地下空间与工程学报

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姜炎涛, 贺瑞霞, 赵迷军, 吉建华, 常龙

地下空间与工程学报. 2024, 20(S1): 1-10. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2024.S1.01

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随着郑州市城市建设不断向地下空间拓展,进行区域工程建设和地下空间开发利用适宜性评价刻不容缓。在充分考虑影响郑州市工程建设与地下空间适宜性的工程地质与地震、水文地质、地形地貌、地质灾害等条件下,采用层次分析法进行研究区不同埋深适宜性评价。基于区域三维地质模型与GIS技术,实现适宜性分区的可视化。结果显示,郑州市工程建设适宜区面积占比为44.79%,而不同深度地下空间适宜区与较适宜区的面积总占比保持在70%以上,拥有较大发展潜力,随着埋深的增加,较不适宜区的面积占比总体呈现上升趋势。研究结果可为区域工程建设与地下空间的建设开发提供参考依据。

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基于大型基础设施建设的多级空间管控区划定方法

张政

地下空间与工程学报. 2024, 20(S1): 11-18. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2024.S1.02

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北京城市副中心基础设施环是统筹多项功能的主干环状系统,具有功能多、造价高、占地广的特点,其规划工作的推进较为慎重。随着周边地块陆续开展建设,为基础设施环预留远期建设条件显得尤其重要。为了满足基础设施环远期实施阶段的地下结构空间要求,有必要结合相关区域的用地性质及建设条件,开展基于地理信息的多要素交叉分析,从而划定侧重控制的一级管控区和侧重互联互通的二级管控区,明确城市建设工程与基础设施环的实施界限。同时为国内同类型新城建设探索出一套可复制的大型市政交通基础设施管控区划定方法,以期在减少占地面积的同时,提升此类市政交通基础设施的服务水平。

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浅析北京中心城区地下空间更新利用策略

张明子, 胡斌, 郝冉

地下空间与工程学报. 2024, 20(S1): 19-24. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2024.S1.03

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土地是城市发展的宝贵资源,不能无限扩大,必须在原有土地的基础上充分发挥其潜能,提高土地的使用效率,体现城市更新的价值。加强地下空间建设与地上更新之间的联系有着重大的现实意义,不但能改善中心城区的环境,还可以发挥土地最大的商业价值与效益。在进行中心城地下空间开发和改造时,可将地上地下的交通、商业、市政等多功能整合为统一的、相互联系的整体。本文对北京中心城区3种典型的地下空间逐条分析,提出不同类型地下空间更新利用的迫切需求、原则和方式,从前期策划的视角寻求规划策略。总结为:提前策划分步实施、城市功能的补充和转移、结合现状差异化开发以及关注人的感受以共同打造高质量发展的城市环境。

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上海市地下空间开发利用现状、问题与应对策略

钱昊, 何耀淳

地下空间与工程学报. 2024, 20(S1): 25-32. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2024.S1.04

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自20世纪90年代以来,上海市地下空间开发进展迅速,迄今不仅总量颇具规模,形态上也基本形成了与地上开发相协调的多中心结构。然而,在快速发展的同时,上海市的地下空间开发仍然存在诸如资源管控不足、引导不够全面、综合效能未有效发挥、体制机制未完全理顺等问题。在新时代高质量发展的背景下,地下空间的开发面临着生态、高效、集约等一系列更高的要求,结合开发现状及存在问题,提出了系统性的应对策略,从加强资源管控、提升开发品质、优化空间布局、完善管理机制等角度为上海市今后的地下空间开发明确了相应的理念及原则,为转变传统城市发展方式提出方向。

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隧道衬砌结构可靠度分析的三阶矩方法

李志鹏, 伦培元

地下空间与工程学报. 2024, 20(S1): 33-40. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2024.S1.05

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隧道衬砌结构的可靠度分析是隧道工程中的关键研究领域。传统的分析方法主要基于蒙特卡罗有限元法,通过将基本随机变量整合为两个综合变量,然后进行一次二阶矩法或二次二阶矩法来计算可靠度。该方法在处理综合变量之间的相关性时可能存在不足,导致分析结果的精确性受到影响。为了解决这一问题,本文提出了一种新的三阶矩方法来进行隧道衬砌结构的可靠度分析。该方法首先利用基于拉丁超立方抽样的蒙特卡罗有限元法来计算隧道衬砌结构极限状态功能函数的前三阶矩(包括均值、方差和偏度),然后使用三阶矩可靠度指标来估计衬砌结构的失效概率。通过算例验证,该方法不仅简化了计算流程,而且提高了结果的精确性,为隧道衬砌结构及其他隐式功能函数的结构可靠度分析提供了新的研究方法。

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基于M-C准则的任意角度隧道掌子面稳定性分析

单生彪, 谭子安

地下空间与工程学报. 2024, 20(S1): 41-53. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2024.S1.06

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为探究任意盾构角度影响下隧道掌子面的稳定情况,以向上倾斜盾构隧道为例,基于线性Mohr-Coulomb强度准则,运用空间离散技术及“点生点”技术,考虑倾斜角度对隧道掌子面稳定性的影响,通过改进现有的隧道掌子面三维主被动破坏模型,实现了倾斜隧道掌子面的主被动破坏极限支护压力的求解,并建立了线性Mohr-Coulomb准则下倾斜隧道掌子面三维主被动破坏模型,生成了与之对应的主被动破坏模型的能耗方程。通过本文模型计算结果与现有模型和数值模拟的计算结果进行对比分析,验证了本文所建立的倾斜隧道掌子面三维主被动破坏模型的合理性。结果表明,任意盾构纵向倾角是影响掌子面稳定性的重要因素,不可忽略;本文所建立的任意角度掌子面三维旋转主被动破坏模型相比现有模型更接近真实解,在掌子面稳定性分析时能够得到更优的分析结果,为类似隧道盾构施工的安全性提供了有效的理论指导与参考。

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对围岩-支护共同作用原理的讨论

蔡晓枘, 喻勇

地下空间与工程学报. 2024, 20(S1): 54-58. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2024.S1.07

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围岩-支护共同作用原理在地下工程支护设计以及安全评价中发挥着重要作用,基于该理论的收敛约束法也是目前国际上通用的支护设计方法。但共同作用原理未考虑地下工程先开挖后支护的特点,而是假定开挖与支护在同一瞬间完成。目前已有学者证明隧道开挖与支护分别符合塑性力学定义的加载和卸载条件,这表明开挖是发生塑性变形的过程,而支护是发生弹性变化的过程。对满足莫尔-库伦屈服准则的圆形隧道进行理论分析,结果表明:由支护产生的围岩位移增量与支护应力成正比,而传统的围岩特性曲线并不符合该规律。使用有限差分数值计算软件FLAC对圆形隧道的开挖与支护进行验证计算,得到支护后围岩位移增量与支护应力的关系符合弹性变形规律。因此,此前广为应用的围岩-支护相互作用原理中的围岩特性曲线在塑性力学理论范畴内并不正确。

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基于混合深度学习算法的盾构运动轨迹实时预测

王宇超, 谢雄耀, 黄昌富, 肖中林

地下空间与工程学报. 2024, 20(S1): 59-69. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2024.S1.08

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盾构运动轨迹偏移会造成管片错位及地面沉降等危害,本文提出了一种用于盾构掘进过程中轨迹偏差的实时预测深度学习模型。该模型将时域卷积网络(TCN)和控制门单元(GRU)结合起来,并引入注意力机制。首先利用小波变换去噪(WT)对盾构掘进过程中收集数据的噪声进行去除,通过TCN算法对输入的时间序列进行局部特征的提取,再采用GRU算法提取时间序列数据的长期依赖性特征,最后引入注意力机制,进一步增强模型对输入数据中重要信息的关注程度。以福州滨海快线第三标段为例,对本混合模型进行了验证,并与其他三种效果较好的深度学习模型进行比较。结果表明,该模型对盾构运动轨迹的预测精度高于其他模型,该预测框架为盾构掘进过程中盾构移动轨迹的实时预测提供了一种有前景的解决方案。

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高原沼泽相泥炭土物理力学特性试验研究

郭延辉, 马蕊, 毛石林, 付小兵, 刘星辰

地下空间与工程学报. 2024, 20(S1): 70-76. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2024.S1.09

