化渗透率研究有效应力作用下裂隙渗透率与岩体岩性的相关性。预测模型不使用任何经验常数,各参数都具有明确的物理意义。模型的预测结果与相关的试验数据的吻合程度高,验证了模型的有效性。理论分析结果表明,裂隙内流体的归一化渗透率随有效应力的增大呈现出显著降低的变化趋势,岩体的杨氏模量和泊松比越大,迂曲度分形维数越小,归一化渗透率越大。建立的预测模型可以有效描述应力作用下裂隙流体的渗流特征。

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复合地层土压平衡盾构推力计算方法

孔祥勋, 唐亮, 凌贤长, 唐文冲, 张艺帆

地下空间与工程学报. 2022, 18(6): 1805-1813.

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针对复合地层盾构设计与施工阶段土压平衡盾构机总推力难以确定的问题,以上软下硬地层为例,考虑地层的组成、切削刀具形式、盾构掘进速率、刀盘开口率等因素,基于盾构机施工力学分析,提出了复合地层盾构掘进推力计算方法。通过在实际工程全线的应用,对该方法的可靠性进行了验证,结果表明,该方法预测的盾构机总推力平均误差为-11.88%,精度远高于Krause经验模型。分析了不同因素对盾构总推力以及各成分的影响,研究发现:随着埋深的增加,土拱效应得到发挥,盾构总推力呈现先增后缓的变化趋势;随着掌子面岩石占比、贯入度、岩石强度的增加,盾构总推力显著增加;而盾构总推力随开口率变化不大。

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盾构隧道斜穿Ⅳ级地裂缝段管片力学性能研究

曹振, 万思宇, 殷涛, 苏三庆

地下空间与工程学报. 2022, 18(6): 1814-1823.

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目前西安地铁穿越地裂缝段采用浅埋暗挖法,在结构上采用特殊措施,该种施工方法及应对措施基本是有效的。明挖法尽管有许多优点,但西安地裂缝也多分布于城区内,未见采用明挖法穿越地裂缝段案例。两种施工方法存在施工条件不允许、工期长、施工风险大、成本高等突出问题。为提高西安地铁在穿越地裂缝段的施工安全性、快速性、经济性,提出采用盾构法施工斜穿西安市Ⅳ级地裂缝。通过数值模拟,对盾构隧道斜穿Ⅳ级地裂缝段的管片力学性能进行研究。研究表明,目前采用的普通钢筋混凝土管片不能满足斜穿Ⅳ级地裂缝的要求,在对管片结构形式、防水材料、施工工艺采取相应改进后,发现异形加厚管片在地裂缝段具有较强的通过性,施工安全及经济性较传统浅埋暗挖法具有较强优势。

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数值试验中胶结结构面参数标定方法的研究

冯豪天, 陈俊智, 任春芳, 马毓婷, 张梦原

地下空间与工程学报. 2022, 18(6): 1824-1833.

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针对胶结结构面进行数值直剪试验时,准确便捷的标定参数是非常重要的。因此对含胶结结构面岩石进行PFC^2D数值直剪试验,分析宏细观参数定量关系,研究胶结结构面力学参数的标定方法。研究结果表明:结构面的内聚力、剪切刚度、法向刚度分别由细观参数的切向黏接强度和内摩擦角、内摩擦角、切向刚度、法向刚度确定;残余强度与细观摩擦系数成正比例关系,法向黏结强度参数不影响结构面力学参数的标定;在确定宏细观参数的定量关系的基础上,提出一种用于胶结结构面进行PFC^2D数值直剪试验的参数标定方法,该方法大大简化了胶结结构面参数的标定过程。

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含水平裂隙的3D打印类岩石试件力学特性研究

张科, 罗国立, 张凯

地下空间与工程学报. 2022, 18(6): 1834-1841.

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为探究裂隙张开度对裂隙岩体力学特性的影响机制,利用3D砂型打印技术制备含水平裂隙的类岩石试件,考虑不同的裂隙张开度,对其进行单轴压缩试验;通过有限元数值模拟从应力分布的角度解释试验现象;结合数字图像相关方法进行非接触式全场变形观测,定量分析裂纹萌生、扩展以及贯通行为。研究结果表明:通过3D砂型打印技术制备的裂隙类岩石试件具有更接近于天然岩石的物理力学特性,且试验结果具有很好的可重复性,测试所得的力学参数变异系数小于0.046;含不同水平裂隙张开度的类岩石试件应力-应变曲线大致相似,峰值强度随着裂隙张开度的增加而逐渐减小,最后趋于稳定;裂隙张开度的增加导致试件起裂应力逐渐增大,但裂纹均起裂于裂隙中部,这与主应力最大值及其分布位置有关;数字图像相关方法可实现试件加载过程的应变全场测量,应变局部化带的渐进演化反映了裂纹起裂、扩展以及贯通行为;计算裂纹扩展路径周边的位移矢量分布,识别出张拉、剪切、拉剪3种位移场类型,发现裂隙张开度的改变不会影响试件破坏模式,均表现为拉剪混合破坏。研究有助于进一步加深裂隙岩体力学特性的认识,也为3D打印技术在岩石力学试验的应用提供参考。

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灌浆圈劣化条件下高外水隧洞长期服役性态演化

徐磊, 姜磊, 金永苗, 张菁倪, 任青文

地下空间与工程学报. 2022, 18(6): 1842-1852.

