地下空间与工程学报

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牛学瑶, 马骏驰, 李翾, 宋东阳, 龚伦

地下空间与工程学报. 2023, 19(5): 1401-1411.

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为了支撑服务廊坊市的总体规划,本文通过对比分析前期勘察的规划区(200 km²)80个钻孔岩心资料、912组岩土体物理力学试验及711次标准贯入试验资料,查明了廊坊市规划区地下空间资源禀赋特征和主要环境工程地质问题,探明了廊坊市规划区地下空间开发利用层0~50 m的工程地质结构特征,划分了8个工程地质层组。试验分析了各工程地质层组岩土体物理力学性质,利用层次分析法对廊坊市规划区的工程建设适宜性进行了定量分析评价,对地下空间开发适宜性进行了半定量综合分析评价,指出了工程建设及地下空间开发时需重点注意的主要环境工程地质问题,并提出了合理开发利用地下空间资源的方法,为廊坊市的总体规划建设提供了可靠的参考依据。

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滨海城市地下空间开发综合潜力评价模型

李阔, 陈剑文, 徐飞飞, 何盈, 李俊莹

地下空间与工程学报. 2023, 19(5): 1412-1421.

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在传统滨海城市地下空间潜力评价中,通常是根据当地工程地质特点构建统一的评价体系,运用模糊综合层次分析法完成评价。而在实际情况中,需综合考虑开发区的基岩与土体区域分布不均、开发条件不同及社会经济特点的影响,在此基础上选取具有滨海城市特点的评价因子,分别构建土体区域与基岩区域的开发潜力评价指标体系,采用组合赋权法结合模糊综合评价理论构建综合评价模型,并利用该模型结合GIS技术得到开发区综合开发潜力分区图,为实际地下空间开发提供了理论支撑。同时通过对比可知,运用层次分析法—主成分分析法(AHP-PCA)构建的模糊综合评价模型得到的结果将较传统方法所得结果更加科学可靠。

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浅埋偏压小净距黄土隧道施工过程围岩压力分析

曹小平, 张云鹏, 韦志凯, 李涛, 梁庆国

地下空间与工程学报. 2023, 19(5): 1422-1432.

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为解决在特殊地形条件下线、桥、隧的良好衔接和线路规划等问题,小净距隧道作为一种新型隧道结构能够适应比较复杂的地形,近些年来得到广泛应用。以某公路隧道为研究背景,通过建立浅埋偏压小净距隧道左、右洞相互扰动的围岩压力计算模型,结合相关规范推导了隧道施工过程中围岩压力计算公式以及适用条件,并对隧道各参数的变化对围岩压力的敏感性进行了研究。结果表明:(1)后行洞的开挖会使先行洞拱顶垂直压力变大,侧压力和水平压力减小;(2)双洞外侧围岩侧压力系数受围岩计算摩擦角、中间岩柱两侧摩擦角和偏压坡角的影响,而双洞内侧围岩的侧压力系数还受隧道埋深和净距的影响;(3)隧道拱顶垂直压力的分布受到隧道埋深、偏压角度和侧压力系数的影响,但是受到隧道埋深的影响最大;(4)隧道围岩水平压力的大小受到隧道侧压力系数和隧道埋深的共同影响,但是隧道埋深占主要作用,埋深越大,隧道受到的水平压力越大。

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考虑脱空效应的隧道开挖诱发上覆管道变形分析

杨明辉, 郑彬彬, 靳正付, 付大喜

地下空间与工程学报. 2023, 19(5): 1433-1443.

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考虑黄土区浅埋隧道的工程特点以及土体大变形特性,将浅埋隧道下穿开挖过程上覆管道分为管土脱空区与管土变形协调区,提出考虑管土脱空的相互作用计算模型。在考虑管道埋深对地基基床反力模量影响的基础上,采用Pasternak半无限弹性地基梁模型考虑土体连续性,采用二阶段分析方法将土体自由位移荷载施加于管道,分别建立脱空区、协调区的管道力学模型与微分控制方程,并给出理论解答与管-土脱空区范围的试算步骤。与已有模型试验监测数据的对比验证了计算方法的精确度,发现不考虑管土脱空现象时的管道变形计算方法偏于保守。最后,对管道变形的各主要影响因素进行了对比分析,结果表明:管道最大变形量随地层损失增大而增大,随管隧间距、管道刚度、土体强度增大而减小,但减小的幅度均随各参数的增加而减缓;脱空区范围随管道刚度、土体弹性模量及管隧间距增大而增大,而表征管土脱空程度指标即最大变形差随管道刚度增大而增大,但随着土体弹性模量以及管隧间距的增大却呈减小趋势。

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非均质地层隧道竖向荷载计算方法研究

门小雄, 李政国, 姜弘, 任辉, 包鹤立

地下空间与工程学报. 2023, 19(5): 1444-1453.

