地下空间与工程学报

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雷升祥, 孙嘉良, 张文丽

地下空间与工程学报. 2023, 19(2): 351-358.

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以专利大数据分析为基础,结合产业发展研究,系统梳理了国内外城市地下空间领域专利申请趋势、主要应用场景专利布局情况、国际专利分类表IPC中各技术领域专利分布、国外主要国家和我国主要城市专利申请状况。从分析结果看,中国已经成为引领地下空间领域发展的重要力量;轨道交通是推动城市地下空间发展的重要因素;中国专利数量多,但质量需进一步提升;国内外专利布局技术领域相似度高,中国在地下停车和综合管廊领域具有优势,国外在污水处理和智能化技术方面具有优势;城市地下空间的智能化、综合化、绿色化发展已成为国内外共识和未来方向。

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城市地下空间三维地籍研究进展及建设思考

乔永康, 彭芳乐

地下空间与工程学报. 2023, 19(2): 359-367.

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三维地籍是城市地下空间可持续发展的重要保障条件,目前我国城市地下空间三维地籍建设尚处探索阶段。本文全面回顾和梳理了与城市地下空间三维地籍管理建设相关的法律基础、权属登记、数据模型等方面的国内外最新研究进展,并基于城市地下空间的自身特性和研究实践中的思考,为我国未来发展城市地下空间三维地籍建设提出了一些建议。

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南京市地下商业空间布局特征及影响因素分析

汤玉箫, 何磊, 王睿华, 唐菲, 张智峰

地下空间与工程学报. 2023, 19(2): 368-379.

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随着地下商业空间开发总量的迅速增长,地下商业对城市商业空间结构产生的影响日益突出。本文基于大众点评数据,采用核密度估计、多距离空间聚类和地理探测器等分析方法,参照地上商业的空间分布,探讨了南京市地下商业的空间布局特征及影响因素。结果表明:(1)地下商业呈现多中心的空间分布格局,集聚强度远高于地上商业,但集聚中心的空间扩散力较弱;(2)商业中心区和轨交站域成为地下商业的主要空间载体,位于商业中心的轨交站点及其周边地区的地下商业分布密度较高;(3)传统城市空间仅能部分解释地下商业的空间分布,地下商业的空间分异机制有待进一步研究。

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高温水冷玄武岩微观机理及物理力学特性分析

何童, 徐泽辉, 杜光钢, 刘磊

地下空间与工程学报. 2023, 19(2): 380-390.

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为研究高温水冷对玄武岩物理力学特性的影响,对常温(25 ℃)和经历高温(100 ℃、300 ℃、450 ℃和600 ℃)水冷处理后的玄武岩试样开展物理测试试验、静态单轴压缩试验、X衍射及电镜扫描试验,分析了高温水冷后试样的微观损伤机理以及试样物理力学特性与温度的相关性。结果表明:高温水冷并未改变玄武岩主要的矿物成分,但对其相对含量有所影响;温度梯度越大,热冲击导致的内部裂纹越多,当温度升至600 ℃时,微观结构出现韧窝破裂形式;随着温度的升高,试样逐渐由灰绿色转变为红色,质量损失率不断增大,纵波波速不断减小,应力应变曲线逐渐变平缓,峰值强度和弹性模量则呈劣化趋势,且劣化程度逐渐加剧;在高温水冷与荷载耦合作用下,试样总损伤变量演化曲线随温度的升高逐渐变缓,表明试样逐渐由脆性转变为塑性。

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加气混凝土相变充填体强度及热学特性研究

王晓军, 蒋旭, 王石, 赵奎, 张泽群

地下空间与工程学报. 2023, 19(2): 391-399.

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为降低深部矿山高温热灾害影响,研发了适用于矿山领域的石蜡—加气混凝土复合相变材料(AAC-PCM),将其按照不同质量掺入尾砂充填体中制成加气混凝土相变充填体。为探究相变充填体的强度特征和热学性能,对掺入不同含量 AAC-PCM 的充填体进行了力学试验、导热系数试验、SEM、DSC等测试。研究结果表明:添加 AAC-PCM 增大了充填体的孔隙率,导致充填体强度随 AAC-PCM 的添加而逐渐降低,但强度降低幅度逐渐减弱;AAC-PCM的相变起始温度为 24.75 ℃,峰值温度为33.38 ℃,相变焓值为 40.71 J/g;添加复合相变材料充填体的导热系数最大降幅达 30 %,比热容升高约 31.4 %;添加少量的AAC-PCM可以显著提高充填体的储热能力,且具有良好的强度,满足矿山实际使用。

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聚丙烯纤维改性盾构渣土强度特性研究

张建勇

地下空间与工程学报. 2023, 19(2): 400-409.

