地下空间与工程学报

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2025年, 第21卷, 第1期　
刊出日期：2025-02-20

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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我国城市深部地下空间开发挑战与发展战略

李云燕, 蔡欣珂, 王艳红

2025, 21(1): 1-15. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.01.01

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随着我国城市快速发展,城市人口日益增多,土地资源日趋紧张,为了响应国家安全战略发展需求,利用深部地下空间寻求发展和安全已成为许多城市发展的共识。深部地下空间不同于地表和浅部地下空间,其地下特征属性更为明显和复杂。通过对我国城市深部地下空间发展面临挑战的分析,从我国深部地下空间发展历程出发,对经济发展水平、心理因素、人口密度、地温、地质、地下水文多维度影响因素进行分析,探寻了我国城市开发深部地下空间的特征规律。结合国家新时期城市发展战略,对我国未来城市深部地下空间发展展开了讨论和思考。研究成果可为我国深部地下空间开发提供有益借鉴。
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基于大规模语言模型的行业级地下空间知识库构建

张梦霞

2025, 21(1): 16-22. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.01.02

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地下空间专业知识库的智能构建将成为推动城市地下空间科学规划的重要基础。本文提出构建基于大规模语言模型的行业级地下空间知识库,以实现地下空间专业知识的智能管理和创新应用。通过文本数据采集、人工预标注和ChatGLM模型优化微调,实现面向行业应用的知识库系统的构建。结果表明,构建行业知识库可以自定义地下空间语料,进行ChatGLM模型增强,实现更准确的专业问答。本研究为地下空间行业构建高质量的知识创新平台提供了参考,有助于提高地下空间规划设计的科学性和工作效率。
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轴域型地铁网络运力失效传播计算研究

李健, 王琼, 高翔, 周艳芳, 贾元华

2025, 21(1): 23-30. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.01.03

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在地铁运输系统供需失衡场景下,运力失效影响传播与边界的快速辨识及预测是大城市地铁多线多站协同应急调度指挥的基础信息支撑。基于智慧轨道高质量发展目标,设计了图特征辨识-失效空间蔓延搜索-协同控制的整体技术思路,特别是根据轴域型复杂地铁网络运力失效影响非线性扩散与有向蔓延交错进行、快慢结合的特殊性,分析了轴域型地铁网络在运力失效场景下呈现的点-线-团-面的传播特点,对空间形态、结构及环境差异下突发事件影响模式、演化特点和规模分布进行系统归纳,并在精确解析路网图特征数量基础上,利用图论理论建立影响的扩散边界、非常规流量分布与形态计算模型。研究成果可为轨道网应急指挥系统建设提供理论支撑。

理论与试验研究

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基于剪切破坏面修正的地基极限承载力计算方法

史元祺, 曹振中, 景立平, 莫红艳

2025, 21(1): 31-41. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.01.04

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地基承载力计算是土力学的重要课题之一,由土体重度贡献的承载力系数N_γ仍缺少精确的理论解答。经典极限承载力公式的剪切破坏面均人为假定,实际剪切破坏特征可能与假设存在较大差异,尤其当内摩擦角大于35°时,摩擦角的变化对剪切破坏面深度、宽度范围的影响显著。本文提出等效替代思想,将土重引起的力矩等效为破坏面上抗剪强度分量的抗滑力矩,并从两者对承载力贡献的物理力学机制出发,分析了等效替代的合理性。在经典滑移线几何表达式中引入形状修正系数,提出了基于剪切破坏面修正的极限承载力公式,计算公式可根据实际的剪切破坏面形态进行调整,在一定程度上弥补了假定的剪切破坏面与实际不符的缺陷。将载荷试验、数值计算结果对极限承载力计算公式进行了检验,并与Terzaghi、Vesic等经典地基极限承载力公式进行了误差对比分析,表明本文公式具有较好的计算精度与适用性。
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围护结构水平位移引发地表沉降的解析计算

郭江豪, 杨政, 尹思雨, 汪凯

2025, 21(1): 42-51. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.01.05

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基坑围护结构水平位移引起的墙后地表沉降,会对邻近建筑和结构设施造成影响,因此对墙后地表沉降的预测是有必要的。为了准确预测墙后地表沉降,本文将围护结构的水平位移视为由4种基本变形模式组合而成,以围护结构刚性位移引起的墙后地表沉降解析模型为基础,利用微元法进行积分,推导出围护结构任意变形模式引起的墙后地表沉降解析模型,并采用数值模拟的方法对解析模型进行修正。将采用本文方法得到的墙后地表沉降值与3个实际工程数据进行对比分析,结果表明,本文推导的墙后地表沉降解析模型可以较好地预测墙后地表的沉降位移,从而验证了本文解析模型的可靠性。
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基于Mohr-Coulomb准则的隧道围岩工程边界估算

