郑州市“720”特大洪水造成地下空间严重灾害。随着各类灾害的发展演变以及地下空间开发利用层次和规模的提高,灾害防御将越来越重要。吸取郑州特大暴雨灾害教训,总结分析地下工程灾害情况,深入讨论城市地下空间科学发展的防灾问题,切实保住地下空间安全底线,具有重要意义。本文重点从灾害防御统筹兼顾防治结合、灾害防御兼顾国防安全、防灾标准适度超前、地下空间修复重建与地面工程规划设计相结合、加强大灾害预警预防信息化和智能化建设等方面对城市地下空间重大灾害防御进行了深入探讨,建议试点先行探索城市地下空间重大灾害防御的体制机制、规划计划、技术标准、新理念、新技术、新工艺等,深入开展成灾致灾机理、地下感知探测、灾害情景、韧性地下空间等研究。

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。

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。

基于弹性力学的复变函数方法和弹性-粘弹性对应原理,将物理平面(z平面)上三心圆拱断面隧道围岩区域映射到计算平面(ζ平面)上单位圆外域,并用2个应力函数表示围岩的应力、位移及其对应边界条件。考虑临近开挖面的空间影响效应,将其以应力释放率表示,运用幂级数解法、Laplace变换等手段给出了三心圆拱断面隧道围岩的粘弹性位移解析解,并与数值解对比验证了理论解的正确性。将该方法应用于杨林隧道,分析了围岩粘弹性变形规律,揭示了隧道开挖面推进速度、空间影响效应、侧压力系数对隧道围岩粘弹性位移的影响规律,对类似断面隧道围岩粘弹性变形分析具有普遍应用价值。

社会经济的飞速发展导致公路运输需求与通行能力不相匹配的矛盾日益明显,既有公路隧道改扩建成为改善未来公路交通运输环境的长期有效手段。通过对典型改扩建公路隧道文献检索及案例统计分析,明确了公路隧道改扩建的发展趋势及研究动态,指出了公路隧道改扩建方案研究的现状与不足,依据方案比选提出了改扩建建议方案;结合4种典型改扩建工法及隧道扩大系数,提出了既有公路隧道改扩建的建议施工工法;阐述了改扩建公路隧道围岩压力计算、围岩力学响应、爆破振动控制及支护参数的研究动态与不足;提出了BIM技术、人工智能技术、绿色建造及碳中和理念等在改扩建隧道中的应用前景;指出建设标准规范化、扩建方案智能化、施工方法创新化和理论研究系统化是未来重点研究方向。

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。

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。

高铁站地下换乘空间作为人流疏散的重要场所,其使用效果会受到自身空间组织特征的影响。京福高速铁路是“八纵”之一的京港(台)通道的一部分。通过实地调研京福线38个站点,按照空间组织形式将其分为网格式和轴线式2种类型,选取合肥南站和徐州东站作为2种类型的典型案例,采用空间句法的轴线法和视域分析法作为具体分析手段,结合整合度、连接值、可理解度、视觉整合度﹑视觉控制度和视觉聚合系数6个指标,分析地下换乘空间的可达性、渗透性、可识别性、可视性、视域范围和限制性,总结出京福线高铁地下换乘空间的组织特征,并提出相应优化策略。

为了研究在定向剪切下主应力偏转角对Q₂原状黄土强度与变形特性的影响,探讨了在定向剪切荷载作用下Q₂原状黄土的变形与强度特性,对比分析了重塑黄土与原状黄土结构性对剪切特性和非共轴特性的影响。结果表明:由于原状黄土内部结构性差异,当主应力偏转角α在0°和15°时,应变增量方向角随着α的增加而逐渐增加,非共轴性增强;当主应力偏转角α在30°~90°之间时,应变增量方向角随着α的增加而逐渐减小,非共轴性减弱,整体上呈先增强后减弱的趋势。该原状黄土达到破坏时的总广义应变值较小,通常为2%左右达到峰值强度,然后迅速发生较大变形而破坏。