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泥炭土作为一种特殊质土,其物理力学特性对工程建设施工影响极大。为探究高原沼泽相泥炭土的物理力学特性,针对昆明市第十四水质净化厂基坑揭露的沼泽相泥炭土开展了一系列室内物理力学试验,对泥炭土基本物理特性、固结变形特性及抗剪强度特性进行了分析。结果表明:该泥炭土工程性质较差,具有含水率较高、液塑限高、压缩性高、抗剪强度低等特性;固结过程中,随法向荷载的增加,泥炭土孔隙比近似呈线性减小趋势,单位沉降量近似呈线性增大趋势;固结系数与压缩系数的变化规律相似,呈先增大后减小的趋势;压缩模量与压缩系数成反比,先减小后增大;快剪试验下泥炭土剪切变形以塑性变形为主,剪应力与剪切位移呈现出先增大后趋于稳定的规律。

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热力加固对压实黄土工程性质影响的试验研究

张路, 倪晓逸, 樊恒辉, 高策, 杜宇航

地下空间与工程学报. 2024, 20(S1): 77-83. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2024.S1.10

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为明确热力加固改变土体物理、化学性质和结构特征,影响强度、水稳等工程性质的具体过程,本文采用无侧限抗压强度、X射线衍射、压汞和扫描电镜等试验,研究高温(100~900 ℃)对杨凌压实黄土无侧限抗压强度和水稳性质的影响规律和作用机理。结果表明:与经100 ℃处理后土样的无侧限抗压强度(UCS)相比,经900 ℃处理后土样的UCS提高了1.15~5.26 MPa;当处理温度不低于500 ℃时,土样具有较好的水稳性;当处理温度为500~900 ℃时,伊利石、蒙脱石、方解石和石英等矿物含量变化较大;经700~900 ℃处理后土样的微孔(0.01 μm<d<0.1 μm)、超微孔(d<0.01 μm)数量和孔隙分形维数明显降低;高温熔融促使土粒形成了一些致密结构;经高温作用,土粒发生移动和重排、形成新化合物,提高了土样的抗压强度和水稳性。研究成果可为热力加固法的应用提供数据和机理支持。

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不同浸水作用下煤岩损伤及力学性质劣化规律

吴宝杨, 宋佳辉, 李鹏, 李志轩, 王雁冰

地下空间与工程学报. 2024, 20(S1): 84-93. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2024.S1.11

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本文以宁夏煤业的灵新矿的煤样为研究对象,设置煤样含水率、干湿循环次数、高盐矿井水矿化度3个变量,系统研究煤样无损吸水特性及不同浸水作用下煤样的力学性质损伤规律。并结合声发射试验获得的特征参数,量化抗压强度和弹性模量与不同含水率、不同干湿循环次数、不同矿化度间的定量关系,分析不同变量下的煤样破坏特征及裂隙发育演化过程。结果表明:含水煤样的抗压强度及弹性模量与含水率和矿化度呈线性递减关系,与干湿循环次数呈指数递减关系;随煤样含水状态(含水率、干湿循环次数)的提高,煤样内部剪切裂隙的占比逐渐增加,之后增加幅度较小;三者对煤岩介质的力学性质都存在劣化作用。煤岩介质的浸水试验有效揭示了不同浸水条件的“水-岩”耦合作用下煤岩介质的损伤破坏机理,为确保地下水库煤柱坝体稳定性研究提供有效的参考,同时可以为解决煤炭开采过程中所产生矿井水难以有效储存和利用以及大量水资源损失等问题提供有效思路。

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不同应力波形下饱水红砂岩动力学特性

解北京, 石嘉煜, 梁天宇, 陈铭进, 李晓旭

地下空间与工程学报. 2024, 20(S1): 94-101. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2024.S1.12

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应力波幅值及能量耗散时空演化规律在冲击地压等煤岩动力灾害防治工作中往往被忽略,为研究冲击脉冲波形状对岩石的动力学特性影响,利用分离式霍普金森杆实验系统(SHPB),采用多种长度和纺锤形撞击杆(子弹)对干燥和饱和水红砂岩进行不同应变率下的动态压缩实验。结果表明:应力波持续时间对岩石的应变率和动态强度产生显著影响,当撞击杆长度大于300 mm时,应变率-时程曲线产生“双峰”现象,岩石动态强度与持续时间呈线性关系;当应变率小于300 s^-1时,透射能随应变率增大而增加,当应变率大于300 s^-1,撞击杆长度大于300 mm时,岩石的透射能力随应变率变大而降低;能耗率拟合曲线随应变率增大表现为先增大后降低趋势。

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离子侵蚀环境中砂浆锚固体锚固性能试验研究

张凯程, 杨文东, 王英男, 刘德军, 马鹏程

地下空间与工程学报. 2024, 20(S1): 102-110. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2024.S1.13

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长期处于海洋或滨海环境的锚固体系会受到离子侵蚀导致耐久性下降。为研究离子侵蚀环境中锚固体的锚固性能,本文通过室内试验,分析了不同腐蚀环境和不同腐蚀时间下普通锚固体和预应力锚固体的表面损伤、锚杆强度以及砂浆-锚杆界面间的粘结强度。结果表明:腐蚀龄期增加以及给锚杆施加预应力会加速锚杆的腐蚀;锚杆在腐蚀初期会在表面形成一层氧化膜,所以不同腐蚀溶液对锚杆的腐蚀效果不明显;施加了预应力的锚杆会对腐蚀龄期更敏感,其极限抗拉强度下降得更快;砂浆-锚杆界面间的粘结强度随着腐蚀龄期近似呈线性变化,施加预应力后,界面间粘结强度下降得更快;腐蚀溶液对砂浆-锚杆界面粘结强度起削弱作用的强弱顺序为混合溶液＞硫酸钠溶液＞氯化钠溶液。研究成果可为长期处在海洋和滨海环境中服役的锚固体系的耐久性研究提供依据。

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改性水玻璃加固细砂层暗挖隧道现场注浆试验

徐厚庆, 刘生, 亢佳伟, 邓国华

地下空间与工程学报. 2024, 20(S1): 111-118. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2024.S1.14

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全断面细砂地层暗挖隧道施工存在塌方失稳的工程风险。本研究通过开展室内试验、现场原位浆液渗透注浆加固试验和现场原位注浆开挖试验,对改性水玻璃浆液在细砂层内部的扩散特征、固砂性能及隧道开挖稳定性开展了一系列工作。结果表明:当改性水玻璃浆液凝结时间控制在1~4 h时,可有效改善低应力条件下粉细砂的抗剪强度,无侧限抗压强度可达到140~170 kPa;在0.3~0.5 MPa注浆压力作用下,改性水玻璃浆液在小导管周边形成了60~80 cm厚的固砂体,有效抑制了砂层塌落,为暗挖隧道的稳定开挖提供保障,现场实测地表变形量控制在25 mm以内; 细砂层暗挖隧道超前小导管布孔间距控制在30~50 cm以内,改性水玻璃浆液合理配比宜通过室内试验初选、现场浆液渗透注浆加固试验验证和现场开挖效果反馈等多种手段进行综合确定。

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黏土-砂混合物三轴压缩超声波特性研究

刘桃根, 李玲, 王伟, 谢敬礼, 刘造保

地下空间与工程学报. 2024, 20(S1): 119-127. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2024.S1.15

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为研究核废料缓冲回填材料的超声波特征,本文利用岩石三轴压缩伺服仪和超声波测试系统,开展侧限压缩和常规三轴压缩2种应力路径和2种超固结比状态OCR=0.83和2.9的压实黏土-砂混合物的三轴压缩试验和超声波测试。结果表明:侧限压缩试验的纵、横波波速(V_p、V_s)曲线表现出与轴压-轴向应变曲线相似的3阶段特征,但V_p曲线具有滞后效应;常规三轴压缩试验的V_p增加,V_s降低,V_p和V_s变化与围压有关。动剪切模量和动泊松比(G_d和μ_d)的曲线分别与V_s和V_p的曲线相似,围压主要影响动剪切模量的大小;V_p和V_s与有效平均压力(p)有关,V_p和V_s与p的关系可用二次函数较好描述;横波信号的主频逐渐增大,主振幅先减小后增大,主频变得不易分辨,围压越大,横波信号衰减越强;I和II区随偏压加载而逐渐融合,横波分裂效应减弱。研究结果可为核废料缓冲回填材料的配比设计提供参考。