苏雅, 苏永华, 杨仲轩

2025, 21(1): 52-60. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.01.06

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在隧道数值模拟中,模型尺寸即代表隧道围岩工程边界范围,对隧道稳定性分析及设计具有重要意义。基于Mohr-Coulomb准则,以围岩应力扰动幅度为定量指标,提出了考虑围岩质量的隧道围岩工程边界估算方法。利用了4个不同质量等级隧道围岩案例进行验证对比。结果表明,估算方法可快速针对不同级别围岩的工程边界范围进行预估,其中Ⅲ和Ⅳ级围岩的估算结果与数值模拟结果非常接近。进一步分析侧压力系数和洞室几何形状对隧道围岩工程边界位置的影响。结果显示,侧压力系数的影响非常明显,而洞室几何形状的影响微乎其微。该方法可为保证地下隧道工程数值建模分析的准确度提供思路。
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富水砂层联络通道冻结温度场影响因素分析

徐平, 韩述琦

2025, 21(1): 61-69. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.01.07

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以郑州机场至许昌市域郑州段某区间富水砂层联络通道冻结加固法施工场地为工程实例,基于考虑流热耦合作用的温度场和渗流场控制方程,运用COMSOL软件构建了联络通道进深2.0 m横截面的二维模型,采用Logistic函数建立实测盐水回路温度拟合曲线,将拟合函数作为冻结孔的管壁温度边界条件,通过数值计算得到了联络通道冻结过程中的温度场云图和温度变化曲线。通过比对数值结果与现场实测数据验证了数值模型的准确性和合理性,并进一步研究了地下水流速、冻结管间距、冻结管直径、初始地温等因素对温度场发展的影响。引入单因素灵敏度分析法,求解了各因素对冻结壁交圈时间影响的灵敏度,确定了各因素影响的大小排序,结果表明:当地下水流速较大时,减小冻结管间距是削弱地下水流速对冻结温度场影响的最佳选择;当初始地温较高时,通过增大冻结管直径或减小冻结管间距都能提高冻结效率。
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高温灰岩单轴压缩力学特征与微观解析

黄锋, 刘星辰, 周洋, 郑艾辰, 杨冬

2025, 21(1): 70-77. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.01.08

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为研究高温处理后灰岩单轴压缩力学特征,对常温(25 ℃)与经历高温(100 ℃、200 ℃、300 ℃、400 ℃、500 ℃和600 ℃)处理后的灰岩开展了物理特征测试、单轴压缩试验、SEM电镜扫描与XRD衍射分析,基于岩石微观裂损规律解析了灰岩单轴压缩力学特征。结果表明:随着处理温度升高,灰岩表观颜色由青灰色演变为红褐色,体积增长率、质量损失率呈非线性增大;高温处理使灰岩微观质地分层、裂隙发育、孔洞溶蚀,受压破裂断口面起伏与尖角特征显著;高温催化了灰岩矿物组分的热解与化合反应,岩石综合硬度系数与坚固性系数存在显著线性相关性;揭示灰岩热损伤的阈值温度为200 ℃,峰值强度与弹性模量均在此温度下达到峰值。
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基于核磁共振技术的冻融板岩损伤特性试验研究

