地下空间与工程学报

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徐雅洁, 陈湘生

地下空间与工程学报. 2023, 19(1): 1-12.

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在轨道交通工程大规模兴建与土地资源利用集约化的时代背景下,地铁域地下空间的综合开发利用是城市紧凑发展的重要组成部分,具有重要的研究意义。本文通过对地铁域地下空间相关中英文文献检索,筛选出73篇高质量的文献,从宏观、中观和微观3个尺度总结出10个关注较多议题进行深入分析,分别为:城市总体规划层面涉及开发模式、开发规模和开发规划导则相关研究;详细规划层面涉及空间活力、空间布局、地上地下空间整合设计和控制性详细规划相关研究;建筑设计层面则涉及空间结构形态、空间导向性和环境营造相关研究。进而,文章分别对各层面既有研究中常用的研究方法包括案例分析、语义学解析、建筑使用后评价、回归分析和仿真模拟法等进行总结。最后,提出可能的研究内容和创新方法,对于未来地铁区域地下空间综合开发利用具有重要参考价值。

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城市地下空间的设计转向研究

李满海, 李盈璇, 张咏颖

地下空间与工程学报. 2023, 19(1): 13-21.

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通过分析城市地下空间现实案例,总结出城市地下空间设计转向的4个象限模型;通过案例阐释不同象限设计对象的特征,提出不同象限之间的设计转向路径及设计方法。通过论述从“关注功能的专用空间”转向“创造意义的生活场所”的设计必要性和可行性,提出城市地下空间设计应以创造有意义生活方式为导向。通过案例论证生活方式设计方法和空间叙事设计方法可以实现设计转向,提出从使用者的行为、环境、价值观3个方面的设计转向路径。创造有意义生活方式的城市地下空间设计可以构建城市、自然与人之间的和谐共融关系,满足居民不断升级的消费诉求,这是本文的实用价值。

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城市枢纽与片区融合协同设计方案研究

辛志超, 朱旻, 包小华, 赵勇, 陈登伟

地下空间与工程学报. 2023, 19(1): 22-31.

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随着城市的不断建设发展和人群的不断聚集,原有的片区综合交通设施难以满足城市当下的发展和片区在城市中的定位,需要将其改造成为大型综合交通枢纽。本文对公共交通导向开发(TOD)模式在公共轨道交通站点规划建设中的经验进行总结,提出在应用中存在的问题,综合考虑民众生活质量,并基于TOD模式提出以生活质量为导向的发展理念(QOD理念),探究其具有的3个特征;同时以深圳黄木岗枢纽为例,从道路轨道交通、慢行系统、枢纽造型与地下立体空间、片区动静结合4个对城市枢纽与片区融合方面的阐述,解释QOD理念在具体设计中的应用,并为同类城市枢纽综合体设计、建设以及枢纽与周边片区的融合协同发展提供参考。

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老城地上地下一体化发展决策系统及平台构建

杨民阁, 邵继中, 刘冠, 张晓思, 罗丹

地下空间与工程学报. 2023, 19(1): 32-42.

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老城地下空间的开发利用有利于缓解城区的空间矛盾,激发城市空间活力,近年来逐渐成为提升老城人居环境的重要手段。与此同时,大数据技术和人工智能作为新时代城市空间科学规划开发的助力器,可为地下空间建设提供有力的技术保障。因此,老城地上地下一体化信息系统地研究和开发具有重要的研究价值和实践意义。本文基于国内外城市地下空间信息化系统的资料收集和调研,提取比重较高的影响因子,引入大数据集成处理技术,结合机器算法与相关评价方法,拟开发适用于老城地下空间开发管理的地上地下一体化发展决策及数据支撑平台,旨在为实现老城空间集约化发展和数字化管理提供数据支撑和决策参考,从而推进老城更新与城市风貌保护及发展。

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考虑剪胀性和应变软化的油砂非线性弹性模型

高彦芳, 任战利, 姜海龙, 丁帅伟

地下空间与工程学报. 2023, 19(1): 43-50.

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油砂力学模型是石油工程设计与开发的基础。为了更精确地描述油砂的剪胀和应变软化特征,本文提出了一种四参数形式的轴应变-偏应力、轴应变-体应变模型,对比分析了四参数模型、南水模型和修正的成都科大模型对风城油砂轴应变-偏应力、轴应变-体应变测试数据的拟合效果,最后对剪胀扩容诱导的绝对渗透率和水的有效渗透率增量进行了预测。研究表明,四参数模型比南水模型、修正的成都科大模型更能合理描述油砂的应变软化、剪胀效应以及体应变演化。根据四参数模型能够更精确地预测剪胀诱导的绝对渗透率以及水的有效渗透率增量,其预测误差比修正的成都科大模型小50%以上。本文提出的四参数模型可以为油砂钻完井及热采数值模拟分析提供关键依据。

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岩石变形破坏过程耗散结构理论分析及损伤模型

刘振洋, 刘晓林

地下空间与工程学报. 2023, 19(1): 51-60.

