地下空间与工程学报

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刘利

地下空间与工程学报. 2024, 20(S2): 521-527. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2024.S2.01

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开发利用地下空间是拓展城市空间、解决“大城市病”的重要途径,土地开发利用逐渐由平面走向立体。与此同时,地下空间权属管理的问题也日渐显现。当前中国地下空间产权管理滞后于开发建设,全面分析当前地下空间产权管理政策情况,有针对性地提出应对策略,对于完善中国的城市地下空间法律制度、优化国土空间格局具有重要意义。本研究通过梳理中国地下空间领域法律法规,结合各城市实际利用情况,厘清当前地下空间产权管理存在的主要问题,并对地下空间利用问题的难点进行剖析。通过对比各地地下空间权属管理现状,借鉴吸收新加坡、日本的先进管理经验,提出完善中国地下空间产权管理的几点建议。

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东风广场片区地下空间互联互通项目概念规划

陈睿

地下空间与工程学报. 2024, 20(S2): 528-535. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2024.S2.02

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伴随着地上发展趋向饱和、交通拥堵等城市核心区发展面临的困境,地下交通枢纽建设及地下空间的开发与利用势在必行。东风广场片区为昆明市城市发展核心区,该区域地下空间的开发利用在改善城市环境品质、塑造城市核心区崭新面貌、扩容城市空间及丰富城市公共生活方面具有重要意义。在东风广场片区结合轨道交通枢纽站点的规划及建设,提前规划及预留与周边城市综合体、城市地下空间的连通条件,实现大片区范围的地下空间互联互通、地面空间便捷联系,探索在CBD、TOD双重驱动下的城市地下空间开发和利用的可行路径,为城市核心区地下空间的开发提供参考。

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重庆市科学大道综合管廊建设经济效益分析

何仁香, 王涌涛, 李劼, 郑云, 牟翔

地下空间与工程学报. 2024, 20(S2): 536-542. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2024.S2.03

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长期以来,我国城市管线大多是单独敷设在地下,随着城市建筑规模不断扩大,各类城市管线的数量和规模正在不断扩大,城市管线单独敷设所带来的问题也日益严重。因此,必须寻求更为高效、便捷和安全的管理方式和技术手段。地下综合管廊是指在城市地下用于集中敷设电力、通信、广播电视、给水、排水、热力、燃气等市政管线的公共隧道,建设综合管廊可使城市基础设施得到更加高效的利用和管理。选取重庆市科学大道一期综合管廊及其内敷设的管线作为研究实例,核算城市管线采用综合管廊敷设和单独地下敷设的各项成本,并对成本进行分析,以给出城市管线敷设方式的相关建议。

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相邻深埋圆形隧道围岩塑性区解析解

邹金锋, 张煜邦

地下空间与工程学报. 2024, 20(S2): 543-552. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2024.S2.04

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为探究深埋不等直径圆形隧道围岩塑性区的应力状态和发展规律,本文在前人研究的基础上,基于Hoek-Brown屈服准则描述塑性区围岩,采用复变函数中的保角映射方法描述弹塑性边界,通过在弹塑性边界联立方程,推导了倾斜布置深埋不等圆隧道围岩塑性区边界解析解。随后基于边界的应力连续性条件验证了求解结果的可靠性,并将计算结果与数值模拟计算结果及Mohr-Coulomb屈服准则计算结果进行了对比,最后分析了解析解方法在不同屈服准则下的适用性。结果表明,本文解析解塑性区计算结果对数值模拟结果进行拟合时具有很好的一致性;与Mohr-Coulomb屈服准则的计算结果相比,本文解析解对2个塑性区边界相邻“尖角”处的拟合效果更好。本研究可为不等圆隧道围岩塑性区的分析提供新思路。

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考虑各向异性的土体中椭圆孔注浆劈裂研究

刘魁刚, 赵智涛, 叶新丰, 兰钰昌

地下空间与工程学报. 2024, 20(S2): 553-559. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2024.S2.05

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在计算圆孔周应力时,为了充分考虑孔在受初始应力后的形状、介质受力的各向异性以及模量的各向异性对劈裂注浆浆脉延伸方向及启劈压力的影响,首先根据弹性理论,求解了孔的变形后形状,并在此基础上,利用复变函数把椭圆孔的外部区域映射到单位圆的内部,求解椭圆孔周应力。结果表明:圆孔受初始应力后的形状为圆与余弦函数的叠加;其孔周切向应力最小的位置与圆孔相同,即在受孔内压力时最易劈裂处与圆孔一致,但需要的压力更大;经实例验证启劈压力与实际接近,可基本满足工程应用要求。本文方法可作为进一步研究的基础。

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考虑细粒填土强度各向异性的主动土压力研究

刘杰, 刘忠玉

地下空间与工程学报. 2024, 20(S2): 560-565. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2024.S2.06

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为考虑细颗粒填土强度各向异性对土压力的影响,通过直剪试验测定了压实粉质填土多个剪切面上的抗剪强度,证明抗剪强度参数和剪切面倾角之间的关系可用椭圆形函数表示。在朗肯土压力基本假定基础上,假定墙后为横观各向同性填土且压实面水平,通过对处于主动极限状态下的滑动土楔进行受力分析,得到了滑裂面倾角和主动土压力合力的表达式。对墙后填土的极限应力状态的分析表明,作用于墙背上的主动土压力为线性分布。参数分析表明,不论考虑黏聚力各向异性还是考虑内摩擦角各向异性,都会得到比各向同性填土更大的主动土压力值。和各向同性填土相比,黏聚力各向异性会使滑裂面更陡。同时,考虑内摩擦角各向异性时,在内摩擦角较小的填土中会得到更陡的滑裂面,而在内摩擦角较大的填土中,则会得到较缓的滑裂面。

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防护穿坡油气管道的预制框架锚固结构计算方法

谢成, 黎俊杰, 刘军, 肖世国

地下空间与工程学报. 2024, 20(S2): 566-574. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2024.S2.07

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本文针对山区横穿坡体的浅埋油气管道的抗震防护问题,提出了一种新型的预制框架锚固式管道防护结构。在根据拟静力法和传递系数法确定设计地震滑坡推力与锚杆的设计锚拉力基础上,以次梁与下主梁结点处为界,将预制框架锚固结构拆分为上部结构与下主梁结构两部分。其中,上部结构可视作底端固定的超静定平面刚架结构,下主梁可视作受集中力与力偶作用的Winkler弹性地基梁,其间考虑了上部结构-下主梁-地基之间的变形协调关系,推导了相关计算公式,采用迭代方法实现了预制框架结构内力的计算求解。结果表明:框架结构的下主梁的弯矩与剪力的理论计算与数值模拟结果偏差均在10%以内,上部结构内力的理论计算与数值模拟结果差异亦较小;水平地震系数对下主梁与次梁内力影响显著;框架结构内力与土体重度和黏聚力、内摩擦角分别呈线性正相关性及非线性负相关性;下主梁的内力最大值与主梁抗弯刚度之间呈非线性正相关性,次梁内力最大值则与其呈非线性负相关性;框架结构的关键受力构件为下主梁与次梁,可据此对上主梁进行经济性优化设计。

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锚杆锚固界面抗拔承载特征分析

欧阳鹏博, 肖洪波, 沈臻鑫

地下空间与工程学报. 2024, 20(S2): 575-581. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2024.S2.08

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针对锚杆拉拔过程锚固界面的承载特性问题,本文基于锚杆的受力破坏机理,建立了能描述锚杆杆体-砂浆界面历经弹性、塑性软化及开裂滑移的三段非线性函数模型。采用荷载传递理论,对拉拔荷载下锚杆的全历程承载特性进行了分析,并通过与现场试验对比分析验证了模型的合理性。结果表明:(1) 弹性区侧阻力沿深度方向呈双曲函数分布,塑性软化区侧阻力非线性软化至残余剪切强度;滑移区侧阻力均匀分布;(2)拉拔过程中,随着拉拔荷载的增大,P-s关系图由直线向曲线转变,相同荷载增量下,位移增量变大,理论预测与实测结果较吻合。

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深埋隧道穿越二元地层普氏围岩压力研究

陈志敏, 蒋逸文, 李亚子, 龚军, 李增印

地下空间与工程学报. 2024, 20(S2): 582-588. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2024.S2.09