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软土地区大型沉井下沉阻力分布特征研究

邵风行, 叶嘉庭, 池奥博, 欧金辉, 尹骏

地下空间与工程学报. 2024, 20(S1): 128-133. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2024.S1.16

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为了研究软土地区沉井下沉阻力分布特征,以宁波某综合管廊沉井为研究对象,开展了沉井土层土体直剪试验和常规三轴试验,研究表明:该软土的应力-应变关系呈现出典型的硬化型发展,剪切初期应力随着应变的增加较快,且表现出围压越大剪应力越大,当应变20%时试样剪切破坏。沉井在下沉过程中,需要随时做好监测,利用测试数据对下沉过程做了受力分析,对不同深度下沉井刃脚端阻力和井壁侧摩阻力的分布规律进行了研究。最后,基于沉井下沉穿越淤泥土层时σ_f0和下沉深度S 数据规律,拟合出相应的经验公式,测试结果表明,该沉井下沉过程中侧阻力尚未达到极大值,沉井相对两面的侧阻力并不相同,研究成果可供同类工程参考。

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挖井基础在上黏下砂地层中的多维承载特性

袁宇

地下空间与工程学报. 2024, 20(S1): 134-147. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2024.S1.17

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桥梁挖井基础除受到桥梁上部结构自重所产生的竖向荷载外,还将承受来自列车制动和横向摇摆以及离心力所带来的侧向荷载。现有的规范主要关注挖井基础的竖向承载是否满足地基承载力,未考虑挖井基础在三维空间中的多维承载力。本文针对挖井基础所适用的典型土层条件,采用有限元方法研究了圆形挖井基础在上黏下砂地层中的多维承载特性,分析了上覆黏土层强度和挖井基础长径比两个因素对基础单向承载力和承载力包络面的影响。结果表明:由于上覆黏土的影响,挖井基础的承载力相比于砂土地基有不同程度的减小,且这种减小效应随着井端以上黏土层厚度的增加而增加,其中以水平承载力的减小幅度最为明显。基于数值计算结果,建立了上黏下砂地层中挖井基础承载力的包络面表达式,提出了包络面特征参数随挖井基础长径比和竖向荷载水平变化的实用计算公式。

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管片锈裂对盾构隧道结构承载性能的影响

孙博旭, 金浩, 余朔

地下空间与工程学报. 2024, 20(S1): 148-154. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2024.S1.18

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管片作为盾构隧道结构主要的受力构件,其内部钢筋锈蚀会导致局部性能退化,影响盾构隧道结构的力学性能,从而危及地铁运营安全。本文构建了盾构隧道结构计算模型,并通过盾构隧道足尺实验验证了计算模型的准确性。在此基础上,研究了钢筋锈蚀作用对通缝拼装盾构隧道结构承载性能的影响。结果表明:随着管片内部钢筋锈蚀程度的增加,混凝土损伤范围逐渐增加;管片内部钢筋的锈蚀导致盾构隧道结构抵抗变形能力下降,使得管片间纵缝张开量增加;管片内钢筋锈蚀对不同通缝拼装盾构隧道结构的影响不同,封顶块偏转角度越大,钢筋锈裂引起的纵缝张开量越大。

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反应位移法中剪切波速的确定研究

王铭欣, 黄成麟, 牛永昌, 孙维吉

地下空间与工程学报. 2024, 20(S1): 155-162. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2024.S1.19

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地下结构抗震专项论证是地下结构设计的一个重要组成部分,通常采用反应位移法进行抗震计算。反应位移法中与抗震设计有关的3个因素分别为剪切力、惯性力、相对位移。而剪切力是由剪切波速决定的,但剪切波速的确定未明确具体规定和方法,如何进行剪切波速的确定,对抗震设计有重要影响。通过场地土层等效剪切波速法、加权平均值法、单层岩土层法分别进行剪切波速的确定,采用反应位移法计算分析3组弯矩值、剪力值、轴力值,分析表明采用反应位移法进行抗震计算时,剪切波速通过场地土层等效剪切波速法确定更合理,研究成果为地下结构抗震设计中剪切波速的确定提供了依据。

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陆相页岩油藏三维空间应力场动态演化规律

张亚洲, 韦世明, 金衍, 王迪

地下空间与工程学报. 2024, 20(S1): 163-171. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2024.S1.20

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砂页互层是中国陆相页岩油藏的一个显著地质特征。由于不同层内的孔渗和力学性质差异巨大,二维模型无法为页岩油藏开发提供准确的指导。本文针对中国陆相页岩油储层纵向多砂页互层特点,建立多压裂水平井三维流固耦合数学模型,并分别考虑地层非均质引起不同层内的应力敏感效应,通过数值模拟研究页岩油储层内单井和多井生产过程中的应力场演化规律。结果表明,当已钻井需要关井进行重复压裂时,重复压裂的位置应当选择水平井筒中部位置,重复压裂最优井段的长度也与生产时间有关,生产时间越长,最优复压井段越短;当以储层的总体开发效率为目标时,应当在不同小层内进行井位设计,如此可以在避免井间干扰的情况下减小井距,增大储层整体动用程度;在进行空间布井的时候也要考虑不同层内的井在水平面上具有一定井间距(大于300 m),且不同层内的井间距不同,如此才能使得页岩油藏达到较好的整体开发效果。本文建立模型可为页岩油立体布井、加密井及重复压裂提供技术支持。

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堆载下深厚软土侧移分析及响应面预测方法研究

宋旭明, 郑梦洋, 唐冕, 王绍雄

地下空间与工程学报. 2024, 20(S1): 172-179. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2024.S1.21

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为预测路堤堆载作用下的土体侧移,为土位移法计算既有高铁桥梁桩基内力及侧移提供条件,本文采用Midas GTS建立二维有限元模型,计算路堤填筑产生的土体侧移,分析土体参数、路堤参数及堆载空间位置等因素对土侧移的影响。对各因素进行敏感性分析,采用响应面法,以5次多项式构建土体侧移与各因素之间的显式关系式。结果表明:路堤填筑后,土层总位移呈“灯泡”形,侧移沿深度方向呈现“弓”形;土体最大侧移随着土体泊松比、路堤堆载等级、路堤填筑宽度增加而增大,随距路堤中心距、土体弹性模量增大而减小;土体侧移对土体泊松比、路堤堆载等级、土体弹性模量、路堤填筑宽度、距路堤中心距离较敏感,对下层岩体的泊松比等因素不敏感;拟合得到的响应面函数可准确预测不同堆载等级下深厚软土土体侧移。研究结果便于快速估算堆载下土体侧向位移。

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基于群井抽水试验的承压含水层水文参数反演分析

徐中华, 宗露丹, 王卫东, 罗建军

地下空间与工程学报. 2024, 20(S1): 180-187. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2024.S1.22

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城市区域复杂环境条件下的深基坑工程往往涉及复杂的承压水处理问题,当承压含水层深度较大且采用悬挂帷幕结合坑内减压降水方案时,需合理评估承压水降水对周边环境的影响,而其关键是要确定合理的水文地质参数。本文结合位于长江漫滩地貌单元的某深基坑工程,在基坑实施前针对其深厚承压含水层开展了现场群井抽水试验,根据单井抽水试验的解析方法给出了初步的水文地质参数,在此基础上,建立了群井抽水试验的地下水渗流数值分析模型,基于反演分析确定了合理的水文地质参数,为分析基坑承压水降水对周边环境影响提供了直接依据。

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低净空环境旋喷静压复合桩的试验研究

王曙光, 段启伟, 王浩宇, 李湛, 李钦锐

地下空间与工程学报. 2024, 20(S1): 188-195. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2024.S1.23