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将岩石视为系统,运用耗散结构理论分析能量在岩石系统形成有序耗散结构过程中的作用机制,揭示能量演化与强度变化、缺陷系统演化之间的关系和规律,在此基础上,以耗散能为参量建立描述缺陷系统演化过程的非线性动力学方程,推导耗散能演化方程,采用非线性最小二乘法对多种岩石的耗散能演化试验数据进行回归分析,验证耗散能演化方程的正确性。基于能量耗散和耗散能演化方程定义损伤变量表达式,从而得到能够反映岩石内部能量和力学作用机制的损伤演化方程。依据连续损伤理论建立考虑残余强度的岩石三维损伤本构模型,通过与多种岩石不同围压下的试验应力应变曲线进行对比,分析表明理论曲线与试验曲线吻合良好,所建损伤本构模型可以很好地描述复杂应力环境下岩石材料的变形与强度特性。

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考虑稠度空间分布的盾构壁后注浆扩散模型

周佳媚, 覃青松, 张雨帆

地下空间与工程学报. 2023, 19(1): 61-68.

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盾尾脱离管片后,在土体与盾构隧道管片间形成一个环形柱状空隙,对盾尾空隙进行壁后注浆,是控制地层应力释放和地层变形的重要手段。注入土体的浆液会对管片造成一定压力,易导致管片错台、开裂。基于半球面扩散原理,考虑浆液在空间分布上的不均匀性,研究了幂律型浆液的稠度时空分布,获得浆液压力分布与浆液作用于管片的压力计算公式。通过实例分析,对比是否考虑浆液稠度空间分布计算结果,同一扩散半径处,考虑浆液稠度空间分布时,浆液压力较大,浆液作用在管片上的力计算结果为不考虑时的2倍,考虑浆液稠度空间分布的计算结果对于工程而言是偏于安全的。建议计算幂律流型浆液作用在管片上的压力时,采用本文提出的考虑浆液稠度空间分布的计算公式。

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基于复合岩体法的锚杆支护隧道收敛修正分析

谭鑫, 尹心, 任亚坤, 姚满, 黄明华

地下空间与工程学报. 2023, 19(1): 69-78.

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基于复合岩体方法考虑锚杆与围岩的相互作用,在引入加锚效应不均匀性基础上,根据对围岩变形约束程度修正复合岩体等效计算刚度,获得了锚杆支护作用下圆形隧道收敛变形的修正解。对比既有解及数值结果验证了本文解的正确性,修正解合理地降低了既有计算方法对锚杆约束效果的过高估计。结果表明:锚杆通过提高复合围岩等效刚度降低隧道收敛变形;增加锚杆密度比增加锚杆长度对降低隧道收敛更为有效;在常规锚杆布置参数条件下,锚杆支护对隧道最终收敛的降低幅度不会超过20%,难以完全依靠系统锚杆来限制软岩隧道的收敛大变形。本文提出的修正解能合理反映锚杆对围岩收敛变形的约束作用,可为锚杆支护下隧道收敛变形的量化分析提供简洁准确的计算方法。

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隧道围岩与支护结构变形协调控制机理及工程应用

朱汉华, 周小涵, 王龚, 刘映晶

地下空间与工程学报. 2023, 19(1): 79-86.

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为解决高应力下隧道岩爆以及软岩大变形控制难题,本文从隧道围岩荷载与支护平衡、变形协调控制及围岩能量守恒三方面进一步分析地下工程平衡稳定方法的特点;根据不同围岩级别总结地下工程平衡稳定方法中隧道支护结构抗力与围岩变形特征曲线,并提出隧道围岩支护的施工建议;通过分析围岩与支护结构有效荷载传递规律与功能转换特征,揭示围岩平衡与支护结构变形协调控制机理,并结合高应变吸能层材料设计一种表征为“吸能让压支承抗压”的一体化新型隧道围岩支护工艺。通过工程应用表明,基于新型支护工艺在岩爆、软岩大变形隧道中围岩压力降低28.09%,保障了隧道安全高效施工。

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北山花岗岩声发射特征及破坏模式识别研究

王超圣, 蔡俊超, 韩书娟, 赵耀威

地下空间与工程学报. 2023, 19(1): 87-94.

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针对北山花岗岩开展了直接拉伸试验、巴西劈裂试验以及三轴压缩试验,试验过程中实时检测声发射事件。详细分析了声发射特征,并基于声发射特征通过Fisher判别方法建立了不同试验方式岩石破裂的识别模型,结果表明:(1)直接拉伸试验强度约为巴西劈裂试验强度的1.23倍;(2)巴西劈裂试验的b值呈“W”形变化趋势,而直接拉伸和三轴试验的b值呈现波动下降的趋势;(3)巴西劈裂试验的AF/RA值呈现稳定波动状态,直接拉伸试验的AF/RA值经历上升、下降、小幅波动3个阶段,三轴压缩试验的AF/RA值在应力达到峰值前波动下降,但在峰值后AF/RA处于大幅波动状态;(4)基于Fisher判别方法建立了3种试验试件破坏的识别模型,并进一步分析模型识别的正确率。

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考虑拱效应的隧道管棚力学模型与参数分析

许晓静, 宋战平, 李辉, 田小旭, 周冠南

地下空间与工程学报. 2023, 19(1): 95-106.