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隧道建设越来越多,盾构渣土产生量将不断上升,盾构渣土逐渐成为发达城市固体废弃物的主要来源。纤维能够有效地提高土体强度,通过纤维对盾构渣土进行改良,以期解决其再利用问题。本文以北京某大直径盾构隧道盾构渣土为研究对象,采用自主研发的固化剂和聚丙烯纤维进行改良,在室内制作聚丙烯纤维改性土试块与纯固化剂改性土试块进行强度特性对比分析,并用扫描电镜对试样的微观结构进行了研究。结果表明:当聚丙烯纤维改良盾构渣土纤维含量为0.5%时,无侧限抗压强度值最大为1 026 kPa,比纯固化剂改性土无侧限抗压强度提高了77.5%;纤维改性土粘聚力为304 kPa,比纯固化剂改性土粘聚力提高了36.9%;纤维改性土内摩擦角受纤维含量影响较小;且纤维改性土中聚丙烯纤维与改性土形成了非常强的物理连接,提高了土体的整体性、强度和稳定性。

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含交叉裂隙试块力学破坏及裂纹扩展研究

李祥, 戴世鑫, 朱伟, 卢振兴, 周彧

地下空间与工程学报. 2023, 19(2): 410-419.

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大自然中岩体裂隙常常以X型和V型形态分布,为探究交叉裂隙在荷载作用下对岩体力学破坏特性和裂纹扩展影响,分别制作类岩石试块其裂隙倾角为30°、60°、90°,裂隙长度为10 mm、20 mm、30 mm、40 mm,形状为V型和X型的裂隙试块,利用设备 RYL-600 微机控制岩石剪切流变仪进行单轴压缩试验,分析了含不同裂隙长度和角度下的类岩石试块力学特性及裂纹扩展演变规律。结果表明:含X型裂隙、V型裂隙岩体试块应力强度明显低于完整试块,含交叉裂隙试块应力应变曲线明显比完整试块更早进入破坏阶段;不同裂隙角和裂隙长度会改变原本裂纹萌生、扩展方向以及裂纹最终破坏状态,随着裂纹倾角越大,含交叉裂隙试块裂纹扩展越明显,试块表面脱落面积和数量逐渐减小。

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蛇纹大理岩蠕变规律及非线性蠕变模型研究

李德宏 , 于明圆 , 田大鹏 , 邓廷邦

地下空间与工程学报. 2023, 19(2): 420-427.

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以杨林隧道工程为背景,对二衬开裂段蛇纹大理岩进行了40 d的分级加载单轴蠕变试验。结果表明,蛇纹大理岩在不同应力条件下的稳态蠕变速率和相应的蠕变应变规律与应力和时间的增加呈正相关。采用等时应力应变曲线拐点法测定蛇纹大理岩的长期强度为30 MPa。利用变阶分数阶微积分将损伤变量引入粘弹性和粘塑性过程,得到了一种新的弹粘塑性蠕变模型。新的弹粘塑性蠕变模型能够很好地描述蛇纹大理岩的三阶段蠕变过程,此模型相较传统西原模型,克服了无法对加速蠕变阶段很好描述的缺点,模型数量少,组合简单,可用于描述岩石蠕变过程的变形规律。

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新型非平面齿破岩规律研究

刘畅, 杨迎新, 姚建林, 黄奎林

地下空间与工程学报. 2023, 19(2): 428-436.

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为了提高聚晶金刚石复合片(PDC)切削齿的破岩性能,设计了一种新型非平面齿,建立了该齿的破岩仿真模型,研究了新型非平面齿的脊长、脊倾角、斜角、切削深度和前倾角对其破岩规律的影响,结果表明:新型非平面齿的内切削刃使岩石产生体积破碎,其破岩效率高于屋脊齿;新型非平面齿的破岩比功和切削力随着脊长的增加呈现出先增大后趋近不变的趋势;新型非平面齿的切削力和破岩比功随脊倾角的增大而增大;新型非平面齿的破岩比功和切削力随斜角的增大而减小,考虑到齿刃的寿命,斜角应取10°~20°;新型非平面齿的破岩比功随吃入深度的增大而减小,最优吃入深度应大于其脊长;新型非平面齿的切向力和破岩比功随前倾角的增大呈现先减小后增大的趋势,最优前倾角是15°。

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基于迁移学习技术的隧道围岩岩性识别方法

柳厚祥, 王建

地下空间与工程学报. 2023, 19(2): 437-445.

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为实现隧道围岩岩性的自动识别与分类,提出了基于迁移学习技术的围岩岩性识别方法。首先,通过采用Inception-ResNet-V2(IRV2)卷积神经网络模型在Image-Net数据集上进行预训练,并利用模型迁移学习技术对岩石图片数据集(包含花岗岩、石灰岩、玄武岩和页岩)进行再训练,获取隧道围岩岩性识别模型;然后,对IRV2进行模型测试,并与ResNet-50、Inception-V3和VGG16三种模型的识别性能进行对比;最后,进行子图像法与整体图像法的识别效果对比试验。实验结果表明:(1) IRV2的各项分类性能指标均表现为最优,且均可达到90%以上,表明该模型可以实现围岩岩性的有效识别与精确分类;(2)对于具有更加突出的纹理、结构和构造等外部特征的岩石图片,模型的识别性能更好;(3)子图像法相比于整体图像法可有效提高模型的识别性能。

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基坑开挖对邻近隧道变形影响的解析方法研究

马伟亮, 李顺群, 叶茂松, 黄雄飞

地下空间与工程学报. 2023, 19(2): 446-455.