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在既有建筑的加固改造过程中,桩基础是既有建筑地基基础加固改造或托换的重要手段,但是常规的设备和工艺往往无法满足在既有建筑内部低净空条件下大桩径、大桩长、高承载力桩基础的施工要求。针对此类需求,将锚杆静压桩技术和水泥土复合桩技术相结合,提出低净空下旋喷静压复合桩技术,并研发了旋喷静压一体化成套设备。通过现场足尺试验,验证了该项技术施工工艺的可行性,并通过现场试验对旋喷静压复合桩、旋喷桩及静压桩的施工工艺、单桩承载力、桩身内力等进行了对比分析,试验证明:与传统的静压桩、旋喷桩相比,旋喷静压复合桩的承载力大幅提高。

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盾构隧道密封垫的气密性能及设计优化研究

赵翌川, 刘芳, 刘桂荣

地下空间与工程学报. 2024, 20(S1): 196-204. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2024.S1.24

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针对穿越含气地层盾构隧道的防气问题,依托上海某越江隧道工程开展了盾构隧道弹性橡胶密封垫的气密性能及设计优化研究。基于隧道管片接缝气体泄漏率数值模拟结果,以气体泄漏率为评价指标,研究了不同型式的三元乙丙(EPDM)弹性橡胶密封垫在不同工作条件下的气密性能及其关键影响因素。研究表明:(1)相较管片错台量,管片张开量对密封垫气密性能影响较大;(2)密封垫的粗糙度对气密性能具有控制作用,开孔形状具有较大影响,断面空隙率次之,孔槽空隙率比的影响最小;(3)为了提高密封垫气密性能,可以适当降低接触面表面糙度,合理搭配开孔形状,降低断面空隙率。

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圆形截面隧道式储气库群布局参数研究

周小松, 闫磊, 黄康康, 孙高博, 刘卫

地下空间与工程学报. 2024, 20(S1): 205-212. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2024.S1.25

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内衬式硬岩储气库因其相较于盐穴、废弃矿洞等储气库,具有不受特殊地理条件限制且能承受更高压力等优点,是当前最有前景的储能方式。随着大规模的压气储能电站的出现,单一储气库势必无法满足储能所需,因此对储气库群的研究具有现实意义。本文建立3个平行的圆形截面隧道式储气库群三维模型,研究了埋深、洞径、间距3个影响因素对围岩变形和塑性区的影响规律,提出圆形隧道式储气库群布局建议。结果表明:三者对储气库群稳定性的影响程度从大到小依次为:埋深、洞径、间距;埋深越大,围岩变形越小;随着洞径的增加,围岩变形整体上呈增大趋势;随着间距的增大,围岩变形趋于稳定。运行压力为10 MPa时,圆形截面隧道式储气库群的最优布局参数:埋深为300 m、洞径为15 m、间距为0.5D。

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超长电力隧道通风设计运行参数计算方法

王亮, 汪雄平, 成瑾, 钟珂

地下空间与工程学报. 2024, 20(S1): 213-219. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2024.S1.26

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为有效排除电缆发热量,超长电力隧道通风能耗巨大。实际运行中电缆大多数时候处于非饱和运行状态,故实际所需的通风量明显小于通风设计工况,因此存在很大的通风节能潜力。但是,由于缺乏理论支持,该节能措施难以落实。为此,本文针对超长隧道内部温度场进行数值模拟研究,探讨通风量、电缆发热强度和通风区段长度的相关性,建立了基于隧道出口气温不高于40 ℃限制条件下的运行参数关联式,可快速准确地预测已建成隧道实时所需通风量,也可用于隧道设计阶段参数计算。

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铁路上下重叠隧道施工力学特性研究

袁枫杰, 王昊乾, 阳东廷, 徐前卫

地下空间与工程学报. 2024, 20(S1): 220-228. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2024.S1.27

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随着我国道路交通工程建设的快速发展,不断有上下或交错重叠布置的高难度隧道工程涌现。本文依托重庆东环线铁路芭蕉沟上下重叠隧道工程,针对不同典型断面建立了多个数值模型,研究了重叠隧道施工历程中隧道拱顶位移、仰拱变形和横撑处水平收敛的变化规律以及相应的非同步开挖条件下的隧道衬砌应力分布特征,并且结合施工引起的地层应力变化规律以及塑性区分布特征分析了开挖过程的地层扰动效应。结果表明:(1)不同断面处的上层隧道施工主要引起下层隧道的拱顶沉降与净空收敛,而对仰拱部分影响较小,施工中应重点关注拱顶沉降与净空收敛;(2)当上、下层隧道相距较近时,上层隧道施工会导致下层隧道一定程度隆起,随两隧道之间距离的增加,回弹程度逐渐降低直至沉降。据此提出相应的施工扰动控制措施,从而为优化结构设计和指导现场施工服务,并可为今后类似工程提供借鉴与参考。

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半成岩隧道波纹钢初支结构施工力学特性研究

王丽军, 王秋懿, 张清照, 雷明林, 黄煊博

地下空间与工程学报. 2024, 20(S1): 229-235. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2024.S1.28

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为探究波纹钢初支结构在富水半成岩隧道中的施工力学特性,依托临清高速王家寨隧道工程,总结半成岩隧道内波纹钢初支结构的施工方案,再通过等效刚度的方法建立动态施工数值模型,并结合现场监测数据进行验证,进而分析施工过程对波纹钢初支结构施工力学特性的影响,最后针对现场波纹钢背后混凝土厚度不足的问题进行参数分析。结果表明:(1)波纹钢初支结构施工方案可有效适配于该类隧道,满足“快挖、快支、快封闭”的施工理念;(2)半成岩隧道洞内变形有变形时间长、变形量大的特点,初支结构拱脚部位为大弯矩、小轴力的危险区域;(3)随着混凝土厚度减小,初支结构最大Mises应力迅速上升,实际施工时应注意洞内变形带来的混凝土厚度不足风险。

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盾构法联络通道施工对始发端隧道的影响分析

闫伟, 宋彦杰, 程雪松 , 岳彬, 周胜

地下空间与工程学报. 2024, 20(S1): 236-246. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2024.S1.29

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在盾构法联络通道施工中,隧道的结构形式、盾构机顶推力、内支撑支撑力是影响隧道受力及变形的关键因素,为了探究联络通道施工对始发端隧道衬砌结构的影响,本文依托天津地区某盾构法联络通道项目进行了盾构法联络通道施工过程的有限元分析,将施工过程分为初始、预支撑、切削、破洞以及拆撑五个阶段,总结了始发过程中各阶段的结构应力及内力、隧道变形、螺栓内力的变化规律。结果表明:(1)施工完成后结构内力相比之前有所增大但是依旧在安全范围内;(2)结构的应力及变形在拆撑阶段的变化量最大,内支撑起到了施工期间维护结构安全的作用;(3)破洞后洞口周边衬砌环的内力重分布现象较明显,主要表现在衬砌环开洞口一侧的轴力及弯矩有所增加,距离洞口越近的管片其内力变化越大;(4)破洞后环向螺栓的剪力增加到了450 kN,施工中可以增加特殊管片结构的整体性以减小螺栓内力。

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深大基坑有限跨结构抗侧力的计算分析

范冠博, 周鼎, 常林越

地下空间与工程学报. 2024, 20(S1): 247-254. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2024.S1.30

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中大型基坑工程在应用中心岛方案并施工有限跨结构的过程中会因深大基坑分区开挖工况所限,支撑体系产生不平衡土压力,并以水平侧力的形式通过支撑传递到坑内。对此设计了将水平侧力施加到地下室已建结构体系上,由地下结构的梁板柱和工程桩共同承担的方案。此情况下在近受力端的结构构件将表现出较大的内力和结构变形。因而在水平侧力较大的条件下需要提出切实有效的加强措施提高受力端结构刚度,并将整体受力变形控制在合理范围内。本文以实际工程项目为背景,通过三维数值分析对有限跨结构在深大基坑中的抗水平侧力进行了模拟和讨论,并比选了几种结构加强方案。结果表明,该体系在受力端设计斜撑压杆加强能够有效提高结构抗水平侧力能力。

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软土地区基于建筑超长平移技术的基坑实例分析

冯翠霞, 陈思奇

地下空间与工程学报. 2024, 20(S1): 255-264. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2024.S1.31