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为了更好地研究隧道管棚的实际受力状态,根据隧道施工工序和施工影响,将隧道管棚划分为二衬段、初支段、开挖段以及掌子面前方的扰动段和未扰动段等五段,考虑管棚注浆后形成整体管棚拱的拱效应,建立了五段式隧道管棚的Winkler弹性地基梁新模型,推导了五段式隧道管棚模型的挠度和内力计算公式,并与既有工程案例进行对比分析,同时对不同的开挖进尺、管棚直径和加固区弹性模量进行了分析。结果表明:新模型得到的管棚挠度最大值和挠度最大值对应的位置与现场监测结果更为接近,能够解决已有管棚模型因边界条件设置不合理而造成的管棚变形在扰动段的末端出现的上拱现象,更符合管棚实际的变形情况;改变开挖进尺对管棚的挠度影响更大,管棚钢管直径为108 mm和114 mm时,其管棚支护效果相差不大;当E_c(加固区弹性模量)＞40.0 E_g(围岩弹性模量)时,开挖进尺和钢管直径对管棚的挠度和弯矩的影响不大,因此,提高加固区的弹性模量是减小管棚挠度和内力最有效的方法。

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砂页交互页岩油储层开采诱导应力场演化规律

夏阳, 韦世明, 王迪, 金衍

地下空间与工程学报. 2023, 19(1): 107-116.

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页岩油储层立体开发中地应力演化规律复杂,影响邻井工程作业。本文以纵向砂页互层页岩油储层为研究对象,建立应力敏感模型,基于多孔弹性力学建立压裂储层开采诱导应力场演化预测模型,初步表征了页岩纵向非均质性条件下层内、层间开采诱导地应力动态演化规律。结果表明:多层合采时,水平井不同位置处的应力剖面演化规律不同,水平井中段近井处的层间水平应力差随时间减小,而端部的层间水平应力差随时间增大;随着生产进行,高渗层(砂岩)内有效最小水平主应力增大幅度和应力转向角度均大于低渗层(页岩);生产3年后,高渗层(砂岩)内最大应力转向角度达到79°。研究成果可为页岩油储层立体开发布井、压裂设计提供了理论支撑。

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真三轴加卸载下含裂缝砂岩能量演化规律研究

程健, 刘传奇

地下空间与工程学报. 2023, 19(1): 117-125.

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为了探明真三轴循环加卸载过程中含裂缝砂岩能量演化规律,设计了真三轴循环加卸载试验,深入分析了循环加卸载过程中吸收总能量、弹性能、耗散能的演化规律与变化特征,进而探讨了能量耗散与岩石强度之间的关系。结果表明:(1)吸收总能量、弹性能和耗散能变化规律与砂岩试样裂缝角度无关,均随循环次数的增加而增加,且增幅越来越大,临近破坏时最大;(2)不同裂缝角度砂岩的吸收总能量、弹性能和耗散能与应力上限呈二次函数关系增长,吸收总能量、弹性能和耗散能能量增速依次减小,但前两者增速显著大于耗散能增速,且耗散能拟合曲线呈“凹”形;(3)定义了表征岩石储能能力和能量耗散能力的储能系数和能量耗散系数,对比发现岩石裂缝角度越大,储能能力越强,能量耗散能力越弱,岩石的峰值强度越大。

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定轴剪切条件下砂土强度与非共轴性试验研究

刘超, 董彤, 孔亮

地下空间与工程学报. 2023, 19(1): 126-132.

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针对现有定轴剪切试验大多忽略中主应力系数b值变化这一问题,基于不同力系之间的映射关系,严格推导了空心圆柱扭剪仪4个外荷载的加载参数。采用重塑福建标准砂试样,分别在2组围压下开展主应力方向固定的剪切试验,研究主应力方向角α不同时,砂土变形、强度、非共轴性等力学特性的差异。结果表明:砂土的强度、应力-应变关系等力学特性均具有显著的应力方向依赖性;随着应力方向从0°到90°变化,应力路径表现为2个变化阶段,峰值强度先减小后增大,在α为67.5°附近取极小值;对比大主应变增量方向与大主应力方向之间的关系,发现当偏应力比较小时,试样存在明显的非共轴现象,随着偏应力比的增大,应变增量方向逐渐趋近于应力方向。

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干湿循环效应下裂隙性黄土单轴压缩力学特性

周立阳, 许健, 胡科, 李彦锋, 武智鹏

地下空间与工程学报. 2023, 19(1): 133-140.

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通过系统开展干湿循环效应下裂隙性黄土的单轴压缩试验,对干湿循环效应下裂隙性黄土的裂隙演化规律与单轴压缩力学特性进行了深入探讨。结果表明:不同倾角试样表面裂隙率R_sc与分形维数D_f均随干湿循环次数增加逐渐增大,但增速逐渐减缓;干湿循环效应对裂隙性黄土单轴压缩应力应变曲线的类型及特征无显著影响;应力应变曲线的初始斜率随干湿循环次数增加逐渐降低;不同倾角试样单轴压缩应力-应变曲线均表现为软化型,其中45°倾角试样的应力应变曲线表现出“双峰”变化规律;不同倾角试样单轴抗压强度均随干湿循环次数增大表现出减速衰减特征;不同干湿循环次数下裂隙性黄土单轴抗压强度与裂隙倾角关系曲线均呈现出“双V”变化特征。

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饱和重塑黏性土固结过程的孔径分布特性研究

郑娟, 伍肖, 赖秀英

地下空间与工程学报. 2023, 19(1): 141-147.