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随着城市地下空间工程建设的不断发展,在毗邻既有隧道处进行基坑工程施工已经成为常见的现象。基坑开挖会破坏原有地应力场,进而对邻近隧道产生影响,因此研究相应的应对措施是必要的。基于此,本文将隧道简化为作用在Pasternak地基上的Timoshenko梁,建立了基坑卸荷引起的隧道变形理论计算模型。以合肥大学城深基坑项目为工程案例,分别通过考虑小变形应变特性的Plaxis三维数值模型和理论模型进行计算,并将两个结果分别与现场实测数据进行对比分析。结果表明:模拟计算结果与实测结果基本吻合,最大位移偏差仅为0.6 mm,说明考虑小变形应变特性的本构模型可以很好反映土体应力和变形情况;本文提出的理论模型计算结果与实测结果十分吻合,且理论模型计算结果相比模拟结果更接近实测值,说明所提出的理论模型可以更准确有效地分析基坑开挖效应对侧卧地铁隧道的变形影响。

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冻融循环作用下黄土动态回弹模量研究

唐鑫, 张吾渝, 何蓓, 董超凡, 刘成奎

地下空间与工程学报. 2023, 19(2): 456-464.

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动态回弹模量是计算路基承载力的重要指标。为揭示冻融循环作用下路基黄土动态回弹模量的变化规律,对西宁地区路基黄土开展动态回弹模量试验研究。结果表明:增大围压和减小动偏应力可显著提高试样的动态回弹模量;动态回弹模量随冻融循环次数的增加不断衰减;动态回弹模量在相邻梯度含水率的衰减趋势近似线性变化;随着冻结温度的降低,试样的动态回弹模量出现先增长后下降的趋势。通过方差分析,各因素对动态回弹模量的影响由高到低依次为冻融循环次数、含水率和冻结温度,基于试验数据分别采用NCHRP1-28A模型和Ni模型进行拟合,发现Ni模型拟合效果较好。研究成果可为季冻区路基黄土动态回弹模量范围选取提供参考依据。

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冻融—干湿循环下硫酸盐渍土的微观孔隙研究

张卫兵, 李晓, 雷过, 刘臻祥, 周鑫磊

地下空间与工程学报. 2023, 19(2): 465-473.

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为研究冻融—干湿循环对宁夏地区硫酸盐渍土微观孔隙结构的影响,在6次冻融干湿循环后,对试样进行SEM和MIP试验,借助ImageJ2X图像处理技术,从表观孔隙率、孔隙分布和孔隙分形维数3个角度分析其微观孔隙结构。结果表明:(1)经历6次冻融—干湿循环后,含盐量较低(S≤1%)时,不同压实度下硫酸盐渍土的表观孔隙率随含盐量的增加均呈现先增大后减小的变化趋势,并在0.5%时达到峰值,1%时处于低谷;含盐量大于1%时,低压实度(K<95%)土体表观孔隙率随含盐量增加持续增大,而高压实度(K≥95%)土体则呈现先小幅增大后减小的变化趋势;(2)相较于未经冻融—干湿循环的情况,土体最终表观孔隙率均有所增大。为提高工程的耐久性,建议硫酸盐渍土地基的压实度宜大于等于95%。(3)随含盐量的增加,孔隙孔径的变化主要集中在3~40 um区间内,孔隙分布的变化也主要体现在大孔隙、中孔隙上,且表观孔隙率与大孔隙体积百分含量变化基本一致;(4)基于MIP数据拟合得到土体孔隙分形维数随含盐量的增加呈上下波动,且其与表观孔隙率、大孔隙体积百分含量变化趋势相反。本研究有助于丰富硫酸盐渍土的微观理论,为硫酸盐渍土地区的工程建设提供理论支撑。

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花岗岩岩爆试验声发射源时空分布特征研究

高运, 祁浩, 李春晓, 邢华鑫

地下空间与工程学报. 2023, 19(2): 474-485.