大坝混凝土通水冷却时机控制的成功经验,不能很好适用于薄壁衬砌结构控温控裂。以水工隧洞为例,采用有限元法仿真计算,深入分析衬砌混凝土内部最高温度、最大内表温差、最大拉应力、最小抗裂安全系数及温降速率等温控特征值与通水时间的关系。结果表明:通水冷却控温最佳时机是混凝土覆盖冷却水管开始通水、最大内表温差出现后瞬间终止。在白鹤滩水电站1#泄洪洞上平段144~145单元进行现场试验,并结合有限元法仿真,验证了其控温控裂的科学性和经济有效性,可供实际工程采用。

在深基坑排桩支护设计中常将土的粘滞效应忽略,但对粘土分布较为广泛地区这并不符合工程实际,对于锚索施工后出现的意外脱锚现象也并未有具体研究。基于Kelvin粘弹性地基模型,对具体的深基坑排桩支护过程进行有限元模拟,分析了考虑粘滞效应的情况下支护结构中脱锚效应对支护桩的变形时效影响,以及考虑横梁和不考虑时横梁锚索失效的影响范围。结果表明,粘滞效应能够在支护桩变形、内力变化、锚索力变化过程中起到一定的延缓作用;考虑横梁也可有效抑制结构在水平方向的变形发展,且可有效提高支护桩体的抗弯性能,当发生脱锚后对结构变形等具有明显保护作用。

为了解决高地温隧道施工环境的热害难题,研究冰块辅助手段降温效果并确定其设计参数,以成昆铁路保安营隧道工程为依托,采用现场实测数据验证的数值模型就不同冰块形状和布置方式对高地温隧道中不同截面位置温度场分布影响问题进行了深入分析。研究表明:与纯机械通风对比,加以冰块辅助后各截面气温显著降低且各截面温度差距显著减小;立墙式冰块双侧布置降温速度最快,立墙形状比立方体形状快约20%,双侧布置比单侧布置快约15%;冰块用量相同条件下,通风30 min后隧道气温与其形状和布置方式关联性不大,冰块起到的作用主要为冷却被围岩加热后的新鲜风并维持其温度,隧道气温主要由通风温度决定。

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。

近年来,沿海经济和吹填技术发展迅速,围填海区域已形成大面积、大厚度的吹填饱和砂土地基,往往表现出易液化、承载力低的性质,给工程建设带来较大困难。强夯法是一种安全、经济的软弱地基加固方法,但由于饱和砂土地基强夯加固机制复杂,经验公式、数值仿真等方法难以反映客观情况或不便于现场应用,导致有效加固深度的工程设计缺少实用的方法。基于饱和砂土地基的加固机制,建立了考虑夯坑深度、压密壳深度、压密壳影响区深度的有效加固深度计算方法,有效加固深度的估算值与现场试夯检测情况较为吻合,说明本文提出的有效加固深度计算方法能够较为客观地反映饱和砂土地基强夯加固特征,具有较好的工程适用性和可靠性。

洞室开挖伴随岩体参数的劣化,描述参数的劣化对指导工程实践具有重要意义。为描述变形参数的劣化,基于霍克-布朗准则,利用损伤门槛值表征弹性模量劣化程度,通过泰勒级数简化求解含损伤门槛值的平衡方程得到塑性区半径解析解并给出损伤门槛值的取值方式,结合有限差分软件FLAC^3D对比验证了公式合理性。基于常弹性应变和变弹性应变2种假设,联合非关联流动准则获得了含损伤门槛值的塑性区位移表达式。最后,通过算例分析了不同参数下塑性区半径及洞壁位移变化规律。结果表明:劣化越严重,洞室越容易失稳;随着损伤门槛值增大,2种假设下的位移差值和塑性区半径逐渐增加,常弹性应变假设得到的位移偏小。为避免洞室失稳破坏,要重视支护的施作。

为研究砂泥岩互层岩样的力学特性,首先通过室内试验获取砂岩和泥岩的力学参数,然后采用PFC^2d软件对砂岩和泥岩的微观参数进行标定,进而开展了不同围压和倾角条件下砂泥岩互层试件的三轴压缩数值试验,分析了围压、倾角对砂泥岩互层岩样力学性质和破坏特征的影响规律。结果表明:(1)相同围压下,随着岩层倾角的增加,抗压强度、弹性模量和黏聚力均为先减小后增大的变化趋势,在岩层倾角60°时为最小值,随着围压的增大,轴向应变也相应增大;(2)在试样加载过程中裂纹数量的突变点与应力应变曲线弹性、塑性和破坏特征点相对应,并且拉伸裂纹数量占总裂纹数的比例大于剪切裂纹的占比;(3)在岩层倾角和围压的影响下砂泥岩互层岩样的破坏模式可分为3种,即张剪破坏、顺层理面滑动的剪切滑移破坏、滑移破坏和张剪破坏同时存在的复合破坏。研究结论可为砂泥岩互层岩体相关工程的变形稳定分析提供参考。