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隧道穿越非均质地层时,由于土层物理力学性质差异较大,经典太沙基理论计算得到的竖向荷载与实际误差较大。基于经典太沙基理论,建立了一种基于折线滑动面的非均质地层隧道竖向荷载计算方法,针对软弱土层在隧道断面上方和隧道穿越软弱土层两类工况,考虑5种穿越场景,推导了非均质地层隧道竖向土压力计算公式。通过与珠海隧道、狮子洋隧道的现场实测土压力值进行对比,验证了所提出方法的正确性。通过对软弱土层内摩擦角、厚度和与隧道相对位置等参数进行敏感性分析,并与太沙基理论及直线滑动面模型的计算结果对比,明确了非均质地层隧道竖向荷载随软弱地层关键参数的变化规律。

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软土盾构隧道非达西渗流引起的沉降解析研究

陈恺

地下空间与工程学报. 2023, 19(5): 1454-1461.

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在饱和软土地层中,渗漏水是盾构隧道主要病害之一,亦是引起地表及隧道长期沉降的主要原因。基于镜像法,假定土体渗流服从Slepicka指数渗流模式,衬砌渗流服从达西线性渗流模式,推导了非达西渗流条件下浅埋圆形盾构隧道周围土体孔隙水压力分布解析解,在此基础上,进一步取得了隧道沉降解析表达式。结合算例,验证了所提出的解析解的正确性,并进一步分析了非达西渗流对隧道周围土体孔压与隧道上方地表沉降的影响。结果表明:非达西渗流指数m对隧道周围土体的孔压分布与地表沉降均具有显著的影响,m值越大,隧道周围土体的孔压越小,地表沉降越大;分析饱和软土盾构隧道渗流问题必须考虑非达西渗流的影响。研究可为类似工程的设计与施工提供参考。

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基于线岩溶率的隧道围岩分级方法研究

范晓岭, 安静

地下空间与工程学报. 2023, 19(5): 1462-1470.

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孤峰平原区作为岩溶地区常见的一种地貌形态,因地形陡峻,一般情况下不具备实施勘察实物工作量的条件。在基于岩石强度、岩体完整性为主要判别指标,以地下水、软弱结构面产状和初试应力状态为修正指标的隧道围岩基本等级分级方法中存在缺乏判定依据。通过对现有勘察数据的分析,以线岩溶率为基础,综合考虑区域岩溶发育情况及孤峰位置的特殊性,建立以线岩溶率、岩溶发育形态和规模、岩溶充填物、地下水径流及溶洞分层特征等为主要计算参数的体岩溶率计算模型,结合体岩溶率同隧道围岩分级的对应关系调查,对隧道围岩进行初步分级,可较好地为设计、施工和建设单位控制工程造价。

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考虑空间效应的基坑开挖对邻近隧道影响分析

朱春柏, 钱栋栋, 余忠祥, 过锦, 胡海波

地下空间与工程学报. 2023, 19(5): 1471-1477.

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基坑开挖引起的围护结构变形将引起周边土体的卸荷,而土体卸荷将会对邻近隧道附加变形及内力产生不利影响。考虑围护结构变形的空间效应,建立了基于基坑侧壁位移影响的三维土压力卸载计算模型,并借助Mindlin解得到了基坑开挖卸荷在隧道轴线处引起的附加应力。考虑地基土体变形连续性,将隧道视为置于Pasternak地基的Euler-Bernoulli梁,得到了隧道附加变形的受力响应。将基坑开挖引起的附加荷载施加于邻近隧道,得到了考虑空间效应的基坑开挖诱发邻近隧道附加变形的理论计算方法。通过与已有案例的对比分析,验证了本文方法的可靠性。进一步分析了围护墙最大变形、隧道与基坑边距离及地基模量等因素的影响规律,结果表明:围护墙最大变形的增大会进一步增加隧道的变形及内力,而隧道与基坑边距离及地基模量的增加,则会减小隧道的附加变形及内力。

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隧道在黏弹性边界下地震动输入方式比较研究

张迪, 孙峰, 曹翔鹏, 封坤

地下空间与工程学报. 2023, 19(5): 1478-1488.

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目前对于隧道地震响应分析,大多采用黏弹性人工边界作为动力边界,而对于地震动输入方法并无详细对比。采用ABAQUS有限元分析软件,建立隧道-土层三维模型,验证了黏弹性人工边界的准确性和地震动在不同分界面处的反射透射现象。在此基础上,以青岛某公路隧道为例,分别使用位移输入、加速度输入和等效节点力输入施加地震荷载,研究隧道在不同输入方式下的动力响应特征。结果表明:输入方式对隧道地震响应结果有重要影响;位移输入和加速度输入结果等效,其隧道位移响应最小为节点力输入的0.12倍,应力响应最大达到节点力输入的2.45倍,计算结果偏大;等效节点力输入的隧道位移响应结果符合解析解,应力分布符合实际规律。在进行隧道地震响应分析时,应优先考虑使用等效节点力方式输入地震动。

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岩石介电特性及微波加热升温规律分析

李帅远, 卢高明, 洪开荣, 周建军, 闫长斌

地下空间与工程学报. 2023, 19(5): 1489-1496.

