地下空间与工程学报

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2025年, 第21卷, 第2期　
刊出日期：2025-04-20

地下空间开发利用
理论与试验研究
设计、施工、监测
防灾与环境

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地下空间开发利用

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地下工程绿色建造理论探索与技术实践

油新华, 王强勋, 卢志强, 杜金泽

2025, 21(2): 367-375. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.02.01

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城市地下空间绿色、健康发展是践行“绿水青山就是金山银山”理念,努力建设人与自然和谐共生的现代化的必然要求。针对当前我国地下空间绿色建造理论体系不系统、不完善的现状,总结形成了地下工程绿色建造“三三”理念,即在规划、设计和施工三阶段,充分考虑环境、资源、成本三要素,并遵照全寿命期成本最小化原理、四节一环保的目标导向和“人、建筑与自然”和谐共生的可持续发展理念三个基本原则。此外,通过调研国内外绿色建造相关案例及技术,系统搭建了地下工程绿色规划、绿色设计、绿色施工3个阶段的技术体系框架,并汇总了相关绿色技术实践。文章提出的地下工程绿色建造理念和搭建的绿色建造技术体系可填补地下工程绿色建造领域理论的不足之处,以期对我国地下空间绿色建造提供引导和借鉴。
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地下空间利用三维产权空间划定与管理

刘荷蕾, 陈小祥, 孙静静, 郭涛, 汪维录

2025, 21(2): 376-383. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.02.02

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地下空间开发利用的推广对土地产权空间的精细化划定和管理提出了更高要求,在土地供应前划定三维产权空间更是存在诸多挑战。深圳前海合作区通过多个地下空间开发利用项目,在三维产权空间划定与管理等方面积累了宝贵经验。本文对地下空间开发利用过程中,在土地供应前划定三维产权空间及其管理所面临的问题进行深入剖析,并结合前海合作区典型地下空间开发利用案例和土地立体化管理相关政策经验分析,在精细化划定三维产权空间、在相关文件或证照中增加三维信息和图形、三维宗地核定和管理机制、立体化空间权利相关政策完善、项目实施机制等方面提出改进建议,研究成果可为我国地下空间开发利用实践和管理提供参考和借鉴。
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基于潜变量和有序Logit地铁货运分担率预测研究

张涵, 吕永波, 任远, 郭建伟

2025, 21(2): 384-392. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.02.03

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地铁货运作为城市的一种新型货运模式,存在货品运输属性限制、公众认可度不确定、货运需求不明晰等问题。针对地铁货运特性总结了其适运货品,调研了托运人的选择偏好,建立了集成潜变量和有序Logit的选择模型,并与传统Logit模型进行了对比。同时,分别评估了地铁货运对高附加值和低附加值货品托运人的吸引力,以托运人选择地铁货运的概率作为地铁货运分担率开展预测研究,进行了边际概率的分析。结果表明:相较于传统模型,本文所建立的选择模型具有更好的拟合度与解释力;两类货主选择转向地铁货运的概率均高于选择不转移的概率;换装次数和运输费用分别对高附加值货主和低附加值货主有显著影响,不换装可使高附加值货主转向地铁货运的概率增加53.01%,费用每减少一个单位可使低附加值货主转向地铁货运的概率增加23.70%。

理论与试验研究

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横观各向同性板岩的三轴压缩损伤本构模型

贾健, 陶铁军, 田兴朝, 谢财进, 李国庆

2025, 21(2): 393-402. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.02.04

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为探究层理板岩在三轴压缩荷载作用下的力学性能和损伤演化规律,将层理结构面显著的板岩看作由包含微观缺陷的岩块、节理面闭合元件和剪切变形元件串联而成的复合岩体。考虑层理结构面的闭合和剪切滑移变形对层理岩石试样轴向变形的影响,结合统计损伤力学理论建立三轴压缩荷载下层理板岩的损伤本构模型,并开展三轴压缩试验验证模型的准确性。结果表明:建立的损伤本构模型可以准确地描述层理板岩应力–应变曲线的压密段和弹性段;层理倾角在0°到90°变化时层理板岩的强度和变形能力整体呈现U形分布,60°时呈现最小值;随着倾角的增加其破坏类型由张剪复合破坏向剪切滑移破坏发展,90°时为劈裂张拉破坏;损伤演化曲线整体呈现S形分布规律。
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动水条件下卵石地层帷幕注浆浆液扩散机理

刘军, 申精, 张宇, 陶连金, 丁鹏菲

2025, 21(2): 403-411. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.02.05

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帷幕注浆是隧道工程地下水控制的一个重要措施,富水情况下由于卵石地层渗透系数大,易形成动水条件,使得浆液的扩散半径难以确定,这将导致帷幕质量难以控制。基于迂曲度理论,建立了动水条件下牛顿型浆液在卵石地层中柱形扩散的模型,并进一步分析了迂曲度、注浆压力、地下水压力、地层孔隙度、渗透率及浆液黏度对浆液扩散距离的影响。结果表明:动水条件下,浆液的顺水流方向扩散距离显著大于逆水流方向扩散距离,且迂曲度对浆液的扩散距离影响较大;逆水流方向扩散距离受注浆压力、地下水压力、渗透率和浆液黏度的影响较大,顺水流方向扩散距离受地下水压力的影响较小,受其余因素的影响同顺水流扩散距离;受迂曲效应的影响,逆水流和顺水流方向的扩散距离受孔隙度的影响较小。研究成果可为富水卵石地层注浆帷幕设计和施工提供理论支撑。
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基于深度学习的砂岩样品三维重构研究