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对饱和重塑黏性土采用不同加载速率进行排水固结,将不同加载时段的试样进行核磁共振(NMR)测量,分析横向驰豫时间T₂分布、T₂谱面积变化与孔隙的关系,研究饱和重塑黏性土固结过程的孔径分布特性。结果表明:饱和重塑黏性土试样初始阶段的横向驰豫时间T₂为两谱峰,分别代表大小孔径的孔隙,随着加载的进行,各试样组试样孔径逐渐向较小尺寸转移,最终变成致密均匀的小孔径孔隙;恒载一定时间后,孔径变化不再明显,说明孔隙中可流动流体已排尽,此时完成排水固结;根据加载速率与最大孔压的正相关关系得到一分界速率,合理推断控制加载速率小于该值,则主固结阶段即完成排水固结。

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基于能量演化的超深层高温页岩脆性评价方法

任岚, 蒋豪, 赵金洲, 林然, 王振华

地下空间与工程学报. 2023, 19(1): 148-156.

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深层/超深层页岩气是未来勘探开发重点攻关对象。目前川东南某页岩气井的最大钻探垂深已达6 600 m,地层温度高达180 ℃。为揭示高温页岩力学性质及脆性特征,以该井垂深为5 942.34～ 5 951.75 m的龙马溪-五峰组真实岩心开展180 ℃实时高温三轴压缩实验,提出了基于矿物组分权重的能量演化脆性评价方法,并以此评价其脆性。该方法同时考虑岩石矿物组分和破坏过程中的能量演化,能更准确地定量评价高温岩石脆性。结果表明:页岩抗压强度随温度/围压的增加而增加,弹性模量、泊松比受温度/围压的影响较小;破坏模式随围压的增加由脆性张剪性贯穿多裂纹破坏向脆塑性单裂纹剪切破坏转变;计算得到该超深页岩层段脆性指数高,表明其具备形成复杂缝网的物质基础。

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钻井液对HDD黏土层力学性能作用机理研究

梁小强, 孙平贺, 胡达, 黎永索, 韦帮第

地下空间与工程学报. 2023, 19(1): 157-164.

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为从宏细观角度研究不同种类钻井液与黏土地层重塑样作用前后力学特性的演化机理,对与重塑样作用后的钻井液进行阳离子测试,通过阳离子交换容量测试确定试验后钻井液中的阳离子交换容量,并使用Correl函数对钻井液的阳离子相关参数及重塑样的孔隙参数和力学参数进行了相关性分析。结果表明:在水基钻井液中,重塑样的孔隙率与钻井液的阳离子交换容量及溶液中游离的阳离子浓度的相关系数均趋近于-1,即阳离子交换容量及溶液中游离的阳离子浓度越大,试验后重塑样的孔隙率越小,力学性质越好。核磁共振扫描图像结果表明:3号水基固相钻井液对重塑样水化膨胀的抑制与孔隙封堵作用最好,重塑样的力学性能最佳。

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堆积体湿化试验及其状态相关弹塑性模型模拟

郑双进, 田海

地下空间与工程学报. 2023, 19(1): 165-172.

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通过双线法大型三轴湿化试验,研究了较密与较松两种密实度的土石混合堆积体,在不同围压σ₃下湿化前后力学特性的变化规律,分析了湿化对土石混合堆积体的割线模量E₅₀、临界状态摩擦角、峰值状态摩擦角以及临界状态线位置的影响。结果表明,湿化作用会引起堆积体的割线模量E₅₀、临界状态摩擦角与峰值状态摩擦角的衰减,明确了土石混合堆积体湿化前后的等向固结线(ICL)与临界状态线(CSL)的变化趋势。基于无黏性土的状态相关本构模型,对湿化前后的堆积体应力应变关系进行了模拟,与试验结果对比,发现该模型较好地反映了堆积体湿化前后的剪胀特性变化。

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孔洞型碳酸盐岩应力敏感下孔隙结构CT研究

齐傲江, 黄海, 李楷, 李嘉莹, 张帆

地下空间与工程学报. 2023, 19(1): 173-182.

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目前储层应力敏感性研究在微观孔隙结构层面研究不足,本文选取川中地区震旦系灯影组四段气藏孔洞型碳酸盐岩心,进行原位CT的应力敏感试验研究。试验表明:孔洞型碳酸盐岩的渗透率随地层有效应力的增加明显下降;有效应力的增加造成岩心的孔隙体积、孔喉直径、喉道长度均变小;岩心的孔喉直径分布曲线和喉道的概率分布曲线向橫坐标轴负方向偏移,形状因子的概率分布曲线向橫坐标轴正方向偏移,在不同的压力阶段对不同尺寸、形态的孔隙影响不同,对于微小孔隙和喉道伤害明显,孔喉连通性变差;压力变化造成岩心微观孔隙结构变化导致岩心渗透率下降,且随着有效应力降低岩心渗透率不能完全恢复,表明应力敏感造成不可逆伤害。

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隧道超前地质预报检波器耦合介质理论及试验研究

黄佩, 焦玉勇, 张国华, 邵翠法, 关鹏

地下空间与工程学报. 2023, 19(1): 183-192.

