地下空间与工程学报

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黄诗瑶, 程晓喜

地下空间与工程学报. 2025, 21(5): 1471-1481. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.05.01

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在国家大力推进“高质量发展”的今天,高校各学科对实验室环境的要求也逐渐提高。在北京市总体规划政策“减量发展”的背景下,开发利用校园地下空间成为近年来北京高校发展不可或缺的手段之一,地下实验室的强抗干扰性也展现出重要优势。通过对国内外高校既有地下空间开发为地下实验空间的案例进行文献调研和分析,总结了地下实验建筑设计的若干要点。在此基础上,结合地段现状和周边现有建筑的功能需求,尝试对清华大学校园西区天文台周边地下空间进行初步策划、设计,并且针对地面入口形式和平面功能及流线组织逻辑的差异性进行了多方案对比,研究成果可为清华校园地下实验空间的未来发展提供参考。

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轨交站点地下公共空间安全韧性评价及优化

王清俊, 吴亮

地下空间与工程学报. 2025, 21(5): 1482-1494. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.05.02

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城市轨交网络快速发展,轨交网络成为市民出行的重要方式。近几年发生的公共安全事件,如伦敦9·15地铁爆炸事件、郑州7·20暴雨灾害等表明:作为轨交网络的重要组成部分,轨交站点地下公共空间存在的隐患正严重影响着市民安全。本文基于“模拟—评价—识别—优化”的研究思路,做出了如下工作:第一,在文献研究的基础上建立轨交站点地下公共空间安全韧性评价体系;第二,遴选大连市3个商业型轨交站点,实地调研获取站点空间布局特征及高峰时段客流信息,通过Anylogic平台模拟高峰时段各站点地下公共空间运行状态、疏散状态并获取关键数据;第三,基于仿真实验结果对各站点安全韧性进行评价,识别轨交站点地下公共空间安全韧性薄弱环节,通过专项研究提出优化方案,总结轨交站点地下公共空间安全韧性建设策略。研究可为提升城市地下空间安全韧性提供一定参考。

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非饱和黏性土三剪有限变形弹塑性本构模型

胡小荣, 路祥, 王攀

地下空间与工程学报. 2025, 21(5): 1495-1504. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.05.03

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将非饱和土广义有效应力变量法应用于三剪强度准则,得到非饱和土广义有效应力三剪强度准则。在该准则基础上推导出广义有效变量法下的三剪破坏应力比和新的屈服面方程。引入S-R分解法理论,在有限变形弹塑性理论的框架下,建立了适用于正常固结非饱和黏性土的三剪有限变形弹塑性本构模型。所建本构模型与非饱和土常规三轴试验对比结果表明,有限变形本构模型模拟结果与试验点吻合较好,验证了该本构模型对岩土材料进行有限变形弹塑性分析的可行性。所建本构模型与小变形本构模型对比结果表明,在初始压实度、净围压、基质吸力都相同的情况下,所建本构模型计算结果比小变形本构模型计算结果更加精确。真三轴固结排水试验数值模拟结果表明,其他条件相同的条件下,土体偏应力和体积变形量与中间主应力影响系数呈正相关。

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考虑硬化和损伤效应的砂岩蠕变模型研究

鲁明星, 杨斌, 田帅, 潘金宝

地下空间与工程学报. 2025, 21(5): 1505-1513. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.05.04

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为了研究硬化效应和损伤效应的共同作用对岩石蠕变特性的影响,以西原模型为基础,引入能反映屈服强度随时间强化的硬化函数和反映岩石蠕变过程中力学性能劣化的损伤变量,分析瞬时应变和蠕变变形三阶段中硬化和损伤作用机制,建立考虑硬化效应和损伤效应的砂岩蠕变模型。最终,借助模型曲线与试验曲线的对比分析,对所构建模型的合理性及正确性展开验证。结果表明:硬化和损伤效应的砂岩蠕变模型曲线与试验曲线呈现出较高的吻合度,相关性系数超 0.90;相较于西原模型与试验曲线的吻合程度,所构建的模型曲线不仅能更精准地刻画包含加速蠕变的蠕变曲线,它也可以很好地描述衰减蠕变和稳定蠕变的变化规律;所建立的模型可较为全面地反映岩石在蠕变变形全过程硬化效应与损伤效应的共同影响机制。

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高温热处理后的脆性岩石蠕变宏细观断裂力学机理

李晓照, 柴博聪, 戚承志, 邵珠山

地下空间与工程学报. 2025, 21(5): 1514-1524. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.05.05

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高温热处理后脆性岩石的蠕变断裂特性研究对深部地下资源开发具有重要意义。热处理后脆性岩石的长期蠕变力学特性,在不同围压下随热处理温度增加可能会出现不同的变化趋势,该方面的机理解释尚不清晰,且该现象的宏-细观力学机理研究欠缺。基于细观裂纹扩展模型,引入了通过独立试验确定的5个温度相关的细观裂纹模型参数:初始裂纹损伤D₀、裂纹断裂韧性K_IC、裂纹扩展应力侵蚀指数n、特征裂纹速率v、初始裂纹摩擦系数μ随温度的演化规律。建立了高温热处理作用后脆性岩石蠕变宏细观断裂力学模型。同时也得到了热处理温度影响下岩石的应力应变本构关系,其为蠕变变形机理的应力状态选取提供重要依据。研究了不同温度及围压对岩石启裂应力、峰值强度、长期强度、蠕变失效时间的影响,试验验证了模型的合理性。重点讨论了初始裂纹摩擦系数随温度变化的不同趋势下,围压对岩石蠕变断裂特性随温度变化规律的影响。研究结果从细观力学角度分析了热处理后脆性岩石短期及长期力学特征,更加清晰地阐释了热处理脆性岩石的力学机理。

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寒区隧道冻缩型围岩冻结变形规律及力学响应

陈维, 曹善鹏, 夏才初, 郭阔, 郭碧槐

地下空间与工程学报. 2025, 21(5): 1525-1533. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.05.06