朱淳, 徐佳俊, 孙文斌, 何昌迪, 王晓

2025, 21(2): 412-419. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.02.06

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CT扫描和重构可以提供岩石内部结构的详细视图并对其定量分析,而在此过程中需要对扫描所获得的CT图片中的不同部分进行准确分割。本研究对传统的U-Net、增加残差模块的ResUNet,以及融合了残差模块与迁移学习特性的ResUNet-TL三种深度学习模型进行比较和分析,并借助ImageJ软件中的Weka3D进行图像分割作为对照。通过对比和分析,发现采用预训练的VGG模型以及深度残差网络技术的ResUNet-TL模型在处理复杂的岩石CT图像分割任务上优于其他模型,在准确率和F1得分两种不同的评价指标上都表现出较大的优势。将ResUNet-TL模型应用于二维CT图像中裂隙的识别,随后采用堆叠的方式,将所有被分割的CT图片进行三维重构,获得岩石样本的三维模型并进行定量分析,为岩石科学的研究和应用提供了有效工具。
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循环水压下节理砂岩卸荷力学特性研究

郭永成, 王树楠, 李建林, 王兴霞, 朱波

2025, 21(2): 420-427. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.02.07

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水电工程的库岸边坡岩体在运营中难免遭遇卸荷作用,水位周期性升降也使岸坡部分岩体结构进一步劣化,易引发滑坡,严重威胁居民的生命和财产安全,故开展水压循环作用下节理砂岩的卸荷力学特性研究十分必要。本文以三峡库区典型岸坡的砂岩为试验对象,设计开展不同倾角交叉节理砂岩在循环水压作用下的卸荷力学特性试验,重点分析了循环水压作用对砂岩卸荷力学特性和微观结构的影响。研究表明:交叉节理岩样的强度主要受主节理倾角α的影响,α从0°增加到90°,峰值强度依次增大;同一α下,次节理倾角β从0°到90°,峰值强度呈现先减小后增大的趋势,总体变化幅度较小;弹性模量和变形模量随着α的增大依次增大,随β的增大呈现先减小后增大的趋势;随着水压循环次数的增加,轴向和环向应变不断增大,增加的速度呈现出先增大后减小的趋势;轴向应变和环向应变增量在α=60°时最大,在α=90°时最小;α=60°的节理岩样弹性和变形模量劣化度最大,水压循环作用对60°节理倾角试样的劣化作用最明显。
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酸热作用对黄砂岩力学特性影响的试验研究

蒋余静, 张恒根, 王卫华

2025, 21(2): 428-436. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.02.08

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对酸热处理后的黄砂岩试样进行了物性测试、单轴压缩试验、SEM扫描和工业CT测试,探讨了酸热作用对黄砂岩物理力学性质的影响,揭示了酸热作用后黄砂岩试样的微观损伤机制,结果表明:受酸热共同作用后黄砂岩试样质量和纵波波速均随温度升高而不断降低,而孔隙率则随温度升高而增大;与仅受高温作用的黄砂岩相比,遭受酸热共同作用的黄砂岩峰值强度、弹性模量、峰值应变均会进一步劣化;酸热作用下黄砂岩的微观损伤表现为试样中裂纹以及孔隙的扩展;高温热应力会在岩样内部和表面产生热致裂纹,从而削弱矿物颗粒间的粘结性,增大试样孔隙率和延性,降低试样的纵波波速和强度;当加热温度超过石英矿物相变温度时,石英矿物相变会加快热致裂纹的萌生和扩展,导致黄砂岩不可逆热损伤的加速发展;酸性溶液的侵蚀会在岩样中产生酸致裂纹,同时造成热致裂纹的二次扩展,从而加剧了黄砂岩力学性能的劣化。
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单轴荷载作用下裂隙砂岩的红外辐射特征研究

徐奕, 金克盛, 张科, 张凯

2025, 21(2): 437-443. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.02.09

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为探究单轴荷载作用下裂隙砂岩破裂引起的红外辐射效应,通过红外热成像技术实现试验全程温度场的非接触式观测,引入变异系数定量描述红外辐射温度场的演化规律以及前兆异常特征。结果表明:裂隙倾角控制着砂岩试件破坏模式和红外辐射特征;红外辐射温度场变异系数演化规律呈现出阶段性演化特征,与破坏模式密切相关;当试件发生剪破坏时,变异系数曲线表现为稳定型;当试件发生“H”型混合破坏时,变异系数曲线表现为下降型;变异系数加速上升分异阶段的起始点可视为试件破裂失稳前兆点。研究成果有助于深化对裂隙岩体破坏机制的认识,可为工程裂隙岩体灾变预测提供理论支撑。
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细观参数对冻结砂土局部应变特征的影响研究

周若星, 姚晓亮, 高雄, 王文丽, 余林

2025, 21(2): 444-451. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.02.10

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冻土变形破坏过程与其局部应变特征发展规律有着密切联系,研究应变局部化发展规律有助于揭示其变形破坏机理,为实际工程提供理论依据。本文结合冻土平面应变试验结果及离散单元法,研究土体细观参数对其局部应变特征的影响。根据不同温度和应变速率条件下平面应变试验数据结果,采用“试错法”确定接触黏结模型在不同条件下的细观参数,结果表明:应力–应变曲线的峰值应力及其对应的轴向应变值基本一致,但在应变软化阶段,数值模拟结果相较于试验结果发展较快,这主要是由于接触黏结模型中不考虑土颗粒间胶结冰对转动的抵抗作用所致;剪切带的宽度、倾角及残余强度的试验和模拟值基本一致,结合库伦解的基本形式建立的细观摩擦系数与内摩擦角的量化关系能够准确描述土体的剪切带倾角,这表明细观参数中的摩擦系数是影响土体最终破坏形态的主要因素。
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考虑颗粒破碎的粗粒土一维压缩试验及数值模拟