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微波辅助TBM破岩是一种非常有潜力的提高硬岩隧道破岩效率的新型破岩技术。为研究常温和高温条件下岩石对微波的吸收能力,采用同轴传输/反射法测试原理设计了一套变温岩石介电特性测试系统,采用该系统对隧道施工中玄武岩、砂岩和花岗岩3种常见岩石进行了实验。结果表明:该系统能够准确地测量变温条件下岩石的介电特性,工业频率对岩石介电特性参数的影响不大,温度对岩石介电特性参数有一定的影响;常温和变温条件下,3种岩石介电常数虚部ε″和损耗正切tanθ的关系均为玄武岩>砂岩>花岗岩,3种岩石微波加热的升温规律和介电特性的规律保持一致;对岩石进行介电特性测试和升温规律分析,提前预判岩石对微波的吸收能力,可选择性地对具有良好微波破岩效果的隧道实行微波辅助机械破岩。

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花岗岩残积土过渡力学行为的试验研究

刘攀, 张劲文, 陈凌伟, 王晓亮, 鲍树峰

地下空间与工程学报. 2023, 19(5): 1497-1503.

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以含砂量较多的花岗岩残积土为研究对象,通过分析其颗粒级配推断这类土具有过渡力学行为的可能性,随后对其进行了等向固结试验与不同应力路径下的三轴剪切试验,结果表明:该残积土为过渡性质土,其力学行为不能通过临界状态理论来描述;不同初始孔隙比的土体在各向等压固结阶段,在v-lnp′平面上的曲线不能汇集在一起形成唯一的正常固结曲线(Normal Consolidation Line, NCL),剪切过程中同样不存在唯一的临界状态线(Critical State Line, CSL),土体在固结与剪切过程中的应力状态受初始孔隙比影响,且这种影响是不会被过大的固结压力或剪切应力所消除,是一种典型的过渡力学行为;不同初始孔隙比土体在v-lnp′平面上的正常固结曲线与相应临界状态线是相互平行的,且二者间距离固定,与初始孔隙比无关。

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双圆盾构隧道开挖引起邻近桩土位移试验研究

朱语聪, 曾彬, 叶四桥, 何磊, 张立舟

地下空间与工程学报. 2023, 19(5): 1504-1514.

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双圆盾构隧道具有比单圆盾构隧道复杂得多的断面形式,由此引起的邻近土体和桩的位移特征比较复杂。采用自主设计研发的双圆盾构隧道透明土试验装置,通过分析隧道上方水平与竖直地层位移特征、隧道周围土体位移云图、桩及桩周土体位移规律,系统探究不同埋深的双圆盾构隧道掘进引起的邻近桩-土位移响应。结果表明:随着双圆盾构隧道埋深增加,最大地表横向位移先增大后减小,最大地表沉降逐渐降低,隧道顶部沉降逐渐增加,沉降曲线形状由地表到隧道顶部呈“U-V-W”形的逐渐过渡;地表横向位移和隧道纵断面上方沉降分别在盾尾经过监测面(桩轴线位置)0.7D和0.6D(D为隧道开挖直径)后达到峰值并趋于稳定;随着覆土深度的增加,竖向地层的横向位移先减小后增大再减小,横向位移峰值位于隧道中心同一水平处,而土体沉降呈先慢后快地减小变化;邻近桩基对桩侧土体位移具有限制作用,桩基整体发生下沉和偏转;埋深为1.5D时的桩-土位移明显大于埋深为1.0D和2.0D时的桩-土位移。

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隧道喷射混凝土外掺料抗钙溶蚀结晶试验研究

叶飞, 李永健, 夏天晗, 田崇明, 赵猛

地下空间与工程学报. 2023, 19(5): 1515-1526.

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为了减缓隧道喷射混凝土钙溶蚀导致的排水系统结晶堵塞现象,在调研了多种混凝土外掺料的基础上,从消耗游离Ca(OH)₂、填充混凝土孔隙两方面,分别选取抗碱剂和纳米二氧化硅、粉煤灰和纳米碳酸钙进行室内单掺试验。试验主要从排水管上结晶情况、溶出液中钙离子浓度、溶出液流量变化和算得的钙溶出总量4个方面,通过不同掺料之间的组内比较和同种掺料不同掺量下的比较,比选出减少钙溶蚀结晶效果较好的外掺料及其最优掺量。结果表明:在消耗游离Ca(OH)₂方面,9%掺量下的抗碱剂抗钙溶蚀结晶效果最佳;在填充混凝土孔隙方面,6%掺量下的纳米碳酸钙抗钙溶蚀结晶效果最佳。研究结果可为隧道排水系统结晶堵塞病害的预防提供一定参考。

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软弱缓倾层状隧道围岩变形破裂规律试验研究

刘德柱, 李元海

地下空间与工程学报. 2023, 19(5): 1527-1535.