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长期服役过程中,在渗透溶蚀、化学侵蚀等物理化学作用下,高外水隧洞衬砌外围灌浆加固裂隙岩体(灌浆圈)的力学性能逐渐劣化,是影响高外水隧洞长效服役的主要因素之一。为实现灌浆圈劣化条件下高外水隧洞服役性态的长期演化过程分析,基于饱和多孔介质有效应力原理,综合考虑围岩、灌浆圈及衬砌混凝土抗渗性能的动态演化和灌浆圈力学性能的时变劣化,建立了高外水隧洞长期服役性态渗流-应力-损伤-劣化直接耦合分析模型,并在ABAQUS平台上进行了数值实现。以某深埋高外水引水隧洞为实例,模拟了其在灌浆圈时变劣化条件下服役性态的长期演化过程,结果表明,随着服役时间的延长,距离开挖边界较近处岩体内的水力梯度和衬砌承担的外水作用逐渐减小,围岩、灌浆圈及混凝土衬砌向内收缩,隧洞呈现出以混凝土衬砌压溃为先兆的变形失稳破坏模式。

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基于离心试验下软黏土地区窄基坑稳定性分析

王莹, 夏才初, 陈孝湘, 刘炀镔, 张鑫

地下空间与工程学报. 2022, 18(6): 1853-1862.

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针对软土地区基坑坑底土层为饱和软黏土的情况,以福建省某城区电缆隧道的窄基坑工程为依托,开展了不同插入比条件下窄基坑稳定性研究。通过设计3种不同插入比工况进行离心模型试验,模拟窄基坑开挖,观察土体位移和基坑稳定破坏模式。结果表明,当插入比为1∶1和1∶0.8时,围护挡墙变形较小,挡墙的变形表现为“两端小中间大”的鼓形变形模式,且插入比为1∶0.8较插入比为1∶1时挡墙变形会出现轻微的增加,但能满足变形要求,插入比定为1∶0.8时更加经济合理;当插入比为1∶0.67时,基坑由于挡墙插入深度不足而失去窄基坑的宽度效应,挡墙呈现倒“八”字型的变形模式,坑底土体大量隆起,基坑破坏。最后采用数值模拟方法进行对比验证。本文研究成果可大幅度地优化窄基坑插入深度问题,从而减少工程造价,提高资源的利用效率。

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张开度影响的裂隙类岩试件破断试验与数值模拟

曾佳君, 张志军, 蒲成志

地下空间与工程学报. 2022, 18(6): 1863-1872.

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为深入揭示裂隙张开度和裂隙倾角复合因素影响下裂隙体破断模式与力学响应规律,对室内制备的不同张开度单裂隙类岩体试件进行单轴压缩试验。试验结果表明:预制裂隙倾角越小,裂隙体峰值强度受张开度影响越大;同一裂隙倾角下,裂隙体峰值强度随裂隙张开度增大而减小;随预制裂隙张开度的增大,裂隙体峰值强度最小值对应裂隙倾角由45°向0°偏移;裂隙体弹性模量与裂隙倾角呈正相关性,与裂隙张开度呈负相关性。为进一步揭示裂隙张开度与裂隙倾角复合因素对裂隙体微裂纹演化规律的影响机制,基于PFC^2D数值仿真平台构建不同张开度与倾角的单裂隙数值分析模型,在相同加载条件下进行数值模拟试验,结合裂隙面邻域内颗粒间接触力链演化规律,从裂隙面挠曲变形角度揭示了裂隙倾角和张开度复合因素影响的裂隙体力学响应规律。

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贵州地区碳酸盐岩差异性溶蚀微观机理研究

李沛锦, 史文兵, 梁风, 王勇

地下空间与工程学报. 2022, 18(6): 1873-1881.