徐宇冉, 蒋函静

2025, 21(2): 452-460. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.02.11

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高应力状态粗粒土颗粒会发生颗粒破碎现象,颗粒粒径分布发生变化,大大增加了颗粒的压缩性。本文通过对生石膏、钙质砂两种均匀级配砂进行高应力下的一维压缩试验,探究初始粒径及材料性质对于试样屈服应力及压缩系数的影响。采用PFC-3D对粗粒土颗粒一维压缩过程中的颗粒破碎现象进行三维模拟,不仅实现了颗粒破碎可视化,还探究了初始粒径、粒间摩擦系数、破碎情况以及破碎准则对压缩特性的影响。结果表明:随着初始粒径的增大,屈服应力随之减小,而压缩系数随之增大;材料性质及破碎准则均可对压缩特性产生不同程度的影响,粒间摩擦系数及破碎情况则基本无影响;试验和模拟过程中,颗粒粒径均由最初的均匀分布向着分形分布发展,PFC-3D可以较好地对颗粒破碎现象进行模拟。
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动态法向应力振幅对散体材料摩擦特性影响研究

党文刚, 郑俊滔, 陈俊鹏

2025, 21(2): 461-471. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.02.12

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散体颗粒材料被广泛应用于基础设施工程建设中。为了深入研究动态法向应力振幅对散体材料剪切滑移特性的影响,本文以标准干砂为研究对象,采用大型动态直剪试验机对标准砂进行变法向应力剪切试验。结果表明:(1)剪切应力、摩擦系数以及法向位移均伴随着法向力的改变呈周期性变化;(2) 随动态法向应力振幅的增大,稳定滑移阶段剪切应力的峰值和谷值均先增大后减小,最大峰值剪切应力大于静态法向应力下峰值剪切应力;(3)剪切应力峰值与法向应力峰值间存在一个明显的相位差,该相位差随着剪切变形的增大而减小,随着动态法向应力振幅的增大而增大,然而剪切应力谷值与法向应力谷值间却不存在相位差;(4)动态法向应力下的法向位移随振幅的增大而增大,且远大于恒定法向应力下的法向位移。研究可为实际工程中动力荷载条件下下砂土强度参数的确定提供参考。
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纤维加筋黄土力学特性及土水特征试验研究

褚峰, 吴云超, 张宏刚, 陈挺

2025, 21(2): 472-480. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.02.13

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将废旧维纶纤维及涤纶纤维分别按一定比例掺加到黄土中,形成纤维加筋黄土,利用非饱和土固结仪对不同含水量条件下维纶纤维加筋黄土、涤纶纤维加筋黄土及素黄土在竖向荷载作用下的变形量及吸力进行量测,系统分析了纤维加筋黄土的屈服特性及在竖向荷载作用下的土水特征。结果表明:(1)纤维加筋黄土及素黄土的屈服应力随着含水量的增大而减小,同一含水量条件下,维纶纤维加筋黄土的屈服应力大于涤纶纤维加筋黄土的屈服应力;(2)纤维加筋黄土的初始吸力大于素黄土的初始吸力,同一含水量条件下,维纶纤维加筋黄土的初始吸力大于涤纶纤维加筋黄土的初始吸力;(3)在竖向荷载作用下,素黄土吸力随着竖向荷载的增大而逐渐减小,维纶纤维加筋黄土吸力随着竖向荷载的增大呈先增大后平缓稳定的变化趋势,涤纶纤维加筋黄土吸力随着竖向荷载的增大呈先平缓稳定后逐渐减小的变化趋势;(4)纤维加筋黄土的吸力临界荷载随着含水量的增大而逐渐减小。
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部分颗粒流失紫色土的固结及渗透特性研究

向阳, 汪时机, 李贤, 张起勇, 夏浩城

2025, 21(2): 481-489. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.02.14

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为探究部分颗粒流失对三峡库区易腐蚀紫色土压缩固结和渗透特性的影响,选用三峡库区易腐蚀紫色土进行一维固结压缩试验,设计不同干密度(1.50、1.45、1.39、1.34 g/cm³)和不同粒组缺失程度(无缺失、缺失小于0.075 mm粒组、缺失小于0.25 mm粒组、缺失小于0.5 mm粒组、缺失小于1 mm粒组)两组变量正交试验,并对试验数据采用4种类型的渗透系数–孔隙比非线性关系进行拟合。结果表明:(1)随着粒组缺失,不均匀系数C_u减小,平均粒径增大,压缩系数a_1-2先减小后增大;(2)固结系数C_v1-2先减小后增大再减小,粗颗粒的骨架作用对粗粒土渗透系数也有重要的影响并且十分显著;(3)4种非线性渗透模型对三峡库区紫色土都是适用的,其中lg[k(1+e)]－lge渗透模型对试验数据拟合效果最好,相关度最高,且形式简洁。
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含粉粒砂土循环及循环后液化特性研究

施周桓, 孙宏磊, 孙淼军, 潘坤

2025, 21(2): 490-496. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.02.15

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利用GDS标准型动态三轴仪,对含粉粒砂土进行了不同固结应力条件下的循环剪切试验,研究了粉粒含量和固结条件对土体循环及循环后液化特性的影响。结果表明:(1)不同固结应力条件下粉砂呈现出3种响应模式,即流动液化、循环活动性以及残余变形累积;(2)相同的初始状态参数条件下,粉砂土的抗液化动强度随着粉粒含量的增加先增大后减小,而非等向固结条件对土体动强度的影响也具有非单调性,与初始静偏应力的方向和大小有关;(3)对发生循环液化破坏的试样进行了再循环加载,发现在初次循环中表现为流动液化或循环活动性的试样,其循环后抗液化强度下降较为明显;(4)而当试样破坏由残余变形累积导致时,其循环后动强度有一定程度的增大。
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干湿循环对砂–膨润土阻隔墙抗渗性能影响