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隧道超前地质预报是隧道施工中的重要部分,其准确性影响着隧道施工安全。为提高隧道超前地质预报的准确性,对隧道超前地质探测中检波器耦合介质开展针对性研究具有重要意义。本文通过对隧道检波器耦合结构开展理论建模,探讨了耦合介质在检波器与围岩耦合过程中发挥的作用。在此基础上,选用工业黄油、石蜡、石膏、环氧树脂以及黏质土5种耦合介质进行了现场耦合试验。最后,根据理论建模结果采用数值模拟手段对不同耦合介质的耦合过程进行了分析,并就介质厚度对耦合效果的影响进行了探讨。结果表明:材料的耦合效果与其固化强度呈正相关关系,基于理论公式的数值模拟结果很好地验证了试验结论;耦合介质厚度影响耦合效果的主要因素在于厚度过大会引起地震波损耗,厚度过小会产生较大的谐振现象。研究成果可服务于工程实际应用,进一步提高隧道超前地质预报的准确性。

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平行地震波法探测桩长的影响因素试验研究

杨军, 孙晓立, 卞德存

地下空间与工程学报. 2023, 19(1): 193-199.

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针对平行地震波法探测既有桩基长度的现场实施问题,依托某市政桥梁工程开展了桩基原位测试试验,着重研究桩顶激振方式、桩端嵌岩条件与上部结构等因素对平行地震波法波形的影响。结果表明:当桩基顶面自由时,竖敲和横敲获得的地震波波形总体一致,初至波振幅衰减程度随桩孔测试间距增加而增大;测试孔距离桩基越远,初至波到达时间拟合直线形态受地层不均匀性影响越显著;桩端嵌入完整基岩导致桩身段波速与桩底持力层波速相差不大,难以通过拟合直线法确定桩底埋深,但结合地质情况和施工工艺可初步判断桩端是否进入岩层及桩底与基岩粘结质量;对于上部结构已建成的桥梁桩基,采用不同角度横敲墩柱侧面,产生的初至横波传递衰减较快,利用辅助装置斜敲墩柱侧面可增加地震波中的纵波成分,显著改善平行地震波法测试信号质量。

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基于宾汉体浆液的黄土可控劈裂注浆研究

周茗如, 钟琳, 李少飞, 陈一鸣

地下空间与工程学报. 2023, 19(1): 200-206.

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浆脉在土体的分布在很大程度上影响注浆效果,为了在黄土中实现浆脉可控劈裂注浆,采用平板窄缝模型推导了宾汉体浆液在黄土中的扩散理论,得出扩散半径与注浆压力差、裂缝参数、浆液性质等参数有关。以此为出发点,设计现场注浆试验,结果表明:通过控制注浆参数和施工过程可基本实现浆脉尺寸、间距等与设计值偏差在±40%以内;浆液压力较低时在黄土中主要以挤压作用为主,挤压扩散半径约为注浆管直径的1.2~2倍,压力较高时以劈裂为主;试验最终形成的复合地基桩芯结实体在深度越浅处强度越低,实际注浆中应考虑提高地表处结实体强度,为实际注浆工程中注浆参数的设计提供一定参考。

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悬索桥隧道锚工程应用与研究现状分析

刘新荣, 罗维邦, 肖宇, 张刚, 梁宁慧

地下空间与工程学报. 2023, 19(1): 207-219.

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基于国内外重要文献数据库,采用文献计量技术,整理完善了隧道锚内外工程应用现状,分析了30座隧道锚建设地点、应用数量、主跨度、锚塞体轴向长度、围岩性质等特点,推测了未来隧道锚建设趋势。通过文献统计手段,概括了隧道锚材料与结构选型,并对20多年来隧道锚国内外相关中英文论文发表情况进行了调研,统计了隧道锚文献来源期刊与学位论文、分析了相关论文的发表机构,并采用可视化技术构建关键词共现网络,对目前隧道锚研究热点与重点进行整理。针对隧道锚应用地质特点以及相关研究进行分析评价,基于隧道锚的上述研究现状,对隧道锚未来的研究方向提出简要的思考,认为隧道锚的应用会更加广泛,同时还需要对复杂地质作更深入全面的研究。

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太湖隧道智能运营设施设计方案研究

方忠强, 张鹏, 涂齐亮, 马新明

地下空间与工程学报. 2023, 19(1): 220-228.