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贵州地区特殊的地层岩性、水文地质和气候条件,使该地区崩塌灾害多与溶蚀作用有着密切的关系。以贵州省惠水新寨崩塌为实例,对崩塌体厚层和薄层碳酸盐岩进行研究,分析岩石的化学成分、微观结构以及酸性溶液不同pH值对溶蚀作用的影响,并利用颗粒(孔隙)及裂隙图像识别分析软件(PCAS)对溶蚀后岩样表面的空隙进行统计分析。研究结果表明:岩石的化学成分和微观结构均对岩石的差异性溶蚀起到了控制作用,薄层纯灰岩的溶蚀作用要明显强于厚层白云岩质灰岩,溶蚀作用起始于岩石的晶间孔隙、构造与解理处,逐渐扩展使得孔隙、裂隙相互连通;岩石的溶蚀作用随着溶液pH值的降低而逐渐剧烈;厚层灰岩在溶蚀后岩体表面的孔隙面积和孔隙数量与酸性溶液pH值成反比,而薄层灰岩在溶蚀后岩体表面的孔隙面积和孔隙数量与酸性溶液pH值成正比。

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红黏土失水收缩孔隙演化及微观机理分析

张亚彬, 左双英, 李雨霏, 黄殷婷, 莫云川

地下空间与工程学报. 2022, 18(6): 1882-1890.

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为揭示贵阳红黏土常温失水过程中孔隙演化规律及收缩机制,对红黏土进行收缩试验、压汞试验和X射线衍射试验,并采用晶层渗透压理论和毛细管理论解释其微观机理。研究结果表明,含水率对红黏土收缩有促进作用,且收缩具有各向异性特征。当红黏土收缩时,主要经历3个阶段:第1阶段,正常收缩阶段,团聚体间大孔、中孔,随着含水率的不断减小体积逐步减小,同时产生越来越多的小孔、微孔;第2阶段,残余收缩阶段,在团聚体内部,大量的小孔变为微孔;第3阶段,零收缩阶段,不管是团聚体间还是团聚体内,所有孔隙都保持不变。红黏土蒙脱石矿物含量较高,其晶层内外存在的渗透压差使水分子向孔隙液中迁移导致晶层间距减小,宏观上表现为土体收缩。通过Kelvin毛细管理论,建立了贵阳红黏土各收缩阶段饱和度与吸力之间的关系,解释了基质吸力对收缩过程控制的内在机理。

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桩-珊瑚砂接触面剪切力学特性试验研究

许晓亮, 雷潇, 王天龙, 孔纲强, 李春红

地下空间与工程学报. 2022, 18(6): 1891-1897.

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珊瑚砂桩基工程在岛礁建设中备受关注,其赋存环境对桩基承载特性的影响不容小觑。为研究不同环境下桩-珊瑚砂接触面剪切力学特性,采用自主研制的温控桩-土接触面三轴试验仪,对取自南海海域的珊瑚砂进行不同温度、围压和盐度的三轴排水剪切试验。结果表明:桩-珊瑚砂接触面的剪切应力-位移曲线有明显的应变软化特征;温度对桩和珊瑚砂的表面特征影响并不显著,进而对二者接触面的剪切特性影响亦较小;围压与接触面剪切强度呈线性正相关关系,100~300 kPa围压下,由于剪切过程中珊瑚砂颗粒重排列和破碎,接触面内摩擦角减小,残余强度约为峰值强度的70%~80%,在较高围压下剪切强度损失更为显著;相对淡水环境,盐水环境一定程度上会弱化接触面的剪切强度。

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高温对玄武岩可钻性及微观结构影响的试验研究

陈帅, 石祥超, 包恒, 杨昕昊

地下空间与工程学报. 2022, 18(6): 1898-1905.

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认识岩石的高温力学性质是干热岩地热资源开发的重要依据之一。高温干热岩类型主要以火成岩为主,在现代火山带活动区地热资源丰富,且多覆盖有不等厚玄武岩,但高温对玄武岩物性及力学性质影响的研究较少。利用岩石可钻性、声波、XRD和SEM等测试手段,研究了高温热处理后玄武岩可钻性、声波、矿物组分、微观结构的变化。研究表明:随温度增加,玄武岩的可钻性级值在超过300 ℃时降低明显,玄武岩的声波速度损失率呈二次函数降低趋势,玄武岩重量损失百分比显著增加的阈值大约在600 ℃左右,同时发生了显著的矿物转化及重结晶;玄武岩在400 ℃时出现矿物颗粒变形,600 ℃时矿物颗粒间的裂缝宽度逐渐增大,新生裂缝数量显著增加,裂缝宽度可达到1 μm左右,在700 ℃和800 ℃出现大量宏观裂缝,且在800 ℃时出现粒间孔隙。总结可知,高温导致的矿物转化及裂缝发育是导致岩石可钻性发生变化的重要原因。

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节理倾角对不规则砂岩破裂力学机制的影响研究

郝志斌, 左宇军, 刘镐, 郑禄林, 朱泽华

地下空间与工程学报. 2022, 18(6): 1906-1915.