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针对软弱缓倾层状隧道围岩变形与破裂规律的热点问题,利用基于电机双轴加载的中小型隧道物理模拟试验系统和精细化岩土数字照相量测系统PhotoInfor,对软弱缓倾层状隧道围岩变形与破裂规律进行试验研究。结果表明:隧道左拱肩位置处围岩先形成剪切楔并塌落,随后左拱腰位置处围岩继续破坏并向围岩深部发展,形成新的剪切楔体,使围岩变形破裂呈明显左右不对称状;此类软弱缓倾层状隧道围岩松动圈厚度呈左大右小不均衡分布规律,并对此提出差异化支护建议,在优化提高隧道围岩稳定性同时也可节约施工成本;通过数字照相量测技术,全过程、定量化地获得了隧道洞周围岩位移变化情况,其位移变化情况与围岩宏观破坏过程基本保持一致。

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钙芒硝水力压裂下裂缝扩展规律及影响因素研究

刘晨, 徐素国

地下空间与工程学报. 2023, 19(5): 1536-1543.

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为实现钙芒硝原位改性流体化开采,采用了实验室真三轴压裂模拟装置,探究在不同地应力、不同水温条件下钙芒硝水力压裂裂缝扩展规律,同时利用模拟软件探究地应力差和多井压裂对水力压裂裂缝扩展的影响。结果发现:在低应力差条件下,裂缝在压裂井附近可以形成较复杂的裂缝网络,高应力差下裂缝则扩展的更远,但裂缝形态较为单一;对比不同水温下钙芒硝水力压裂曲线发现,温度越高,钙芒硝的起裂压力越小,裂缝扩展阶段压力波动现象更为明显,该现象与钙芒硝裂缝边界溶解有关;通过数值模拟发现当进行多井压裂时,水力压裂裂缝的扩展易受局部应力的改变而被抑制或者偏转。研究成果可对钙芒硝流体化开采提供实际工程指导。

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加载速率对裂隙注浆体受力破坏特征影响研究

李新旺, 王汉青, 王桦, 程立朝, 温学君

地下空间与工程学报. 2023, 19(5): 1544-1554.

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为了研究开挖速率对注浆后岩体破坏机制的影响,利用岩石刚性试验机和声发射设备对砂岩裂隙注浆体开展加载与监测试验,研究不同加载速率与不同裂隙倾角影响下注浆体的力学特性及声发射时空演化特征。结果表明:随加载速率增加,相同裂隙倾角注浆体试件峰值强度逐渐上升,且注浆体试件的峰值强度低于完整试件;在裂隙倾角为15°~45°时,注浆体试件峰值强度主要受加载速率影响增加而增大;裂隙倾角为60°时,峰值强度主要受裂隙倾角影响随加载速率增加变化规律与之相反;注浆体变形模量与峰值强度变化特征基本一致,弹性模量总体呈下降趋势,且裂隙倾角对注浆体试件弹性模量影响程度大于加载速率;以裂隙倾角45°为例,分析了声发射振铃计数与加载曲线对应关系可以发现,应力突降对应声发射振铃数骤增,反之则不一定;加载速率大小与峰前“平静期”的产生及持续时间有着密切关系;声发射事件点主要集中在注浆固结体内部,且随着加载速率增加,事件点的个数呈逐渐减少趋势,此现象可为相应的裂隙注浆岩体工程施工提供灾害预测及理论指导。

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长距离连续隧道群区段划分研究

于丽, 罗翔, 王松, 陈昕, 段儒禹

地下空间与工程学报. 2023, 19(5): 1555-1561.

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根据原有标准划分长距离连续隧道群忽略了驾驶员多次进出隧道的视觉负荷和长时间驾驶的疲劳累积,因此结合驾驶员生理、心理状态对长距离连续隧道群进行了划分,为相关隧道群安全设计提供理论基础。依托雅康高速泸定至康定段隧道群,采用实车试验、室内试验和问卷调查相结合的方法,对驾驶员的瞳孔直径变化、心率变化和主观心理感受展开研究分析,研究表明:实车试验结果显示驾驶员初感疲劳时间是15~25 min;问卷调查结果显示驾驶员15 min内经过4~8个隧道会感到紧张,室内试验结果显示驾驶员15 min内经过4个隧道会感到不适;将总里程超过15 min行车距离或者15 min行车距离内隧道总数超过4座的隧道群称为长距离连续隧道群,应设置相关措施保障行车安全。

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砂卵石地层隧道拼装型支护结构受力与变形

杨晓华, 蔡世春, 董学伟, 叶飞, 胡瑞青

地下空间与工程学报. 2023, 19(5): 1562-1573.

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为更好地控制砂卵石地层隧道在矿山法施工时的变形与地表沉降,提出一种基于钢管混凝土承载原理可快速施工的拼装型复式支护结构。在模型试验的基础上,采用数值模拟的方法对不同埋深及不同地层条件下复式支护结构的承载性能进行了研究。结果表明:相较于锚喷支护,复式支护结构可以显著改善隧道的地表沉降、拱顶下沉、周边收敛以及受力情况;复式支护结构在10 m、15 m和20 m埋深下对于控制地表沉降、拱顶下沉、周边收敛、隧道变形速率以及结构应力方面均表现良好,工作性能与埋深无明显相关性;复式支护结构在稍密、中密和密实砂卵石地层中均有良好的效果,在稍密地层中相较于锚喷支护可减少51.22%的地表沉降。

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锁脚锚杆对层状软岩隧道加固机理研究

王庆, 杨永斌, 高伟政, 肖伟, 李永亮

地下空间与工程学报. 2023, 19(5): 1574-1583.