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为研究考虑寒区隧道冻缩型围岩和衬砌冻结变形作用下的隧道冻结压力,通过室内试验获得饱水岩石的冻结变形规律及不同温度下的冻缩线应变,使用解析法得到寒区隧道围岩冻缩压力的弹性解,并进行了算例分析、数值对比验证,采用控制变量法分析不同参数的影响规律。结果表明:不同冻结温度下饱水凝灰岩和砂岩均发生整体冻缩变形,但饱水砂岩冻缩过程中发生一定冻胀恢复,孔隙率大小是饱水岩石是否发生冻胀恢复的主要因素;不同围岩类型和低温混凝土冻结变形作用下寒区隧道围岩压力的理论计算和数值模拟结果基本相同,冻缩围岩压力的理论解具有良好的可靠性;寒区隧道衬砌表面的冻缩围岩压力随围岩最大冻结深度呈指数型增大,随围岩冻缩线应变、冻岩与未冻岩弹模之比的增大而线性增大。研究成果可为类似寒区隧道的抗冻设计提供一定的理论指导。

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不同配比聚丙烯纤维再生混凝土损伤模型研究

杨欣, 周道文, 刘新荣

地下空间与工程学报. 2025, 21(5): 1534-1543. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.05.07

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为研究不同配比对聚丙烯纤维再生混凝土抗压强度的影响,设计制作了30组粗骨料粒径5~10 mm 与10~20 mm为4∶6、5∶5和6∶4的试件,通过单轴压缩试验,获得各组试件的应力-应变曲线和弹性模量、峰值强度等参数。结果表明:随着粗骨料粒径的减少,峰值应力呈现整体下降的趋势;聚丙烯粗纤维对弹性模量的增强效果最好,混掺粗细聚丙烯纤维对再生混凝土峰值应力的强化效果最好。建立了聚丙烯纤维再生混凝土统计损伤本构模型,发现粗骨料5~10 mm 与10~20 mm比例为5∶5的试件损伤程度最剧烈,混掺粗-细纤维抑制损伤效果最好。最后运用支持向量机回归对再生混凝土峰后应变进行回归预测,研究表明采用线性核函数,将峰后压力机应变作为输入变量预测效果最好。

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微波辐射坚硬玄武岩升温－损伤－致裂规律研究

陈登红, 施伟, 王智鹏, 汪朝家, 袁永强

地下空间与工程学报. 2025, 21(5): 1544-1553. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.05.08

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对微波辐射前后的玄武岩试样进行波速测试和单轴抗压试验,结合扫描电镜试验和宏微观裂隙分析探究了微波辐射岩石升温－损伤－致裂的关联性机制。结果表明:在1.4 kW微波作用下试件两端先迅速升温,随后试件中部再缓慢升温,在空间上呈中间低两端高的双峰状分布;微波加热后试件纵波波速随着辐射时间的增加逐渐降低,损伤因子和强度折损系数随着辐射时间增加呈阶段性上升趋势,波速损伤因子拐点区间为160~180 s,强度折损系数拐点区间为160~200 s,“拐点”之后损伤因子进入平台期,不再随辐射时间的增加有较大变化;微波加热导致的试件内与外、上与下的不均匀温度分布,使试件产生了微裂纹,其裂纹扩展可分为3个阶段:起裂阶段(0~160 s)、裂纹扩展阶段(160~240 s)、崩裂破坏阶段(300 s后),在波速损伤因子与强度折减因子陡增的阶段观察到的裂纹扩展最为显著。研究成果可为类似条件下硬岩微波辐射提供参考。

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冻融作用下随机损伤花岗岩裂隙演化及力学特性

祝世婕, 祁长青, 边心宇, 邓福起

地下空间与工程学报. 2025, 21(5): 1554-1564. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.05.09

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冻融开裂被认为是高寒地区低渗透硬岩破坏的主要原因之一,反复冻融会导致岩体损伤加剧、强度弱化。通过温度冲击试验获取含随机损伤的花岗岩试样,开展循环冻融试验,通过CT、核磁共振试验研究冻融循环过程中花岗岩微观裂隙演化过程,采用单轴压缩试验研究其力学性质的弱化规律。结果表明:花岗岩在冻融循环作用下的破坏主要由于初始损伤的扩展、连通所导致,岩石的孔隙率和大孔隙的比例都随着冻融循环而逐渐增加;由于随机分布的初始损伤相互影响和制约,难以形成长、大的冻融裂隙,裂隙以不规则网状分布为主;随着冻融循环的进行,岩石渗透性逐渐增强而饱和波速呈现先增大后减小的单峰曲线形式;岩石强度退化服从指数函数的形式,不同初始损伤程度的岩石在长期的冻融风化条件下,强度值和弹性模量值退化关系相似,最终均可能会趋于同一水平。研究成果对寒区致密硬岩的长期力学特性评估和工程稳定性评价具有重要的参考价值。

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干湿循环作用下膨润土改性黄土微观及水力特性

许健, 刘永昊, 李彦锋, 王瑞涛, 王泽峰

地下空间与工程学报. 2025, 21(5): 1565-1575. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.05.10

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膨润土改性黄土具有作为填埋场黏土衬垫层的潜质,但干湿循环作用会引起膨润土改性黄土垫层渗透和力学特性改变,导致垃圾填埋场渗漏或失稳破坏,对改性黄土垫层的长期稳定性产生威胁。以素黄土和膨润土改性黄土为研究对象,开展干湿循环作用下扫描电镜、压汞、柔性壁渗透和单轴压缩试验,从宏细微观多尺度综合分析干湿循环对改性黄土微细观结构、防渗及力学性能的影响规律,探究干湿循环作用下改性黄土的劣化机制。结果表明:膨润土能够用于黄土固化主要源于蒙脱石颗粒的填充效应及吸水膨胀特性;不同干湿循环次数下素黄土的孔隙分布为三峰孔隙结构,改性黄土的孔隙分布为双峰孔隙结构;素黄土的渗透系数随干湿循环次数增加逐渐增大,而改性黄土渗透系数在5次干湿循环后趋于稳定;素黄土和膨润土改性黄土的单轴抗压强度在5次干湿循环后均趋于稳定,不同干湿循环次数下改性黄土单轴抗压强度均高于素黄土。