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运用具有定位功能的多通道声发射系统采集花岗岩岩爆试验声发射源数据,基于分形理论定量描述花岗岩试件岩爆试验各阶段声发射源时空分布特征。结果表明:声发射源定位与试验结果较好对应;各阶段声发射源空间分维值在2~3,并呈现复杂的非线性变化趋势;在初始加载阶段,内部大量初始裂纹闭合,空间分维值较大;之后试件趋于稳定,声发射源数量少,分维值降低;快速卸载后应力增加,微裂纹稳定扩展,声发射源空间分布离散,分维值上升至峰值;竖向应力逐渐接近峰值,宏观裂纹形成,声发射源集中分布特征越明显,分维快速下降。该研究可加深对岩爆破坏过程的认识,也可为岩爆预测提供指标参考。

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三点弯曲试验下花岗岩应变场及损伤演化研究

梁鹏, 李壮, 刘俊岭, 王聚贤, 王骏涛

地下空间与工程学报. 2023, 19(2): 486-494.

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开展花岗岩三点弯曲试验,引入统计学、熵和能量理论,提出用方差、熵和变形能量密度作为应变场的定量刻画指标,量化研究岩石破坏过程应变场演化规律,在此基础上,从应变场表面损伤角度,借助应变场定量刻画指标,研究三点弯曲条件下岩石变形破坏过程损伤演化规律。结果表明:应变场方差、熵和变形能量密度3个指标能够定量刻画三点弯曲作用下花岗岩破裂过程应变场演化规律;基于应变场表面损伤分析,发现花岗岩三点弯曲试验条件下峰值载荷后损伤占比约为90%,表现为峰后损伤急速发展的特征;相比之下,应变场方差、变形能量密度2个指标能够刻画花岗岩三点弯曲试验条件下损伤演化特征,而熵值的快速下降可作为花岗岩破裂的前兆特征。

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基于侵入试验的单齿破岩机理及齿形优化研究

马洪素, 殷丽君, 王春萍, 陈亮, 赵星光

地下空间与工程学报. 2023, 19(2): 495-503.

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齿形是影响镶齿滚刀破岩效率的关键因素。本文通过单齿侵入破岩试验对4种刀齿(镐形齿、锥形齿、楔形齿和球形齿)的破岩机理及硬岩破岩齿形优化等相关问题进行探讨,研究不同齿形侵入岩体过程中的破岩特征、加载力—侵深曲线特征以及对侵深、破碎体积、破碎坑半径、破岩岩屑分布特征的影响规律。通过分形理论评估破岩效果,从而达到优化齿形及加载力的目的。结果表明:随加载力增大,齿形对侵深、破碎体积、破碎坑半径等破岩效果指标的影响差异随之增大;破碎岩屑在粒度上具有分形特征,通过破碎分形维数并结合破碎体积等指标可以评估破碎效果,优化齿形及加载力;针对花岗岩类岩石,镐形齿所获得的破碎分形维数最低,破碎体积、破碎坑半径、侵深最大,可优选为花岗岩类硬岩中镶齿滚刀的齿形,并推荐100 kN为镐形齿优化加载力。

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水泥土拌合均匀度量化方法及其试验研究

陈庚, 林民国, 吴勇强, 孔纲强

地下空间与工程学报. 2023, 19(2): 504-512.

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水泥土的拌合均匀度是影响水泥土强度的重要因素之一,目前尚无有效的量化方法及其测试手段,且无法做到拌合后的即时检测。本文通过X射线荧光光谱仪(XRF)对水泥土中钙元素含量进行测量,基于钙元素分布特征提出了一种水泥土拌合均匀度的实时评价方法。以拌合均匀度为对象,开展了不同水泥掺量、含水率和养护龄期条件下的水泥土强度响应分析,研究拌合均匀度对水泥土强度的影响规律。试验结果表明:拌合均匀度、水泥掺量、含水率及养护龄期均是影响水泥土强度的重要参数;水泥土强度随拌合不均匀系数(UY)的增大而降低,且UY值对水泥土强度的影响随着水泥掺量和养护龄期的增长而增大;在相同水泥掺量和UY值的情况下,液限附近的水泥土所对应的强度最大。此外,引入均匀度修正系数α,提出了考虑均匀度的水泥土无侧限抗压强度(UCS)计算公式,并开展了室内和现场试验验证,结果发现,当UY<0.4时计算结果与试验数据较为吻合。

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水平撞击下桩—土复合体系动力作用特性试验研究

王祥秋, 廖镇源, 陈世超

地下空间与工程学报. 2023, 19(2): 513-520.

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以重载车辆撞击公路跨线桥桥墩为研究背景,基于动力相似试验原理以及微粒混凝土等相似试验材料,构建重载车辆水平撞击作用下的缩尺试验模型。基于4种不同水平撞击试验工况,系统分析了不同撞击动量作用下桩—土复合体系动力响应以及桩—土接触面动力相互作用特性,并基于超声波损伤识别理论,分析研究了不同水平撞击能量作用下桩身动力损伤演化规律。结果表明:当撞击速度较低时,撞击力峰值随撞击速度的增大呈非线性增长,当撞击速度超过某一水平时,撞击力峰值增长率趋于稳定;水平撞击动量与撞击能量愈大,桩身的撞击损伤程度愈严重,桩身动力损伤指标D与水平撞击动量p和撞击动能E_k均呈二次函数关系;水平撞击荷载作用下,桩身破坏模式主要表现为被撞击一侧的拉伸破坏,桩身正反两侧桩—土接触面会产生较大量值的瞬态动土压力增量,提高桩侧土体的抗压强度可有效提高桩—土复合体系抗水平撞击能力。

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水灰比对油井水泥石微观性能影响的试验研究

张震, 庞学玉, 马朝阳, 秦建鲲, 李海龙

地下空间与工程学报. 2023, 19(2): 521-532.