卢汉青, 包卫星, 陈锐, 郭强, 尹严

2025, 21(1): 78-86. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.01.09

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为探究风化炭质板岩在冻融循环作用下微观孔隙结构演化规律及宏观损伤特征,选取青藏高原喀喇昆仑山在建隧道围岩中风化程度不同的炭质板岩,开展了不同冻融循环次数后的核磁共振测试,定量分析了冻融板岩孔隙结构演化规律。结果表明:(1)风化板岩饱和质量、体积呈现先缓慢增加后快速降低的趋势,在出现宏观损伤后,其损伤扩展速度加快,质密、强度高的中风化板岩相较于强风化板岩需经历更频繁的冻融循环作用才会出现宏观损伤;(2)风化板岩核磁共振T₂谱主要呈现2个谱峰,间断性地出现表征特大孔隙的第3峰,在冻融循环作用下,孔隙孔径逐渐扩大,孔隙增多,中、大孔径孔隙连通性增强,大孔径孔隙比例显著增长;(3)板岩冻融损伤时孔隙率会达到临界值,中风化板岩和强风化板岩冻融致损孔隙率临界值分别为15.36%和17.16%,当孔隙结构扩展使得局部孔隙率增大接近临界值,便出现岩块脱落的局部宏观损伤,从临界孔隙率角度分析了板岩冻融损伤机制。研究成果可对寒区不同风化程度岩体工程防冻设计施工具有参考价值。
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节理砂质板岩卸荷力学特性及能量演化规律研究

王乐华, 郭晋帆, 陈灿, 徐健文, 许晓亮

2025, 21(1): 87-99. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.01.10

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为揭示不同节理类型下砂质板岩卸荷破坏力学特性和能量演化规律,采用RMT-150C岩石力学试验系统开展常规三轴压缩试验和卸荷试验,探讨节理板岩的承载能力、破坏模式及能量演化特征,并基于耗散能提出损伤变量。结果表明:(1)节理类型对试样的承载能力有较大影响,峰值强度主要表现为无节理试件＞双节理试件＞单节理试件;(2)试样的宏观破坏模式以剪切破坏为主。卸荷作用会使单节理试件在节理端部产生横向裂隙,而双节理试件则产生贯通性裂纹;(3)总能量和耗散能整体呈现单节理试件＜双节理试件＜无节理试件的规律,试样的损伤变量(损伤程度)亦是如此。试验结果有助于深入理解不同节理类型岩石力学行为及能量演化特性,可为岩体在卸载围压作用下结构稳定性提供必要依据。
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花岗岩及细粒花岗岩声发射时频域特征分析

王创业, 隋青瑞, 游茹, 韩天宇, 刘城成

2025, 21(1): 100-108. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.01.11

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为进一步研究不同粒度花岗岩内部裂纹演化特征,对花岗岩及细粒花岗岩进行单轴压缩声发射试验。结果表明:对比事件率、累积事件数、能率、累积能量可知细粒花岗岩在裂纹不稳定扩展阶段裂纹萌生能力弱于花岗岩,在峰后破坏阶段表现出较强的脆性特征;花岗岩高幅值声发射(AE)信号占比约为细粒花岗岩的2倍,花岗岩高幅值声发射信号占比更多,破坏更剧烈;主破裂发生之前细粒花岗岩的平均频率(AF)值高于花岗岩,细粒花岗岩在主破裂发生之前孕育更高占比的张拉裂纹;对试样求取主频熵值,发现主频熵值的“波动升高-波动降低”的拐点可作为试样的临界破坏前兆点;试样内部各阶段不同类型AE信号演化规律进行分析,发现在裂纹稳定扩展阶段中花岗岩出现大量低幅值中主频的声发射信号,说明花岗岩在此阶段会积累更多的损伤。
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基于热红外的锚固体宏观损伤演化规律研究

郭鹏飞, 俞丹阳, 李志康, 孔祥武, 钟左恒

2025, 21(1): 109-117. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.01.12

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为研究在具有恒阻变形性能的恒阻锚杆支护下锚固体宏观损伤演化规律及力学特性,本文基于围岩强度强化理论和相似理论,设计并研制恒阻锚杆相似物理模型,以恒阻锚固体为研究对象,采用理论分析、室内试验等手段,研究不同支护数量锚固体在单轴压缩条件下裂纹、位移场及温度场等的演化规律,结果表明:(1)在单轴压缩条件下,试件宏观裂纹和散斑位移云图具有一致性,恒阻锚杆支护数量为0、1、2、4套时,锚固体宏观裂纹和散斑云图均呈双“Y”形、“人”字形、“Ⅲ”形和“Ⅱ”形;(2)锚杆支护数量增加,锚固体竖向承载压力峰值、竖向最大恒阻值均增大,且竖向承载能力、横向恒阻变形量、最大主应变应变率以及横向变形能力均提高; (3)锚固体在锚杆的支护作用下内部塑性区仍具有一定的承载能力,锚固体峰后强度得到提升,内部颗粒摩擦产生的热辐射效应也随之逐渐增强;(4)锚杆支护数量增加,平均红外辐射温度最大变化率从0.098%升至1.56%,其曲线的波幅和响应程度提高;(5)原始红外辐射热像序列方差的极差值从0.000 9升至0.25, 其曲线波动相比平均红外辐射温度曲线更明显,且响应程度也逐渐提高。
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土中结合水含量对红黏土热导率的影响