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毛细浸润条件下固化淤泥的干湿耐久性

何俊, 朱元军, 龙思昊, 罗时茹, 李文静

地下空间与工程学报. 2025, 21(5): 1576-1584. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.05.11

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分别以碱渣-矿渣-电石渣和水泥为淤泥固化剂,开展毛细浸润与全浸没方式下固化淤泥的干湿循环耐久性试验,探讨海水侵蚀环境下不同浸润方式对固化淤泥耐久性的影响规律和机理。结果表明:当水泥与矿渣掺量相同时,碱渣-矿渣-电石渣固化淤泥干湿耐久性优于水泥固化淤泥;全浸没试样外观破损严重、质量损失率大,无侧限抗压强度小;但当固化剂掺量增大、干湿循环次数增多时,毛细浸润试样强度低于全浸没试样;毛细浸润时海水中侵蚀性离子随毛细水上升,引起盐结晶并生成碳硫硅钙石等物质,多次干湿循环使试样上下和内外不均匀性增强、损伤加深,导致毛细浸润对固化淤泥干湿循环耐久性的不利影响超过全浸没,地下水位界面以上成为固化土最薄弱区域。

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规则齿形类岩石节理剪切力学特性试验研究

郭保华, 程胜锦, 李一哲, 孙杰豪, 陈岩

地下空间与工程学报. 2025, 21(5): 1585-1593. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.05.12

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为研究规则齿形节理剪切力学特性,针对5种不同起伏角的规则齿形岩石节理,采用 RDS-200 型岩石节理剪切试验系统进行了多法向应力条件下的直剪试验。结果表明:(1) 不同起伏角规则齿形类岩石节理剪切应力-剪切位移曲线大致存在压密阶段、近似直线阶段、峰前屈服阶段、峰后软化阶段和残余阶段,齿形节理剪切破坏存在滑移磨损破坏、爬坡啃齿破坏和锯齿完全剪断破坏3种模式;(2) 基于有效起伏角的概念,提出了一个规则齿形节理峰值剪切强度预测公式,相对误差平均值仅为2.9%;(3) 随着起伏角增大,节理峰值剪切强度、峰前剪切刚度、碎屑量和剪切破坏区域面积占比均整体上增加。研究成果对规则齿形节理岩体工程设计和防护具有一定参考意义。

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水化学作用下红砂岩长期力学特性的试验研究

刘桃根, 李玲, 王伟

地下空间与工程学报. 2025, 21(5): 1594-1604. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.05.13

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环境污染加剧了水岩相互作用,改变工程岩体的物理力学性质和微观结构,继而影响岩体工程的长期稳定,而岩石蠕变特性是岩体工程长期稳定分析和评价的重要研究内容。为探讨水岩相互作用下红砂岩蠕变力学行为及水化学腐蚀作用机理,以湖南桃源水电站红砂岩为研究对象,开展了不同离子浓度和pH值盐溶液腐蚀作用后红砂岩的三轴压缩分级蠕变试验。结果表明:红砂岩的水岩化学腐蚀损伤程度与离子浓度和pH值密切相关,酸碱性越强、离子浓度越大,次生孔隙率和体积膨胀变形越大,蠕变变形和瞬时变形也越大。离子浓度越大,pH值越小,长期强度越低。红砂岩蠕变力学行为对水化学溶液的敏感性总体表现为:酸性盐溶液>碱性盐溶液>中性盐溶液>蒸馏水。轴向稳态蠕变应变速率-偏压的曲线呈“S”型曲线特征,其关系可用指数函数描述。基于试验结果,初步探讨红砂岩蠕变力学行为的水化学腐蚀作用机理。

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深埋隧道变质砂岩应变岩爆特征实验研究

姜虎, 姜铭, 孙晓明, 缪澄宇, 张勇

地下空间与工程学报. 2025, 21(5): 1605-1612. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.05.14

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岩爆作为一种在深部地下工程中频发的地质灾害现象,已成为深埋隧道建设过程中的突出问题。以高楼山隧道为研究背景,利用自主研发的深部岩爆过程模拟试验系统,开展不同应力路径下应变岩爆试验,以模拟滞后型岩爆和瞬时型岩爆。试验过程中,对应变岩爆试验全过程红外热成像特征和声发射特征进行分析。结果表明:岩爆试件在开始加载至发生岩爆破坏的过程中,经历了平静期、裂纹扩展期、颗粒弹射期和岩爆发生期;试件在发生岩爆时,破坏发生区域温度迅速增长,最高温度往往伴随着颗粒弹射;试件在整个加载过程到最后破坏的过程中都伴随着能量的产生;滞后型岩爆试件和瞬时型岩爆试件声发射幅值和峰频变化规律大致相同,声发射累计能量也达到了相对较大的值。

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基于细观孔隙的高温冻土蠕变变形试验研究

郭焕明, 张虎, 刘枫, 丑亚玲, 郑波

地下空间与工程学报. 2025, 21(5): 1613-1620. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.05.15

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高温冻土在长期荷载作用下易发生蠕变变形,为探究其内部孔隙结构对高温冻土蠕变变形的影响,对高温冻土开展了不同温度、干密度和轴向应力下的静三轴蠕变试验,同时也对蠕变试验结束后的风干三轴试样进行了CT扫描及孔隙提取处理。结果表明:通过Avizo对CT扫描图片进行3D建模和孔隙提取,采用3种不同方法对提取孔隙进行孔隙等效分析后发现,球体等效误差最小,因此选择球体等效进行细观孔隙分析,并将孔隙分为0~200 μm、200~500 μm、500~1 000 μm、>1 000 μm共4类;在所给试验条件下,试样孔径主要分布在200~500 μm区间内,而蠕变变形量与孔径>500 μm孔隙数目呈正相关关系;蠕变变形随着温度的升高、干密度的减小和轴向应力的增大而增大,且温度、干密度和轴向应力都会对高温冻土蠕变变形和孔径>500 μm的孔隙数目产生显著的影响;试样内部孔径>500 μm的孔隙数量随着温度的升高、干密度的减小和轴向应力的增大而增加。