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当前隧道建设过程常面临穿越多元地层的情况,其中处于二元地层中隧道围岩压力的计算方法存在争议:当两种地层地质参数相差较大时,常用的均值法不再适用。在二元地层中,通过研究普氏理论围岩压力计算方法的使用条件,以地层的物理性质为基础,设立计算宽度标量W并基于物理计算模型分析,提出二元地层情况下普氏自然拱的建模方法及改进计算方法,称为修正参数法。通过对实际工程中的案例分析,使用修正参数法和常用取均值法分别与工程实测数据进行对比。结果表明,随着二元地层地质特性差异变大,常见均值法结果与实测值相差越大,数值结果最大相差为15.8%,均值法不适用。提出的修正参数法由于计算参数综合考虑了二元地层特性,适用于各种差异程度的二元地层情况,可为隧道穿越二元地层的围岩压力计算提供参考。

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基于屈服接近度的隧道锚地震波入射方向研究

杨国俊, 韩宗健, 杜永峰, 母渤海, 吕明航

地下空间与工程学报. 2024, 20(S2): 589-601. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2024.S2.10

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为研究悬索桥隧道式锚碇在三维地震波作用下最不利入射方向,本文通过改变地震波水平分量入射角得到了锚塞体前后锚面及锚-岩接触面岩体的位移响应,之后利用屈服接近度准则对锚岩接触面屈服状态进行判别,得到了隧道锚在三维地震波作用下最不利入射方向。结果表明:当地震波水平入射角与悬索桥纵轴向方向相同或垂直时,前后锚面及锚岩接触面位移响应取得极大值,且前锚面位移响应大于后锚面位移响应,拱顶位移响应大于底板位移响应,锚岩接触面位移响应呈现出由前锚面至后锚面逐渐减小的趋势;当地震波水平入射角与悬索桥纵轴向方向相同或垂直时,锚岩接触面处测点屈服接近度取得极小值,此时锚岩接触面周围围岩未进入塑性屈服状态。本文成果可为悬索桥隧道式锚碇在地震作用下的设计提供参考。

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基于P-L屈服函数的拓展修正剑桥模型

李海潮, 李欣宇, 贺佐跃

地下空间与工程学报. 2024, 20(S2): 602-608. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2024.S2.11

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采用泰勒级数展开的方法由修正剑桥模型屈服函数得到新的P-L屈服函数,用于合理描述不同类型土的屈服面。该屈服函数满足临界状态力学的基本假定,屈服面与临界状态线的交点处的法向量始终垂直于p轴,当采用相关联的流动法则时,土体达到临界状态后不会产生额外的体积变形。修正P-L屈服函数所引入的形状因子α为临界状态有效平均主应力与前期固结应力之间的比值,增大α会导致屈服面沿着临界状态线向外扩张,材料的弹性区间也随之增大。剑桥模型和修正剑桥模型的屈服函数可以视作本文提出的屈服函数的特例,分别对应α为0.368和0.5时的情形,通过对Pancrudo堆石料的屈服面进行拟合,可以看出修正P-L屈服函数能够更好地描述屈服面的真实几何形状。在此基础上,可以采用该屈服函数对修正剑桥模型进行拓展以提升其对不同类型土的适用性。将模型计算结果与正常固结重塑Weald黏土和Kaolin黏土的不排水三轴压缩试验结果进行对比分析,发现适当调整屈服面的几何形状有助于提高模型的计算精度,尤其是对于Kaolin黏土,在不排水剪切条件下可以计算得到更为准确的不排水抗剪强度和有效应力路径。鉴于拓展后的修正剑桥模具有形式简单且计算精度高等优点,其在岩土变形计算领域有着广泛的应用前景。

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渗流影响下流变岩双隧洞应力与位移解析模型

王华宁, 贾兴臣

地下空间与工程学报. 2024, 20(S2): 609-620. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2024.S2.12

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岩体都具有一定的与时间相关的流变特性,而渗流引起的孔隙压力变化对流变岩体工程的时变有效应力影响明显。对渗流作用影响下黏弹性岩体中任意大小和布置的双隧洞力场问题进行一定的简化,利用复变函数法、Schwartz交替法和弹性-黏弹性对应原理实现流固弱耦合问题解析求解并给出解答。从力学机制上,解答体现出渗流对力场影响的面力效应和流动效应。解析结果与数值结果和现场实测数据吻合,验证了模型的正确性。解析模型为数值模型提供验证手段,也为富水地区多隧洞在开挖、运营阶段与时间相关的稳定性问题提供一种快速分析和判定方法。基于解析模型,分析了隧洞净距和黏性系数对应力、位移随时间变化的影响。结果表明:尽管考虑了稳态渗流影响,岩体的有效应力仍随时间延长而增大;同一黏性系数下应力随时间的收敛速度快于位移;渗流的存在使双洞相互影响更加显著,当隧洞净距大于6.6倍洞半径时应力与单洞值差别小于10％,而无渗流情况为4倍洞半径。

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长大隧道节流口局部阻力试验与当量长度计算模型

张琼, 柴红保, 陈世强, 吴志荣, 朱祝龙

地下空间与工程学报. 2024, 20(S2): 621-628. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2024.S2.13

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在遵循雷诺准则的长大隧道模型试验中,保证模型与原形的压力降相等是当前的难题。为此,本文提出在出风口处安装节流口而模拟模型隧道长度延伸。在隧道通风模型上,完成了5组节流口面积比的试验,得到了平均风速、静压和节流口处风速;以此为边界条件,节流口面积比进一步扩展至9组,量化面积比对流场参数的影响,建立了面积比与节流口局部阻力的关系。结果表明:面积比在0.108~0.192时,隧道模型当量长度计算值骤增;小于0.108时,当量长度计算值随通风机频率变化而呈现发散,确定出了计算模型的面积比适用范围;最后,得到了适用于面积比不小于0.108的隧道当量长度计算式。该公式极大放宽了隧道通风模型长度,提供了重要的实验流体力学参考。

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基于刀盘振动特征的双模盾构掘进地层识别模型

吴忧, 周小雄, 曹玉新, 龚秋明, 吴帆

地下空间与工程学报. 2024, 20(S2): 629-637. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2024.S2.14

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准确的掌子面地层信息对于土压平衡与TBM双模式盾构掘进控制以及模式转换至关重要,刀盘振动是双模盾构在掘进中与地层相互作用的直接响应,在不同地层条件下呈现出显著特征差异。本研究依托深圳地铁12号线怀福区间双模盾构施工段,通过在盾构上搭载振动监测系统对该区间掘进过程中的刀盘振动数据进行采集,创建振动与地层类型数据库。采用信号处理技术,对振动信号的关键特征进行提取与分析,并作为输入建立双模盾构掘进掌子面地层类型识别模型。该模型使用了Stacking集成技术,取决策树、K近邻、支持向量分类和AdaBoost作为基学习器,逻辑回归为元学习器。通过对怀福区间数据集进行测试,模型取得95.7%的准确率,显著优于DT、KNN、SVC、AdaBoost等传统机器学习模型,并得到了对地层类型最敏感的刀盘振动关键特征,包括均方根值、方根幅值和平均频域等。研究可为盾构施工地层实时识别提供新途径。

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Q₃重塑黄土三维非线性流变本构模型试验研究

李飞霞, 方彪, 刘庆, 杨洋, 邓亚虹

地下空间与工程学报. 2024, 20(S2): 638-645. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2024.S2.15

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随着西部黄土地区经济和工程建设的快速发展,与时间相关的黄土变形、强度及稳定性等工程实际问题也日益增多,在解决黄土地区的工程问题时,需要考虑时间效应或流变性。通过三轴循环加卸载流变试验,得到了Q₃重塑黄土不同围压下的加卸载蠕变曲线,基于统一流变力学模型理论,辨识出适合于Q₃重塑黄土减速蠕变阶段的三维流变本构模型即改进西原模型。为了描述加速蠕变阶段,将黏塑性体中的黏性参数写成时间的函数,建立了非线性改进西原模型,推导出相应的蠕变本构方程,获得了其模型参数。将模型参数代入相应的本构方程中,绘制非线性改进西元模型不同阶段的蠕变曲线与蠕变试验曲线的对比图,进行对比后发现吻合较好,说明该模型能很好地反映Q₃重塑黄土的蠕变性质。

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超深盐穴储气库力学特性与稳定性分析

侯秉仁, 宋鹤, 牛耀辉, 苏野, 于长富

地下空间与工程学报. 2024, 20(S2): 646-653. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2024.S2.16