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随着交通运输领域新型基础设施建设的不断推进,交通基础设施智能化不断升级,构建智慧隧道势在必行。本文围绕太湖超长水下隧道数字化、网络化、智能化的建设,对隧道智能视觉系统、全频广播投放系统、车路协同技术、基于CPS的隧道通风节能系统、自适应智能无极调光照明系统开展隧道智慧设施总体设计研究,利用动态视觉景观、定向声发射、5G/RSU数据采集和智能传感器数据采集等技术,运用数据挖掘处理算法,构建高效云平台架构,对隧道内的交通状况及环境信息进行实时检测,优化隧道智慧管理与服务,缓解司乘人员在隧道内的压迫感,降低对周边居民日常生活的影响,优化应急处置措施,完善公众信息发布服务手段,降低隧道照明能耗,提高隧道运行效率和管理水平,最终达到“安全优先、舒适出行、节能高效”的目的。

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基于等效变温法的基坑钢支撑预应力损失研究

石磊, 张宏宇, 章敏

地下空间与工程学报. 2023, 19(1): 229-237.

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针对钢支撑预应力损失和复加对基坑稳定性及邻近桥桩的影响,基于等效变温法,将预应力损失(复加)量换算为温度变化量,通过改变钢支撑活络端温度模拟预应力加卸载;讨论了预应力损失量、桩顶荷载、桩端支撑屈服强度等因素对围护结构及邻近桩侧移、内支撑轴力、桩顶沉降及桩身内力等影响。结果表明:预应力损失将引起邻近支撑轴力增大,但随着与之距离的增大,远端支撑轴力的增量逐渐减小;相比于损失阶段,预应力复加过程中邻近支撑轴力及围护结构侧移的恢复达不到损失前状态;第二、三道钢支撑预应力先后损失引起的邻近桩响应(沉降和轴力)均大于2道支撑同步损失;增加桩顶荷载或降低桩端支撑屈服强度将加剧预应力损失引起的桩身沉降。

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基于SPH粒子法的盲天井掏槽爆破数值模拟

孙博, 张智宇, 王军, 黄永辉, 刘浩杉

地下空间与工程学报. 2023, 19(1): 238-246.

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针对上向盲天井掏槽孔爆破效果,运用补偿系数法对周边大空孔孔间距进行计算并进行方案制定,利用光滑粒子流体动力学方法(SPH粒子法)进行数值模拟计算,开展盲天井掏槽爆破周边空孔作用以及补偿系数对爆腔及岩石损伤范围影响研究。研究结果表明:在孔间距一定时,爆腔面积随补偿系数增大呈增加趋势;当补偿系数达到2.42时爆破效果最佳且达到峰值0.54 m²,而后爆破效果作用达到极限,爆腔面积变化趋于稳定;岩石损伤范围因炸药作用效果有限,总体变化范围在10%以内;模拟过程中SPH粒子能良好地模拟出爆破过程中岩石运动状态、空孔填充情况以及岩石损伤范围。所得模拟结果与现场试验爆腔断面面积吻合度高,说明数值模拟计算具有一定的准确性。

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砂卵石地层冻结法施工融沉效应研究

王士民, 王亚, 彭小雨, 陈兵, 涂果

地下空间与工程学报. 2023, 19(1): 247-256.

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本文针对富水砂卵石地层联络通道应用冻结法进行施工时的融沉特性进行研究,在数值模拟软件ANSYS中采用间接法进行热力耦合计算,模拟地铁联络通道冻结法施工的全过程,探讨富水砂卵石地层融沉阶段地表变形、双线隧道管片及联络通道结构的变形与受力特性,为实际工程施工提供有效的参考与建议。结果表明:随着砂卵石地层的逐渐解冻,地表沉降呈逐渐增大的趋势,但砂卵石地层的融沉效应小,融沉变形仅有1.85 mm;管片和联络通道结构的沉降变形值随砂卵石地层的解冻逐渐增大,在此过程中管片和联络通道结构的拉应力减小,压应力增大;实际施工中,应该重点监测管片结构在与联络通道结构连接处顶部的沉降变形、底部的受压情况以及联络通道结构底板处的沉降变形和受压情况。

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隧道拱架装配式施工关键技术及应用研究

孙会彬, 鹿伟, 宋曙光, 邵行, 王雷

地下空间与工程学报. 2023, 19(1): 257-265.

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为解决复杂条件隧道拱架安装施工效率低、安全性差等问题,本文基于传统拱架施工难题,研发了高自由度拱架主安装机、辅助安装机等机械化设备和适用于机械化施工的装配式配套装置,形成了装配式拱架机械化施工工艺;并根据关键施工工序装配式拱架分阶段承载特性,开展了不同约束条件下装配式拱架稳定承载特性数值试验研究。结果表明:装配式施工工法对拱架初期强度提高具有显著的意义,拱架承载系统的快速形成,是保证围岩弹塑性变形得到有效控制的关键;研究成果在滨莱高速改扩建马公祠隧道现场进行了初步应用,施工效率显著提升,围岩变形得到有效控制。

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马蹄形预制初期支护结构生产及试验技术研究

毕程程, 白中坤, 赵修旺, 李鹏

地下空间与工程学报. 2023, 19(1): 266-274.