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静钻根植桩扩大头抽排水模型试验研究

俞杉, 邓岳保, 胡书豪, 郑荣跃, 张日红

地下空间与工程学报. 2025, 21(5): 1621-1628. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.05.16

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静钻根植桩是一种绿色环保的桩基工法,主要由PHC管桩和桩周水泥土构成,并且在桩端附近增加扩大头处理。为了加速并提升静钻根植桩扩大头部位水泥土的固化,进一步增强桩基承载力,提出在桩端扩大头设置竖向排水通道并联合真空负压排水固结的技术。通过开展模型试验,对比分析普通静钻根植桩与扩大头抽排水静钻根植桩的承载性能。结果表明:在扩大头进行真空负压抽排水,可以加快扩大头桩周水泥土的硬化,使其比传统静钻根植桩更早达到最终强度;真空负压排水固结在一定程度上加固了桩周土体和桩端土体;扩大头抽排水桩在成桩28 d时的极限承载力相比普通桩承载力提升约59%。

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根桩基础抗拔现场真型试验及力学特性研究

段军, 谢强, 向城名, 彭源, 傅翔

地下空间与工程学报. 2025, 21(5): 1629-1635. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.05.17

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为解决山区复杂环境下输电线路杆塔基础工程面临的挑战,本文提出了一种由短桩和桩周均匀布置的三根斜向锚杆组成的根桩基础,旨在提高桩基础的抗拉拔性能。通过开展现场真型试验,研究了根桩在上拔荷载作用下的桩顶竖向位移、斜锚轴力、破坏模式及荷载分配系数。结果表明:根桩基础上拔荷载-位移曲线可分为初始弹性直线段、弹塑性曲线过渡段和直线破坏段;在加载初期,斜锚杆承载作用表现不明显,随着荷载增加,斜锚杆轴力不断增大;根桩基础的极限抗拔承载力较短桩基础增加了29.41%,表明斜锚杆显著提升了根桩基础的承载力;根桩基础周围形成了径向和环向裂缝,主裂缝集中在斜锚杆布置区域,呈放射状分布,这是由于斜锚杆向上挤压岩土体,导致上方岩土体张拉破坏,最终使锚杆结构因受拉破坏而失效;对根桩基础的承载机制进行分析,短桩与斜锚杆的荷载分配系数可用于表征根桩基础的承载特性,二者协同受力;试验中,斜锚杆的荷载分配系数从加载初期的较低水平逐渐上升至48%,斜锚杆能有效分散和传递荷载。研究成果可为山区复杂环境下输电线路杆塔基础的设计和优化提供理论依据。

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天津地区砂质粉土单向冻结试验与数值模拟研究

王首杰, 任铁轮, 丁建文, 焦雪洋, 刘雪源

地下空间与工程学报. 2025, 21(5): 1636-1645. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.05.18

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以天津地铁盾构端头砂质粉土为研究对象,开展了封闭系统下土体单向冻结试验,对不同冷端温度和不同含水率条件下冻结试样的温度变化与冻胀变形规律进行了研究。此外,通过ANSYS有限元软件对室内土体单向冻结过程进行了数值模拟研究。结果表明:土体初始含水率越高,土体稳定冻结阶段持续的时间越长;砂质粉土的起始冻结温度随土体含水率增大而升高;在封闭单向冻结条件下,土体的冻胀量随含水率增加而显著增大,而冷端温度降低对土体最终冻胀量的影响相对较小;模拟得出的温度变化趋势与室内试验结果基本吻合,但从稳定冻结阶段至缓慢降温阶段存在明显突变;随着冻结时间推移,土层不同深度的竖向冻胀位移均有所增加,越靠近上表面,土层的竖向位移增长越显著;冻结500 min后,土体不同位置的竖向冻胀位移与其深度呈线性关系。

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基于岩溶区钻孔灌注桩处理的流态土配合比研究

郑克西, 张睿达, 黎冰, 龚维明

地下空间与工程学报. 2025, 21(5): 1646-1653. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.05.19

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针对传统流态土应用于岩溶区钻孔灌注桩工程时存在扩散范围过大、浪费材料的问题,拟采用添加外加剂以缩短初凝时间的方法解决。考虑不同的早强剂、速凝剂和减水剂,首先通过试验研究各外加剂对流态土初凝时间的改善效果,然后初步确定合适的外加剂,进而研究其对流态土流动度和强度的影响,最后提出适合岩溶区钻孔灌注桩处理的流态土配比建议。结果表明:掺入硫酸钠和减水剂都可以显著缩短流态土的初凝时间,其中减水剂的效果更好,而其他早强剂和速凝剂的促凝效果明显不如硫酸钠和减水剂;硫酸钠虽能起到促凝作用,但当龄期达到14 d和28 d时,掺入硫酸钠的流态土强度会比未掺硫酸钠的流态土强度稍低一些;对于流态土的流动性和强度而言,减水剂的掺入都是有利的,而硫酸钠的掺入都有一定的负面作用,但影响较小;综合考虑性能与成本因素,建议应用于岩溶区钻孔灌注桩工程的流态土采用10%水泥、6%减水剂和3%硫酸钠的配比。

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C100超高强双层配筋PRC管桩力学性能研究

戚玉亮, 唐孟雄, 黄柯柯, 赵倩, 梁伟键

地下空间与工程学报. 2025, 21(5): 1654-1661. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.05.20

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为满足某些特殊工程对管桩高抗弯承载力的需求,对C100双层配筋管桩进行足尺模型抗弯性能试验和有限元建模分析。结果表明:制备直径1 000 mm壁厚130 mm的C100双层配筋PRC管桩的开裂弯矩和极限弯矩分别达到1 648.66 kN·m和4 025.10 kN·m,相比现有行标的管桩成品中抗弯性能较高的PRC I-1000 C型桩,抗弯性能得到了较好地改善和提高;管桩的破坏形式为受拉区钢筋先屈服,混凝土出现裂缝,随着荷载的增加受拉区混凝土裂缝快速扩展达到1.5 mm发生延性破坏;开裂弯矩和极限弯矩理论计算值略小于试验结果,有限元计算结果与试验结果吻合良好,验证了规范公式和有限元分析对大直径双层配筋C100PRC管桩的适用性。