杨成琳, 曾召田, 曹珊珊, 车东泽, 唐双慧

2025, 21(1): 118-122. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.01.13

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以广西地区2种红黏土为研究对象,通过等温吸附试验确定了其结合水类型和含量;同时,基于压汞试验从微观角度解释2种红黏土吸附结合水量不同的本质原因;在此基础上,利用热探针法测出2种红黏土试样在不同含水率条件下的热导率,探讨土中结合水含量对红黏土热导率的影响规律。结果表明:桂林红黏土和柳州红黏土中的吸附结合水总量分别为22.417%和10.957%,前者约为后者的2倍,其本质原因主要在于2种红黏土中矿物成分的差异;桂林红黏土比柳州红黏土具有更多的小孔隙含量,其孔隙率高,比表面积大,吸附结合水的能力强;2种红黏土的热导率随结合水含量的递增而增加,热导率与结合水含量具有显著的线性正相关关系;结合水含量对热导率的影响可以归结于土中结合水膜和“液桥”作用两个方面。
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土石比对高填方碎石土地基强夯加固影响试验研究

仇志龙, 吴嘉栋, 万鹏, 梁宁慧, 赵奎

2025, 21(1): 123-130. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.01.14

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为研究强夯对高填方碎石土地基承载力和沉降变形的影响,以重庆某高填方地基的碎石土填料作为主要研究对象,根据现场典型级配对填料进行尺寸缩尺,采用击实试验确定碎石土料的最优土石比。通过现场强夯试验研究3组不同土石比(4∶6;3∶7;6∶4)碎石土地基的沉降量及动力触探击数,探讨土石比对强夯加固效果的影响。结果表明:土石比是影响填料压实质量的关键因素,土石比4∶6的击实效果最佳;在3 000 kN·m的夯击能作用下,不同土石比的最佳夯击次数均为7～8击,土石比4∶6的累积夯沉量最大,夯沉量离散程度高;强夯后深度2～4 m内碎石土地基的平均动力触探击数显著提高,其中土石比4∶6的有效加固深度最大;夯后各土石比加固效果提高幅度依次为土石比(4∶6)＞土石比(3∶7)＞土石比(6∶4)。
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温度对含硫酸钠盐黄土土水特性影响规律研究

唐先习, 吕闻起, 李明泽, 王凯, 张徐军

2025, 21(1): 131-139. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.01.15

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硫酸盐渍土广泛存在于中国西北地区,在季节交替过程中,水分和盐分会产生相变从而引起盐渍土基质吸力发生改变。以硫酸钠黄土作为研究对象,设计了不同含盐量和压实度的冻融试验。结果表明:硫酸钠的含量和干密度的变化对土体温度与未冻水含量的曲线形态影响有限;在温度降低过程中,含盐量相同的情况下,基质吸力的初始值随干密度的提高而提高;在干密度相同时,基质吸力的初始值随含盐量的提高而提高;在土体发生冻结前,土样的基质吸力随温度降低而线性增加;土体会因硫酸钠的存在而产生相变,初次相变只明显存在于12 ℃左右时含盐量为4%土样当中,此时土样的基质吸力产生了约100 kPa的突变;二次相变出现在负温时的所有试验土样当中,且含盐量越高的土体在二次相变过程中基质吸力的增量反而越小。本文的研究可以为硫酸钠盐渍土水盐相变与水分迁移动力研究提供参考。
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湿度变化下纤维纱加筋土动力响应试验研究