许四法, 何露艳, 蒋耕韩, 胡昕怡

2025, 21(2): 497-505. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.02.16

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城市中心污染场地一般采用阻隔墙防止有害物质扩散,但干湿循环会影响污染场地阻隔墙的防渗性能。通过干湿循环后的柔性壁渗透试验和CT扫描研究干湿循环对砂–膨润土阻隔墙的抗渗性影响以及微观结构变化特征。结果表明:(1)砂–膨润土渗透系数k随着干湿循环次数的增加而增大,2~6次干湿循环的渗透系数k增幅最大,从1.33×10^-7cm/s增大至6.05×10^-5cm/s,增大了454倍;(2)结合CT扫描以及图像处理,发现试样的孔隙体积率随着干湿循环次数增加而增大,2~6次干湿循环的孔隙体积率从14.66%增大至25.39%,6次干湿循环后孔隙体积率增幅不大并趋于稳定;(3)干湿循环前期,试样的孤立孔隙不断萌发扩展,密度增大,6次循环之后连通孔隙开始出现,8次循环之后孤立孔隙完全演化为连通孔隙。
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干湿循环作用下地聚物固化黄土的劣化性研究

李昊杰, 唐先习, 张徐军, 李明泽, 王之鲁

2025, 21(2): 506-516. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.02.17

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近年来,极端天气频繁发生,加上人类活动加剧,导致西北地区地下水位波动频繁,对固化土产生了较大影响。本文以粉煤灰和钢渣为原料,通过碱性硅酸钠溶液激发形成一种较高强度地聚物凝胶材料固化黄土,通过无侧限抗压强度试验、直剪试验、电子显微镜扫描试验(SEM)和X射线衍射试验(XRD),研究干湿循环后的固化土力学性能以及微观结构的变化。结果表明:干湿循环湿化度是固化土劣化的一个重要因素,随着湿化度增加,固化土的劣化程度增加;同时,添加地聚物可以有效减缓固化土的劣化程度,固化土黏聚力随着循环次数的增加呈线性持续劣化趋势,掺量为20%的聚合物固化土具有较好的抗干湿稳定性;经过15次循环后,素土和固化土的内摩擦角在前7次干湿循环中均有所减小,但在第7次之后变化趋势平缓;通过SEM和XRD分析观察到,在干湿循环的初期,固化土中存在少量未反应的钢渣和粉煤灰,这些物质在继续水化反应后形成了C-S-H和C-A-S-H胶凝物质,填充了土颗粒之间的空隙,减缓了固化过程的劣化程度。
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考虑砂土空间变异性的单桩静载试验

董小乐, 游志文, 卢世康, 桂亚坤, 谭晓慧

2025, 21(2): 517-522. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.02.18

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土体空间变异性是影响桩基承载性能的主要来源之一,研究其对桩基承载性能的影响具有重要的工程实用价值,但目前考虑空间变异性的静载试验研究较少。因此本文提出一种可以考虑土体水平与竖向空间变异性的室内小尺寸单桩静载试验方法。以考虑砂土含水率的空间变异性为例,首先,自主设计与制作了可以划分不同区域的模型箱,用来填充不同含水率的砂土;然后,基于Karhunen-Loeve展开法建立随机场模型,获得模型箱内不同区域的含水率分布。最终按所需含水率配制与填充砂土模型并在中心安装小尺寸模型桩,进行竖向荷载下的静载试验,进一步获得模型桩的荷载–沉降曲线。通过对比不同随机场模型下的静载试验结果,发现空间变异性对桩基承载性能具有不可忽视的影响。
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木质素磺酸钙改良花岗岩残积土路用性能研究

朱文羲, 邓华锋, 李建林, 熊雨, 程雷

2025, 21(2): 523-532. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.02.19

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为改良花岗岩残积土以满足路堤填筑的需求,综合考虑木质素磺酸钙的特点,设计并开展木质素磺酸钙改良花岗岩残积土试验,综合宏观物理力学试验、室内模型试验以及微细观检测,系统分析了木质素磺酸钙能否满足路堤填筑需求以及改良机制。结果表明:(1)木质素磺酸钙的掺入,有效改良了花岗岩残积土路用性能,木质素磺酸钙掺量在4.00%达到最佳,与改良前相比,液限降低了32.28%、塑限降低了40.06%、最佳含水率降低了18.63%、承载比提升了567.09%,并且改良后均满足填筑规范要求;(2)木质素磺酸钙的掺入,显著提高了花岗岩残积土的力学性能,2.00%~8.00%掺量下固化体的抗压强度提升了61.12%~126.11%,内摩擦角增加了13.08%~37.74%,黏聚力提升了108.50%~379.86%;(3)木质素磺酸钙改良花岗岩残积土的增强机制主要有两个方面,一方面木质素磺酸钙水解后其本身能够发生质子化反应形成木质素聚合物,能够胶结土体,提升力学性能;另一方面木质素磺酸钙水解出的钙离子通过离子交换反应形成了典型的碳酸盐胶结物质CaMg(CO₃)₂,而碳酸盐胶结强度高于黏土矿物。
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黄土–螺纹桩接触面直剪试验

康卿瑜, 吕擎峰, 杲斐, 续晓花, 李钰

2025, 21(2): 533-539. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.02.20

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螺纹桩构造复杂,对其受力分析一直是研究难点。本文基于3D打印技术制作螺纹桩接触面,通过直剪试验,对黄土–螺纹桩接触面摩擦特性进行了研究。分析了接触面的剪应力应变曲线、剪切刚度、内摩擦角及黏聚力,讨论了干密度、含水率和螺距对接触面摩擦特性的影响。结果表明:黄土–螺纹桩接触面在剪切试验过程中经历了非线性弹性变形、塑性破坏和剪切滑移;当干密度减小、含水率增大、法向应力增大时,应力应变曲线非线性弹性变形特征加剧,应变软化潜力降低;接触面切向刚度与干密度呈正相关,与含水率呈负相关;接触面黏聚力主要受干密度和含水率的影响,而螺距对接触面内摩擦角的影响较大;基于摩擦特性,建议螺纹桩最佳螺距和桩径相同。
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固化淤泥土–混凝土界面剪切力学性能研究