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为研究水灰比对油井水泥石微观结构和微观力学性能的影响,采用压汞、热重和X射线衍射表征油井水泥石内部孔隙结构、水化进程和物相含量变化,通过统计纳米压痕技术表征油井水泥石的微观力学性能,其中最小平方差和最大似然估计算法用于油井水泥石固相弹性模量、硬度和体积分数的解卷积计算。针对最小平方差算法在拟合频率分布时受面元尺寸的影响,采用BSI模型对面元尺寸进行合理评估和选取。结果表明:水灰比影响油井水泥石孔隙度、孔径分布及孔隙特征,较高的水灰比促进了水泥水化;水化产物的弹性模量随水灰比增加略有降低,在低水灰比下,水化硅酸钙凝胶更多为高密度型,而在高水灰比下则相反;尽管两种解卷积算法基于不同准则,但均适用于胶凝材料的解卷积计算。

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富水砂层高压旋喷桩注浆材料防渗性实验研究

吴凯, 陈荣刚, 顾海荣, 袁洁君, 钱夏清

地下空间与工程学报. 2023, 19(2): 533-540.

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目前富水砂层高压旋喷桩止水帷幕水泥浆流失严重、成桩质量差。如何有效防止水泥浆流失、保证成桩质量是富水砂层地下止水帷幕施工的关键。本文依托张家港220 kV晨阳至晨港线路工程—电缆土建工程,选取高聚物+水泥、地聚物+水泥、赤泥+磷石膏+水泥作为注浆材料,开展富水砂层高压旋喷桩现场试桩实验,监测试桩注浆流量和注浆压力,龄期60 d时,对试桩取芯并制作试样,开展试样的渗透实验和无侧限抗压强度测试,研究富水砂层高压旋喷桩注浆材料防渗性能。结果表明:3种固化粉砂土抗渗性能均能达到10^-7量级;3种固化粉砂土抗渗性能依次为高聚物+水泥固化粉砂土>赤泥+磷石膏+水泥固化粉砂土>偏高岭土+水泥固化粉砂土,可以满足高压旋喷桩的防渗性能要求。本研究可为富水砂层高压旋喷桩参数优化提供设计依据。

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预制拼装综合管廊承插式接头剪切力学性能研究

凌同华, 余彬, 黄阜, 何文超

地下空间与工程学报. 2023, 19(2): 541-549.

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为研究预制拼装综合管廊节段剪切工况下承插式接头力学性能,本文建立地下预制拼装综合管廊—土三维数值模型,通过对管廊节段施加位移荷载模拟顺剪与逆剪,分析承插式接头应力分布规律,最后建立沉降量与接头剪力的关系,得到接头极限承载力与极限错台位移。结果表明:预制拼装综合管廊节段剪切造成管廊接头内侧受压外侧受拉,接头插口端应力分布在竖向侧壁,承口端主要由顶底板两侧受力,承插式接头最大主应力集中在承口端侧壁顶部外侧1 m处及插口端的底板;管廊节段顺剪接头剪力随沉降增大而减小,逆剪接头剪力随沉降增大而增大,承插式接头顺剪与逆剪工况极限剪应力分别为407 kN和512 kN左右,研究结果可为预制拼装综合管廊安全运营提供科学依据。

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基于多源应力数据的川南地区地应力特征分析

高桂云, 王成虎, 周昊, 谷佳诚

地下空间与工程学报. 2023, 19(2): 550-559.

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本文通过结合区域构造形迹分析、原地应力实测资料、震源机制数据以及钻孔破坏现象,采用基于震源机制解的应力反演及基于应力多边形与钻孔破坏指标的应力量值估算方法,对四川盆地南部地区地应力特征进行了综合分析。结果显示:四川盆地南部区域应力状态稳定,有利于逆断和走滑断层的活动,区域浅部最大水平主应力的方向有NE和NW向2个优势方位,深部最大水平主应力优势方位为NWW向;区域应力场分区特征不明显,震源机制解一致性较好,应力结构类型均为逆断型;浅部应力估算结果显示不同钻孔的侧压力系数值相对较为稳定,平均值分别为k_Hmax=1.72和k_hmin=0.99,应力积累指标μ_m值范围为0.15~0.5;而在埋深3 207~3 716 m时,最大和最小水平主应力范围分别为104.5~122.3 MPa和81.1~96.5 MPa,应力积累指标μ_m值在0.37~0.43,区域深部应力积累水平较低,断层易滑性较低。

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基于神经网络的盾构滚刀磨损量预测方法探讨

丁小彬, 谢宇轩, 薛皓文, 黄威然

地下空间与工程学报. 2023, 19(2): 560-570.