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隧洞双护盾TBM施工围岩分类研究

张世殊, 赵小平, 钟果, 冉从彦, 胡金山

地下空间与工程学报. 2025, 21(5): 1662-1669. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.05.21

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围岩分类在隧洞设计施工中起着重要作用。双护盾隧洞掘进机(TBM)作为掘进支护效率最高的TBM类型,受限于其封闭的施工环境,难以获取传统的围岩分类方法所需参数,无法支撑施工过程中的围岩分类。以复杂地质条件区某越岭隧道双护盾TBM掘进全过程数据为基础,基于涵盖“岩-机-渣”的围岩地震波波速、贯推比和岩渣含量等参数的定量分析,提出了适用于双护盾TBM施工环境的DT围岩多因素综合分类方法。结果表明:(1)片状岩渣含量、贯推比和岩体地震波波速3个因素可反映双护盾TBM施工隧洞围岩质量;(2)单因素分析显示片状岩渣含量、贯推比和岩体地震波波速和围岩质量呈良好的相关性,局部破碎洞段离散性较大;(3)DT多因素围岩分类可综合反映围岩岩体质量,和传统HC围岩分类相比,围岩类别划分成果基本一致,误差相差在3%以下;(4)DT多因素围岩分类方法具有参数获取便捷、实时、客观和可量化等特点,在围岩快速支护和预防卡机等方面具有重要的应用价值。

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粉土地基地下分段管廊的不均匀变形计算

刘永, 柴少强, 王福来, 辛剑, 邹坤壹

地下空间与工程学报. 2025, 21(5): 1670-1676. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.05.22

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针对船闸荷载作用下分段管涵的沉降变形问题,基于文卡尔弹性地基梁理论,建立了管涵沉降分析模型,并结合“管涵+天然地基”仿真模型分析了粉土地基长管涵结构变形规律,提出了分段管涵的不均匀沉降计算修正模型。结果表明:管涵在不均匀荷载作用下,受荷箱体沉降最大,相邻箱体会产生不均匀沉降,引起箱体结构缝的沉降差,沉降量和沉降差随着不均匀荷载的增大而增大;基于弹性地基梁的管涵沉降分析模型仅能用于弹性地基,修正后的管涵不均匀沉降分析模型可以评价大变形粉土地基下的管涵沉降和结构缝沉降差;结合滨海粉土地基的管涵沉降控制指标,确定了管涵上覆荷载的允许荷载;管涵上覆荷载不宜大于65.4 kPa,管涵之间的不均匀荷载不宜大于59.6 kPa。研究结果可为软土地区薄管涵的沉降预测和安全控制提供技术支撑。

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承压水位变动下深长基坑地连墙承载特性研究

张敏超, 刘新荣, 吴绍明

地下空间与工程学报. 2025, 21(5): 1677-1684. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.05.23

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针对受承压水影响较大的深长基坑,以广州新白云国际机场第二高速公路基坑为依托,开展承压水位变化对地连墙承载特性的研究。首先分析了实际低承压水位下基坑开挖监测数据,然后采用建立三维数值模型进行验证,并拓展分析了基坑开挖完成后3 m、6 m、10 m 3种承压水位上升对墙体深层水平位移、地表沉降及支撑轴力变化规律的影响。结果表明:(1)随着承压水位上升,墙体深层水平位移显著增大,最大侧移均位于基坑底部附近;(2)地表沉降量与地下连续墙外侧距离呈现非线性关联特征,具体表现为随二者间距增加,沉降值呈现先递增后递减的“凹槽型”分布规律,最大沉降值出现在0.67倍基坑开挖深度处,随承压水位上升,地表沉降显著增大;(3)随着承压水位上升,第一道支撑轴力逐渐减小,第二道、第三道支撑轴力均显著增大。研究成果可为受高承压水位影响的深长基坑的设计和施工提供参考。

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小半径曲线段盾构机平面姿态控制分析

黄大维, 余珏, 徐长节, 陈后宏, 陈凯

地下空间与工程学报. 2025, 21(5): 1685-1693. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.05.24

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盾构机在小半径曲线段施工时平面姿态难以控制,实际施工中施工人员主要凭经验确定主要参数,缺少相关理论依据。对盾构机的平面姿态进行了分析,提出了合理的盾构机平面状态,即盾构机刀盘紧靠外边界通过曲线地段;得到了合理的盾构机平面姿态时盾构机的内外侧千斤顶行程关系,施工中只要控制内侧千斤顶顶推量,即可得到外侧千斤顶顶推量;得到了合理的盾构机平面状态时不同顶推量时盾构机的最大超挖量计算方法;提出只对曲线内侧进行超挖,上、下均不超挖,并得到了不同角度位置超挖刀伸出量计算方法。成果可为曲线地段盾构姿态智能控制提供理论基础。

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盾构隧道通用管片施工动态选型技术研究

姚印彬, 胡秋斌, 张海涛, 王军可

地下空间与工程学报. 2025, 21(5): 1694-1701. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.05.25

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通用管片是盾构隧道中应用较为广泛的管片类型,施工过程中选择不同的拼装点位使拼装完成的管片姿态匹配盾构机姿态,保证盾尾内拼装的管片在盾构机掘进的过程中不被挤压。为实现施工过程中管片拼装点位自动化选取,提升管片拼装质量,本文提出通用型管片拼装点位动态选取方法。利用盾构机掘进参数解算盾构机掘进姿态与管片姿态的空间几何关系,以管片拼装的盾尾间隙变化量为优化控制目标,考虑盾尾平面与管片末端面方向偏差、推进油缸行程差、管片拼装点位对管片拼装盾尾间隙的影响,建立管片拼装动态选取点位的优化函数,可解决盾构施工过程管片点位选取困难的问题。以南京江心洲隧道工程为例,采用MATLAB软件编写管片点位动态选取优化算法,与工程实测盾尾间隙相对比,该方法预测的盾尾间隙与实际吻合较好,验证了该方法的可行性。与人工经验选点方法相比,采用该方法选点后管片拼装盾尾间隙偏差更小,有利于提高管片拼装质量。