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。

洞室围岩参数一般具有很强的空间变异性,本文研究了岩体参数随机空间分布对围岩稳定性的影响。提出了基于协方差矩阵分解和GPU加速的空间随机场生成方法,建立将随机场与高级应变软化模型参数的映射,对比不同条件下随机场的变化以及对后续模拟开挖的影响。结果表明:指数型相关函数生成的随机场较为稳定分散,其最大位移值变化范围较小;平方指数型相关函数生成的随机场更为紧凑,最大位移值波动范围较大,偶然出现较危险的位移;对比X,Y相关长度可以发现,最大位移点的分布是相似的,开挖过程中洞室两侧中部、底部和拱顶是危险区域,损伤位置主要集中在洞室侧墙、拱顶交接处和侧墙中部。

为全面评价不同节理形貌特征(吻合度和粗糙度)对节理动态法向力学特性的影响,本文根据新提出的节理形貌生成方法,基于全因子实验设计,生成了6种粗糙度和5种吻合度组合下的全部30个节理形貌,并结合3D打印技术和水泥胶砂浇筑方法制作出节理试样,采用SHPB装置开展冲击压缩测试,得到了不同形貌的节理的动态应力-闭合量曲线,开展吻合度和粗糙度与节理动态力学参数的关联分析。结果显示,吻合度和粗糙度越小则节理动态刚度越弱,且吻合度对节理动态力学特性的影响大于粗糙度;吻合度和粗糙度对节理初始刚度的共同影响属于叠加影响,但在对节理最大闭合量的共同影响中,二者并不独立,而是存在交互作用。

高放废物深层地质处置库运行中,核废料衰变会释放较大热量,研究温度影响压实膨润土-砂混合物的膨胀特性对于评价处置库人工屏障系统的性能具有重要意义。本文对高庙子钠基膨润土及其含砂混合物在25、60、90 ℃下进行了膨胀实验。结果表明:渗透膨胀时,蒙脱石膨胀系数与温度之间(K-T_c)呈线性关系,最大膨胀应变随着温度升高而增大;相同温度下,高膨润土含量的混合物体积变形可以用e_m-σ_v分形关系表示,并且在去离子水内浸泡时,膨润土表面分维不受温度影响;低膨润土含量的混合物中存在砂骨架,上覆应力超过试样应力阈值时,e_m会偏离e_m-σ_v曲线。结合分形模型,提出了一种预测不同砂土比的膨润土-砂混合物在不同温度下的膨胀变形计算方法。

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。

砂土内部矿物成分的溶解、降解或内部侵蚀会造成土壤颗粒的损失,改变砂土土壤的微观结构,从而影响砂土的稳定性以及土体的强度和刚度。因此,为了研究不同内部侵蚀程度对引发漏水漏砂灾害的影响,通过引入一定数量的可溶解颗粒(盐)来营造内部侵蚀的情况,在水的渗透作用下,模拟了砂土内部侵蚀后漏水漏砂灾害,并通过三维离散元软件对试验过程进行模拟分析。结果表明,随着内部侵蚀程度从0%增加至30%,砂土沉降最大值从3.6 cm上升至6.6 cm,成拱时间从220 s缩减至140 s,内部侵蚀程度越大,颗粒接触力链越稀疏,导致土层表面塌陷沉降区越陡、越宽,天然滤层通道更深、更宽,砂土损失量越多。研究结果可为内部侵蚀砂土漏水漏砂灾害发生机理提供重要依据。