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盾构施工中采集的参数众多,难以直接反映滚刀磨损量的发展规律。统计31种现有滚刀磨损研究中影响参数的出现频次,以广州地铁18号线番禺广场至南村万博区间2号始发井—中间风井右线盾构区间为依托,选择14种输入参数,整理出共2 386条样本用于BP神经网络模型开发。分别采用序贯模型优化(SMBO)和遗传算法(GA)进行超参数优化。模型预测值与实测值决定系数达0.832,准确预测了滚刀磨损量。选择预测准确度较高模型进行敏感性分析,验证所选的14种参数对于滚刀磨损量预测的贡献,结果表明,考虑土压、新旧刀、盾构深度对于滚刀磨损量预测有较大贡献。本文成果可为其他地层下的盾构滚刀磨损量预测与分析提供参考。

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层状软岩隧道超前支护及锚杆定向预加固研究

潘文韬, 何川, 吴枋胤, 傅舰锋, 杨文波

地下空间与工程学报. 2023, 19(2): 571-585.

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为探究适应大变形隧道层理特性的定向预加固方法,依托九绵高速大变形隧道,通过岩石试验确定围岩参数,在数值模拟中验证了不同大变形等级及平纵层理角度下通过调整锚杆、超前支护施作角度与小导管间距的定向加固方法效果,3种大变形等级的现场试验段隧道变形均有较明显提升,验证了该方法适用性。结果表明:(1)支护压应力来自围岩变形挤压作用,锚杆、超前支护优化影响锚杆、小导管受力进而改变支护受拉,锚杆小导管优化效果随大变形等级增加而增强;(2)平面层理下,锚杆施作角度定向加固效果显著,强烈大变形采用双层小导管时可考虑超前定向加固,不同层理角度对锚杆、超前支护优化敏感性不同;(3)纵向层理斜向下时,通过增大小导管与纵向层理夹角而进行外插角定向优化;(4)纵向层理斜向上时,寻找围岩变形随小导管间距减小变化速率转折点从而确定最优间距,大变形等级越高、纵向层理倾角越大,最优间距越小。

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隧道掌子面节理点云识别及微服务模块开发

于晓宇, 刘芳, 徐英楠, 朱合华

地下空间与工程学报. 2023, 19(2): 586-593.

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快速识别岩体隧道掌子面不连续面的点云信息并解译其几何与力学参数是实现隧道远程诊断的重要基础。目前基于数码相片的三维点云识别严重依赖商业程序,本文基于计算机视觉开源框架,自主开发了隧道掌子面不连续面点云信息识别的微服务模块。该微服务模块基于Django框架封装,可灵活部署于任一具有微服务架构的隧道安全诊断平台中,根据用户在线输入的不同视角下隧道掌子面岩体相片,可自动识别三维点云并实现三维重构。该微服务模块已部署于同济大学基础设施智慧服务系统 (iS3)中,点云识别结果与其他程序进行了对比,结果表明,该微服务模块能满足基本的三维重构功能要求,在点云识别速度方面具有优势,未来在计算精度方面仍存在提升空间。

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基于滇中引水的TBM数据预处理与特征参数分析

孙云, 张云旆, 刘立鹏, 李鹏宇, 王双敬

地下空间与工程学报. 2023, 19(2): 594-608.

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TBM(全断面岩石掘进机)在掘进过程中会采集大量数据,数据类型丰富,总量庞大。但由于PLC采集数据的机制,原始数据规模庞大且包含了大量冗杂信息。本文基于标准化数据预处理,通过阈值设定,标准差划分等技术手段,以掘进段为单位对原始数据进行了初步分割,在此基础上进行了降噪和滤波,对异常数据进行了分类,基于处理后的数据对特征参数现场贯入指标(FPI)和扭矩贯入指标(TPI)进行了分析,研究了特征参数与围岩地质情况的相关性。结果表明:数据预处理程序能够较好的进行掘进段划分,经过处理的数据得到的特征参数质量高,与围岩地质情况有较好的关联度。

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煤矿智能掘进关键技术探讨及工程实践研究

张建国, 孙海良, 张国川, 姜德义, 李宗泽

地下空间与工程学报. 2023, 19(2): 609-621.