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为研究节理倾角对三维不规则砂岩宏细观破裂力学机制的影响,利用RFPA^3D对含不同倾角节理砂岩进行单轴压缩模拟,揭示节理分布及细观非均匀性对砂岩力学行为、破裂模式及能量演化的影响。结果表明:节理倾角对砂岩力学特性影响显著,单轴抗压强度和弹性模量受节理倾角影响表现出明显的各向异性,节理倾角α=0°~60°试件力-位移曲线出现塑性平台段或近似平台段;载荷-步数与声发射-步数曲线相关性较高,且破坏模式越复杂累计AE越大;砂岩细观非均质性决定了试件裂纹扩展路径,破坏模式随节理倾角不同表现出很大的差异性,节理倾角45°试件为拉剪混合破坏,其余试件均为拉伸破坏。研究成果将有利于指导研究区砂岩矿勘探开采。

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单轴加载条件下不同孔隙砂岩波速变化特征

杨爽, 李化, 邓建辉, 付自国

地下空间与工程学报. 2022, 18(6): 1916-1921.

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波速作为岩石与岩体内部性质评价的一项重要指标,受应力与孔隙度的影响极为显著。为研究岩石波速随孔隙度和应力变化规律,开展两类不同孔隙砂岩的单轴加载声波联合测试。试验结果表明:砂岩的力学性质不仅取决于砂岩的孔隙度大小,而且受孔隙尺寸的影响也较为显著;孔隙闭合与裂纹扩展是导致砂岩波速发生变化的主要原因,前者对于波速变化的影响更为显著,后者则主要影响波速随应力的增长速率;不同孔隙砂岩的波速均随应力同步增长,在同一应力水平下,孔隙度越大的砂岩波速越低,波速增量越大;与整个加载阶段相比较,砂岩在孔隙压密阶段的波速随应力增长速率受孔隙度的影响更为显著。

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卸围压深埋大理岩扩容特征与裂纹演化规律

刘晓辉, 桂欣, 余洁, 郝齐钧, 赵小平

地下空间与工程学报. 2022, 18(6): 1922-1932.

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深埋硬脆岩石开挖卸围压破裂过程与裂纹的扩展密切相关,利用MTS815 Flex Test GT岩石力学试验平台,对锦屏二级2 400 m深埋大理岩展开25、50、80 MPa三种不同初始围压的三轴卸围压试验,依据卸围压过程中扩容变形与能量转换过程,深入探究不同卸围压状态下深埋大理岩变形破坏过程中的裂纹演化规律。研究结果表明:深埋大理岩卸围压变形破坏过程阶段性明显,通过横向应变差法与体积应变极大值点确定起裂应力与扩容损伤应力,基于此对体积变形过程进行了阶段性划分,并发现其中屈服扩容阶段可进一步划分为稳定扩容和加速扩容两阶段;初始围压对大理岩扩容变形影响显著,随着初始围压增大,其扩容特性减弱且承受扩容变形能力增强。裂纹的扩展伴随着能量的耗散,为明确卸围压深埋大理岩扩容破坏机理,综合塑性应变与能量耗散特征,获得其变形破坏过程中的裂纹演化规律,发现:初始围压控制裂纹类型与发育程度,初始围压增大,裂纹总体发育愈充分,剪切裂纹占比增加,其破坏模式由张剪破坏向剪切破坏转变;提出横向裂纹应变比率POC₃以表征深埋大理岩卸围压阶段裂纹演化趋势,POC₃曲线转折点对应岩石内部主裂纹的延展,多为极限围压卸荷量的60 %左右,可据此进行深埋岩石卸围压破坏前兆预判。

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多级变幅动载下含细粒砾砂动力参数试验分析

王家全, 祝梦柯, 林志南, 王晴

地下空间与工程学报. 2022, 18(6): 1933-1941.

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为揭示细粒含量及荷载频率对饱和砾砂动力参数的影响,通过GDS动态三轴测试系统开展了一系列饱和砾砂动三轴试验,探究了不同细粒含量、荷载频率下砾砂动力参数的发展规律。试验结果表明:同一动应力作用下砾砂轴向累积应变随细粒含量、荷载频率的增加不断增大,而回弹模量随之减小,N=9 000时FC=15%试样轴向累积应变相比于细粒含量FC=0%上升了1.136倍,回弹模量为未掺细粒试样的82.06%。随着细粒含量、荷载频率及动应力幅值的提高,动孔隙水压力与振次的关系曲线经历峰值型—稳定型—增长型—衰减型的转变。细粒含量越高、荷载频率越大,土体刚度越小,能量耗散能力越强,抗震性能越好。

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厦门市海积淤泥水泥土力学性能试验研究

王启云, 卓祖磊, 项玉龙, 康健

地下空间与工程学报. 2022, 18(6): 1942-1948.