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上海安康苑一期项目位于上海市静安区,工程地上拟建3栋150 m超高层住宅及由5栋历史保留风貌建筑改造而成的联排别墅、沿街风貌组成。为在历史建筑下方完成4层地下室的建设,同时确保历史建筑免遭破坏,项目开发过程中5栋历史保留建筑需迁移保护,并在地下室完成后予以复位。结合本项目超高层的进度需求对基坑进行分坑处理,在先开区的施工过程中需对5栋历史保留建筑进行大规模平移工作,总平移建筑面积1 945 m²,累计平移距离达2 088 m,基坑面积约20 500 m²,挖深18.15~22.9 m。本项目的成功实施可为上海软土地区城市更新改造中深基坑与超长距平移技术相结合的设计和施工提供参考。

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临江高水位涉京广线基坑工程地下水控制设计

廖翔, 张杰青, 汪彪, 施木俊, 万鑫

地下空间与工程学报. 2024, 20(S1): 265-272. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2024.S1.32

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为有效控制深基坑工程对邻近在运营京广铁路的影响,满足基坑施工对京广铁路路基附加变形<10 mm的保护要求,除基坑支护体系变形控制外,在临江高水位地区,采用落底式止水帷幕结合坑内管井降水,尽可能减少基坑抽水对京广铁路的影响。以武汉市某临江高水位涉京广铁路线基坑工程为例,基坑采用TRD等厚度水泥土墙、深层搅拌桩止水帷幕落底结合中深管井按需降水措施,利用Midas GTS-NX进行数值模拟辅助计算,在实施过程中对基坑工程和涉京广铁路段进行了详尽的监测。结果表明:基坑临铁侧土体测斜最大值为8.88 mm,轨道水平位移最大值为-2.3 mm,轨道竖向位移最大值为-2.5 mm,路肩水平位移最大值为-2.4 mm,路肩竖向位移最大值为-2.7 mm,有效控制了京广铁路路基、轨道的变形沉降,基坑外水位实测降幅0.8~1.0 m,对京广铁路路基、轨道的影响可控,验证了基坑工程采取的地下水控制措施的有效性。

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坑中坑基坑主体结构施工换撑方案研究

崔向阳, 王佳豪, 李兆平, 刘腾, 吕金彪

地下空间与工程学报. 2024, 20(S1): 273-282. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2024.S1.33

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北京地铁朝阳站坑中坑基坑呈现坑内施工空间有限、基坑深度不一等特点,常规的换撑方案使得各工序间相互干扰造成施工工期不满足要求。本文从简化深基坑换撑施工工序角度出发,基于“支架代撑法”理念,提出了满堂支架和钢斜撑的组合支护方案。采用数值模拟的方法对原换撑方案(钢倒撑)、侧墙代替换撑方案和满堂支架组合方案进行了研究,并通过现场监测验证了本论文方案的可行性。结果表明:(1)满堂支架组合换撑方案减少了施工步序,节省施工预算,保证施工过程中结构安全,并成功应用于异形坑中坑基坑主体结构施工中;(2)满堂支架方案较原换撑方案相比,地连墙变形最大值仅增加9%,仅施作侧墙方案较满堂支架方案水平变形增加35%;(3)已建侧墙和架体连接部位的约束作用使得架体整体变形较小,脚手架的内力表现为中间大,两边小的变化趋势。

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紧邻基坑群坑开挖相互影响三维数值模拟

冯仲文, 杨红坡, 温科伟

地下空间与工程学报. 2024, 20(S1): 283-289. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2024.S1.34

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随着城市化的发展,基坑施工条件日趋复杂,特别是基坑群开挖面临着复杂的相互影响问题。本文以国内某基坑群工程为例,基于小应变硬化土(HSS)模型,采用三维数值模型对基坑群的开挖进行模拟,并结合实测数据对基坑群开挖的相互影响进行了分析。结果表明:数值模拟计算结果与实测结果趋势基本吻合,说明HSS模型适用于基坑工程的数值分析;随着相邻基坑的开挖,后开挖基坑会引起已开挖基坑周边土体产生附加沉降、支护结构产生附加变形;对于已开挖至坑底的基坑,邻近基坑的开挖相当于坑外卸土,会引起先挖开基坑的支护结构产生向后开挖基坑方向的附加侧向变形。因此,群坑基坑设计中,考虑群坑之间的相互影响是必要的。

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基坑开挖引起下方地铁隧道上浮控制方法研究

张艺帆, 唐亮, 孔祥勋, 丛晟亦, 唐文冲

地下空间与工程学报. 2024, 20(S1): 290-297. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2024.S1.35

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随着我国城市化进程的快速推进,地铁沿线的商业区正在迅速发展,此趋势使得越来越多基坑工程面临跨越地铁隧道的问题。本文依托某地铁运营段上方基坑开挖对隧道影响的工程案例,运用现场监测和数值模拟方法,针对基坑开挖对其正下方运营地铁隧道形变的问题展开深入研究。在验证数值模型可靠性后,利用三维有限元软件模拟分析桩径、桩间距、排桩数和多种新型工法复合防控措施,进一步优化基坑开挖与支护方案,以保障地铁隧道安全与稳定。确定了针对该工程打设抗拔桩最佳的桩长、桩径、桩间距和排桩数量,以此控制基坑开挖过程隧道的上浮量。另外,模拟分析了扩底桩和导向钻管两种新工法的控制效果,成果可为类似工程提供参考。

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深大基坑支护结构力学行为的温度效应分析

姬繁, 施劭矗

地下空间与工程学报. 2024, 20(S1): 298-309. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2024.S1.36

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为探究大型基坑开挖过程中支护结构力学行为的温度效应响应规律,基于三维修正剑桥本构建立深圳滨海大道下沉隧道段基坑开挖模型,着重研究了升温与降温两种工况条件下,基坑支撑内力及围护结构变形的温度效应响应特点及其在不同温度路径中的响应差异。结果表明:相较于初始状态,环境温度升高时,基坑支撑结构受力增大,围护结构侧移量减小,坑外地表沉降量减小,围护结构轴力降低,其中支撑结构轴力对温度变化的响应尤为明显;温度降低时,基坑支护结构响应规律整体与升温工况相反;相较于升温工况,降温工况下基坑支护结构力学行为的温度效应响应更为强烈,因而对基坑结构的不利影响更为显著;与初始温度工况相比,降温20 ℃时围护结构水平位移最大增长率可超过30%,因而在场区环境温度变化较大的深大基坑工程设计施工过程中,应将支护结构温度效应考虑在内,并重点考虑降温工况。

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超深竖井封底混凝土浇筑温度效应研究

贺腾飞, 王文渊, 郭鑫淼

地下空间与工程学报. 2024, 20(S1): 310-315. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2024.S1.37

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南京沉井式智能停车设施建设项目采用新型超深装配式竖井建造技术,依托该工程,采用理论分析及有限元计算方法,对超深竖井封底混凝土浇筑温度效应进行研究,探讨温度收缩对封底混凝土与竖井结构接触面的影响,并结合工程特点提出合理化的设计施工控制措施。结果表明:对于超深竖井结构,封底混凝土浇筑温度效应会引起水平收缩变形,进而影响封底混凝土与竖井结构接触面的咬合;采用理论计算封底混凝土浇筑因温度效应引起的水平收缩变形量与有限元计算所得结果基本一致,最大值相差约为8％;封底混凝土因温度效应引起的水平收缩变形会影响封底混凝土与竖井结构接触面的抗剪性能及防水性能,需采取控制措施。

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牂牁江特大桥重力锚承载机制与稳定性研究

韩洪举, 刘新华, 吴文涛, 宗昕, 王成汤

地下空间与工程学报. 2024, 20(S1): 316-323. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2024.S1.38

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依托牂牁江特大桥纳雍侧重力锚工程,采用FLAC3D三维数值模拟与理论分析相结合的研究方法,模拟了超载条件下锚碇-地基系统的力学响应,分析了锚碇变位、齿坎夹持岩体剪切承载特征、塑性区演化规律及系统的稳定性,揭示了重力锚结构-地基联合承载机制。结果表明:纳雍侧重力锚的极限承载力为6P;锚碇在缆力荷载作用下发生变位,进而通过基底摩擦及齿坎夹持效应调动周围地基岩体共同承载,且调动岩体承载的顺序为从基底向上逐级调动各级齿坎,齿坎夹持部分的岩体则是通过抗剪作用提供被动抗力;理论分析和数值模拟结果均表明,同时考虑摩擦和齿坎夹持效应时,工程设计缆力荷载作用下锚碇-地基系统的稳定性系数可达6.0以上,远大于仅考虑摩擦效应时的稳定性系数。