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为了揭示炭质板岩隧道施工过程位移及力学变化规律,提出并验证加强支护措施有效性。以某高速公路隧道工程为依托,通过现场试验测试及数值模拟,分析了断面YK11+460拱顶下沉与周边收敛变形曲线,揭示了断面YK11+460围岩压力、钢拱架及混凝土应变规律。提出了“三台阶锁脚锚杆+钢拱架纵向连接”加强支护措施。研究表明:基于数值模拟得锁脚锚杆设置建议角度为35°,设置长度宜取3.5 m;采用加强支护措施结构处于稳定状态后,拱部位置围岩压力由0.83降至0.74 MPa,钢拱架应变由4 029降至2 719 με,混凝土形变由2 346降至1 773 με,断面ZK10+360拱顶累计形变量为13.6 mm,上、中、下台阶累计收敛值依次为6.1、5.4、3.9 mm;采用加强支护技术措施后,上台阶开挖施工后初支拱部受力水平略高于常规施工技术;仰拱施作完毕拱顶、拱腰、边墙呈统一受力状态,拱架沿纵向连为整体,增强了围岩稳定性,减小围岩松动压力,改善了初期支护结构受力状态。

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构造节理对隧道岩爆模式的影响研究

曲宏略, 吴昆铭, 陈爽, 汪林, 黄伟

地下空间与工程学报. 2023, 19(5): 1584-1592.

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在构造应力的作用下,岩体内部节理普遍发育,而节理对深埋隧道岩爆的发生具有重要的影响。为研究节理分布与岩爆破坏的关系,本文以草果山隧道为依托,基于现场岩爆与构造节理的分布规律,通过声发射数据分析裂隙分布特征及演化过程,并采用岩石破裂过程分析软件(RFPA)进行研究。结果表明:节理的走向与隧道轴线平行较垂直更易引发岩爆;隐于围岩内部且靠近开挖轮廓的节理更易导致岩爆的发生,而其倾角的改变对岩爆的影响较弱;围岩内节理面的存在,使应力在节理面与开挖边界之间的薄层岩体中迅速集中,并且最大主应力在该薄层岩体的集中区域会出现应力由围岩表面过渡到围岩内部的情况,该应力边界为内凹型圆弧状,与岩爆后的“V”型或“平底锅”型爆坑类似。研究结果对实际工程的规划选线、岩爆预测及岩爆防治有一定的参考价值。

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极差分析法在隧道支护优化设计中的应用

渠成堃, 李伟平, 张传庆, 钟方杰, 郭洪雨

地下空间与工程学报. 2023, 19(5): 1593-1601.

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近年来越来越多的人工智能技术被应用于隧道辅助设计,然而大部分隧道数据量不足以支撑构建准确度较高的模型。为此,本研究首先基于以往施工中的少量支护数据,分析了各围岩特征对于支护材料的影响程度。进一步依据极差分析结果,绘制围岩特征与支护材料关系曲线,通过拟合曲线方程,分析了各围岩特征与支护材料相关性。随后,通过2个案例对比了极差分析插值和拟合曲线的支护参数预测结果,认为极差分析与实际支护方案较为接近。

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考虑片理倾角的钻爆法隧道松动圈演变规律研究

王景春, 刘凯林, 李永昊, 杨秋亮, 常子红

地下空间与工程学报. 2023, 19(5): 1602-1610.

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为探究片岩隧道钻爆法开挖围岩松动圈演变规律,以牛栾村隧道为依托,运用地质雷达法对现场松动圈范围进行探测;采用数值仿真方法,模拟不同倾角片岩隧道爆破开挖过程,分析围岩松动圈的分布范围及演变规律。结果表明:受片理影响隧道松动圈并不总沿轮廓线对称分布,且水平与竖直方向不对称性的表现程度不同;由于内部片理构造与外部爆破开挖扰动的共同作用,片岩极易沿片理方向发生破坏,松动圈的形成也易沿片理方向发展;随着钻爆开挖的进行,松动范围呈非线性累积扩展状态,4次钻爆之后对初次产生的松动圈影响不再明显,隧道各部位累积程度不同;地质雷达的使用能够有效地实现隧道多次钻爆后围岩松动范围的探测。

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滨海“孤石”地层盾构开挖面稳定性研究

宋勤

地下空间与工程学报. 2023, 19(5): 1611-1621.