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为探索厦门市海积淤泥水泥土工程特性,根据土体物理力学性质指标制定了水泥土配比方案,采用无侧限抗压试验与直剪试验获得了水泥土力学参数,分析了含水率、龄期与水泥掺入比对水泥土力学特性的影响。结果表明:当海积淤泥初始含水率为45%~65%、水泥掺入比为9%~21%时,水泥土无侧限抗压强度为0.46~5.38 MPa,内摩擦角为13.61°~41.99°,黏聚力为65.8~787.25 kPa;含水率55%是水泥掺入比对水泥土强度影响程度的分界线;当水泥掺入比低于18%时,水泥土的抗压强度与黏聚力近似呈线性增大,且初始土体含水率45%的水泥土强度增长速率大于含水率55%与65%;当水泥掺入比大于18%时,强度指标增长速率降低。在试验结果基础上,提出了一种适用于厦门市海积淤泥水泥土的无侧限抗压强度预测公式。

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岩石直接拉伸试验装置及方法

许年春, 杨全虎, 吴同情, 郑瑞, 鲁坚

地下空间与工程学报. 2022, 18(6): 1949-1953.

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岩石直接拉伸(单轴拉伸)试验是测试岩石抗拉强度、拉伸变形模量最准确的方法。为解决目前直接拉伸试验装置结构复杂、无法避免弯扭的问题,提出采用等边角铝作为对中粘接装置,芳纶纤维绳与两个吊环组合作为拉伸装置。针对岩样直径在不同高度处和不同方向上的差异,提出垫纸条的对中粘接方法。在铝棒的侧面粘贴6个应变片,多次拉伸试验测出铝棒偏心距e最大为0.24 mm,最小仅为0.04 mm,验证了该对中粘接装置及方法在开展直接拉伸试验方面有很好的效果。开展了2个岩样的拉伸试验,测试出岩石较准确的拉伸力学参数。该套装置具有结构简单、制作成本低的优点,适合于在岩石直接拉伸试验中推广应用。

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泥水盾构开挖面稳定影响因素及参数优化研究

刘新荣, 刘东双, 陈强, 周小涵, 熊飞

地下空间与工程学报. 2022, 18(6): 1954-1961.

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泥水盾构掘进对开挖面的扰动引起地层沉降,主要影响因素有隧道埋深、泥浆重度、刀盘开口率、推进速度、送浆压力、土层性质(包含黏聚力和内摩擦角)及施工过程中的其他工程措施。基于正交试验原理,利用有限差分软件FLAC3D进行影响因素的全局敏感性研究,同时对掘进参数进行了探讨。结果表明:内摩擦角对沉降量指标的影响最为显著,推进速度、黏聚力及泥浆重度相应次之,属于主要影响因素;而隧道埋深、刀盘开口率和送浆压力的大小对沉降量的影响程度基本一致,属于次要影响因素;在实际施工中,盾构推进速度和泥浆重度主要控制地表沉降,而泥浆重度、刀盘开口率主要影响盾构自身稳定性。

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基于冲击映像法盾构同步注浆效果检测与评价

李涛, 王颖轶, 黄醒春

地下空间与工程学报. 2022, 18(6): 1962-1967.

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针对富水渗透性地层盾构施工同步注浆充填特性,将冲击映像法应用于盾构隧道壁后充填状态的探测。通过冲击弹性波的反射及其区域响应特征的波形分析,基于快速傅里叶变换获取测点冲击响应强度,并通过三维成像建立盾构隧道壁后注浆充填程度空间分布云图。在此基础上,建立检测工程数据样本空间内波形分布及冲击响应强度概率密度函数、风险演化函数,分别定量评价各测区及测线的充填状态及风险;通过检测区域内概率密度函数在对应风险区域的积分,建立盾构隧道同步注浆壁后充填状态综合评价体系。最后,通过工程案例验证了该方法的适用性。

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矩形顶管近距离上穿既有隧道施工扰动分析

吴垠龙, 刘维, 贾鹏蛟, 史培新

地下空间与工程学报. 2022, 18(6): 1968-1978.

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随着矩形顶管在地下工程建设中的应用,不可避免会穿越临近既有结构,而新建上穿矩形隧道与既有隧道的相互作用关系研究较少,尤其在动态模拟顶管顶进方面。以苏州某大断面矩形顶管近距离上穿既有隧道为背景,对矩形顶管施工引起的既有隧道变形进行现场实测,得出顶管施工对既有隧道影响最大为轴线下方区域,影响范围约2.5W(W为顶管宽度),隧道整体呈现为隆起趋势。建立三维有限元模型,采用位移控制实现了顶管顶进的动态模拟,在考虑管土相互作用的基础上,研究管土摩擦力对临近隧道的影响规律,得出侧向摩擦阻力越大,隧道隆起值越大,且模拟结果与现场实测基本吻合,验证了实测规律的正确性以及模型的合理性。

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地道基坑上跨盾构的实测分析及保护方案研究

李宗阳, 张佳, 褚方平

地下空间与工程学报. 2022, 18(6): 1979-1988.