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。

以光敏树脂为原材料设计制作了不同裂隙倾角的3D打印岩体试样,开展了单轴压缩试验并结合数字图像相关(Digital Image Correlation, DIC)技术对试样破坏模式、力学特性、能量演化和破裂机制进行分析。结果表明:单轴压缩荷载下,试样在预制裂隙端部萌生剪切裂纹或张拉裂纹,预制裂隙角度对试样破坏模式影响显著;试样应力-应变曲线分为4段:压密、弹性变形、塑性变形和破坏段;试样峰值应力和弹性模量在裂隙倾角22.5°和90°时分别取得最小和最大值;试样能量演化曲线分为5段,即压密耗能、线性储能、能量跳跃积聚、弹性应变能释放和能量耗散段;加载初期试样存在不均匀应变区域,随着荷载增大,高应变带有规律地出现;试样上下翼起裂角相近且随预制裂隙倾角增加而有规律地减小;试样畸变能越大,承载能力越差。

城市地下空间作为集约型城市建设的必要途径以及“城市病问题”的有效解决方案,其开发利用受到了越来越多的重视。针对现有城市地下空间研究中集成要素不全面,导致其开发规划不协调的问题,提出了一种城市地下全要素信息多尺度语义表达模型。通过分析城市地下全要素信息的特点、存储形式及语义关系,明确了全要素信息所含的各种实体及其属性、实体间的联系等,构建了城市地下全要素信息实体关系ER图,同时,从语义层、模型层、表达层3个层次构建了城市地下全要素信息多尺度语义表达模型,并展现了该模型在城市地下空间开发适宜性三维评价中的应用实例。

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。

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。

为探究富水软土地层联络通道在冻结施工期间的土体温度场变化情况,以杭州至绍兴城际铁路工程某联络通道为例,运用现场实测和数值模拟方法,对联络通道的温度场分布和冻结壁厚度进行研究。结果表明:受管片散热及冻结管倾斜布置作用,冻结壁厚度随深度增加将呈现先持续增大,再小幅减小,最后归于平缓的趋势,当深度为2.192 m时,冻结壁厚度最大,当深度大于6.640 m时,冻结壁厚度趋于稳定;联络通道冻结区域土体可划分为散热影响段、冻结管布置影响段和冻结稳定段;隔热材料优化敷设方式和优化管片结构形式有效提升了靠近隧道管片端土体的冻结效果,使喇叭口位置的冻结壁厚度增加约53.8%。

本文在结构性类修正剑桥模型的基础上综合考虑了天然黄土的结构性及其演化规律、初始各向异性特征,建立了适用于天然黄土的临界状态本构模型。从能反映土体结构性的类修正剑桥模型出发,通过在屈服面、硬化准则以及临界状态描述方面引入各向异性参数,以此来反映天然黄土的各向异性特征。进一步地采用非相关流动法则推导出了饱和天然黄土的临界状态本构模型。本文模型共有9个参数,与传统的修正剑桥模型相比,增加了3个反映结构性的参数和1个各向异性参数,其均可通过常规三轴试验确定。通过选取不同地区黄土试验结果对比,表明所建立的本构模型能够较好地描述饱和天然黄土的结构性和各向异性特征。

为获得山东某金矿全尾砂浆静态浓密沉降特性规律,首先采用室内试验对该矿全尾砂进行物理化学特性分析,在此基础上,以控制变量法开展絮凝剂选型试验,然后,以全尾砂浆质量浓度和絮凝剂单耗作为输入因子,固体通量值为响应,采用响应面中心复合设计法(RSM-CCD),针对该矿全尾砂浆进行9组全尾砂浆静态浓密试验,根据试验结果建立响应曲面,对响应曲面参数进行可靠性分析。在静态浓密沉降试验基础上,对全尾砂浆进行浓密机动态絮凝沉降模拟试验。结果表明:以固体通量作为评价指标,全尾砂浆絮凝沉降过程,全尾砂浆质量浓度与絮凝剂单耗之间基本不存在交互作用,全尾砂浆质量浓度对固体通量值影响显著性水平高于絮凝剂单耗;当全尾砂浆质量浓度为14.7%和絮凝剂单耗为10.8 g/t时,响应曲面预测固体通量达到最大值为4.18(t/(h·m²)),与试验所测实际值误差小于3.5%;浓密机给料速度与底流浓度和屈服应力成负相关关系,与溢流水含固量成正相关关系。试验结果及动态沉降机理分析可为同类型矿山全尾砂浓密系统设计提供试验依据及理论指导。