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上软下硬地层中大直径竖井机械化施工方法

薛永涛, 赵修旺, 贾正文, 朱毅, 马啸天

地下空间与工程学报. 2024, 20(S1): 324-334. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2024.S1.39

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针对上软下硬地层中大直径竖井机械化建造困难的问题,以深圳大坪区间2标段2 #工作井为背景,提出一种适用于上软下硬地层的大直径竖井机械化施工方法。该方法在软岩段采用CJM沉井掘进机进行施工,在软硬交界段进行工法转换,在硬岩段采用机械破岩方式施工。本文对前述大直径竖井机械化施工方法的施工流程、关键施工技术进行详细研究,并对其预制拼装竖井结构设计理论进行研究,提出一种大直径竖井装配式井筒结构设计方案,最后对大直径竖井机械化施工过程中井筒结构内力和周围地层影响进行研究,结果表明该方法对竖井周围地层影响较小,井筒结构受力最不利位置位于土岩交界面以上附近位置。

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地下空间斜柱受力置换过程的监测及数值模拟

艾鹏鹏, 朱雄涛, 黄永虎, 耿大新

地下空间与工程学报. 2024, 20(S1): 335-343. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2024.S1.40

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由于斜柱整体较长、自重大且受施工条件的限制,项目施工采用分批分级的临时支撑体系到斜柱结构体系的受力置换施工方法。为保证置换过程中斜柱的受力安全,运用自行搭建的斜柱置换监测平台对12和13轴斜柱在置换过程中的斜柱轴力、斜柱内型钢应变和钢筋应力进行实时监测。采用ABAQUS有限元软件模拟分析了置换作用下型钢和钢筋的应力变化,并将模拟值与监测值进行了对比分析。结果表明:12和13轴斜柱在置换过程中的轴力变量均较小;斜柱的型钢应变变量最大不超过26.99×10^-6,钢筋应力变量最大不超过4.75 MPa;各部件应力均在较小的范围内波动且数值较小,有限元模拟计算值与监测值的变化趋势基本一致,且两者数值相差较小,表明所建立的斜柱有限元模型能较好的反映置换过程中斜柱的受力变化。

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盐渍土路基含盐量的演化规律研究

李飞, 于振涛

地下空间与工程学报. 2024, 20(S1): 344-349. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2024.S1.41

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虽然目前针对盐渍土的研究比较多,但基本上都集中在项目勘察设计及建设期,对利用盐渍土填筑的路堤中含盐量随时间变化的规律,国内外研究还比较少。为了探究盐渍土路基填料中含盐量随时间的变化规律,为改建项目中盐渍土路基设计提供理论支撑,本文依托巴基斯坦罗赫里至木尔坦段既有铁路提速改造项目,通过现场调查及大量现场试验,对比分析既有路基填料及两侧原状土中含盐量,总结出盐渍土路基变化规律。结果表明:采用盐渍土填筑的路堤,路基填土中含盐量随着时间推移逐渐降低,逐渐过渡为非盐渍土;对于新建路基采用盐渍土填筑时,采用加宽路基面、放缓路堤坡率等工程措施,同时优先安排施工,静置浸润后,可有效降低路基填料中含盐量,直接采用盐渍土填筑路基既节约工程投资,又能确保路基的安全稳定。

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深厚土层内部沉降监测新装置的研制

孙茉, 于永堂, 马勃, 韩文斌, 曹静远

地下空间与工程学报. 2024, 20(S1): 350-357. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2024.S1.42

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针对深厚土层内部沉降监测方面存在的测点少、量程小、误差大和自动化程度低等不足,研制了一种深厚土层内部沉降监测新装置。该新装置由锚固单元、测量单元和数据采集单元等3部分组成,通过钻孔分节段安装至监测土层内,在监测层的上下界面处设置液压与弹簧组合驱动式新型锚固头,上下锚固头之间串接位移计和位移传递杆,最下端锚固头位于稳定地层内,通过分层测量、逐层累加的方法,得到各监测层的压缩量和地基的沉降量,实现对地层内同一垂直线方向的多测点、大量程、高精度和自动化监测,为深厚土层的内部沉降监测提供了新方法。新装置的性能测试和实际应用结果表明:新装置与周围土体的变形协调性好,测量精度较高,数据稳定性和连续性均较好,适用于地下水位以上、细颗粒土层的分层沉降监测。

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人员通行角度下城市内涝地下工程韧性评价

张冬梅, 魏川尧, 黄忠凯, 张吾渝, 陈海霞

地下空间与工程学报. 2024, 20(S1): 358-368. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2024.S1.43

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近年来城市极端暴雨内涝事件频发,给地下工程的安全及韧性带来了巨大的挑战。鉴于此,本文提出了一种暴雨内涝条件下城市地下工程韧性评价方法。首先,通过暴雨情景模拟,研究了地下工程进水过程的规律。其次,从人员安全通行率的角度建立了暴雨内涝条件下地下工程性能函数,揭示了不同进水情况下地下工程可通行的性能变化规律,提出了从安全通行角度出发的地下工程韧性指标定量计算方法。最后,通过典型案例进行了方法应用,考虑暴雨重现期和挡水设施等因素,揭示了暴雨内涝条件下典型地下工程韧性的变化规律。研究结果表明:暴雨内涝条件下,地下工程韧性随暴雨强度增加而减小,随挡水设施高度增加而显著增加。

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特大断面小净距公路隧道爆破动力响应研究

杜佳骏 , 汪洋 , 高进 , 晏启祥 , 郭治岳

地下空间与工程学报. 2024, 20(S1): 369-380. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2024.S1.44

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依托成都龙泉山一号隧道,运用等效荷载法进行数值模拟计算,对不同开挖步序、不同净距下隧道施工对既有隧道结构的动力响应特性进行了研究,结果表明:(1)由于缺少临空面,后行隧道开挖步序1对衬砌结构影响程度最大,而步序2和步序3对结构的影响较小;(2)不同开挖步序下,后行隧道结构的振速峰值较大处主要出现在迎爆侧的边墙、拱腰和拱脚位置,监测点振速最大值为5.665 cm·s^-1;(3)先行隧道逆掘进方向的综合振速峰值总体持续衰减,而沿掘进方向,振速峰值上下波动,在一定范围内有升高的趋势;(4)不同步序下后行隧道结构的振速峰值出现在左拱腰、左侧仰拱和右拱肩处,监测点振速最大值为5.387 cm·s^-1;(5)迎爆侧振速受净距影响敏感,而背爆侧振速峰值随净距变化不明显,变化幅度在2.5%以内;(6)同一净距条件下,先行隧道迎爆侧监测点X向的振动速度峰值最大,Y向次之,Z向最小;(7)隧道右边墙附近的结构固有频率可能处于14.25~18.0 Hz之间,结构对该频段的应力波响应敏感。

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潮汐对海底隧道工作面稳定性的影响研究

邢增良, 张乐, 谭明伦, 周鸣亮, 黄宏伟

地下空间与工程学报. 2024, 20(S1): 381-390. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2024.S1.45

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潮汐作用下水位变化触发海床地层应力的重分布,影响海底隧道施工中工作面围岩的稳定性。以青岛胶州湾第二海底隧道为工程背景,采用多相大变形数值计算方法—物质点法,分析了潮汐作用下水位变化对隧道开挖工作面围岩的破坏响应。通过数值模拟与现场监测数据的对比,验证了物质点法数值模拟方法的可行性。通过模拟196组不同围岩等级下的水位变化,探究海床沉降、围岩变形、塑性破坏区的分布和特征。结果表明:水位降低会增大施工期间隧道工作面的变形;水位变化与不良围岩参数的组合是隧道工作面失稳的关键,并得到了16组诱发工作面大变形失稳的参数组合。

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隧道施工引发粉土地面沉降模拟与分析

顾展飞, 魏海龙, 刘之葵

地下空间与工程学报. 2024, 20(S1): 391-402. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2024.S1.46