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依托徐州彭祖大道会议中段地道工程,研究了在粉土地区明挖基坑近距离上跨地铁盾构隧道的保护方案,提出了MJS及管幕相结合的盾构保护措施。现场测试数据研究表明,粉土层内的MJS加固体在一定深度范围内较为均匀,并且加固体强度满足要求。此外研究了管幕在MJS加固体中顶进的可实施性,钻头增设合金楔形齿块可增加顶进效率。根据开挖过程中地铁盾构的监测数据,配合主要施工步骤横道图进行分析,详细研究了盾构隧道变形的相关影响因素,研究表明:(1)MJS配合管幕的保护方案可有效控制由于上层基坑开挖造成的盾构变形,施工过程中地铁盾构变形均控制在要求范围内;(2)MJS可有效控制喷射孔内压力,在加固期间对盾构几乎没有影响;(3)在加固体未达到设计强度前,需特别注意重型机械设备驶至盾构上方,会造成盾构隧道较大沉降变形。根据实际保护方案建立有限元模型,通过与实测数据相比较,验证了模型参数的合理性;通过建立多种保护模型,验证了MJS配合管幕的保护方案的必要性。

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预应力挡土墙工作性能研究

李栋, 陈湘生, 安关峰, 陈仕文

地下空间与工程学报. 2022, 18(6): 1989-1995.

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为研究预应力挡土墙的工作性能,基于经过模型试验数据验证的数值建模方法,构建了一个6 m高的预应力挡土墙数值模型。通过与未施加预拉力的挡墙进行对比,分析了挡土墙的变形、土压力分布、主应力方向、屈服区发展、特征单元的应力路径和整体稳定性等规律。研究结果表明:预应力筋的预拉力能够有效减小挡土墙的变形,其侧向位移和竖向沉降分别减小了42.1%和32.5%;施加预拉力后,填料中土压力的大小和主应力方向发生显著变化,加固区整体性增强,墙后屈服区扩展范围减小;特征单元的应力路径变化规律和强度折减法稳定性计算结果均表明,施加预拉力后挡土墙的稳定性有所提高。

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泥水盾构施工参数相关性及预测策略优化研究

魏力峰, 贾思桢, 朱牧原, 刘四进, 方勇

地下空间与工程学报. 2022, 18(6): 1996-2004.

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为研究泥水平衡盾构施工关键参数间的相关关系及其关联机理,依托清华园隧道3#—2#盾构区间,选取863环掘进数据,利用统计学方法对不同地层段关键参数的正态性特质进行判定,系统地探讨了两参数间的相关关系,同时,基于随机森林、BP神经网络等机器学习常见算法建立了复杂互层地层刀盘扭矩预测模型,以反映模型输入特征量与参数相关性的优先级。研究表明:地层差异对各参数间的相关强度影响较显著,可由极弱相关转变为较强相关;刀盘扭矩、泥水压力和盾构推力在多个地层段存在较强的相关性;预测模型中弱相关参数的输入对模型预测精度的提升效果有限,选定部分较强相关参数即可保证预测模型质量。

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成都富水砂卵石地层EPB盾构出土量参数研究

张延杰, 胡长明, 龚晓南, 吴荣琴

地下空间与工程学报. 2022, 18(6): 2005-2015.

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出土量参数作为土压平衡盾构的主动性控制参数之一,为得到出土量参数对盾构隧道施工影响规律,解决该参数异常对盾构隧道施工的不利影响,通过大数据分析现场掘进数据,对出土量参数进行统计分析和理论推导。研究表明:盾构隧道埋深的大小对盾构掘进的出土量参数无直接影响。得出了成都盾构隧道施工的出土量参数限值的取值范围,给出体积系数α和密度系数β的取值范围,验证了通过使用正态分布统计和T估计法进行富水砂卵石地层下盾构掘进出土量参数处理的可行性。出土量参数研究成果目前只适用于富水砂卵石地层和以砂卵石为主的富水复合地层中。开挖前,运用研究结论可确定开挖区间的出土量取值范围,为实际施工提供建议和参考;开挖过程中,可预测开挖环出土量,也可反推掌子面开挖土层密度,与地勘报告进行对照,以确定实际削切土层,进而及时改变盾构掘进模式和掘进参数。

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中强风化泥质粉砂岩复合地层盾构掘进参数控制

张慧鹏, 张康健, 夏明, 张志强, 钟广

地下空间与工程学报. 2022, 18(6): 2016-2026.