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超深盐穴储气库的建设是多年来存在的一大难题。本文选取宁晋盐穴储气库,通过单轴压缩试验、三轴压缩试验研究超深盐岩的力学特性,利用FLAC3D软件建立盐腔的稳定性分析模型,以期为宁晋盐穴储气库的钻完井工艺、建腔工艺、注采工艺提供参考。结果表明:(1)在单轴压缩试验过程中,盐岩表现一定的脆性,泥岩、细砂岩表现出明显的脆性;在相同应力状态下,盐岩的变形能力好于泥岩、细砂岩,盐岩的弹性模量平均值为4.79 GPa,泊松比平均值为0.07,抗压强度平均值为22.01 MPa;(2)在三轴压缩试验过程中,围压大于5 MPa时,盐岩表现出比泥岩、细砂岩更明显的延性岩石的特点;盐岩破坏形式以鼓胀为主,应变硬化现象随着围压增强,没有明显破裂面,有很强的塑性变形的特点;(3)通过稳定性分析,随着内压增大,腔周的扩容区逐渐减小,腔壁的位移逐渐较小,宁晋盐穴储气库的运行内压不低于20 MPa。

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三向应力下板岩力学特性试验研究

马超, 刘建锋, 张良泉, 代航宇

地下空间与工程学报. 2024, 20(S2): 654-663. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2024.S2.17

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以川西某隧道开挖为研究背景,针对板岩在不同应力下的损伤力学特性,在MTS815伺服试验系统上开展了常规三轴压缩试验。结果表明:(1)板岩的起裂应力比相对于闭合应力比与损伤应力比受围压的影响较小,且随着围压增大,板岩表现出脆性降低、延性增强的状态;(2)随着围压的升高,扩容应力和抗压强度均增大,体积扩容点前移,两者的比值先降低后稳定在84%左右;(3)泊松比、变形模量和弹性模量与围压的增大成正比,变形模量普遍大于弹性模量,且后者受围压的影响更加显著,通过m-c包络线法和σ₁-σ₃最佳关系曲线法求得板岩黏聚力为35.04 MPa,内摩擦角为40.42°;(4)板岩破坏过程中加载总能量与耗散能均增大,两者的差值呈“月牙状”;弹性能先升高后降低,在峰值应力处达到存储极限;峰值应力前的损伤演化可分为损伤起始、损伤稳定累计和损伤加速三个阶段,且在相同损伤程度下,高围压环境中的试样会产生更大的应力变形。

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软黏土低频循环力学特性试验研究

张曦, 上官士青, 杨敏, 李卫超

地下空间与工程学报. 2024, 20(S2): 664-673. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2024.S2.18

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重工业厂房长期堆卸载会引起黏土地基沉降过大等病害问题。揭示病害机制需探明低频循环三轴试验中软黏土力学特性。本文对此开展了一系列不同围压、循环荷载幅值、排水方式、加卸载方式下的单向低频循环三轴试验,对土样的累积轴向应变、超孔隙水压及循环后抗剪强度等进行研究。结果表明: (1) 黏土累积轴向应变ε_p与循环次数N的关系可用对数函数模型描述,且ε_p随着循环应力比( Cyclic Stress Ratio, CSR)增大而增大; (2) 峰值偏应力在应变控制加载的循环中衰减,衰减率在30%以内; (3)超孔隙水压力比U与CSR存在线性关系,可据CSR等指标计算U的取值; (4) 排水循环后土体抗剪强度增加至1.5~2倍且应力路径右移,而不排水循环后应力路径左移,但均贴近临界状态线。本文研究可为长周期重复加卸载条件下软土地基长期力学特性预测提供参考。

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佛山淤泥质土动力学特性试验研究

刘勇健, 傅杨攀, 黄承泽

地下空间与工程学报. 2024, 20(S2): 674-680. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2024.S2.19

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为研究冲击荷载作用下桩周土体的动力响应特征及土动力参数合理取值,应用SPAX-2000动静真三轴仪进行佛山淤泥质土动三轴试验,分析了冲击荷载作用下周围压力、振动次数和频率对土的动剪应力、液化应力比、阻尼比、动模量的响应规律。结果表明:(1)动剪应力随着围压或振动频率的增大而提高,随着振动次数的增加而减小,当周围压力从100 kPa上升至400 kPa时,动剪应力下降幅度为67.1%~45.2%;(2)与1 Hz比较,振动频率为10 Hz的动剪应力相应高出44.3%~72.6%,动剪应力受周围压力、振动频率和振动次数的影响较大;(3)各变形阶段的动模量(初始模量、加载平均模量、加载最大模量和卸载模量)均受周围压力和振动频率影响显著,动模量随着振动频率或围压增大而增大;(4)阻尼比随围压增长近似线性递减,周围围压由100 kPa增大到400 kPa时,阻尼比则由0.285减小至0.153,阻尼比受振动频率影响不明显。研究成果可为管桩设计、高应变测试分析提供动力参数并为类似工程提供参考。

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基于离散元法的海相软土力学参数特征研究

刘大鹏, 武科, 许文彬, 肖文斌, 陆海军

地下空间与工程学报. 2024, 20(S2): 681-691. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2024.S2.20

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海相软土力学性能参数对滨海城市地下工程的设计和施工而言至关重要。采用颗粒离散元分析方法,建立了海相软土三轴试验离散元数值计算模型,通过模拟其三轴试验过程并与室内试验进行对比验证。结果表明:海相软土室内试验的轴向应变发展类型为渐稳发展型,累计轴向应变随着振动次数的增加逐渐增大;摩擦系数、黏结强度等因素对累积塑性应变的影响都较为明显,较高的摩擦系数会导致颗粒之间的内摩擦力更大,从而使试样更不易变形;摩擦系数对累积塑性应变的影响最为明显;相较于法向黏结强度,切向黏结强度对试样塑性应变的影响更为明显;切向黏结强度控制颗粒之间的相对滑动,较高的切向黏结强度会使颗粒更难发生相对滑动。

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水合物开采储层出砂影响因素的试验研究

加瑞, 郝岱恒, 许敬明

地下空间与工程学报. 2024, 20(S2): 692-700. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2024.S2.21

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出砂是影响天然气水合物安全高效开采的关键因素之一。根据我国南海天然气水合物储层的颗粒级配配制了储层试样,利用冰粒代替水合物,通过自行研制的室内模型试验装置研究了影响水合物开采储层出砂的主要因素,分析了不同储层黏粒含量、降压幅度和防砂层粒径时的储层出砂量、防砂层挡砂量和过砂量以及储层和防砂层渗透率的变化情况。结果表明:(1)储层黏粒含量越高,储层出砂量越小,防砂层挡砂量和过砂量也越小,防砂层挡砂率越小、过砂率越大,储层渗透率的增幅越小,防砂层渗透率的降幅越小;(2)降压幅度越大,储层出砂量越大,防砂层挡砂量和过砂量也越大,防砂层挡砂率越小、过砂率越大,储层渗透率的增幅越大,防砂层渗透率的降幅越大;(3)防砂层粒径增大,储层出砂量变化不大,防砂层挡砂量减小、过砂量增大,防砂层挡砂率减小、过砂率增大,储层渗透率的变化不大,防砂层渗透率的降幅减小。

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高水压高应力岩石应力波传播试验装置及初步试验

金解放, 熊慧颖, 胡玮锋, 肖莜丰

地下空间与工程学报. 2024, 20(S2): 701-712. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2024.S2.22

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深部高水压岩体工程爆破开挖时,围岩体承受高水压、高地应力和爆破动载荷共同作用。由于缺乏具有高水压和高地应力功能的岩石动力学试验方法和试验系统,其理论研究远落后于工程实践。在分析简化深部高水压工程岩体受力的基础上,提出高水压高应力岩石应力波传播试验方法并研制出试验系统,该试验系统由高水压加载装置和改进的SHPB试验系统组成,高水压加载装置为岩石提供高静水压力,改进的SHPB试验系统提供轴向静应力和应力波动力源。高水压加载装置由密封腔、端盖、压盖、密封圈及水压泵组成,并实现了轴向和径向高压水密封等关键技术。通过高水压高应力岩石应力波传播试验,验证了高水压高应力岩石应力波传播试验系统的可行性,得到高水压岩石应力波传播衰减特性的初步研究结果。结果表明,高水压加载装置密封性能良好,能较好地模拟深部岩体工程中的高水压、高地应力和动载荷,高水压装置对弹性杆中的一维应力波传播没有影响,可以开展岩石应力波传播试验研究。对于损伤程度较小的岩石,水压的增大有助于提高岩石的波阻抗。当红砂岩承受的轴向静应力较小时,随着水压力的增加,岩石应力波传播速度和透射系数逐渐增加。

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曲线隧道盾构掘进引起地表变形模型试验研究

徐平, 席丹辉, 高强

地下空间与工程学报. 2024, 20(S2): 713-721. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2024.S2.23