范祥, 田晓龙, 蒋少武, 邱昌, 陈锐

2025, 21(2): 540-550. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.02.21

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以淤泥土为原料土,通过自制混凝土试块和固化淤泥土试样,利用室内直剪仪对固化淤泥土–混凝土界面进行剪切力学试验,探究试样养护龄期、固化剂种类及含量、界面粗糙度等因素对剪切力学特性的影响。结果表明:固化剂种类及含量、淤泥土的含水量及固化程度对界面剪切力学行为产生影响;在外加剂的影响下,用SiO₂固化淤泥土的界面剪切强度、黏聚力均大于MgO;MgO掺量为12%时,固化淤泥土的剪切界面内摩擦角最大,其次分别是掺量为12%和6%的SiO₂,MgO掺量为6%时最小;在对双曲线模型进行修正的基础上,建立了不同养护龄期下固化淤泥土–混凝土界面的剪切双曲线型经验公式;研究结果可为软土地区预制摩擦桩的设计与施工提供参考。
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隧道压力(承载)拱研究现状与展望

马凯蒙, 张俊儒, 颜志坚, 汪波

2025, 21(2): 551-562. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.02.22

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随着我国交通网络的发展与施工水平提升,大量高难度隧道的修建推动了隧道工程研究深入发展。压力拱作为围岩承载的主要区域,其范围影响隧道的稳定性,因此有大量针对隧道压力(承载)拱的研究,但却鲜有系统性总结。本文调研了压力拱的研究进展,回顾了发展历史,梳理了研究手段与边界判定方法,其中“切向应力大于原岩应力”的内边界与“切向应力恢复至原岩应力110%”的外边界被广泛认可。压力拱的形成受围岩条件、地应力量级、隧道形状尺寸及施工因素的共同影响。其演变过程分为初始压力拱、分离压力拱、稳定压力拱与塌落压力拱4种状态,施工支护的目标是避免塌落压力拱的出现。围岩压力与压力拱范围的关系表明,岩类隧道支护结构主要提供形变压力以保持围岩稳定,土类隧道支护结构主要受压力拱内土体的松散荷载。未来研究应完善成拱机制,探究非均质岩体中压力拱分布规律及三维动态形态。

设计、施工、监测

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超大埋深软岩隧道中导洞合理超前距离研究

谭忠盛, 张宝瑾, 卫鹏, 林克, 赵金鹏

2025, 21(2): 563-571. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.02.23

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在超大埋深软岩中修建隧道,由于地应力高、围岩软弱,常常导致隧道产生大变形灾害。采用超前中导洞应力释放技术释放部分地应力,可使围岩中高地应力场转变为低地应力场,降低正洞扩挖时围岩作用于支护结构上的力,从而减小隧道变形,保证支护结构的安全。本文以滇藏铁路丽香段哈巴雪山隧道为依托,分析中导洞不同超前距离工况下隧道的变形量、初期支护结构受力及围岩塑性区大小,提出中导洞合理超前距离,并通过现场监测对其应用效果进行分析。结果表明:中导洞超前距离为2倍中导洞洞径时,隧道变形及围岩塑性区较小,支护结构受力较为合理,且现场实测隧道变形平均可减小44.52%,初期支护结构围岩压力、钢筋应力及喷混应力平均降低32%、35%、31%。
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废弃巷道扩建弹药洞库的设计和数值模拟

王祥钦, 朱万成, 刘洪磊, 邓文学

2025, 21(2): 572-580. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.02.24

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为达到将废弃矿井的地下空间进行军事利用的目标,本文借助Flac3D软件模拟并研究废弃矿井旧巷道扩建弹药洞库在稳定性上的可行性。根据废弃矿山的巷道分布情况,结合弹药洞库的埋藏深度、安全相邻距离以及具体的断面参数等定量指标,确定了8座弹药洞库的具体布置。随后,在三维建模后模拟了某采区经历包括开拓、回采、充填3个过程在内的开采全过程后的废弃状态下的围岩稳定性,确定了某采区在稳定性上扩建弹药洞库的可行性。最后,通过再一次对弹药洞库的精细化建模后模拟并分析了扩建的8座弹药洞库的稳定性,结果表明:地表仅有小范围的拉应力集中但并未破坏,绝大部分地下巷道都具有很好的稳定性,局部的破坏主要集中在巷道的拱顶和底板;以该断面参数扩建的8座弹药洞库基本上可以保证整体稳定。
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西北盐渍土地区衬砌混凝土优化与耐久性研究

刘彦文

2025, 21(2): 581-589. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.02.25

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我国西北地区土壤及地下水中含有浓度较高的Cl^-、SO₄^2-和Mg²⁺,侵蚀性离子会渗入到隧道中衬砌混凝土,严重威胁着混凝土结构的服役寿命。本文采用正交试验探究了水胶比、硅灰掺量、粉煤灰掺量对衬砌混凝土性能的影响。为了更好地模拟实际环境,分别配制了5种不同类型的含Cl^-、SO₄^2-和Mg²⁺复合盐溶液,并选取正交试验中的最优因素组合开展了56天侵蚀后其抗压强度以及表层氯离子浓度的变化规律的研究,采用扫描电子显微镜(SEM)和X射线衍射(XRD)对侵蚀过程进行了微观分析。结果表明:水胶比、粉煤灰掺量、硅灰掺量为0.33、30%、8%时,衬砌混凝土力学性能及抗氯离子侵蚀性能最佳;当混凝土在Cl^-和SO₄^2- 共同作用下,水化产物钙矾石膨胀破坏其内部结构,导致抗压强度下降,Cl^-侵入速率加快;而Cl^-和Mg²⁺共同作用下,Mg²⁺的侵入会破坏混凝土内部的碱性环境,也会造成抗压强度的降低,但其生成物Mg(OH)₂会阻碍Cl^-侵入材料内部;当Cl^-、SO₄^2-和Mg²⁺共同作用下,Mg²⁺和SO₄^2-可分别在不同程度上抑制Cl^-的侵蚀速率,同时SO₄^2-和Mg²⁺存在相互抑制的复合作用,使得有效降低混凝土的抗压强度损失。
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硬岩隧道聚烯烃纤维混凝土单层衬砌服役性能研究