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传统的初期支护施工安全性低、劳动强度大、环境污染严重、质量难控制,为改善现有的作业环境,提高施工质量和进度,提出了一种马蹄形预制初期支护结构。从结构设计方案、预制方式、拼装方法以及试验实例4个方面做了详细介绍,并对关键技术进行了阐述,结果表明:型钢混凝土结构分块设计时要兼顾受力状态、加载模式、结构吊运等各方面因素,同时还要考虑型钢加工难度,单根型钢的弯曲半径不宜超过2种;柔性模板与刚性背楞有效组合,能够预制各类异形结构,材料也可重复利用,经济性良好;预制初期支护结构在2.3倍设计荷载时裂缝开始发展,在3.1倍设计荷载时出现连接节点失效,试验证明其承载能力满足工程需求。

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适应通风降温限值的隧道洞口气温临界值

翟康博, 童谣, 王树刚

地下空间与工程学报. 2023, 19(1): 275-281.

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为解决高黎贡山大瑞铁路高地温深埋特长隧道高温热害问题,常采取通风降温与机械制冷降温相结合的措施。针对某一施工段,当通风降温能力到达限值仍无法使得隧道内空气温度满足规范时,需开启机械制冷设备。本文首先联立围岩与空气稳态传热方程和空气换热方程,利用隧道内壁面与空气换热第三类边界条件,求解出隧道内空气温度解析解。随后,以某一施工段出渣工序为例,迭代求解出隧道内不同回风速度和地下涌出热水散热功率下,施工隧道开挖面附近最高气温为28 ℃时的洞口临界大气温度。经计算发现,洞口临界大气温度与地下涌出热水散热功率负相关,与回风速度正相关;结合当地气象参数,量化单独采用通风就能使工作面附近气温满足规范要求的洞口大气温度变化区间,为进一步制定制冷设备运行计划提供理论依据。

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高海拔隧道紧急救援站人员疏散特征及规律研究

李琦, 廖雪伶, 杨畅, 李敏, 曹雄智

地下空间与工程学报. 2023, 19(1): 282-290.

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为得到高海拔环境下特长铁路隧道内紧急救援站人员疏散的特征及规律,综合考虑高海拔环境、恐慌心理、火灾因素、人员年龄性别组成以及列车结构等因素,采用Pathfinder人员疏散仿真模拟技术,对人员疏散速度随海拔高度的变化规律及修正关系进行研究,分析了不同海拔高度紧急救援站内各结构参数耦合变化下的人员疏散时间等关键参数的变化规律。研究表明:(1)随着海拔高度提升,人员疏散速度逐渐降低,海拔高度由1 km上升至5 km时,疏散速度海拔平均修正系数α₁由1下降至0.616;(2)随着心理压力值增加,人员疏散速度不同程度加快,疏散速度恐慌修正系数α₂为1.346;(3)海拔高度3 km以上时,人员疏散速度折减明显,海拔高度为3 km、4 km和5 km对应的人员疏散速度与平原地区相比分别降低了约12%、23%和38%;(4)海拔高度越高、紧急救援站横通道宽度越小、间距越大,则出口处聚集现象越严重,人员疏散率降低;(5)海拔高度3 km时,紧急救援站疏散横通道的间距不宜大于60 m,海拔高度4 km和5 km时,其间距不宜大于50 m,横通道宽度均不宜小于3.5 m。

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花岗岩蚀变带隧道涌水量预测研究

苏培东, 赵熠, 邱鹏, 李有贵, 全斐

地下空间与工程学报. 2023, 19(1): 291-301.

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红豆山隧道主要穿越云母花岗岩、变质花岗糜棱岩等非可溶岩地层,施工期间其2号斜井平导发生了大规模突涌水。为合理预测隧道涌水量,对红豆山隧道穿越花岗岩蚀变带地区的工程特点及涌水的成因机理进行了分析,并建立了相关的涌水评价等级层次结构模型。结合研究区水文地质条件及现场监测情况,对红豆山隧道涌水量危险性进行了等级划分,利用模糊数学预测了红豆山隧道2号斜井的涌水量。结果表明:(1)影响红豆山隧道涌水的相关因素主要分为工程地质、水文地质及隧道工况3个方面,共9个因素;(2)提出的模糊数学模型预测的平均涌水量与实际工程涌水量的误差为2.61%,满足工程实际施工的准确性精度,能够为类似工程的涌水量预测提供参考。

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富水地层地铁明挖结构抗浮破坏模式研究

臧万军, 赵曦雯, 王启云, 张雨露, 肖南雄

地下空间与工程学报. 2023, 19(1): 302-308.

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不同地层结构的抗浮设计存在很大区别,位于富水地层中的地铁车站,结构抗浮问题尤为突出。以厦门地铁典型车站为研究对象,采用室内模型试验与ABAQUS有限元模拟相结合的方法,研究地铁车站位于富水地层中的抗浮破坏模式,并提出抗浮措施。结果表明:富水地层中的地铁车站抗浮破坏模式为整体抗浮失效,由于车站侧壁摩阻力作用,结构并非突然浮起,而是整体上浮位移增长速率加快,破坏时板柱节点处的应变较底板其他部位偏大;上浮破坏时底板处孔隙水压力变化趋势与水体水压一致,由于渗流损失,底板处孔隙水压力需折减,折减系数约为0.79~0.85;抗浮设计时可考虑利用围护结构,改变渗流路径,增大水头折减。

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越江盾构隧道纵缝张开与收敛变形响应关系

孙飞, 李文浩, 李长俊

地下空间与工程学报. 2023, 19(1): 309-318.