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相对于直线隧道,小半径曲线隧道进行盾构掘进施工引起的地表沉降变形更为复杂,现有经验公式无法对其变形规律进行较好地拟合。基于中原地区某地铁出入场线的盾构隧道工程,根据相似原理建立砂土中盾构隧道沿曲线掘进施工的室内试验模型,开展了相似模型试验研究小半径曲线隧道盾构施工所引起的地表变形规律。试验充分考虑盾构在小半径曲线隧道的内侧超挖量,对盾构轴线和监测点坐标进行了修正,并通过与工程实测数据对比分析,验证了室内模型试验的合理性。结果表明:小半径曲线隧道盾构掘进施工引起的地表沉降峰值位置会向曲线内侧偏移,而地表隆起峰值随着曲率半径的减小而增大;地表变形曲线可采用双侧高斯曲线进行拟合,拟合得到的沉降峰值、沉降槽左侧和右侧宽度系数可用于修正小半径工况下的Peck经验公式,并能比较准确地预测和评估盾构在小半径曲线段掘进引起的地表变形;曲线外侧的地表隆起峰值和沉降峰值均随着隧道埋深的增加而减小。研究结果对小半径曲线隧道盾构掘进施工引起的地表变形预测有借鉴意义。

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深埋软岩隧道开挖应力释放机理的模型试验研究

李秋铃, 刘阳, 杨辉宗, 张建经, 潘虎

地下空间与工程学报. 2024, 20(S2): 722-731. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2024.S2.24

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为了探究深埋软岩隧道施工过程中深部围岩应力、应变变化规律以及松动圈范围,开展了室内模型试验。采用自主设计的三向同步加载模型箱,通过安装应变片和提前预埋土压力盒,探究在隧道开挖支护过程中围岩变形和受力规律,进而分析松动圈范围。结果表明:(1)在未开挖至监测断面时,监测断面处围岩压力提前释放;(2)当上台阶开挖过监测断面后,拱顶和拱肩压力趋于稳定,而拱腰压力仍然持续释放;(3)当下台阶开挖过监测断面后,监测断面不同位置处围岩压力趋于稳定,说明当前方围岩完成开挖支护后,后方围岩施工对前方围岩影响很小,围岩压力释放是一个由快到慢最后趋于稳定的过程;(4)拱顶、拱肩以及拱腰松动圈大致处于70~120 mm范围,采用函数拟合后,推算出拱顶、拱肩和拱腰松动圈半径分别为96.7 mm、83.3 mm和106.7 mm,与理论计算结果接近;(5)根据相似比推算3个位置实际松动圈大小分别为4.8 m、4.2 m、5.3 m,分别约为0.43、0.38、0.48倍洞径。本研究为深埋软岩隧道施工中提前采取合理支护措施提供了理论和技术参考。

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粉煤灰-水泥-硅酸钠型充填材料强度特性研究

安百富, 王家乐, 贾磊, 白文廷, 宋杰

地下空间与工程学报. 2024, 20(S2): 732-740. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2024.S2.25

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为了研究粉煤灰-水泥-硅酸钠型胶结充填材料的强度特性,运用正交试验设计了以粉煤灰、水泥、硅酸钠为组合的胶结充填材料,采用极差分析、方差分析及多元回归分析等方法,研究了粉煤灰与水泥质量比值(因素A)、硅酸钠质量浓度(因素B)、料浆质量浓度(因素C)这3种因素对粉煤灰-水泥-硅酸钠胶结充填材料强度特性的相关性影响。结果表明:通过对粉煤灰-水泥-硅酸钠胶结充填材料试块的抗压强度和抗剪强度进行极差分析发现,各因素对于试件的抗压强度与抗剪强度的R值关系均为C>A>B,说明料浆质量浓度对粉煤灰-水泥-硅酸钠胶结充填材料的强度特性影响最大,其次是粉煤灰与水泥质量比值,最后是硅酸钠质量浓度的影响最小;通过对试块抗压强度和抗剪强度进行方差分析发现,对于粉煤灰-水泥-硅酸钠胶结充填材料的抗压强度和抗剪强度,A和C的影响程度极为显著,B对强度没有表现出显著性影响,上述结果与极差分析相对应。建立了各因素共同影响下粉煤灰-水泥-硅酸钠型充填材料强度特性参数的综合预测模型,并对其进行了验证。

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放矿过程中某铜矿冰碛物细颗粒运移特性研究

马帅, 刘文连, 钟志勇, 眭素刚, 朱乾坤

地下空间与工程学报. 2024, 20(S2): 741-748. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2024.S2.26

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根据某铜矿移动变形区治理方案,针对矿层上部冰碛物覆盖层细颗粒运移特性问题,采用三维物理模拟试验方法,模拟某铜矿自然崩落法采矿的放矿过程,通过定量的细颗粒含量变化和直观的实验现象,对比分析不同冰碛物覆盖层密实度对放矿过程中细颗粒运移特性的影响。结果表明:随着冰碛物覆盖层密实度的增大,对于细颗粒穿流效应的抑制效果具体表现为密实度为0.93>密实度为0.85>密实度为0.77;当覆盖层密实度较小时,随着放矿质量累积出矿口上部会出现“V”字形塌陷漏斗形状,而当密实度较大时,覆盖层则表现出随放矿操作整体下移现象;提高上部冰碛物覆盖层密实度能够有效地降低矿石贫化;提高矿层上部冰碛物覆盖层密实度能有效抑制细颗粒的穿流、降低矿石贫化率。本文成果可为矿区地表塌陷区域治理提供了新思路。

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围岩变温过程中隧道衬砌结构温度演化特征

周军伟

地下空间与工程学报. 2024, 20(S2): 749-756. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2024.S2.27

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铺设隔热层是高地温隧道热害防治的有效方式,探究隧道围岩温度变化过程中衬砌结构温度演化规律可加强对高地温隧道热害防治机理方面的认识。通过数值模拟和模型试验分别研究了围岩升温与降温过程中围岩与隧道结构不同位置温度演化特征,验证了变温过程围岩与隧道结构温度演化特征数值分析模型的准确性,揭示了变温过程隔热层降温性能演化特征。结果表明:围岩升温过程中,围岩与衬砌结构温度随时间延长呈现混合增加、缓慢增加与稳定三阶段演化特征;围岩降温过程中,围岩与衬砌结构温度随时间延长呈现缓慢降低、非线性降低与稳定三阶段演化特征;围岩变温过程不会对隔热层降温幅度产生影响,仅改变围岩结构温度变化形式。本研究可为高聚物隔热材料在高地温隧道中的应用提供理论依据。

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基于改进UNet网络的衬砌背后空洞识别方法研究

凌同华, 龙斌, 张亮, 张胜, 江浩

地下空间与工程学报. 2024, 20(S2): 757-766. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2024.S2.28

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传统图像处理算法在定位衬砌背后的空洞时,往往受到复杂环境因素的干扰,从而降低分割的准确率。为提升分割准确率,对UNet网络模型增加注意力门结构进行改进研究,并与其他主流分割网络进行对比实验。开展空洞的探地雷达二维正演模拟、模型试验和衬砌现场检测工作,为改进UNet网络提供数据支撑。结果表明:在衬砌背后空洞数据集上经过100轮训练后,改进后的AGS-UNet网络相比改进前在准确率(CPA)、交并比(Iou)和平均交并比(MIou)3个评价指标上均提高了3%左右。证明了改进后的AGS-UNet网络能够提高衬砌背后空洞图像分割的精确度,是一种有效的改进网络模型。

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地下交通广场消防设计策略研究

孙峰, 夏立群, 陆扬帆, 杨亚鹏, 吴珂

地下空间与工程学报. 2024, 20(S2): 767-773. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2024.S2.29

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为解决地下交通广场的建筑功能、建筑艺术和火灾安全之间的矛盾,本文分析了地下交通广场的火灾危险性特点,基于功能安全协同设计理念,参考相关国内外工程案例和标准,提出了分隔车辆与人员密集区域、分隔车行区域与站场区域、站场区域参照国际标准确定防火分区面积并加强消防措施的消防设计策略。针对杭州秦望通道工程地下交通广场,利用提出的策略进行设计,通过等候区单独设置,公交、出租车站场区域疏散人员减少35%以上,人员主要集中于疏散出口附近。通过FDS和Pathfinder进行模拟计算,结果表明:应用消防设计策略设计后,公交、出租车站场区域的人员可用安全疏散时间是必需疏散时间2.8倍以上,可以满足安全疏散的要求。

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长沙某购物中心地下室自然采光设计策略研究

吴灵, 谭志文

地下空间与工程学报. 2024, 20(S2): 774-782. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2024.S2.30