蒲振兴

2025, 21(2): 590-599. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.02.26

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硬岩条件下的隧道采用单层衬砌能够有效减小施工成本,提高施工效率,但有关单层衬砌稳定性及结构强度相关研究较少。为了分析硬岩隧道中聚烯烃纤维混凝土单层衬砌的服役性能,本文分别通过混凝土力学性能试验、现场监测以及数值模拟等手段与同等级素混凝土单层衬砌进行对比分析。结果表明:(1)聚烯烃纤维混凝土具备更高的强度及韧性,纤维能够抑制裂缝的开展,变形过程中呈现出更好的塑性特征;(2)Ⅱ级围岩下采用聚烯烃纤维混凝土进行单层衬砌地表沉降较小,能够满足结构所需的强度及稳定性;(3)聚烯烃纤维混凝土单层衬砌比复合式衬砌每延米造价节省5.3%。
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大断面砂质黄土隧道台阶开挖工法研究

乔世刚, 杨广青, 曹康玲, 汪精河

2025, 21(2): 600-609. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.02.27

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为研究大断面砂质黄土隧道的合理台阶开挖工法,以中兰铁路最长的黄土隧道为研究对象,在室内土工试验获取围岩参数的基础上,采用数值模拟方法对比分析了三台阶法、三台阶七步法和三台阶临时仰拱法与超前管棚组合下的围岩变形控制效果,并考虑施工进度和造价因素,优选出合理工法。开展现场测试工作,评价了优选工法的有效性,结果表明:(1)对于拱顶沉降和水平收敛,三台阶临时仰拱法和三台阶七步法控制效果相当,三台阶法最差;(2)对于掌子面挤出位移,三台阶临时仰拱法控制效果最优,三台阶七步法控制效果最差;(3)对于三台阶临时仰拱法,围岩压力沿洞周分布较小,小于规范中松动压力计算值,围岩处于弹塑性状态,钢拱架弯矩较小,轴力较大,呈现小偏心受压特征,且安全系数均小于规范容许值。综合数值模拟和现场测试结果,三台阶临时仰拱+超前管棚组合工法兼顾了施工速度和围岩变形控制需求,可作为大断面砂质黄土隧道的优选工法。
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铁路隧道空孔直眼掏槽爆破数值模拟及现场应用

李曙光

2025, 21(2): 610-619. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.02.28

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在空孔直眼掏槽爆破中,空孔常用作辅助自由面和爆破岩石的补偿空间,其对爆破效果有着重要的影响。本文以某铁路隧道工程为背景,通过理论分析、数值模拟及现场应用三个重要手段对空孔直眼掏槽爆破进行研究,借助ANSYS/LS-DYNA有限元软件分析了多炮孔爆破作用下不同空孔直径及炮孔与空孔间距两个关键技术参数对爆破效果的影响。结果表明:空孔直眼掏槽爆破槽腔最终的成型效果与空孔直径大小、装药孔至空孔的距离有关,当空孔直径为2倍装药炮孔直径且二者间距为2.5倍空孔直径时,掏槽爆破效果最好。基于理论分析及数值模拟结果对现场进行空孔直眼掏槽爆破设计及应用,发现掌子面平整光滑,平均线性超挖均值在15 cm以内,轮廓成型质量较高,验证了数值模拟及爆破方案的合理性。研究成果可为类似隧道断面爆破设计提供参考。
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MJS套打钻孔灌注桩施工扰动变形特性研究

李平, 马向前, 陈育民, 刘光辉, 李焱

2025, 21(2): 620-628. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.02.29

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针对狭小密闭空间内深基坑开挖支护难的问题,研发了高压喷射注浆系统(Metro Jet System, MJS)止水帷幕套打钻孔灌注桩的微扰动支护方案。以海安火车站站房扩建项目三期深基坑工程为例,应用Plaxis 3D有限元分析软件建立三维数值计算模型,对MJS止水帷幕在不同喷浆压力、喷浆范围、桩径大小和施工顺序工况下对临近既有建筑物桩基的变形影响进行了优化分析。结果表明:随着MJS桩喷浆压力系数的增大,既有桩基等深度处水平变形位移呈线性增长;随着MJS桩喷浆范围的减小,施工对临近既有桩基的变形影响沿桩深方向均有所减小;既有桩基变形位移随MJS桩径大小呈非线性变化;考虑多桩不同施工顺序的影响,从中间往两边对称的施工方法对临近既有桩基的累积变形量最小。研究成果可为类似狭小密闭空间内基坑开挖支护提供经验。
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滇中引水工程蔡家村隧洞软岩大变形处理研究

杨小龙, 向天兵, 司建强, 王维, 杨映龙

2025, 21(2): 629-636. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.02.30

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软岩隧洞大变形控制是长距离引调水工程中难以避免的技术难题。滇中引水工程输水总干渠昆明段蔡家村隧洞埋深大,成岩年代久远,断层构造和节理裂隙发育,施工过程中软岩洞段频繁发生造成侵限换拱的大变形,对工程建设安全、进度和成本构成严重威胁。总结分析了隧洞建设过程中出现的大变形情况和原因,并以4^#施工支洞上游主洞段为例,通过数值仿真分析等手段,研究了大变形特征和处理措施的有效性,在此基础上提出了基于强度和强度应力比的大变形分级评价标准和包括开挖台阶、预留变形量、超前支护、一次支护和垫层等在内的综合处理措指南,有效解决了后续软岩洞段的大变形问题。研究成果可为类似地质条件下的隧洞建设提供经验借鉴。
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高海拔寒区隧道水热力现场试验及数值模拟