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为研究黄泛区粉土地层内开挖双线地铁隧道对地上及其周边地面沉降的影响,以某双线地铁隧道开挖工程为例,考虑地下水、隧道间距对地面沉降的影响,采用流固耦合数值方法和理论分析方法对隧道施工引起的地面沉降规律进行分析。将数值模拟数据与Peck公式进行反演计算,并考虑隧道间隔和埋深的影响提出修正Peck公式,再结合叠加原理建立适用于双线隧道开挖引起地面沉降的修正叠加公式。结果表明:隧道开挖扰动地层将引起超静孔隙水压力现象;数值模拟与理论计算得到隧道间隔为4 m时,地面沉降曲线呈现“V”型,隧道间隔为8 m、12 m时,则沉降曲线呈现“U”形;粉土内开挖双线地铁隧道,地面容易受到扰动且沉降量大,随着隧道间距的增加,隧道上方土体沉降量逐渐减小;基于修正Peck公式计算结果与数值模拟结果基本一致,相对误差在3%左右,表明该公式具有很好的实用性。研究可为粉土地区隧道及地下工程建设提供理论依据和技术支撑。

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顾及植物生态劣化的山岭隧道控制排水量计算方法

周军, 张鹏, 府金宇, 纪玉峰, 陈浩

地下空间与工程学报. 2024, 20(S1): 403-410. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2024.S1.47

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山岭隧道排水会局部改变地层中地下水环境,在生态敏感区如果盲目采用以排为主的隧道排水原则,可能会诱发局部植物生态劣化。本文提出了一种顾及植物生态劣化的山岭隧道控制排水量计算方法,首先建立基于地下水达西渗流与土壤水Feddes原理耦合分析的土壤水分场模型,以植物生态吸水量、植物蒸腾量与降雨补给量作为上边界条件,以隧道排水速率作为下边界条件,以土壤水基质势阈值判别植物生态枯萎为优化逼近条件,最后采用黄金分割最优搜索方法,获得保障植物生态要求山岭隧道排水量控制值。以苏州七子山隧道为案例,采用本文所提方法得到以松杉为生态控制目标植物的不同控制断面隧道排水量分别为:洞口段排水量是329 m³/d,深埋段排水量是336 m³/d,浅埋段排水量是325 m³/d;同时得到满足松杉生态要求的洞口段水位为地表以下3.6 m,深埋段水位为地表以下18.9 m;浅埋段水位为地表以下14.2 m。本文所提方法可以作为隧道排水量控制依据为山岭隧道生态控制与保护提供指导。

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高瓦斯长大公路隧道施工通风优化研究

喻兴洪, 黄才明, 杨智成, 来显杰, 石广斌

地下空间与工程学报. 2024, 20(S1): 411-419. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2024.S1.48

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特长大断面瓦斯公路隧道风险大,施工通风是隧道建设的“生命线”。以在建贵州公路第一隧—桐梓隧道为工程背景,综合考虑瓦斯涌出量、爆破炮烟、工作最多人数、作业机械以及最小风速,分别计算压入式通风和巷道式通风需风量、风压及风机功率,分析了风管直径对通风阻力的影响规律,并对2种方案瓦斯浓度和风速进行了数值分析,最后比较2种方案的经济性。结果表明:原设计压入式通风方式未考虑非煤系地层瓦斯涌出而无法满足施工通风要求;风管直径对通风阻力影响显著,结合工程实际选用1.8 m风管直径;数值分析表明,压入式通风断面最大瓦斯浓度始终高于巷道式,巷道式通风的瓦斯浓度比压入式通风提前进入稳定区随后趋向于0,巷道式通风的速度稳定区的值比压入式通风高2~2.5倍;巷道式通风方式相比压入式通风,设备投入和运营费用均较低,经济性更优。研究成果具有典型代表性,可为隧道施工通风提供理论指导和工程参考。

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地铁站台轨顶排热风机对隧道温度的影响研究

唐明赞, 熊小慧, 张朵朵, 王凯文

地下空间与工程学报. 2024, 20(S1): 420-428. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2024.S1.49

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夏季高温地区地铁站台排热风机运行时间长,能源消耗大。为探明地铁站台轨排系统对隧道内温度的影响规律,根据深圳地铁站台排热风机控制模式与应用现状,在深圳地铁11号线车站隧道内进行温度监测及站台屏蔽门风量交换测试。结果表明:地铁列车正常运营通过车站站台时,会导致站台隧道内温度产生较大幅值波动;其中轨顶排热风机开启对屏蔽门打开期间的隧道温度下降幅值影响显著,降低隧道温度幅值最大达3.97 ,为排热风机关闭时的2.4倍,而排热风机对隧道内整个过程的温度变化幅值影响较小;排热风机开启致使站台大量冷空气流入隧道,从而增加了站台空调负荷。研究结果可为轨排系统的合理设置及地铁环控系统简化提供参考依据。

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基于离散元的垂直顶升诱发上覆地层破坏响应分析

徐世杨, 王一兆, 杨春山, 张荣辉

地下空间与工程学报. 2024, 20(S1): 429-439. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2024.S1.50

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为探明盾构竖井垂直顶升施工上覆地层破坏响应机制,建立了盾构竖井在砂质黏土中垂直顶升的颗粒流足尺模型,在对比相关试验结果验证模型合理性基础上,从细观层次探讨了顶升过程中上覆地层的破坏历程、破坏形态及顶升阻力的变化规律,开展了覆土厚度与顶升速度对土层破坏响应的影响性分析。结果表明:(1)顶升阶段上覆土经历三角形受压区形成→受压区内颗粒黏结破坏→黏结破坏区域扩展→局部剪切滑移破坏→破坏面贯通地表的破坏历程,上覆土层可划分为隆起区、挤密区及裂隙区3个区域;(2)竖井端阻力先后经历显增段和渐降段,顶升至h/16(h为上覆土层厚度)时达到峰值,随后逐渐减小并趋于稳定,竖井侧摩阻力呈现先增大后减小的交替循环过程,呈波动趋势,端阻力显著大于侧摩阻力;(3)覆土厚度较大时最先受到顶升影响的地表区域位于竖井两侧,并非竖井正上方区域;(4)顶升速度较大时上覆土层发生“刺入破坏”,出现较窄的剪切带;(5)顶部破坏范围与覆土厚度呈二次函数增大,与顶升速度呈二次函数递减,端阻力与覆土厚度、顶升速度均呈同向线性关系。

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饱和黏性土地基中邻近圆形基坑相互影响分析

谢万东, 李建宇, 赖俊珊

地下空间与工程学报. 2024, 20(S1): 440-445. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2024.S1.51

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间距很小的圆形基坑后方土压力分布复杂,很难判断考虑圆拱效应的竖向弹性地基梁法和三维弹性地基板法的适用性。采用三维连续介质有限元法对位于饱和黏性土中2个间距很小的由地下连续墙组成的圆形事故应急池基坑进行整体建模分析。结果表明,对于1号池开挖到底后和2号池开挖到底后2种工况,地下连续墙的最大水平位移和最大弯矩的差异都不大。基坑位移和竖向弯矩的实测结果与计算值也较为接近。2个相邻圆形基坑在间距很小的情况下,其相互影响也是非常有限的。圆形地下连续墙支护结构对周围土体刚度参数的变化不敏感。采用三维连续介质有限元法对圆形地下连续墙支护结构进行计算分析,得到的结构内力远小于考虑圆拱效应的竖向弹性地基梁法和三维弹性地基板法,在经济性上有明显优势。

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基于CRITIC-TOPSIS的深基坑风险分区动态评价

杨逸枫, 廖少明, 徐伟忠, 蔡群群

地下空间与工程学报. 2024, 20(S1): 446-455. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2024.S1.52