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合理设计和利用地下空间是确保高质量建筑落地的一个重要方面,一栋建筑的合理设计,不仅表现在地面以上的空间,地下空间的顶层设计和规划也尤为重要。在“双碳”绿色低碳引领的目标建筑设计模式下,探究合理的自然采光方案,尽量降低建造增量成本的同时节约电耗。本文以国标绿色建筑三星级、LEED金级的长沙某购物中心为例,利用动态采光数值模拟分析建立模型,量化分析在满足采光率要求下的导光筒或边庭设置梳理、尺寸及位置,探索与实际项目地下室特征相适应的自然采光设计策略,并分析了地下室的合理设计在照明能耗、碳排放等方面产生的经济效益,为未来地下室空间精细化的自然采光设计梳理出可借鉴的设计方案和规划思路。

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紧邻高铁站多级深基坑支护结构一体化设计分析

崔向阳, 何华飞, 王佳豪, 李兆平, 刘腾

地下空间与工程学报. 2024, 20(S2): 783-792. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2024.S2.31

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北京地铁朝阳站配套交通枢纽内部主体结构使用功能的差异,使得枢纽基坑呈现平面几何形状复杂、基坑开挖深度不同及基坑周边附加荷载不对称等特点。为解决常规基坑支护方案存在的问题,基于分级开挖和分级支护的理念研发了多级深基坑支护结构体系。论文详细讨论了各级支护结构的布置、结构参数局及施工步序。采用数值模拟和现场监测的方法,研究了多级深基坑开挖过程中支护结构体系的受力和变形特征。结果表明:基于分级开挖和多级支护的理念,研发的多级组合支护结构体系,具有布置形式灵活,控制变形能力强的特点;支护结构体系受各级基坑开挖的附加扰动影响,受力复杂,呈“悬臂+弓形”变形;紧邻高铁站侧围护结构水平变形远大于远离侧,但当各级基坑间距超过3倍开挖深度时,可忽略上一级结构变形产生的附加影响;数值模拟及现场监测结果表明多级组合支护结构变形及受力能满足控制值要求,可为类似工程提供参考。

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伺服系统在基坑工程中的应用与控制效果

罗程, 唐晓林, 彭俊仁, 熊毅, 丁海滨

地下空间与工程学报. 2024, 20(S2): 793-802. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2024.S2.32

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围护结构是基坑工程中的重要防护措施,随着国家对深大基坑建设工程的需求不断提高,围护结构变形控制条件变得愈加严格。本文结合全国近些年来众多基坑工程案例,通过比较是否应用钢支撑轴力伺服系统工程的围护结构变形、地表沉降以及插入比对伺服系统在软土地区复杂条件下基坑工程中的控制效果进行综合评价。结果表明,钢支撑伺服系统能够有效减小围护结构的水平位移以及地表沉降,且合适的插入比能更有效地控制基坑的变形。因此,对于需要严格满足变形控制要求的工程来说,应用钢支撑伺服系统能够增加基坑开挖过程中的安全性。

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隧道悬臂掘进机施工降尘剂适应性研究

郭永发, 冯智卫, 陈千里, 丁文其, 王化武

地下空间与工程学报. 2024, 20(S2): 803-810. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2024.S2.33

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采用悬臂掘进机开挖隧道时,破岩过程会产生大量粉尘,严重影响作业环境和施工人员健康。添加降尘剂的喷雾降尘是主要控制措施之一,传统降尘剂化学成分单一,只能对特定粒径的粉尘成分起作用,难以同时去除不同粒径的混合粉尘。以渝昆高铁长水机场隧道为背景,为解决喷雾除尘效果不佳的问题,在水中加入一定质量分数的表面活性剂,通过对多种表面活性剂的表面张力以及复配溶液的湿润性进行实验研究,确定最佳表面活性剂及其浓度,并在实际工程进行了成功的应用。结果表明:在水中加入一定质量分数的表面活性剂,能够有效减小水的表面张力与湿润性,质量分数为0.05%的K12和C24E9组成的降尘剂对灰岩隧道掘进时产生的粉尘除尘效果最好,能够有效减少掘进造成的粉尘。研究成果可为采用悬臂掘进机法施工使用降尘剂选型提供参考。

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无粘结预应力混凝土衬砌张拉优化方案研究

谢强, 陈昱弛, 王彦东, 陈宣, 刘畅

地下空间与工程学报. 2024, 20(S2): 811-818. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2024.S2.34

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预应力混凝土衬砌张拉是盾构输水隧洞预应力衬砌施工的关键环节,现有张拉方法工序繁复,施工效率较低,难以进行合理的资源配置。本文以珠江三角洲水资源配置工程某输水盾构隧洞预应力衬砌区间为例,通过有限元数值模拟和现场施工工效对比,对预应力混凝土衬砌张拉施工方案进行优化。结果表明:采用一机两顶,单次张拉双侧2个锚具槽的优化方案不仅能够满足结构安全需求,整体变形相较于设计工况减小了28.04%,对结构变形的改善效果最好,并且施工时的张拉次数比设计工况减少了22次,经过现场施工工效对比,每个预应力混凝土浇筑节段张拉优化方案可节省张拉施工时间19.98 h,在保证结构安全的前提下显著提高了施工效率。研究结果可为类似工程提供参考。

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双隧道开挖对既有车站结构影响的简化计算方法

赵建胜, 吴涛, 崔伟, 靳军伟

地下空间与工程学报. 2024, 20(S2): 819-826. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2024.S2.35

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本文基于结构-土相互作用提出一种双隧道开挖引起的地铁车站三维空间变形及受力简化计算方法。首先,建立弹塑性三维车站模型,并将车站结构与土体相互作用简化为土-结构弹簧;然后将双隧道施工引起的位移荷载作用在地铁车站三维模型车站底部弹簧边界处;进而,将土体位移对车站侧墙的影响以附加荷载的形式施加到结构边界上。结果表明:本文提出的简化计算模型是合理的,能充分描述车站结构的变形及塑性行为。双线隧道采用Hunt模型可考虑后挖隧道对车站扰动更大的问题,通过修正弹簧刚度可考虑土体损失过大引起的车站底板脱空问题,从而使得计算结果更为准确。研究成果可为高效分析双线隧道下穿既有车站的安全与保护提供理论依据。

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地铁基坑预降水卸荷效应的现场实测研究

英旭, 周游, 缪云, 张思煜, 王旭东

地下空间与工程学报. 2024, 20(S2): 827-833. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2024.S2.36

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为了深化对基坑预降水卸荷效应的认识,依托南京5号线某地铁车站基坑预降水工程,对地下连续墙墙体变形、地面沉降与水位降深进行了现场监测。结果表明:预降水卸荷造成“凹槽形”地面沉降和“鼓腹形”墙体侧向位移,其分布特征与基坑土方开挖卸荷引起的基坑变形规律相似;地面沉降影响范围约3倍坑内水位降深S_w,最大地面沉降δ_vm约为0.033%S_w,墙体最大侧向位移δ_hm约为0.041%S_w,地面沉降与墙体侧向位移之间存在δ_vm=0.8δ_hm的近似关系;随着地下水位恢复,地面出现抬升和墙体发生侧向回弹现象,F52测点的地面抬升量为32.8%δ_vm,ZQT5测点墙体回弹量达到66.5%δ_hm;预降水卸荷效应加大了基坑后期施工变形控制的难度,基坑设计时应对预降水工况进行复核验算。

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滇中引水工程香炉山隧洞TBM超前预报体系实践

杨红霞, 陈安东, 孙兴邦, 戴学宇, 孟松涧

地下空间与工程学报. 2024, 20(S2): 834-840. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2024.S2.37

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隧洞岩石掘进机(Tunnel Boring Machine,TBM)施工方法因其“安全、高效、经济”的特点,越来越多的应用在交通、水利等国家重大工程建设中。然而,TBM对不良地质的适应性较差,当遭遇断层破碎带、突泥涌水等不良地质灾害时,导致掘进效率低下、工期延误和严重的经济损失。为确保TBM施工安全、顺利掘进,提出综合超前地质预报体系,利用地质分析法、SAP(Seismic Ahead Prospecting)法和IP(Induced Polarization)法对不良地质区域进行超前预报,探明隧洞掌子面前方断层破碎带、含水体等不良地质体位置。研究成果成功应用于滇中引水工程香炉山隧洞7号洞TBM施工段,以D1K55+086~D1K54+986段为例,采用了综合超前地质预报体系,提前探明了隧洞前方的围岩破碎程度及地下水发育情况,为施工单位施工处置提供科学依据。本文成果可为相似地质情况隧洞施工提供借鉴。

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基于能量可视化的岩溶隧道破坏机理研究

姚毅, 常富贵, 温元平, 厉志, 王明理

地下空间与工程学报. 2024, 20(S2): 841-847. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2024.S2.38