潘振华, 包卫星, 郭强, 车博文, 卢汉青

2025, 21(2): 637-647. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.02.31

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在高海拔寒区,隧道病害严重威胁着道路的行车安全。本文利用现场试验获得的大量监测数据,研究了青藏高原某高海拔寒区隧道的气候特征及温度场时空分布规律,建立了水–热–力耦合冻胀模型,同时,采用COMSOL数学模块中的系数型偏微分方程和固体力学模型进行水热力数值模拟,利用监测数据验证了该模型的准确性,在此基础上,研究了该寒区隧道工程的水热力学分布特性,结果表明:外界气温与隧道温度之间具有强相关性,离洞口越近,两者之间响应越强;气温对隧道径向温度场的影响主要体现在衬砌和浅层围岩,对深层围岩温度影响较小且相对滞后;隧道洞口段衬砌和路面冻害严重,在冷季,隧道仰拱处的含冰量和边墙处的混凝土二衬应力达到最大值;此外,气象要素、衬砌与围岩间的相互作用是引起高海拔寒区隧道洞口段冻害破坏的主要原因。研究结果有助于更好地认识高海拔寒区隧道的水热力作用机理,可为寒区隧道工程的设计和养护提供科学依据。

防灾与环境

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城轨运营突发大客流预警耦发机制研究

马成正

2025, 21(2): 648-653. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.02.32

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“3060”双碳目标是我国关于碳排放有效治理的重大战略目标。城市轨道交通运营客流强度管理重点关注车站大客流形成机理、演变机制、预警概率、风险管理及应急处置。仅依靠工作人员人工巡查及通过对特定区域预设监控图像监测,无法实现主动预判客流预警。基于AFC大数据及智能视频图像识别处理分析原理,提出地铁突发大客流预警双维度耦合触发机制。构建突发大客流耦合触发判定矩阵,分级定义突发大客流预警风险概率,提出客流管控应对指南。以南京地铁突发大客流智能预警信息平台为例,验证了预警机理及耦合触发机制模型准确性及可操作性。
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浅埋隧道开挖面稳定性三维下限极限分析

张永娟, 张箭, 孙锐, 陈子昂, 丰土根

2025, 21(2): 654-660. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.02.33

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针对砂土地层浅埋盾构隧道开挖面稳定性问题,利用编制的极限分析三维下限数值计算程序获取维持开挖面稳定的最小极限支护压力,并与极限分析上限法、极限平衡法及模型实验结果进行对比分析,验证了所得支护压力为极限分析理论框架内的较优解答。结果表明:本文所提极限分析三维下限数值分析方法可直接获取开挖面极限支护压力和失稳形态,摆脱了破坏模式的限制,且具有较高的计算精度;内摩擦角显著影响开挖面前方地层破坏模式以及极限支护压力的变化规律;内摩擦角较小时,开挖面前方地层整体失稳,极限支护压力随着埋深比增大而增大;内摩擦角较大时,开挖面前方地层仅局部失稳,支护压力几乎不受埋深比影响;极限支护压力在不同埋深比时均会随着内摩擦角的增加而降低。研究成果丰富了浅埋盾构隧道开挖面稳定性的理论成果,可为开挖面支护压力设计提供借鉴。
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小井间距双井溶腔长期稳定性的模拟分析

陈盛威, 梁五星, 郭玉平, 程功, 王同涛

2025, 21(2): 661-671. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.02.34

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地下盐穴的稳定性研究对于我国地下储气库的广泛应用具有重要意义。通过FLAC^3D模拟软件从体积收缩率、腔体顶板沉降量、相对塑性区体积3个角度探究井口间距和循环内压对盐岩储气库运行稳定性的影响,结果表明:井口间距为12 m或14 m时,双井溶腔运行30年后仍具有较好的长期稳定性;循环内压的变化会显著影响腔体的顶板沉降量等指标,综合考虑双井溶腔的运行安全性和经济性,建议储气库运行期间最低运行内压不低于8 MPa。讨论了井口间距对管柱单元沉降量及周围相对塑性区体积的影响,结果表明:在不超过20 m的情况下,井口间距的变化对管柱单元的影响不大。
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基于易发性和降雨阈值的岩溶塌陷风险预测

杨忠平, 高宇豪, 何科均, 卢丙清, 杨发祥

2025, 21(2): 672-683. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.02.35

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为提高岩溶塌陷风险预测精度,以重庆市中梁山地区457处历史塌陷点为基础数据,结合模糊层次分析法与信息量法划定岩溶塌陷易发性分区,并基于考虑塌陷点密度选定的均布非塌陷点建立受试者曲线(ROC),验证了该分区的准确性。利用近期57处降雨型岩溶塌陷点历史数据建立前期有效降雨量–降雨历时(P_EE-D)阈值方程,结合易发性分区构建启发式矩阵风险预测模型。通过塌陷概率同有效降雨强度和降雨历时的非线性拟合,得到降雨引发岩溶塌陷的连续概率值,进而与易发性分区耦合构建连续概率性预测模型。利用2021—2022年4次近发降雨致塌事件对以上两种岩溶塌陷预测模型进行了验证。结果表明:(1)选定不同倍数于塌陷点数的非塌陷点所得各ROC曲线下面积(AUC值)均达0.95以上,表明所划分易发性分区的准确性较高;(2)建立了中梁山地区降雨型岩溶塌陷连续概率的逻辑回归模型,该模型与临界降雨阈值模型所得离散概率结果拟合优度达0.913 5;(3)两种预测模型对4次近发塌陷事件出了基本相同的风险级别预测,但启发式矩阵风险预测模型所划分的极高风险区面积显著大于连续性概率预测模型,其预测结果偏保守。启发式矩阵风险预测模型易于实施,连续概率型风险预测模型具有更高的精度和空间辨识度。
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基于EMD-多层LSTM的盾构隧道长期沉降预测