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隧道收敛变形能够直观地反映出隧道结构的安全状况,是影响地铁正常运营的重要因素。依托南京扬子江大断面盾构隧道,建立了单环管片精细化数值模型,以现场接缝张开度的健康监测数据验证数值模型的准确性与可行性,研究了纵缝张开与收敛变形的关系以及螺栓预紧力和管片拼装角度对收敛变形的影响。结果表明:(1) 纵缝张开是隧道环向发生收敛变形的关键因素,管片绕接缝处转动是收敛变形的主要形态;(2) 对于大变形情况(>8‰D),不建议将提高螺栓预紧力作为控制收敛的主要手段;(3) 得到的“纵缝张开收敛变形”拟合公式,可用于估算圆砾及卵石全透水地层中不同拱腰收敛变形下的拱顶纵缝张开量。

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盾构隧道收敛与病害特征及性能相关性研究

袁云辉, 高永

地下空间与工程学报. 2023, 19(1): 319-325.

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基于南京地铁3号线九龙湖站—诚信大道站区间隧道收敛长期监测数据及结构检测成果,通过对收敛形态、数据与结构病害、性能的统计和指标分析获得以下研究结论:(1)隧道管片椭圆收敛形态主要以水平向“外扩型”为主,其长轴方向与水平线偏转角多处于±1～±30°之间;(2)收敛数值与裂缝数量、渗漏面积成正相关,但是与结构强度、错台量及壁后空鼓无明显相关性;(3)软土地层隧道收敛值＞60 mm时,管片纵向贯通裂缝数量明显增多,且最大宽度已达到或超过设计标准值0.2 mm。建议在软土条件下钢环加固标准设置为60 mm;(4)管片渗漏部位常发生于隧道水平线附近±30°范围,这与“外扩型”收敛椭圆长轴方向产生最大变形量Δ_max的范围相一致,进一步验证了收敛变形是导致接缝渗漏的主要成因。

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锚杆支护参数对岩爆防治效果的影响研究

曲宏略, 刘哲言, 陈爽, 汪林, 黄伟

地下空间与工程学报. 2023, 19(1): 326-333.

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岩爆是一种严重威胁深埋地下工程施工安全的动力灾害,现有诸多岩爆判别指标,但均未考虑支护作用的影响。鉴于此,本文基于弹性应变能理论,结合锚固效应与锚杆吸能理论,提出了锚杆支护下的岩爆危险性判别准则。以草果山隧道为例,对不同锚杆支护参数下岩爆防治效果进行研究,选取锚杆间距、锚杆长度、锚杆直径和锚杆类型4个因素,在不同岩爆等级下进行正交数值模拟试验。试验结果表明:对岩爆判别准则影响大小次序依次为锚杆类型>锚杆间距>锚杆长度>锚杆直径。此外,试验结果还得出了不同岩爆等级下的锚杆支护的最优参数选择,为同类高地应力隧道支护措施设计提供了参考。

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自组织特征映射神经网络在岩爆分级预测中的应用

付自国, 李化, 邓建辉, 陈菲, 王佳信

地下空间与工程学报. 2023, 19(1): 334-342.

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岩爆是地下工程一种常见的动力灾害。为了提高岩爆预测精度和探究岩爆参数之间的潜在关系,本文借签一种自组织特征映射神经网络(SOFM),构建了岩爆烈度分级预测的无监督学习模型。结合国内外岩爆判据,选取围岩最大切应力、单轴抗压强度、单轴抗拉强度、应力系数、脆性系数及弹性能量指数6个参数作为评价指标。将46个典型的岩爆案例输入到竞争层为2×2拓扑结构的SOFM模型中进行训练。结果表明:SOFM模型具有可靠的聚类能力,其正判率为90%;与现有的有监督学习模型进行了比较,验证了本文建立的SOFM模型的优越性;最后,对SOFM聚类结果分析发现,脆性系数对轻微、中等及强岩爆的影响权重均较大,选取的6个评价指标对强岩爆和中等岩爆区分并不明显。

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季冻区高速铁路路基改良填料冻融性能研究

崔宏环, 闫利, 赵嘉

地下空间与工程学报. 2023, 19(1): 343-350.

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针对季冻区高速铁路路基填料冻融性能问题,将水泥和水泥粉煤灰掺入级配碎石作为改良措施。为了研究水泥和水泥粉煤灰改良碎石填料的抗冻融耐久性能,对填料的水稳定性、冻融变形特性和冻融耐久性进行试验,分析改良剂的种类、掺量以及养护龄期等因素的对路基填料性能的影响规律。研究结果表明:水泥改良填料相较于水泥粉煤灰改良填料有较高的无侧限抗压强度;填料单向冻胀量随着水泥掺量的增加而降低,掺入粉煤灰后会提高填料的冻胀率;水泥粉煤灰改良填料在28 d养护后水稳定性性能较水泥改良填料更佳优异,抗冻融性能则会低于水泥改良填料。

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