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盾构机在全风化花岗岩地层掘进过程中极易遇到孤石,且目前关于全风化花岗岩含孤石地层盾构隧道开挖面稳定性的相关研究较少。通过PFC2D数值分析得到含孤石地层的盾构隧道开挖面的破坏形态,基于极限平衡法和筒仓理论建立了该地层的盾构隧道开挖面极限支护力计算模型,进而得出求解开挖面极限支护力的理论计算公式,并对极限支护应力的影响因素进行参数分析。结果表明:含孤石的全风化花岗岩地层具有黏土地层的性能,理论计算与数值分析结果较为吻合,证明了开挖面存在孤石时考虑分层的必要性;极限支护应力值随着滑动面倾角的增大而减小,孤石所在开挖面位置越低则极限支护应力相应越小;相关研究成果对滨海孤石地层盾构施工具有借鉴意义。

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终端塔基灌注桩施工对邻近隧道结构影响研究

韩承永, 朱晓峰, 葛宜俊, 陈石, 汪亦显

地下空间与工程学报. 2023, 19(5): 1622-1632.

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全回转套管钻孔灌注桩作为一种环境友好型桩基施工方式,因其成桩质量较高、施工速度快、地层扰动较小、环境污染程度低的特点,在城市地下工程建造中尤其在临近既有隧道、基坑工程中运用广泛。依托采用全回转套管钻孔灌注成桩的合肥市某终端塔基小净距上跨地铁隧道工程,在对钢套管旋压施工过程影响隧道变形开展理论分析的基础上,模拟分析了桩长、桩径、桩-隧相对水平位置、钢套管跟进深度等对邻近地铁隧道变形的影响,研究单参数变化条件下电缆终端塔塔基施工引起的隧道结构变形规律。结果表明:增加桩长会加剧邻近隧道的竖向变形,在满足桩基承载力的基础上应尽量减少桩长,对于隧道水平位移控制严格的区段,应尽可能避免桩长与隧道埋深比为1的情况;桩径因素对邻近隧道位移的影响非常大;隧道总位移值与桩-隧净距负相关,扩大桩-隧间距是控制隧道变形的最佳措施;钢套管逐节旋压取土的施工方法,对周围土体扰动影响程度较小,尤其可以减少邻近隧道的水平变形,应避免采用半套管成孔工艺,以规避套管以下部分土体钻孔施工对周围地层造成二次扰动。

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基于机器视觉的隧道表观病害监测技术研究

郭鸿雁, 梁肖, 李科, 景强

地下空间与工程学报. 2023, 19(5): 1633-1645.

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随着在役隧道运营年限的增长,会产生诸如裂缝、渗漏水等典型表观病害,影响隧道的安全运营。如何通过有效的技术手段识别出各种病害,并将结果反馈给养护单位显得尤为重要。通过调研国内外隧道病害检测技术与方法,分析利用机器视觉技术对隧道典型表观病害的测量原理,结合计算机技术,开发基于变焦摄像头的隧道典型表观病害智能监测系统,实现了对隧道衬砌表观病害的智能识别与监测,并利用标定板在实体隧道中模拟裂缝和渗漏水情况。经实验测试,该监测系统可实现对隧道病害7×24 h实时监测,隧道表观病害在拍摄环境优良情况下,识别率可达95%,监测裂缝最小宽度0.2 mm,最小渗漏水面积50 cm²。采用该系统,可实现多处、多类型病害的识别与全天候监测。

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富水公路隧道抗水压衬砌结构安全评价研究

吴梦军, 钟祖良, 王益, 方林

地下空间与工程学报. 2023, 19(5): 1646-1655.

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地下水作用下公路隧道衬砌结构耐久性与安全性问题突出,运营期间易发生衬砌渗漏、开裂和脱落等现象。为了更好地评价富水公路隧道抗水压衬砌结构的安全性,基于《公路隧道设计规范》相关条款开展荷载组合下衬砌截面强度验算,对衬砌外水压力进行了分级。在此基础上,基于荷载结构法采用数值模拟开展了不同断面大小、围岩级别和埋深条件下隧道衬砌结构安全系数随外水压力的变化规律研究,提出了隧道抗水压衬砌结构分级标准。基于外水压力分级和抗水压衬砌结构等级划分,提出了抗水压衬砌结构设计方法和衬砌结构安全评价方法,为相关工程提供参考。

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基于PS-InSAR超载下隧道纵向沉降预测方法

谢雄耀, 柴隆, 李攀, 王承

地下空间与工程学报. 2023, 19(5): 1656-1664.

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地表超载会使隧道产生纵向不均匀沉降,危害隧道运营安全,隧道的沉监测降数据对于分析隧道的安全状态具有重要意义。提出了基于永久散射体合成孔径雷达干涉测量技术(PS-InSAR)的地表超载下隧道沉降预测方法,并在上海杨高中路电力隧道工程进行了应用,结果表明,PS-InSAR技术可以获取高精度的地面沉降数据,与水准数据相比,平均误差为0.78 mm/y;采用本方法预测得到的隧道沉降速率曲线与水准实测曲线变化趋势相对一致,较为准确的识别出了隧道纵向不均匀沉降发生的位置,预测沉降速率与隧道实测速率相比,平均误差为3.09 mm/y。影响结果精度的因素主要有PS-InSAR地表沉降拟合误差、隧道上方土层沉降计算误差以及隧道邻近施工造成的土体扰动。PS-InSAR具有监测范围广、可获取历史数据的优势,可以为软土地区隧道沉降数据获取与分析提供新思路。

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三洞盾构开挖顺序对地表沉降和管片变形影响

汪优, 赵晓薇, 代芳, 钟明, 张恒

地下空间与工程学报. 2023, 19(5): 1665-1677.