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岩溶隧道围岩破坏过程中应力、应变发生极为复杂的变化,研究起来极为困难,究其破坏本质是内部能量转化。为直观和准确地分析围岩灾变过程,以重庆轨道交通27号线中梁山隧道为依托,基于能量守恒原理,推导出围岩应变能密度、弹性应变能密度和耗散能密度计算理论,开发并验证了能量密度可视化程序。基于开发的程序分析地铁隧道底部存在溶洞时,不同的溶洞与隧道底部边距工况下,围岩内部能量密度演化规律与围岩塑性区分布、最大主应力、竖向位移、水平位移的对应关系。结果表明:开发的能量密度可视化程序可以较好地模拟隧道围岩在开挖过程中的能量演化规律;围岩耗散能密度分布与塑性区分布基本一致,耗散能密度分布区域贯通时隧道发生破坏;围岩周围的弹性应变能密度分布与最大主应力分布相关,弹性应变能密度突然释放时隧道发生破坏;隧道与溶洞的距离对围岩竖向位移影响较大,水平位移较小;隧道围岩破坏本质上是能量驱动的结果。

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宁晋盐穴储气库构造应力场解析与数值模拟

李志强, 牛耀辉, 苏野, 上官拴通, 侯秉仁

地下空间与工程学报. 2024, 20(S2): 848-856. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2024.S2.39

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构造应力场研究对宁晋盐穴储气库工程的建设具有重要意义。总结研究区地质条件和岩石力学参数,采用ANSYS模拟软件建立构造应力场有限元模型,通过构造应力场解析确定约束条件及边界条件,分析研究宁晋盐穴储气库现今地应力分布特征。结果表明:研究区古构造应力场具NW-SE向伸展拉张特征,现今构造应力场主体已恢复到NEE向挤压状态,局部主应力接近EW向;构造应力整体随深度增大,三向主应力之间呈S_V＞S_H＞S_h,区域应力属于上覆岩体主导的自重应力场;研究区地下0~7 000 m范围内,最大主应力值范围为0～160 MPa,中间主应力值范围为0～130 MPa,最小主应力值范围为0～125 MPa;区域断层的应力释放作用导致其附近的主应力值偏低,而盐岩的各向同性造成其主应力差低于围岩。

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临近既有隧道的新建隧道爆破振动数值模拟

陈亮

地下空间与工程学报. 2024, 20(S2): 857-864. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2024.S2.40

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为探寻新建隧道爆破施工对既有不同断面形式隧道的爆破振动影响,依托福厦铁路新建大帽山隧道爆破施工,采用流固耦合算法建立各段别炮孔的精细化数值模型,提取爆破荷载曲线,应用到爆破振动的模拟研究中。结果表明:新建隧道的爆破振动对既有隧道的迎爆侧影响较大,不同断面形式的隧道受振最明显的区域集中在迎爆侧拱腰及边墙段,双线隧道的背爆侧影响要大于单线隧道且振速衰减更慢;既有隧道沿隧道走向的最大受振区域集中在距新建隧道掌子面最近区段后方0~5 m内,掌子面前方区域的振速衰减速率相对后方区域较慢,爆破地震波叠加会引起距离较远处的振速值增大。研究结果可为爆破精细化模拟及类似工况的爆破振动分析提供参考。

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车致振动下偏心联络通道-主隧道体系响应研究

李逸涛, 狄宏规, 余鲸, 沈利, 周萌

地下空间与工程学报. 2024, 20(S2): 865-873. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2024.S2.41

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传统机械法联络通道采用中心开洞方式进行施工,其联络通道-主隧道为对称受力结构体系。但在市域铁路区间隧道中,受疏散平台高度影响,联络通道中心线与主隧道之间可能存在一定偏心距,导致二者组成一个非对称结构体系,其在列车振动下的动力响应必然与对称结构体系存在差异。依托某市域铁路9 m级盾构隧道,建立三维数值模型,研究了不同偏心距(0 m、0.3 m、0.6 m、0.9 m、1.2 m)条件下联络通道-主隧道结构体系在列车荷载作用下的动力响应。结果表明:在时速160 km的双向列车动载作用下,随着主隧道与联络通道偏心距的增大,主隧道与联络通道连接处的竖向位移、加速度和动应力均有不同程度的增大,与中心开洞相比,偏心距为1.2 m时的最大动位移增大7.7%,最大加速度增大了27.7%,下部土体的最大动应力增大了28.5%;偏心距的不同对结构体系的动力响应影响范围较为有限,在本文的地层参数下,其中动应力影响在两结构连接处下方深度9 m范围内。研究成果可为机械法联络通道技术在市域铁路中的应用提供参考。

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法源寺文保区区域振动特征及振动超标原因分析

赵江涛, 姚旭飞, 苏洁, 黄玉龙

地下空间与工程学报. 2024, 20(S2): 874-880. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2024.S2.42

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法源寺文保区毗邻菜市口大街及地铁4号线,区域居民长期受到环境振动影响。本文在对地面及轨道交通影响下法源寺文保区区域振动情况进行现场测试的基础上,对区域振动特征及振动超标原因进行了分析。结果表明:(1)法源寺文保区振动超标(67 dB)区域呈“双驼峰”形式,区域振动超标范围大,主要分布在菜市口大街非机动车道西侧40 m的区域;(2)超标原因主要为,地面及轨道交通量大,两者叠加导致振源强度高,振源距小导致振动衰减程度低,区域整体建筑基础薄弱、隔振性差;(3)浏阳会馆位置为典型的“振动放大区”,振动放大区位置为振中距1.5~3.0倍隧道埋设,这现有研究中地铁振动引起的振动放大区位置(1.0~1.5倍隧道埋设)并不契合,主要原因为地表及交通造成的地表振动频率成分不同,两者的叠加效应明显,凸形地貌的存在改变了原来振动波的传播路径,并对折射波具有放大作用;(4)区域受振动影响最大(78.49 dB)的位置位于距离法源寺后街116 m(地铁里程K6+270)的E4测点位置,主要原因为测试时该位置地铁4号线左右线隧道存在列车交会,地面交通及双地铁列车运营造成的地表振动不断叠加,最终导致该区域振动的加强。

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特大型冒落体冲击下缓冲垫层合理厚度研究

董川龙, 张飞, 滕腾, 雷利兴

地下空间与工程学报. 2024, 20(S2): 881-891. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2024.S2.43

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以东升庙矿孤立大型采空区围岩大面积垮落引发动力冲击灾害隐患为研究背景,应用空气动力学理论、能量守恒理论建立了特大型垮落岩体-空气-围岩耦合冲击力学模型,应用冲击基础理论建立了垫层厚度指数型冲击力计算公式,应用材料力学理论导出矿柱在冲击载荷下内部最大拉应力、最大剪应力、最大挠度计算公式,从经济节约、安全有效角度出发,进一步基于理论导出公式量化研究了东升庙铜矿采空区缓冲垫层合理厚度,并应用FLAC3D数值模拟计算结果对理论结果的正确性加以验证。结果表明:(1)考虑压缩空气做功、围岩摩擦力做功的影响,东升庙矿采空区发生大面积垮落冒落体滚动到采空区底部的最大冲击速度为30.99 m·s^-1;(2)冲击力与矿柱内应力均随垫层厚度增加而减小,垫层随其厚度增加缓冲效应逐渐减弱,即垫层厚度增大到一定值,几乎不产生缓冲效应;(3)矿柱简化为简支梁相比固支梁而言,其内部最大拉应力、最大剪应力、最大挠度与数值模拟求解结果比较接近,综合分析最佳垫层厚度为18 m。

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大型水体下分步开采采空区安全性分析

黄德镛, 段泽锋, 高聪, 彭晨鑫, 史凯东

地下空间与工程学报. 2024, 20(S2): 892-899. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2024.S2.44

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为保证云南某铜矿后期的开采安全,采用岩石力学试验与数值模拟相结合的方法,研究在大型水体下分步开采对采空区的安全稳定性影响及破坏规律。本文通过室内岩石力学试验得到矿区的岩石力学参数,再结合现场调查情况,使用霍克布朗(Hoek-Brown)准则对室内岩石力学参数进行折减,得到数值模拟所需的岩体力学参数。采用有限元软件ANSYS模拟开采矿区已开采的1 367~1 245 m之间的矿体,未开采的1 245~1 200 m及1 367~1 409 m之间的矿体。结果表明:对矿区安全造成威胁的主要因素为采空区上下盘围岩中的拉应力、采空区下部和上部的采场隅角处的应力集中;当采空区向下延伸的时候,不会对采空区的安全造成显著影响,但当回采向上由1 394 m水平进行到1 409 m水平时,采空区的安全性显著恶化。结合矿区目前的状况,不继续向上回采,在采空区被充填满的状态下,矿区不会发生采空区顶板大规模冒落破坏致使江水涌入矿井的安全事故。