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煤矿智能化是煤炭工业技术革新在新时期下的重大需求和重要发展方向。煤矿智能化掘进建设的目的是为了实现掘进作业的智能、高效、安全、健康作业,以达到最终的无人/少人掘进。但由于煤矿掘进作业工序工艺复杂,目前我国掘进智能化的发展远落后于回采工作面的智能化。论文分析了煤矿智能掘进相关领域的研究进展,探讨了未来实现智能掘进需要的主要技术需求:(1)提出基于统一数据融合基础的超前地质环境信息智能感知与分析技术,提高矿井信息可视化水平,为环境判识、智能决策提供信息基础;(2)研发能够集成高精定姿定位、自主导航、自适应截割、远程操作与监视监控等功能的新型智能掘进装备,进一步减少工作面作业人员;(3)具备高适应性的自动化钻锚护设备是提高掘进效率的关键环节,通过自动化手段高效完成支护作业为设备、人员提供必要的安全工作空间;(4)建立网络控制多层位多区块信息决策中枢,互联互通设备间的自决策、互通讯与指令传输,实现掘进成套装备的协同联动。论文以平煤神马集团首山一矿己_15-17-12110智能化掘进工作面为典型案例,进一步阐述了智能化掘进系统的多个关键技术问题和实现途径。

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高原隧道施工安全风险控制方法研究与应用

谢尊贤, 徐宝, 骆信慧, 李国良

地下空间与工程学报. 2023, 19(2): 622-631.

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为预防和控制高原隧道施工安全事故,文章通过分析高原隧道施工安全风险源,首次系统构建了由5个一级指标和35个二级指标构成的高原隧道施工安全风险评价指标体系,将优化层次分析法(OAHP)与信息熵权法结合构建权重计算组合模型,并与物元可拓理论有机融合,构建了高原隧道施工安全风险评价模型。应用该指标体系和模型对新乌鞘岭隧道工程施工项目进行实证研究,得出其施工安全风险等级为1级,即“低风险”,评价结果与实际安全情况相符,表明该指标体系和模型适用于高原隧道施工安全风险评价。通过关联分析,针对安全风险隐患提出了施工安全风险控制措施,为高原隧道和地下工程施工安全风险控制提供了一种方法。

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高地温隧道超长独头施工降温及热环境特征研究

乔红彦

地下空间与工程学报. 2023, 19(2): 632-639.

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为解决高地温隧道超长掘进工作面降温困难等问题,以成昆铁路德昌隧道为依托,基于理论分析与现场监测研究了高温特长隧道的热害主要成因及通风降温、冰块制冷和机械制冷的现场降温效果。通过COMSOL Multiphysics软件对比研究了通风降温和综合降温(机械通风+冰块+机械制冷)两种方式下掌子面100 m内环境温度场分布规律。结果表明:(1)独头施工通风距离4.6 km时风管出口风温约32 ℃,只设置机械通风其掌子面环境温度约38 ℃,辅以冰块和机械制冷后基本满足掌子面施工要求;(2)掌子面平均温度随通风时间增加呈负指数趋势降低,且与风管出口风温线性相关;相较于采用综合降温方式,纯通风降温时掌子面平均温度要高3 ℃~4 ℃,掌子面温度所需稳定时间要少30~50 min;(3)风管以上隧道环境温度整体高于风管以下;从掌子面到洞口方向,隧道上部温度呈现增—减—增的发展趋势,在距掌子面15 m左右出现温度高峰值;对于隧道下部温度场,通风降温与综合降温有较大差异,通风降温呈现骤降—缓降—微升趋势,综合降温呈现激增—缓升趋势。本文研究成果可为类似高地温隧道施工提供指导。

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黄土损伤模型及其在隧道施工稳定性分析中的应用

宋战平, 吴友川, 周冠男 , 潘红伟, 肖珂辉

地下空间与工程学报. 2023, 19(2): 640-649.

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为了更加正确合理地对黄土隧道施工的围岩稳定性进行判别,建立了黄土的损伤统计本构模型,并提出了一种判别隧道施工稳定性的极限应变法。假设黄土微元强度分布服从复合幂函数,基于连续介质损伤力学理论以及等效应变理论,同时考虑围压和含水量对黄土变形模量的影响,利用统计学的方法建立了一个能够反映不同含水量和不同围压条件下黄土应力—应变关系的本构模型。经验证,建立的模型可以较好地反映黄土在受荷全过程中的应变硬化特性,尤其是在低围压条件下的应变软化特性。通过本文所建立的黄土损伤统计本构模型,在原有的围岩极限应变判断法基础上对围岩界限应变求解公式进行修正,最终提出了一个适用于黄土地层的隧道施工稳定性判别方法,并将其应用于实际工程中。

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预制拼装隧道病害前摄性维养策略

李攀, 谢雄耀

地下空间与工程学报. 2023, 19(2): 650-661.