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齿层数对齿桩抗压承载性能影响机制研究

杜鹏, 刘晓玲, 李光范, 符羽佳

地下空间与工程学报. 2025, 21(5): 1702-1709. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.05.26

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为解决不良地基桩基承载问题,提出了一种新型小改截面的齿桩。设计了5种齿间距的齿桩,利用ABAQUS软件对某实际工程开展了成层地基下齿桩-土相互作用的数值模拟研究,揭示了齿层数对齿桩竖向承载性能的影响规律,分析了齿部结构对桩周土的作用机制。结果发现:齿桩相比光面桩可显著提高桩侧阻力和降低桩顶沉降;当齿间距为1倍桩径时,齿桩承载性能最经济;齿部结构的增加,延缓了侧阻的软化,扩大了桩周土的影响范围,有效地将上部荷载传递到桩周土体,充分发挥桩周土的抗剪性能,从而提高基桩的承载力。创新性的引入粗糙度的概念,提出了粗糙度的量化标准,可为后续开展理论计算奠定基础。研究成果可为齿桩的设计和施工提供理论依据。

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复合地层土压平衡盾构施工对刀盘结泥饼影响研究

钟小春, 刘双全, 黄思远

地下空间与工程学报. 2025, 21(5): 1710-1719. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.05.27

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泥岩地层由于含泥量高,土压平衡盾构掘进时极易发生结泥饼故障。通过改装的直接剪切仪,考虑温度影响对泥岩渣土样开展界面切向黏附强度试验,探讨了黏附强度的增长规律。分析了不同盾构掘进参数下刀盘对开挖面土体挤压作用及界面黏附强度的影响,结合泥岩自身的抗剪强度,提出了刀盘结泥饼的发生条件,建立了盾构掘进参数对刀盘结泥饼的影响分析模型。根据该分析模型得到土压平衡盾构掘进时结泥饼的临界贯入度。结果表明:以黏土抗剪强度与黏附强度为指标建立的刀盘结泥饼风险的判断模型具有一定合理性;黏土的黏附强度随着贯入度增加、开口率减小、埋深增加呈现线性增大趋势;针对南京地铁6号线,盾构掘进的临界贯入度应控制在1.9 cm/r以下。研究成果可为土压平衡盾构结泥饼预防提供指导。

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双线盾构穿越切削群桩数值模拟研究

叶肖伟, 高思佳, 刘志雄, 宋跃均, 卢慈荣

地下空间与工程学报. 2025, 21(5): 1720-1728. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.05.28

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盾构直接切削障碍桩的案例在工程中频频出现,深入研究盾构切桩的施工影响对确保隧道及既有结构的质量与安全非常重要。依托绍兴地铁2号线穿越地下通道群桩项目,采用有限元数值模拟方法,分析了双线盾构隧道切削群桩对地层及既有结构的影响,探究MJS加固范围对既有结构变形的影响规律。结果表明:盾构切桩后下方残桩上浮,上方残桩及其余桩基出现明显沉降;被截断桩基桩身出现了明显拉应力,最大拉应力达1.23 MPa;MJS加固可以减小通道沉降以及盾构开挖导致桩基横向变形;随着MJS加固范围增大,通道沉降明显减小;通道下方MJS加固后,通道沉降减小38%以上;隧道周围MJS加固后通道沉降减小48%以上。

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六边形管廊刚度有效率及弯矩传递系数研究

张洪威, 程雪松, 郭琳

地下空间与工程学报. 2025, 21(5): 1729-1739. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.05.29

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六边形管廊具有变形受力性能较好、空间利用率高于圆形隧道的优势,然而其在不同类型拼装形式情况下的性能对比及相应的设计参数仍缺乏研究。针对六边形管廊结构,根据相似理论对错缝拼装、通缝拼装以及完整环模型进行了模型加载试验,得到了不同拼装模式下的横向刚度有效率,并利用数值模型进行对比验证。在此基础上,采用数值模型进一步研究了3种拼装模式的弯矩分布规律,并计算出错缝拼装的弯矩传递系数。结果表明:六边形管廊结构错缝拼装以及通缝拼装的横向刚度有效率分别在0.85~0.89和0.62~0.68之间,错缝拼装时的横向刚度显著优于通缝拼装;错缝拼装结构弯矩分布与弯矩传递系数均呈周期性变化,弯矩传递系数在0.18~0.36之间。所得成果可在六边形管廊结构设计中作为取值参考。

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水化学溶液循环浸水下流纹岩劣化损伤特征

王华强, 种玉配, 牛富生, 刘垚, 陈伟

地下空间与工程学报. 2025, 21(5): 1740-1751. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.05.30

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富水区的隧道围岩长期受到水化学腐蚀和循环浸水冲刷的影响。为了研究水化学腐蚀和循环浸水冲刷对岩体的损伤机制,模拟不同pH值(7、5、3)和流速(0、300、900 mm·s^-1)的水化学环境,开展为期60 d的流纹岩循环浸水试验,并通过三轴压缩试验以及电镜扫描、数字图像相关技术、XRD衍射试验,分析了岩石力学参数的劣化和损伤机制。结果表明:(1)水化学溶液的pH值越低、流速越大,流纹岩微观结构、孔隙率、弹性纵波、内摩擦角与黏聚力负效应越大;(2)三轴压缩试验中,pH=7环境下流纹岩试样的破坏模式主要为剪切滑移破坏,pH=5、3环境下为柱状劈裂破坏;(3)试样的全局应变场和局部化带出现位置与破坏位置一致,且溶液流速越大,试样的应变值越大;(4)循环浸水试验初期,试样质量损失因子及弹性纵波劣化速率较快,但随着试验时间延长,劣化速率逐渐趋于稳定;(5)在恒定流速下,流纹岩的峰值强度和体积应变最大值随围压增加呈递增趋势,而在恒定围压下,则随流速增大而减小。