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盾构掘进参数是盾构隧道施工过程中影响施工安全、施工效率的重要因素。基于三维颗粒流离散元分析方法,建立了复合地层全刀盘滚刀破岩数值模型。通过分析盾构不同掘进参数下刀盘破岩受力情况,确定了盾构最大掘进速度与刀盘转速的关系,提出了中强风化泥质粉砂岩复合地层盾构掘进参数控制区划分范围。盾构掘进参数的取值区域可分为:最大贯入速度控制区、滚刀破岩受力控制区和盾构设计参数控制区3个区域。在最大贯入速度控制区:刀盘转速0<w<0.05,最大掘进速度0<v<175w。在滚刀破岩受力控制区:刀盘转速0.05<w<1.55,最大掘进速度0<v<-8.527w²+61.058w+5.945。在盾构设计参数控制区:刀盘转速1.55<w<3,最大掘进速度0<v<80。

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沉管隧道干坞基坑可回收锚索力学特性研究

熊正元, 杨春山, 陈浩民

地下空间与工程学报. 2022, 18(6): 2027-2035.

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为理清沉管隧道干坞基坑开挖使用过程可回收锚索的力学特性,以典型工程实例为背景,简析干坞基坑可回收锚索的作用机制,借助数值法建立可回收锚索精细仿真模型,计算揭露干坞基坑支护体系受力变形特征,开展与普通锚索受力特性对比分析,并提出可回收锚索修正设计思路。研究表明:实例干坞基坑支护结构位移和锚索轴力均小于规范限值,基坑处于安全稳定状态;可回收锚索轴力呈均匀的“矩形”分布,而非现有研究提出的单调递减曲线分布;坞内蓄、排水过程,在往复水压作用下,土层与可回收锚索力学特性受到了显著的影响,实际工程应充分考虑;蓄、排水作用诱发的变形为可恢复的弹性变形,引起的锚索内力变化幅值由上往下逐渐增加;可回收锚索抑制基坑侧移能力较普通锚索差,内力比普通锚索总体更大,且两者分布规律不同,普通锚索锚固段轴力呈“阶梯形”分布;实际工程可回收锚索应用设计时,内力可参照常规锚索设计思路,通过修正满足承载力要求。

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玻璃纤维筋桩体在盾构始发与接收中的应用研究

刘军, 刘礼扬

地下空间与工程学报. 2022, 18(6): 2036-2043.

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盾构始发与盾构接收端采用玻璃纤维(GFRP)筋桩作为围护结构的技术目前已在国内外得到广泛应用,但在工程实践中发现接收端的GFRP筋桩体存在变形过大等现象。为了解决这一安全隐患,对比分析了二者始发与接收的施工工艺特点,采用三维数值模拟方法分析了二者地表沉降、GFRP筋桩体变形规律及差异性。研究结果表明:在盾构接收施工中GFRP筋桩体受力复杂,施工难度高,风险因素多,盾构推力的控制极为关键;相比始发阶段,接收阶段的GFRP筋桩体需要具有更高的抗弯和抗剪承载力以保证洞口稳定性。本文研究成果对于同类工程的围护结构设计具有一定的参考价值。

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盾构下穿桥梁桩基的截桩效应

高洪梅, 蔡鑫涛, 张正, 李兆, 王志华

地下空间与工程学报. 2022, 18(6): 2044-2051.

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在盾构隧道的掘进过程中遇到桩基础时需要截除对盾构穿越施工有影响的桩基,评价截桩效应对周边基础和建筑物的影响至关重要。以南京地铁7号线下穿福建路桥桩基加固项目为例,利用有限元方法分析了盾构穿越截桩对周边地层、桩基-盖梁体系的影响,并讨论截桩深度、土体加固以及盾构穿越方式3个因素对桩基轴向应力的影响规律。研究结果表明:盾构截桩及土体开挖会引起隧道上部土体沉降、下部土体回弹,从而导致残桩相邻桩基的负摩阻分布,残桩附近盖梁受力出现反转现象,即上缘受压、下缘受拉;而土仓压力会导致残桩周边桩基内侧受压、外侧受拉现象,因此,盾构穿越过程中桩基受力须进行重新校核;盾构截桩深度越浅,邻桩承受的荷载越多;地基加固使残桩承担的荷载越多,对桩周土体及邻桩的变形影响越小;截除两根桩会导致残桩桩顶轴向应力增大,但盖梁对相邻桩的刚度调节作用基本不变。本研究可为盾构下穿桩基工程设计与施工提供相关参考。

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四孔小净距隧道浅埋下穿高速公路施工力学特性

姚志雄, 刘耀星, 张忠星, 吴波, 吉磊

地下空间与工程学报. 2022, 18(6): 2052-2061.