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隧道双线盾构-暗挖近距下穿湖底安全性研究

郭延辉, 李顺银

地下空间与工程学报. 2024, 20(S2): 900-906. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2024.S2.45

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南宁市地铁线路某区间隧道近距离下穿湖底时,左线开挖采用盾构法,右线开挖采用暗挖法。为研究隧道左右线在不同开挖方式下对上覆土体的扰动影响,分析了隧道上方的临界覆土厚度,采用FLAC 3D数值模拟仿真,对隧道开挖后地表土体的运移规律、衬砌结构的受力和变形状态以及隧道建成后的围土稳定性进行了分析。结果表明:左、右线隧道的实际覆土厚度均满足要求;隧道开挖结束后,地表最终位移均在规范要求内,基本不会对区间地表及周围建筑的安全造成影响;衬砌结构的主应力值均小于设计强度标准值;隧道建成后,左、右线隧道衬砌结构和周围土体受力未达到极限强度,左线隧道土体变形和周围地表沉降量均符合规范要求,而右线隧道的土体变形和上部湖底变形明显增大。研究成果可对其他下穿湖底的隧道建设提供参考。

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高海拔长大隧道火灾烟气流动特征研究

张耀, 尹艺蒙, 郭庆华, 闫治国

地下空间与工程学报. 2024, 20(S2): 907-915. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2024.S2.46

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本文采用FDS(Fire Dynamics Simulator)火灾模拟软件对自然通风条件下高海拔地区长大隧道火灾的烟气流动结构展开研究。结果表明:在自然通风的长大隧道中,存在与火源距离相关的烟气流动“临界点”,在“临界点”之前,烟气层厚度和烟气质量流量沿火源距离的增加而增大,在“临界点”之后,沿火源距离的增加而减小;随海拔高度的增加,烟气质量流量减小,烟气层厚度增大,“临界点”位置越靠近火源;海拔高度对烟气沉降具有促进作用,对烟气纵向流动具有阻碍作用;火源热释放速率越大,海拔高度的作用效果越明显。根据研究成果定义了烟气流动过程中与“临界点”相关的临界距离,给出无量纲临界距离随海拔高度变化的预测模型,结果吻合性较好。

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综合管廊电力舱散热计算及通风研究

张敏, 张明灿, 李兵兵, 张中天, 邢美波

地下空间与工程学报. 2024, 20(S2): 916-923. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2024.S2.47

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本文研究了综合管廊电力舱中电缆的散热情况,首先建立了电力舱一维稳态传热理论模型,分析了土壤热导率、覆土深度和大气温度对电缆散热的影响。其次建立了电力舱通风换热数值模型,与理论计算结果相比,舱内各截面空气平均温度相差在5.4%以内。同时,考虑当地土壤散热特性对综合管廊电力舱通风量进行了计算,提出采用折减系数对通风量进行修正。获得了自变量为土壤热导率、覆土深度和大气温度的折减系数拟合方程,其拟合决定系数为0.925,并给出了石家庄地区通风量折减系数推荐值。

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地下通道开挖反压加固对地铁隧道变形影响分析

田帅, 李豪强, 蔺云宏, 李明宇, 曹国旭

地下空间与工程学报. 2024, 20(S2): 924-930. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2024.S2.48

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为研究不同控制措施下基坑开挖对下卧隧道拱顶竖向位移的影响,依托郑州市二七广场隧道工程,在验证数值计算可靠性的基础上,利用有限差分软件MIDAS GTS对地层加固与反压两种措施下隧道拱顶竖向位移的变形规律进行分析,并采用正交试验方法研究加固宽度、加固深度、反压宽度和反压荷载对隧道拱顶竖向位移的影响。结果表明:在类似工程中,随着上跨基坑坑底加固宽度和深度的增加,下卧地铁盾构隧道拱顶竖向位移随之非线性递减,且其纵向变形曲线拟合函数的宽度系数i呈非线性增大;随着反压荷载和反压范围的增加,下卧地铁盾构隧道拱顶竖向位移随之线性递减;坑底加固深度对下卧地铁盾构隧道的影响程度要依次大于反压荷载、加固宽度及反压宽度;坑底加固设计时,建议加固宽度和加固深度易设为基坑开挖深度的0.3倍和0.4倍;坑底加固与反压堆载综合设计时,从变形控制效果、施工流程、施工成本3个方面考虑,正交试验的16组方案中,方案4和方案15控制效果最佳,其中方案4施工成本低于方案15,方案15的变形控制效果优于方案4。本文成果可为粉质黏土或粉土地层条件下类似工程提供设计依据。

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基于数据驱动随机场的矩形顶管施工引发沉降研究

阮晨成, 史培新, 贾鹏蛟, 桂林

地下空间与工程学报. 2024, 20(S2): 931-939. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2024.S2.49

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针对矩形顶管施工引发地表变形预测,在数值模拟中学者们往往忽略了岩土体的空间变异性,导致计算结果不准确。本文在传统随机场理论的基础上,引入数据驱动随机场理论,结合ABAQUS数值软件,建立三维数值模型考虑土体参数空间变异性的模拟方法,并将该方法运用于苏州市某矩形顶管工程,实现了直接从稀疏勘察数据生成岩土参数随机场,系统研究了弹性模量空间变异性对矩形顶管隧道地表沉降的影响规律。结果表明:在融入了弹性模量空间变异性后,不会改变矩形顶管施工地表沉降趋势和规律,其结果更具有参考价值;基于数据驱动随机场的随机有限元计算结果更加符合实际地表沉降规律,并评估了提出计算模型的准确性。研究成果可为矩形顶管施工引起地表沉降预测提供参考。

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地铁施工期坍塌风险预测和事故诊断耦合方法研究

于海莹, 隗秀, 石锐, 王睿, 刘阳

地下空间与工程学报. 2024, 20(S2): 940-948. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2024.S2.50

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城市地铁建设施工期事故频发,坍塌是最主要的事故之一,地铁施工期的安全问题亟待研究和解决。施工期的坍塌事故涉及的不确定性因素众多且具有可变性,导致研究困难大。在国内近20年的273起地铁施工期事故案例数据分析的基础上,结合专家经验、调查分析等措施确定了影响坍塌期事故的主要风险因素,基于模糊贝叶斯网络方法,实现坍塌事故的风险预测和事故诊断耦合,解决了事故前预测预防以及事故发生后快速诊断处置的双向问题,以期降低重大施工安全事故的发生概率及有效减少事故发生后的损失,为相关施工人员、管理人员、政府部门等的决策提供有效参考。

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基于AJSO-BP的盾构施工地表变形预测

熊文, 李宏洋, 傅鹤林, 曹桂乾, 喻能根

地下空间与工程学报. 2024, 20(S2): 949-955. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2024.S2.51

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盾构掘进会引起地表变形,当地表变形严重时会导致财产损失和人员伤亡。开展盾构掘进引起地表变形研究,可以提前感知盾构隧道施工风险,为盾构隧道施工安全提供保障。本文采用人工水母算法优化(AJSO)标准BP神经网络算法,建立了AJSO-BP神经网络预测模型,并将AJSO-BP、GA-BP与BP神经网络预测模型进行对比,为实际工程选择了精度最高的预测模型,并验证了预测模型的工程适用性。结果表明:标准BP神经网络模型的预测精度最低,预测值与实测值之间的相对误差为43.6%;AJSO-BP神经网络模型的预测精度最高,预测值与实测值之间的相对误差为6%,人工水母搜索算法能够显著优化标准BP神经网络;工程案例分析中,AJSO-BP神经网络模型的预测值与实测值较为接近,证明了AJSO-BP神经网络模型在实际工程应用效果较好。

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先隧后站岩土参数反演及施工沉降分析

欧琼, 吴礼渠

地下空间与工程学报. 2024, 20(S2): 956-962. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2024.S2.52

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针对传统经验学习算法(EBL)存在过早收敛的缺陷,引入阴阳对思想进行改进,提出一种基于阴阳对思想的经验学习算法(IEBL)。依托广州市轨道某先隧后站地铁车站工程,基于先行施工的某一断面沉降监测数据,采用基于改进经验学习算法的岩土参数反演方法,获取先隧后站工程的动态岩土参数,并将反演参数应用于先隧后站三维模型数值计算及沉降分析中。结果表明:反演获得的先隧后站工程岩土参数存在空间变异性,随着开挖施工的不断进行,岩土参数产生相应的变化;按照既有设计及施工方法进行先隧后站地铁车站的施工,受横通道及施工顺序等多因素影响,地表最大沉降值出现在地铁车站中部位置,为-5.52 mm;在靠近3#横通道位置存在一定区域的隆起情况,最大隆起为2.26 mm;完整的施工过程引起的地表竖向变形较为稳定,先隧后站施工未对上方道路产生不良影响。