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盾构隧道开挖诱发输电铁塔基础沉降预测

张俊, 曾川峰, 梁健明, 林沛元, 马保松

地下空间与工程学报. 2025, 21(5): 1752-1762. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.05.31

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盾构法是城市地铁隧道开挖的一种常见施工工法。然而,盾构隧道掘进过程易诱发地面及临近建构筑物基础变形。输电铁塔是城市电力供应的关键保障构筑物,当盾构隧道临近输电铁塔时,应对其诱发铁塔基础沉降进行评估。有限元方法是开展此类评估的有力工具,但由于地层与施工条件的复杂性,对于缺乏工程经验与实测数据的地区,有限元预测结果往往存在较大误差,且校正较难。鉴于此,本文基于同一个有限元模型中地面与塔基基础沉降的条件相似性原理,提出了一种临近盾构隧道开挖的铁塔塔基沉降有限元预测模型校正方法。该方法首先利用前期地面沉降实测数据确定其有限元模型因子表达式,而后将其作为校正项引入塔基基础沉降预测模型,并利用盾构掘进过程中监测获得的实际铁塔基础沉降数据实时更新校正项中的经验常数最优值,实现预测模型动态调整与精度提升。以广东佛山某盾构隧道工程为实例,验证了本文方法的优越性及工程实用价值。研究表明:未校正前,铁塔基础有限元模型平均高估其沉降量约30%,预测精度及离散性均为中等,且基于沉降数据的铁塔倾斜度预测值与实测值变化趋势不一致;采用本文方法校正后,铁塔基础有限元模型预测精度整体上是无偏的,且精度离散性低;基于校正后的沉降计算铁塔倾斜度,其与实测值符合度高,趋势一致。

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基于SSA-LSTM-WNN的沉管隧道接头张合预测

李书亮, 李科, 郭鸿雁, 陈建忠

地下空间与工程学报. 2025, 21(5): 1763-1770. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.05.32

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接头张合变形预测有助于提高沉管隧道系统运营安全性。针对现有模型预测精度不佳及适用性不足等问题,提出一种新的沉管隧道接头张合变形预测方法。首先通过麻雀搜索算法(SSA)对长短时记忆网络(LSTM)的超参数进行自适应组合优化,构建SSA-LSTM模型实现张合变形信息的特征学习与初步预测;在此基础上采用Ljung-Box(LB)检验对残差序列进行分析,并引入小波神经网络(WNN)进一步提取残差序列中的有效信息,得到残差序列修正值;最后将SSA-LSTM模型预测结果与残差序列修正结果进行叠加重构,得到张合变形预测值。依托港珠澳大桥沉管隧道工程对所提方法进行验证,结果表明:所提模型整体预测性能优异,可以充分挖掘张合变形序列中的有效信息,在考虑张合变形序列局部特征中更具优势;最终预测决定系数(R²)达到了0.999 4、均方根误差(RMSE)为0.007 2 mm、平均绝对误差(MAE)为0.006 6 mm,相比LSTM、SSA-LSTM和传统的SVR、BP、XGBoost模型具有更高的预测精度和稳定性,能更好地描述接头张合变形趋势。研究成果可为深入探究接头张合变形发展变化规律提供方法参考。

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基于深度学习的高寒区隧道衬砌应变预测方法

车博文, 包卫星, 卢汉青, 潘振华, 尹严

地下空间与工程学报. 2025, 21(5): 1771-1783. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.05.33

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高寒区隧道衬砌结构所处的服役环境通常都较恶劣,容易受各种极端因素的耦合影响,导致衬砌混凝土产生不同形式的裂缝,给隧道结构带来了较大的安全隐患,因此对于高寒区隧道衬砌结构开裂行为的监测和预测具有重要工程意义,故提出了基于深度学习的高寒区隧道衬砌应变多因素耦合预测模型。以新疆某高寒区隧道为依托工程,以LSTM模型为基础,构建了一种CNN-Bilstm-Transformer (CBLT) 多因素耦合预测模型;基于大量现场监测数据对CBLT进行了训练与测试,探究了不同输入特征对模型预测性能的影响,并对比分析了CBLT与不同模型之间的预测性能。结果表明:随着输入特征的完善,CBLT的预测性能也逐渐提高,在测试集上的均方根误差(δ_RMSE)、平均绝对误差(δ_MAE)、平均绝对百分比误差(δ_MAPE)仅有2.61 με、2.22 με和1.24%,R²可达0.815,且预测性能优于RNN、LSTM、CNN-Bilstm和Bilstm-Transformer;将CBLT应用于实际工程中的衬砌开裂行为预测,取得了较高的精度。研究成果可为高寒区隧道衬砌开裂行为分析和冻害防治提供理论指导。

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基于综合赋权-集对分析的岩爆烈度等级预测

殷雄, 郭奇峰, 方明华, 张英, 颜景暄

地下空间与工程学报. 2025, 21(5): 1784-1792. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.05.34

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针对综合赋权法中不同赋权方法的偏好度系数不合理以及最大隶属度原则容易出现误判的问题,综合选取岩石脆性系数σ_c/σ_t、岩体应力特性系数σ_θ/σ_t、弹性能指数W_et和岩体完整性系数K_v作为预测指标,引入距离函数确定改进层次分析法和变异系数法的偏好度系数,并结合指标集对联系度函数得到综合联系度,最终采用最大隶属度原则和置信度准则进行岩爆烈度等级的综合评判,建立改进综合赋权-集对分析的岩爆烈度等级预测模型。通过国内外17组典型岩爆案例和实际工程案例应用效果验证,表明本文提出的模型准确率高,实际应用效果好,具有一定的工程指导意义。

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不同倾角岩层分界面竖井掘进机地震波场数值研究

郭志东, 李光, 祝贺超, 胡世超, 刘翔宇

地下空间与工程学报. 2025, 21(5): 1793-1801. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.05.35