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为解决深基坑工程风险评价中的主观性影响及场地风险的细化分区与跟踪问题,本文提出了一种基于现场实测数据的相关性赋权法(CRITIC)与优劣解距离法(TOPSIS)相结合的深基坑施工风险分区动态评价方法。首先根据基坑测点布置划分子区域,以周边环境变形、基坑变形及地下水位变化等为评价指标,以现场实测数据为基础,采用CRITIC法确定指标权重,基于TOPSIS方法与模糊理论实现对基坑各分区施工风险的动态评价,最后通过上海某地铁深基坑工程案例应用,验证了该方法的有效性。结果表明:(1)本案例在深基坑施工风险评价中起主导作用的指标为地表沉降累计、地表沉降变化速率、坑外水位累计、坑外水位变化速率和地下连续墙顶水平位移变化速率;(2)随着基坑开挖施工的进行,累计类指标的权重计算值总体上在增大,而速率类指标的权重计算值总体上在减小;(3)空间分布上,基坑各分区风险为长边区域风险>短边区域风险>角部区域风险;(4)时间变化上,基坑各分区的风险等级变化不大,基坑开挖过程中基坑本身与周边环境均处于比较稳定的状态。以上风险评价结论与现场符合度较高,表明CRITIC-TOPSIS法能够有效避免专家赋权的主观性,可用于深基坑工程的施工全过程风险评价。

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临江富水地区深基坑旋喷桩加固效果研究

王正振, 陈政旭, 周勇, 戴国亮, 戴康乐

地下空间与工程学报. 2024, 20(S1): 456-462. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2024.S1.53

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本文以陇南市东江初级中学综合教学实验楼基坑支护工程为背景,运用PLAXIS对该基坑进行了开挖全过程的数值模拟分析,结合现场实测结果分析了深基坑旋喷桩的加固效果,并与未采用旋喷桩加固的情况进行了对比分析。结果表明:对于长江支流的白龙江II级阶地力学性质差的饱和土地区,采用旋喷桩加固桩间土及坑内土体能够很好地提高桩周土体强度、限制桩顶位移、减小坑外沉降,可使支护桩桩顶水平及竖向位移减小50%,桩身内力减小10%;增加旋喷桩加固长度对限制支护结构变形效果不大,但增加宽度效果明显,可使支护桩桩顶水平位移减小50%以上,但同时存在最优加固宽度;采用旋喷桩的深基坑加固措施安全可靠、经济合理,对该类地区的类似深基坑工程具有参考及借鉴作用。

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大断面矩形顶管下穿管线MJS加固效果研究

徐平, 张昂然, 张瑞铎, 王祥亮

地下空间与工程学报. 2024, 20(S1): 463-471. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2024.S1.54

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郑州地铁3号线某车站8号出入口采用大断面矩形顶管施工,近距离垂直下穿DN2000污水管线,采用MJS工法对污水管线底部土体进行加固,对顶管过程的地表和管线位移进行实时监测,通过对比数值模拟和实测结果,验证数值模型的准确性和MJS管底土体加固措施的可行性。通过三维数值计算得出:采用MJS加固后的地表沉降、管线竖向位移、横向水平位移、弯矩和剪力比未加固土体分别减小53.59%、38.13%、73.3%、57.3%和48.02%,MJS能够明显提高管底土体承载力、密实度、强度和弹性模量,起到固定和保护管线的作用;进一步分析MJS的注浆置换率、加固宽度、加固深度对管线变形的影响,并给出置换率、加固宽度和加固深度建议值,为类似工程提供参考和借鉴。

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河北宁晋超深盐穴储气库建设地质可行性分析

侯秉仁, 王续学, 牛耀辉, 于长富, 李志强

地下空间与工程学报. 2024, 20(S1): 472-481. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2024.S1.55

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拟建的宁晋盐穴储气库是目前世界最深的盐穴储气库,面临重大的科技挑战,在正式建设前须对其地质可行性进行充分分析。本文从地质条件、库容及长期建库规划等方面初步论证了该区建库的地质可行性。结果表明:宁晋石盐田盐系地层沉积厚度大、空间分布稳定且含矿率高、夹层少,有利于开展水溶造腔;盖层及夹层以泥页岩为主,岩性致密,具有较高的密封性,但Z1资料井附近的VF6断层断穿了石盐矿体,正式建库时需合理避开此断层,此外,拟建库地层埋深大,盐岩蠕变速率较高,后期须对储库长期运行稳定性开展详细研究;基于前期盐矿开采情况和地质调查结果,圈定了该区优选建库区和远期规划备选区,初步估算其库容分别为(6.4~6.9)×10⁹m³和(2.6~2.8)×10⁹m³,具有很好的储气潜力。

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人防工程活门槛防护密闭门门框荷载分布研究

郝鲁波, 杨海平, 王会杰, 柴永生

地下空间与工程学报. 2024, 20(S1): 482-487. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2024.S1.56

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活门槛防护密闭门在人防工程中应用广泛,因活门槛刚度低,其门扇受力与普通固定门槛防护密闭门差别大。现行相关设计规范未见针对活门槛防护密闭门门框墙设计的荷载分配算法,一般参照普通防护密闭门进行设计。针对活门槛防护密闭门门框受力问题,构建了活门槛混凝土防护密闭门有限元数值模型,采用ANSYS/LS-DYNA对平板活门槛钢筋混凝土防护密闭门在冲击波超压作用下的动态响应进行了模拟计算,分析了门扇对门框作用力的变化过程及荷载分布规律。结果表明:活门槛的刚性较弱,其承载作用可以略去不计,门扇对门框的作用力随门扇的振动而变化,门框荷载分布与门扇的变形状态密切相关,门扇达到准静态时的门框荷载分布主要取决于门孔的宽高比。

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某地下人防工程的空气质量与感知评价

渠美楠, 李玉星, 苏璞, 裴晶晶

地下空间与工程学报. 2024, 20(S1): 488-496. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2024.S1.57

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为扩大城市容量,解决人口、土地、资源、环境之间的矛盾,地下生活空间(地铁、地下商场、地下车库)的开发成为必然趋势。我国地下人防工程由于相对通风不畅和污染物种类特殊容易出现空气质量问题,而现有设计规范和验收标准多从空气质量的客观指标对室内环境进行评价,缺乏在其中生活人员的感知评估。随着健康建筑的概念深入人心,对于建筑评价的关注点由绿色节能转变为健康舒适,人们越来越重视感知室内空气的气味,在评估空气质量时应考虑人们的主观感受。基于此,通过对真实地下人防工程内部生活现状进行调研,将客观环境参数测量与主观问卷调查感知相结合进行综合评价,发现感知空气质量的不满意率高达26%,因此地下空间的空气品质的提升需要引起重视。

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二氧化碳地质封存技术研究进展综述

廖志伟, 羊俊敏, 钟翔宇, 刘云乾, 张景宇

地下空间与工程学报. 2024, 20(S1): 497-507. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2024.S1.58

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化石燃料作为目前人类主体能源,其地位在短期内难以改变,但“双碳”目标的提出为我国产业结构升级和能源安全带来了新挑战与机遇。二氧化碳地质封存技术(CCS)是一种十分有效的减排手段,也是实现“双碳”战略的重要途径。该技术将工业活动中所收集的CO₂进行特殊处理后,灌注进入封闭且稳定的地层中,从而降低CO₂排放量,减缓大气污染与温室效应。目前,CCS技术已经受到国内外研究学者的广泛关注,中国的CO₂减排形势非常严峻,因此对二氧化碳地质封存技术的研究尤为迫切。为了更好地促进对该技术的认识和研究,本文拟从咸水层封存、废弃油气藏封存、深部不可开采煤层封存和玄武岩矿化封存4个方面对国内外的研究现状进行综述,并提出了当前研究中的不足和需要进一步研究的问题。

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TBM隧道岩石可掘性评价指标及其应用研究综述

李子琛, 朱杰兵, 张宜虎, 汪斌, 徐栋栋

地下空间与工程学报. 2024, 20(S1): 508-520. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2024.S1.59

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TBM(Tunnel Boring Machine)掘进施工成本中,刀具的磨损占比很高,这通常是由于TBM的刀具设计与岩石强度及硬度不匹配。因此需要对TBM隧道岩石进行可掘性评估,为刀具设计及施工参数确定提供依据。岩石可掘性评价在TBM围岩分级、掘进效率预测等方面十分重要,是评估TBM施工效率与成本的关键,但隧道TBM开挖过程中岩石可掘性的评价通常相当复杂,需要考虑许多参数,且至今国内外对可掘性这一指标尚未有标准化定义。通过文献检索,本文针对可掘性指标的定义,可掘性的研究应用等方面研究进展进行综述。结合已有的研究成果,对TBM可掘性未来的研究方向进行了展望。

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