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基于摩尔库仑破坏准则并结合数学优化方法,考虑夹层围岩应力、洞室变形及路基沉降等关键指标建立安全度综合评价方程,定量优化方案,并研究最优方案下考虑施工过程及支护效应的隧道施工力学特性。研究表明:先行的右车行洞与人行洞之间夹岩的应变贯通,车行洞覆土沉降呈漏斗状,仰拱出现隆起,且先行的车行洞塑性应变多集中于拱腰位置,后开挖的左车行洞拱顶下沉及侧向变形较大,可见先行隧道的卸载及应力释放效应不可忽略,施工中应注重对先行洞的中夹岩进行注浆加固,并对车行洞左拱脚设置锁脚锚杆、拱部注浆等措施;上台阶开挖时拱顶下沉和上覆路基沉降急增,下沉值超过总变形值50%,若围岩恶化或环境控制标准更严格,应考虑采用短台阶预留核心土法或双侧壁导坑法开挖;隧道上覆路基沉降呈非对称的“W”形分布,且后行的左车行隧道沉降较大,计算结果得到现场监测数据验证;管棚落脚处及与围岩接触面存在应力集中区,揭示大刚度管棚的应力传递作用,管棚的设置可有效降低拱顶下沉及路基沉降,保证了上覆路基总沉降值小于20 mm,满足设计要求。研究工作可为类似工程提供技术支撑及工程指导。

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特大断面变截面隧道受力特性研究

曾文浩, 彭雪峰, 张粒, 胡恩来, 杨文波

地下空间与工程学报. 2022, 18(6): 2062-2071.

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以重庆火凤山隧道为工程背景,通过数值模拟、模型试验和现场监测相结合的方法针对火凤山左线隧道3处不同变截面段的隧道变形和支护结构受力特性展开研究,对比优化前后隧道施工过程对地表建筑不均匀沉降的影响。研究结果表明:(1)隧道变形随着断面扩大而增大,变截面段对隧道前后变形均有影响,影响范围在30 m内,变截面段拱顶沉降值沿隧道长度方向分布变化幅度较大,且该处隧道变形受开挖的影响明显;(2)通过研究结构受力状态发现,过渡段隧道支护结构受力复杂,分布不均匀,在截面变化处存在小范围应力集中,拱腰位置为薄弱部分,应适当进行加固;(3)渐变扩挖与突变扩挖对隧道拱顶沉降的影响差异主要表现在截面变化位置附近,两种扩挖方案影响范围相近,采用突变开挖没有出现明显不利影响,施工时可以适当缩短断面过渡距离。

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基于FAHP-GRA理论的隧道爆破冲击波风险评估

吴波, 赵睿, 蒙国往, 陈辉浩, 黄惟

地下空间与工程学报. 2022, 18(6): 2072-2079.

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爆破冲击波理论研究复杂,不确定性因素较多,为减少钻爆法施工爆破冲击波对人员和设备的伤害,有必要对隧道爆破冲击波进行安全风险评估。以福建某高速公路隧道为依托,结合相关规范和文献,对爆破冲击波风险进行了有效的风险识别,建立了隧道钻爆法施工爆破冲击波风险评价指标体系。将灰色关联度理论引入模糊层次分析法,建立了隧道爆破冲击波风险评估模型。根据定量计算结果分析,结合建立的评价集,可以得到爆破冲击波风险发生的概率等级。由评估得到的各指标关联度大小,可采取相应的措施来降低爆破冲击波带来的风险。该爆破冲击波评价体系和评估模型可供类似工程参考借鉴。

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运营期盾构隧道结构治理评价体系研究

姚旭飞, 牛晓凯, 宋伟, 尹鹏涛

地下空间与工程学报. 2022, 18(6): 2080-2089.

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针对盾构隧道加固治理后效果评价问题开展研究。首先,以两种极限状态设计为基础,从表观特性、变形特性和强度特性3个方面选取了21个影响因素,构建了盾构隧道加固治理效果评价指标体系。其次,结合现行规范及现场治理要求,建立了盾构隧道治理效果评价等级集,确定了各项指标限值,采用专家打分法和直线型无量纲化方法对定性、定量指标进行了量化处理。最后,采用层次分析法建立各级指标判断矩阵,并进行了一致性检验,形成了盾构隧道加固治理效果评价方法体系。通过实际工程案例应用表明,文中提出的评价指标体系及评价方法切实可行,可为后续盾构隧道治理评价提供借鉴。

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公路隧道平行导洞结合分段纵向通风系统研究

王永东, 赖宜, 化思豪, 王杰, 杜朋鑫

地下空间与工程学报. 2022, 18(6): 2090-2100.

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针对高海拔隧道和水下隧道因建设条件、地理条件和环评要求等因素影响不便修建竖、斜井的问题,提出了平行导洞—分段纵向通风系统。在隧道通风理论的基础上,推导了适用于该通风系统的设计参量的计算公式;同时结合隧道通风设计程序,给出了从隧道分段位置确定、设计风量计算、设计参数初始值计算到污染物浓度校核的设计流程,从隧道长度限制和需风量,初步分析了混合通风方式的适用条件。结合工程案例,给出了混合通风方式的实际应用方案,方案在不修建竖井的前提下,结合集中排烟通道很好地解决了火灾人员逃生问题,具备实际可行性,为今后穿越高海拔和跨海公路隧道的通风设计提供了新思路。

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