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竖井掘进机是综合机械化凿井的发展方向和趋势,基于掘进机破岩震源地震波场进行超前地质探测是保障竖井掘进机施工安全的有效方法。为研究掘进机破岩震源的地震波场特性,以常见地质情况岩层分界面为例,通过全波场数值模拟软件Tesseral建立不同倾角岩层分界面的地质模型,采用连续随机信号作为破岩震源进行正演计算,得到掘进机破岩震源地震波场。以无岩层分界面为参照组,去除地震波场中的直达波,获取地震波场中的反射波、绕射波等,分析反射波的时域特征,通过小波包对比各岩层分界面反射波的频域特征。结果表明:不同倾角岩层分界面地震波场中的反射波主频在50~200 Hz范围内,多种波的组分和主频较为复杂,在600 Hz以内均有分布;岩层分界面倾角越大,波的传播距离越小,反射波到达时间越早,幅值也有所增加,各个倾角的能量均集中在70~125 Hz之间;随着岩层分界面倾角增大,各倾角反射波的能量值越大,而低频成分的能量占比降低;震源主频对各岩层分界面的反射波时域及频域特征影响较小;地质条件对岩层分界面的反射波时域及频域特征影响较大,上软下硬地质条件的反射波最大幅值和能量远大于上硬下软地质条件,上软下硬反射波低频段的能量占比较小。研究结果可为掘进机破岩震源的地震波场理论分析提供参考。

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富水铁路隧道盲管堵塞力学特性及衬砌水压分布研究

刘建红

地下空间与工程学报. 2025, 21(5): 1802-1814. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.05.36

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富水地层中铁路隧道排水盲管发生结晶堵塞后,易造成隧道衬砌渗漏水甚至严重影响隧道结构安全。通过室内模型试验研究了不同流量下排水管结晶规律,通过三维数值模型分析了不同防排水系统下富水山区铁路隧道衬砌背后水压力分布规律与排水量演变特征,探讨了环向盲管间距对隧道排水能力和衬砌所受水压力的影响。结果表明:(1)随着排水管内流量越大,管内结晶量越大,排水量是影响排水管堵塞的主要因素之一;(2)全包防水体系相较于半包防水体系在拱顶与拱底衬砌水压分布上更为均匀,对结构的受力更加有利;(3)衬砌水压力分布与环向盲管间距紧密相关,盲管间距的合理选择对于满足衬砌安全要求和生态限排标准至关重要;(4)盲管堵塞导致盲管两侧衬砌水压力增加,拱顶水压增长速率大于拱底,在监测衬砌背后水压力时应特别关注拱顶区域。研究可为富水地层铁路隧道的防排水系统设计提供理论支撑。

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黏土化蚀变岩隧洞开挖风险识别与防控策略

杜立兵, 林鹏, 陈涛, 夏勇, 刘元广

地下空间与工程学报. 2025, 21(5): 1815-1824. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.05.37

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长期构造和热液共同作用产生的黏土化蚀变岩隧洞开挖灾害频发,风险识别和灾害防控困难。针对以上难题,首先整理了12个国内典型黏土化蚀变岩隧洞开挖案例,分析发现:黏土化蚀变岩根据空间分布形式,可以分为岩脉型、全断面型、囊状型三类,其中岩脉型塌方掉块频繁;全断面型软岩大变形严重,易恶化产生关门式塌方;囊状型易塌方,富水条件下易突泥涌水。提出了三类蚀变岩的风险识别方法:基于蚀变带宽度、密度,以及与隧洞轴向夹角识别岩脉型风险;基于围岩充分水解产物提出整体蚀变度,进行全断面型风险识别;基于囊状岩腔填充类型识别囊状型风险。研究表明黏土蚀变岩带是优良的水运移通道和地下水储集带,水-力耦合下开挖风险加剧,为此需结合超前物探、钻探预先理清地下水发育规律,并采用超前截防排水、加强支护、二衬紧跟的支护原则降低开挖风险。研究成果可为黏土化蚀变岩隧洞开挖风险识别与防控提供科学依据。

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地下空间数智化复合风险防控体系框架研究

倪贺伟, 张统, 马文, 王守中

地下空间与工程学报. 2025, 21(5): 1825-1836. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.05.38

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地下空间火灾、水灾、设备故障、环境污染和道路灾害等事故发生突然、演变迅速、逃生难度大、抢险救援困难,风险防范任务艰巨,因此,运用数智化手段开展地下空间复合风险防控具有重要意义。针对地下空间多灾种综合风险,以数字孪生技术体系为框架,采用智能视频监控、中间件技术、云边端计算与存储、智能仿真推演等多元技术协同,构建实时精准全面的态势感知、突发事故早期预警、多方协同联动响应和可视化应急指挥的数智化复合风险防控体系,实现由“末端救灾”向“前端防灾”转变、由“单灾防治”向“复灾防控”转变,全面提升风险综合防控一体化体系的数智化水平,为地下空间灾害事故的突发应急处置提供有力支撑。

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隧道钻爆空气冲击波传播规律与控制技术研究进展

闫硕浩, 范勇, 冷振东, 杨广栋, 周涛

地下空间与工程学报. 2025, 21(5): 1837. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.05.39

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隧道爆破产生的空气冲击波不仅会危害隧道内作业人员和施工机械的安全,还会影响围岩和衬砌结构的稳定性。合理控制空气冲击波的产生与传播是保证隧道爆破施工安全的重要一环。本文围绕隧道钻爆冲击波传播规律与控制技术,综述了近年来国内外在隧道爆破空气冲击波的传播规律、危害效应、预测方法和控制措施几个方面的研究进展。对几个典型的空气冲击波超压预测公式的预测精准度进行了比选,分析了不同公式的适用范围。从隧道空气冲击波超压预测方法、空气冲击波演化规律研究、空气冲击波主动防治装置等方面对隧道空气冲击波研究趋势做了展望。

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2025年, 第21卷, 第5期　刊出日期：2025-10-20

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