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为探究三洞盾构隧道的开挖顺序对地表沉降和管片收敛产生的影响,本文以南通地铁1号线隧道建设为工程背景,采用FLAC3D软件模拟三洞并行盾构隧道在“右-中-左”“中-右-左”和“左-右-中”3种工况下的掘进过程,分析其引起的地表变形规律及先行洞管片变形规律。对于地表变形规律,研究发现,不同开挖顺序引起的沉降槽宽度基本相同,但引起的地表最大沉降值存在差异,3种工况引起的地表沉降由大至小排序为:工况2＞工况1≈工况3。对于管片变形规律,不同开挖顺序引起的隧道变形均由标准的圆形变为上下扁、两端宽的椭圆形,但偏移过程及最终管片收敛值存在差异,3种工况引起的先行隧道变形由大至小排列为:工况3＞工况2≈工况1。数值模拟结果表明当采用工况1“右-中-左”施工顺序,即3条隧道依次顺序施工时,引起的地表最大沉降值和管片收敛偏移值较小,能够有效保障隧道施工安全,建议在实际施工过程中优先选择该开挖顺序。数值模拟得到的最大沉降值为-11.8 mm,通过Peck公式预测的最大沉降值为-11.1 mm,与实测拟合数据拟合得到最大沉降值-11.63 mm相比误差分别为1.46%和4.78%。

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考虑衬砌渐变劣化的寒区隧道承载性能演化规律

陈建勋, 荀文杰, 赵鹏宇, 罗彦斌, 陈丽俊

地下空间与工程学报. 2023, 19(5): 1678-1690.

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隧道衬砌结构沿径向深度存在温度变化差异,使其在冻融循环作用下沿径向发生不同程度的连续渐变劣化。为揭示衬砌结构渐变劣化对寒区隧道承载性能的影响,本文以羊八井2号隧道为工程依托,通过现场气温测试,结合隧道温度场和结构应力数值模拟计算,研究考虑衬砌结构渐变劣化的寒区隧道承载性能演化规律。结果表明:在每年170次的正负气温反复作用下,隧道衬砌表面经历约11次等效室内冻融循环;随着径向深度增加,衬砌经历的冻融循环次数呈指数函数降低,衬砌混凝土抗压强度和弹性模量沿径向深度呈指数函数连续渐变劣化,并主要集中在距衬砌表面35 cm深度范围内;在渐变劣化情况下,拱顶随服役年数增加,偏心距逐渐增大,受压区高度减小,呈大偏心受压,衬砌安全系数下降速率大,承载性能劣化严重,全截面劣化相反,拱顶由大偏心受压逐渐转变为小偏心受压,安全系数下降慢,承载性能劣化较轻;其余位置在两种劣化情况下衬砌承载性能变化基本相同;在隧道衬砌结构长期耐久性设计时,拱顶应考虑混凝土沿径向渐变劣化。

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并行近接隧道中减振孔的爆破振动控制效果研究

林豪, 吕文明, 郭洪雨, 孙飞, 张志强

地下空间与工程学报. 2023, 19(5): 1691-1698.

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新建隧道爆破作业对邻近既有隧道影响显著,鉴于减振孔的泛用性,常选其作为减振手段,但在近接隧道中的降振效果亟待探明。建立了能够表征各减振孔参数效应的爆破动力学模型,并与现场监测数据对比验证了模型的正确性。进而探究了减振孔参数对减振率的影响规律,提出描述减振率与减振孔参数间的关系式,论证了近接隧道爆破中减振孔的爆破振动控制效果。结果表明:(1)分别布设减振孔1~3排,平均减振率从40.58%增至71.99%;(2)分别布设减振孔距爆源距离0.75 m~1.5 m,平均减振率从53.93%降至40.21%,改变上述参数对减振效益影响明显;(3)建立了减振孔参数与减振率的拟合关系式,揭示了减振孔参数对爆破振动影响显著程度;(4)揭示了减振孔对近接隧道爆破振动的影响规律,距爆破临空面5 m以内振速高、衰减快,减振孔减振效益好,单排减振孔对中心断面各部位的减振率达到26%~38%。

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爆破荷载作用下隧道裂隙围岩塌方规律研究

梁宸, 王迎超

地下空间与工程学报. 2023, 19(5): 1699-1707.