沈一鸣, 张冬梅, 黄忠凯, 朱美恒

2025, 21(2): 684-694. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.02.36

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长期沉降是运营期盾构隧道纵向结构安全的重要影响因素之一。为了更精确地预测运营期盾构隧道长期沉降发展情况,本文采用深度学习算法提出了基于经验模态分解-多层长短期记忆人工神经网络(EMD-多层LSTM)的运营期盾构隧道长期沉降预测方法。建立的方法主要通过数据前处理、经验模态分解、预测模型构建和结果重构4个关键步骤实现对运营期盾构隧道长期沉降的预测,并成功应用于上海地铁10号线多个监测点的长期沉降预测分析中。结果表明:(1)相较于传统LSTM和支持向量机(SVM)等基准算法,本研究所提出的模型能够更有效的预测运营期盾构隧道长期沉降的动态发展情况,模型泛化能力显著提升,长期沉降预测结果精度良好,最大绝对预测误差可控制在1.3 mm以内;(2)通过模型适用性能分析表明,本文建立的EMD-多层LSTM预测模型适用性能好,能在不同情况下始终保持模型的预测结果真实可信。本文提出的预测方法为运营期盾构隧道长期沉降预测提供了一种新的解决途径。
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基于灰色关联分析和GRU模型的岩爆等级预测

满轲, 武立文, 刘晓丽, 宋志飞, 李可娜

2025, 21(2): 695-708. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.02.37

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岩爆是地下工程中常见的一种动力地质灾害。为提高岩爆等级的预测效果及预测模型的泛化性,提出了一种具有优良记忆性和强时序性的门控循环单元(Gate Recurrent Unit,GRU)神经网络模型预测岩爆等级。首先,综合岩爆成因特点并基于灰色关联分析筛选出合理的岩爆预测指标,采用已有研究成果的137组岩爆样本数据作为输入和输出数据集。其次,通过模型的超参数调整以确定最佳超参数和最佳预测效果,将GRU模型的岩爆等级预测效果与RF模型、SVM模型、CNN模型、LSTM模型、BP模型、Russenes判据、王元汉判据、关宝树判据、脆性系数判据和弹性能指数判据的岩爆等级预测效果进行比较以验证GRU模型的有效性,并根据不同模型的随机采样分析检验GRU模型的泛化性。最后,采用2个工程实例验证GRU模型的实用性。结果表明:合理的岩爆预测指标为围岩切向应力σ_θ、应力系数σ_θ/σ_c、压拉比σ_c/σ_t和弹性能指数W_et;GRU模型预测岩爆等级的效果明显高于上述其他预测方法;根据不同模型的随机采样分析结果可知,GRU模型预测岩爆等级的泛化性强;2个工程实例的岩爆等级预测结果与实际岩爆情况比较符合,本文所提出的GRU模型具有实用性。
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采空区地下水库容量分析及抽水蓄能实例研究

廖庆龙, 杨帆, 李永福, 姜德义, 王谦

2025, 21(2): 709-719. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.02.38

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为了实现“双碳”战略,国家正逐步采取措施降低燃煤火电比重,增加清洁能源太阳能和风能等的使用。近些年由于可再生能源的时空不确定性和大型储能设施的匮乏,弃风弃电弃光现象愈演愈烈。为了提高风能和太阳能的利用率,提出在太阳能风能富集地区利用废弃煤矿采空区作为地下抽水蓄能水库,以促进可再生能源的转储并用。论文从采空区最大库容、可用库容和气液交换等方面分析了采空区作为抽水蓄能地下水库的储存能力,并结合我国典型废弃煤矿采空区特点和相关气象数据,分析了拟建采空区地下水库的储能系统的能量和库容变化特征。综合分析得出结论:在风能和太阳能丰富的中国西北和西南地区,利用废弃煤矿采空区开发抽水蓄能电厂在技术上是可行的。
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基于数字孪生的施工隧道智能通风系统研究

吴元金, 孙毅, 商家旭, 王树刚

2025, 21(2): 720-729. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.02.39

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传感器技术、物联网、大数据以及人工智能技术已广泛应用于隧道建设工程领域,促进了智慧隧道通风系统数字孪生的发展。本研究旨在探索智慧隧道施工通风系统的数字孪生应用,以实现精准通风调控效果,提高施工环境安全管理水平和通风效率。从构建施工隧道通风系统数字孪生的相关研究基础与智能通风的现状分析入手,提出了算测协同的智慧隧道施工通风系统的数字孪生构架,由实体空间、虚拟空间、数据融合、机理模型和应用服务5个模块组成。进一步设计了智能通风数字孪生管理平台架构,针对数字孪生的同步机制,提出了实时数据驱动的多维融合模型,以实现虚拟空间与实体空间状态和动作的精准映射。创建了简捷的施工隧道智能通风系统,并将其融入智能通风数字孪生管理平台且已在某施工隧道通风中获得成功应用。本研究为施工隧道通风管理提供了一种新的思路和方法。
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基于代偿理念的公路隧道互补式通风适用性研究

王永东, 薛威, 王杰, 胡志豪, 任雨桐

2025, 21(2): 730-738. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.02.40

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双洞互补式通风常应用于左右线通风负荷比过大的隧道。为进一步提升其在公路隧道纵向通风节能方面的优势,在双洞互补式通风的基础上,结合代偿理念对互补式通风需风量计算进行优化,修正总需风量计算公式。从需风量和通风负荷比的角度对基于代偿理念的互补式通风的适用性进行研究,将隧址温度和海拔高度、隧道长度和坡度、隧道交通量和大型车比例等因素对互补式需风量和代偿互补式需风量的影响进行对比分析。结果表明:修正后的代偿互补式需风量计算方法具有显著优势,海拔高度的提高会降低该计算方法的优势;当隧道长度大于4 000 m、隧道坡度大于1.5%时,采用基于代偿理念的双洞互补式通风更经济实用;当隧道交通量在25 000 pcu/d~30 000 pcu/d之间,大型车比例不低于35%时,或隧道交通量大于30 000 pcu/d,大型车比例不低于25%时,宜采用基于代偿理念的双洞互补式通风。

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