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在隧道病害日益增多的背景下,保障隧道全寿命的运营安全和高效是现在和将来必须面对的问题。区别于其他建筑或设备,隧道具有纵向长线性、横向自相似、埋于地下的特点,使得既有维养策略难以适用于隧道结构。本文总结分析了预制拼装式隧道病害类型和原因,提出了五层病害分类方法和三界八门病因分类方法;分析了隧道构造特殊性和病害的特殊性,揭示了隧道维养特殊性;从隧道服役要求和角度,分析了维养的前提条件和维养的目的;在三界八门病因分类的基础上,提出预制拼装式隧道病害宏观动态演化机理;在演化机理和维养特殊性的基础上,提出了适用于隧道的前摄性维养策略。本研究成果不仅适用于预制拼装式隧道,也适用于现浇式隧道,对地下结构类工程也具有理论指导和工程借鉴意义。

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采动作用下山体裂隙带高度预测模型

张益铭, 杨忠平, 刘新荣, 钟祖良, 李滨

地下空间与工程学报. 2023, 19(2): 662-669.

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西南山区是我国重要的能源基地,采矿工程数目众多,采矿过程中诱发了众多大型崩滑灾害,造成了巨大的人员伤亡和财产损失。在采动作用下,山体裂隙带的发育特征控制着山体稳定性,为此,基于关键层理论的简单梁模型,对裂隙带的发育高度进行定量预测,并结合UDEC数值模拟对预测结果进行了验证。结果表明:受煤层开采的影响,覆岩失去支撑发生挠曲变形,巷道顶部裂隙随开采逐步向地表扩张,具有发育规模大,难愈合的特点,最终形成永久裂隙带;考虑切眼位置,岩层性质,开采范围等因素,对采动作用下山体岩层下沉值进行量化,提出了裂隙带高度理论计算公式;基于UDEC数值模拟试验,对裂隙带高度预估进行验证,其结果同理论计算结果较为接近,最大误差为7%。

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装配式地下管廊穿越活动地裂缝的适宜性分析

徐强, 白超宇, 彭建兵, 卢全中 , 李文阳

地下空间与工程学报. 2023, 19(2): 670-679.

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在地裂缝分布广泛的地区,装配式地下综合管廊穿越活动地裂缝的适宜性尚不明确。为了研究装配式地下管廊在地裂缝活动作用下的受力与变形特性,通过建立装配式地下综合管廊穿越地裂缝的三维有限元模型,设置了10 cm、15 cm,20 cm和25 cm 4种不同沉降量工况以及45°、60°、75°和90° 4种不同的地裂缝与管廊相交角度,分别进行了数值模拟计算分析。结果表明:随着地裂缝活动量的增加,管廊的变形与纵向应力均呈增大的趋势,且当沉降量接近20 cm时,管廊底板最大纵向拉应力达到混凝土抗拉极限,位置在下盘接触且靠近地裂缝处;地裂缝与管廊交角越小,管廊最大纵向拉应力越小,但扭转效应明显;在地裂缝活动性较弱的场地,装配式管廊穿越地裂缝表现出对不均匀变形更优越的适宜性。研究成果对地裂缝活动作用下装配式管廊的破坏机理的研究以及灾害防治具有重要意义。

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不同围压下砂岩破裂特性与注浆加固效应研究

巫宇帆, 李仕杰, 周裕厚, 黄震, 范婷

地下空间与工程学报. 2023, 19(2): 680-690.

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注浆是控制地下工程围岩稳定的一项重要方法,研究不同围压下破裂岩石的注浆加固强度、变形特征和强度恢复率对于工程实践有重要的参考价值。本文进行了不同浓度草酸和不同体积比脲醛树脂浆液的时变特性试验。研究发现:在同等体积比下,草酸浓度越高时,浆液的低黏度期和初始凝固时间越短;在草酸含量相同的情况下,浆液与草酸的体积比例越大时,则浆液的低黏度期和初始凝固时间愈长。通过试验研究了黄砂岩和黄砂岩注浆加固体的受力特性、失稳特性、强度特性、强度恢复率、裂隙分形维数等随围压的变化规律。结果指出:分形维数随围压的增加而减小,而注浆加固体的强度及强度恢复率与围压成正比,8 MPa围压强度下的恢复率可达27%,内聚力的恢复率约为16%。

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桩基施工诱发岩溶塌陷的机理模式及防控措施

马骁, 蒋小珍, 雷明堂, 李亚军, 贾龙

地下空间与工程学报. 2023, 19(2): 691-700.

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随着我国城市化建设的快速发展,岩溶区所面临的岩溶塌陷问题日趋严重。其中,桩基施工诱发岩溶地面塌陷问题一直被忽视。本文以深圳市龙岗区龙园路岩溶地面塌陷事件为例,运用高频率高精度岩溶地下水气压力监测手段,分析研究桩基施工对岩溶地下水的影响及隐伏土洞发育规律。结果表明:城市更新项目桩基施工导致岩溶地下水气压力突变,使第四系底部软—流塑土体流失而形成土洞,土洞不断向地面发展,最终引发岩溶地面塌陷。此外提出了岩溶区桩基施工时相应的防控措施:应在详勘阶段重视岩溶地下水气压力监测和岩溶水文地质条件分析,合理设计桩基础施工工艺,同时加强施工过程中的岩溶地下水气压力的实时监测及管控。

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