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多离层梯级注浆控制地表沉陷效果研究

邹恩隆, 何祥, 李志华, 杨科, 张燕海

地下空间与工程学报. 2024, 20(S2): 963-970. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2024.S2.53

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为解决覆岩无明显厚、硬岩层采动过程中难以形成满足注浆充填所需求的大而连续离层空间的问题,提出覆岩多离层梯级注浆技术,通过相似材料模拟试验对多离层注浆充填覆岩时空演化规律进行了研究,并在霍尔辛赫煤矿3501工作面进行了现场工程试验。结果表明:(1)在覆岩无法形成大而连续的离层空间时,通过由低位离层向高位离层转移的梯级注浆技术,形成等效充填体协同控制覆岩,多离层梯级注浆对比单纯垮落法开采减沉率达到了68.2%,有效减少了地表沉降;(2)现场进行离层注浆后,预期保护建(构)筑物的变形情况满足“三下”压煤规范Ⅰ级损坏等级标准。此技术为控制由煤炭资源开采引起的地表沉陷,解放“三下”压煤提供了一种有效方法。

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软土机械法联络通道衬砌受力与地表变形分析

杨哲, 任连伟, 邓岳保, 牛帅

地下空间与工程学报. 2024, 20(S2): 971-980. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2024.S2.54

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机械法联络通道施工会使原有主隧道结构受力及土层地表变形发生变化,特别是T接部位存在安全风险。依托福州市轨道交通5号线帝封江站-螺洲镇站工程,建立软土层中机械法联络通道施工过程的ABAQUS数值模型,通过改变不同工况下模型参数,研究联络通道全过程施工对衬砌结构受力和地表变形变化规律。结果表明:软土层地表最大沉降发生在联络通道中心处,地表沉降曲线近似正态分布;最大主应力出现在联络通道与主隧道T接部位钢板-混凝土复合管片处,且应力较大值出现在刀盘切削主隧道管片和联络通道第1环管片施工阶段;联络通道施工引起的主隧道最大变形发生在隧道顶部,施工完成后T接部位变形最为危险。研究结果可为机械法联络通道设计及安全施工提供参考。

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多种支护协同作用下深基坑变形及稳定性分析

庞欢, 谢晓旭, 许振翔, 苏丽, 邓宁早

地下空间与工程学报. 2024, 20(S2): 981-988. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2024.S2.55

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针对土钉放坡+地连墙+内支撑联合支护在施工过程中的安全系数及失稳变化情况,依托济南地铁六号线项目文化中心站~中央公园站工程,采用极限平衡、强度折减等方法,对联合支护在工程中的安全系数进行了研究,同时采用ABAQUS有限元软件进行数值模拟计算分析。采用能量法推导出主、被动土压力对内支撑支护结构最下道支撑点的力矩,进而得到了基于能量法和直线+对数螺旋线滑移面的基坑嵌固深度稳定性安全系数,与传统的计算方式相对比增加考虑了基坑宽度对稳定性的影响。在ABAQUS中根据强度折减法计算,得到在基坑开挖完成后基坑稳定性系数,对比预留核心土前后系数变化。随着开挖深度的增加,预留核心土在组合支护体系中所起贡献逐渐增大,基坑位移变形及塑性变形的发展受到抑制,表现为基坑的稳定性系数逐渐增大。

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隧道施工和列车荷载影响下箱涵开挖面稳定性分析

彭立乾

地下空间与工程学报. 2024, 20(S2): 989-998. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2024.S2.56

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为研究箱涵和隧道交叠下穿铁路工况下箱涵开挖面稳定性问题,以厦门轨道交通6号线隧道与箱涵交叠下穿海沧铁路支线为工程背景,采用有限差分软件FLAC3D探究箱涵开挖面主动破坏模式,利用极限分析上限定理和空间离散化技术,求解考虑支护应力和列车荷载等因素作用下箱涵开挖面的极限支护力和稳定性。最后,将理论解析解与数值解和现场实测数据进行对比验证。结果表明:(1)在隧道和列车荷载作用下箱涵开挖面呈现对数双螺旋破坏模式,随着掘进比的减小和埋深比的增大,箱涵开挖面主动破坏时的扰动逐渐减小,不会一直延伸至地面;(2)箱涵开挖面极限支护力在一定范围内与埋深呈正相关,与土体内摩擦角、黏聚力呈负相关;(3)所推导的极限支护力理论解与数值解的百分比差异在8.70%~12.79%以内,并与现场监测数据较为接近,证明了本文理论模型的合理性和有效性。

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超长管幕(棚)顶进施工风险评估系统研究

王星, 何雄飞, 聂亚伟, 黄帅

地下空间与工程学报. 2024, 20(S2): 999-1006. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2024.S2.57

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超长管幕(棚)常由于各种因素的影响无法顶进或顶进困难,直接影响支护效果。为了建立更有效的长管幕(棚)顶进施工风险评估系统,本文以西成铁路亚曲滩隧道为例,基于人-设备-环境三要素,考虑人员扰动因素(I₁)、材料质量因素(I₂)、机械设备因素(I₃)和工程地质环境因素(I₄)4个主要方面构建评估体系。搜集超长管幕(棚)施工风险评估样本,构建评价指标参数矩阵。通过德尔菲法、熵权法依次确定指标主、客观权重,根据乘法原理计算组合赋权。基于高斯正态云模型计算评估指标隶属度,挖掘指标经典域、节域,构建评估系统综合确定度。结果表明:亚曲滩隧道百米级管幕顶进方案风险等级隶属Ⅴ级,属于“极难顶进”状态,而40 m长管棚顶进方案风险等级隶属Ⅱ级,属于“较易顶进”状态;“高斯正态云-组合赋权法”得到的超长管幕(棚)顶进施工风险评估结果与实际顶进情况相吻合,验证了基于高斯正态云理论的超长管幕(棚)顶进施工风险综合评估体系的可行性,能为岩质破碎的地层中施作超长管幕(棚)前提供可行性参考。

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高地应力隧道层状围岩大变形研究进展

刘旭锋, 潘鹏志, 徐鼎平, 周扬一, 王兆丰

地下空间与工程学报. 2024, 20(S2): 1007-1020. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2024.S2.58

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层状岩体的大变形问题是当前隧道施工中较为常见的工程灾害,尤其在高地应力环境下,这一问题愈加凸出。受高应力及层理结构的影响,隧道围岩会发生大范围的沿层理张拉、剪切、屈曲等典型的破坏模式,造成支护结构失效,严重危及人身安全并制约工程进度。为充分认识高应力层状岩体大变形的特征规律并指导现场施工,从层状岩石的地质力学特性,层状岩体大变形的特征、机制、分级及防控等方面,对国内外研究现状进行了回顾总结。针对目前高应力层状岩体大变形机理及防控方面存在的问题和新的发展趋势,探讨了亟待解决的关键科学技术问题。

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地下管线非开挖修复技术国内外应用现状

杨寅昌, 黄志伟, 全学友, 刘勇

地下空间与工程学报. 2024, 20(S2): 1021-1027. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2024.S2.59

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地下管线的综合治理是我国基础设施建设的重要组成部分,对于地下管线的修复更新,非开挖修复技术相对于开挖修复技术而言,具有环境影响小、施工周期短和综合成本低等特点。本文分析了目前国内外关于非开挖修复技术的相关研究,包括原位固化法、缠绕法、穿插法、碎管法、喷涂法、垫衬法、补丁法、套管法、机器人法和注浆法等,并且讨论了非开挖修复技术的优劣及在国内外的发展应用现状。通过对目前国内外非开挖修复技术的分析,为我国非开挖技术的发展提供了一些建议。

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相变温控技术在矿井热害防控中的应用进展

康婉婷, 刘清, 余涛

地下空间与工程学报. 2024, 20(S2): 1028-1038. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2024.S2.60

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矿井高温热害是制约深部矿产资源安全高效开采的重要因素之一。本文回顾了矿井高温的主要来源、灾害形式以及热害防治技术,重点对相变温控技术在矿井高温热害防控中的应用进行了归纳总结。相变温控技术在矿井热害防控中的应用主要包括功能性充填体、相变冷却服、冰蓄冷降温、液-气相变降温以及复合控温等,将相变温控技术与传统矿井热害防控技术相结合的联合温控技术是同时实现矿井降温和地热利用的有效手段之一,也是近年来的研究热点,具有较大的应用前景。

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