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为研究爆破荷载作用下隧道裂隙围岩的塌方规律,以连云港北固山隧道为工程背景,借助UEDC离散元数值模拟软件,模拟隧道钻爆法施工时裂隙围岩塌方运动全过程, 揭示塌方过程中位移、速度、加速度等的变化规律,并深入探究不同节理分布时隧道塌方运动和破坏形态演变过程,为类似隧道工程建设提供借鉴。结果表明:爆破荷载作用下隧道裂隙围岩位移先小幅上升后下降;不同倾角节理分布时隧道塌方运动主要是形变和滑移;45°节理与另一不同倾角的节理组合时,隧道塌方运动主要表现为形变、开裂和塌落。

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非煤系地层隧道瓦斯突出风险属性识别体系

周泽林, 张凯, 张恒, 陈寿根, 谭信荣

地下空间与工程学报. 2023, 19(5): 1708-1718.

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非煤系地层瓦斯产生源相对难以确定,瓦斯释放具有随机性、不均匀性的特点,使瓦斯突出的防治更加困难。基于属性识别理论建立了非煤系地层隧道瓦斯突出的风险评价体系。根据典型性和可操作性原则,选取8个因素作为非煤地层瓦斯突出的风险评价指标,构造属性测度函数计算评价指标的属性测度,采用模糊层次分析法确定评价指标的权重,再根据计算得到的多指标综合属性测度,应用置信度准则对隧道的瓦斯突出风险进行识别。运用所提出的属性评估系统对某隧道施工前的瓦斯突出风险进行了评价,评价结果与实际情况的一致性验证了所建立的风险评价体系的适用性。该评价体系对非煤层隧道瓦斯突出的风险评估及灾害防治具有重要意义。

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公路隧道通风汽车污染物基准排放取值探讨

唐协, 林国进, 何佳, 田尚志, 向龙

地下空间与工程学报. 2023, 19(5): 1719-1729.

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为解决公路隧道通风计算汽车污染物基准排放量取值偏高导致通风规模超配问题,根据我国保有汽车排放调查统计分析,揭示了过去10年主流燃油车CO排放量年平均递减率在5.8%～9.8%之间,烟尘VI排放量年平均递减率在6.9%～10.1%之间。2020年国Ⅲ及以上排放标准的车占主导,CO和烟尘VI排放占比分别超过85%和97%,国Ⅲ标准CO和烟尘VI的基准排放量分别为《细则》计算的41%和18%。结合国家新能源汽车发展产业规划和2030年前碳达峰行动方案进行综合分析,提出了公路隧道通风稀释汽车污染物在2030年计算需风量达到峰值,通风计算污染物基准排放量取值按国Ⅲ标准取值,CO和烟尘VI的基准排放量分别为《细则》计算的50%和34%,基准排放取值即经济合理又相对安全,对于超长公路隧道可节约一半规模的通风井,研究成果为公路隧道通风设计计算提供参考,也为通风计算规范修订和公路隧道通风控制提供技术支撑。

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川西构造复杂区隧道多源有害气体分布特征研究

严磊, 苏培东, 唐涛, 陈仲勇, 邱鹏

地下空间与工程学报. 2023, 19(5): 1730-1737.

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川西高原地质条件复杂,隧道建设过程中出现的有害气体问题日益突出,对西部大开发战略带来了前所未有的地质挑战。针对川西地区有害气体分布规律复杂的问题,本文在收集分析川西高原区域地质资料和隧道资料的基础上,采用地质历史分析、油气成藏理论、现场检测等方法开展研究,结果表明:川西构造复杂区有害气体的主要成分以瓦斯(甲烷)、硫化氢、二氧化碳为主;有害成因有无机成因和有机成因两种,其中瓦斯主要来源于有机成因,硫化氢主要来源于无机成因,二氧化碳为混合成因;有害气体主要分布在褶皱的核部区域、深部地层、压扭性断裂附近、含炭质岩层或火成岩或变质岩内,且分布规律相互关联。研究成果对川西高原隧道有害气体预测防治具有指导作用。

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地铁站列队人群交叉感染风险及降低策略研究

林晨, 杨娟, 李宝玉, 张彪, 艾正涛

地下空间与工程学报. 2023, 19(5): 1738-1750.

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地铁车站具有通风不良、高密度人员聚集以及近距离暴露的特点,是传染病传播的高风险场合之一。基于计算流体力学(CFD, Computational Fluid Dynamic)方法,针对地铁车站不同风险区域队列人员,研究了口罩佩戴、人员间距、通风量以及送风距离对交叉感染风险的影响,评估了地铁站内高密度队列人群交叉感染风险并提出降低策略。结果表明:售票区未佩戴口罩的近距离接触过程中,感染者不仅使得正前方人员暴露于高风险中,也增大了其两侧人员的暴露风险;近距离的安检过程仍存在较高感染风险,建议安检人员佩戴面罩;地铁站全面通风的防控效果受到送风距离以及通风量的影响,距离送风口较近的区域(<0.5 m),增大通风量可以显著降低感染风险;对于距离送风口较远区域(>1 m),通过增大通风量降低风险的效果较差。本研究的发现预期可为制定合理防控措施提供依据。

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