褚峰, 薛沛柯, 张宏刚, 邓国华

2025, 21(1): 140-149. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.01.16

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在实际工程中,湿度的变化会显著影响土体的动力变形特性。以纤维纱加筋黄土为研究对象,利用动三轴仪对不同含水量条件下的纤维纱加筋黄土进行动应力应变、动强度及震陷特性试验研究,分析了湿度的不同对纤维纱加筋黄土动应力应变关系、动强度及残余应变(即震陷系数)的影响规律。结果表明:同一围压、同一动剪应变条件下,纤维纱加筋黄土动剪应力随着含水量的增大呈先增大后减小的变化趋势;同一振次条件下,随着含水量的增大,动剪应力呈先增大后减小的变化趋势;当含水量在塑限含水量附近时,纤维纱加筋黄土的动剪应力最大;同一振次条件下,纤维纱加筋黄土的残余应变随着含水量的增大呈先减小后增大的变化趋势;当含水量在塑限含水量附近时,残余应变最小,当含水量超过塑限含水量后,残余应变受含水量增大的影响逐渐减弱;随着振次的增加,含水量的增大对于纤维纱加筋黄土震陷特性的影响逐渐减弱。研究可为纤维纱加筋黄土工程的施工提供指导。
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考虑地下水影响的静钻根植能源桩模型试验

曹光形, 邓岳保, 陈帅炯, 张日红

2025, 21(1): 150-158. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.01.17

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为研究滨海地区地下水流动对静钻根植能源桩承载特性影响,制作了1.2 m厚度的软黏土夹砂层模型地基,开展静钻根植能源桩单桩模型试验,测试分析有无水流条件下桩土体系的温度、孔压、位移及应力,结果表明:地下水流动减小了桩身温度变化,其变化范围为6.39%~34.15%;桩周土下游温度变化明显高于上游,温度变化有利于减少能源桩周围土体的热冷堆积效应;水流降低桩侧临近土体中的热孔压约11%,降低负压约20%,并使桩顶累积沉降减小约1/3;地下水流动时还降低了温度引起的桩身拉压应力;随着载荷增大,水流对桩侧摩阻力的影响降低;有地下水流条件下,升降温工况下的负摩阻力最大值均下降,因此有利于静钻根植能源桩的长期工作。
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高有机质滩涂海泥固化剂选型试验研究及工程应用

李盼盼, 李镜培, 范立登

2025, 21(1): 159-170. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.01.18

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针对高有机质滩涂海相淤泥力学性能差、采用水泥等传统胶凝材料固化效果不理想及高能耗的问题,依托具体工程开展不同配方体系的水泥基固化剂和新型矿物基固化剂在不同养护方式下的固化效果对比试验,通过分析比较不同类型固化试样的无侧限抗压强度的增长规律,探讨两类固化剂材料对固化高有机质滩涂海泥的适用性,进一步结合固化机理分析和工程应用实践,优选出适用于高有机质滩涂海泥固化的短龄期、高强度、绿色环保的胶凝材料。结果表明:SS-W-S新型矿物基胶凝材料通过一系列水化胶凝产物的包裹、粘结、锚固等作用,使淤泥中的细小颗粒团粒化,形成稳定的骨架结构,使固化淤泥最终成为具有一定强度和稳定性的整体结构,可有效替代传统水泥基固化剂,实现高有机质滩涂海泥的早强固化;在6%掺量下,SS-W-S新型矿物基胶凝材料3天即可实现有效固化,且固化土体强度是同掺量下PO42.5普通硅酸盐水泥的3倍以上。通过实际工程的大规模应用,验证了SS-W-S矿物基固化剂对于滩涂海泥良好的适用性。本文成果可为高有机质滩涂海泥的原位固化施工提供参考。
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盾构隧道管片渗漏侵蚀的室内模型试验研究

加瑞, 李青茁, 雷华阳

2025, 21(1): 171-179. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.01.19

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盾构隧道管片渗漏侵蚀会改变周围土体的孔压分布,使周围土体发生变形、管片内力发生改变,影响隧道的安全运营。通过自行研制的盾构隧道管片渗漏侵蚀模拟试验装置,研究了砂土粒径、压力水头、上覆压力和砂土密实度对漏水量、漏砂量和地表沉降的影响。结果表明:(1)砂土的平均粒径越大,渗透系数越大,流速越大,过水断面相同时漏水量越大,漏砂量和试样表面的沉降量越小;(2)当砂土的平均粒径与渗漏孔径的比值较小时,砂土会持续漏出,累积漏砂量线性增大;(3)当砂土的平均粒径与渗漏孔径的比值大于0.15时,砂土颗粒在渗漏孔附近能形成稳定的土拱,砂土成拱时的平均粒径远小于渗漏孔径;(4)试样顶部的压力水头越大,水力坡降越大,流速和漏水量越大,作用在砂土颗粒上的渗透力越大,漏砂量和试样表面的沉降量越大;(5)上覆压力越大,渗透系数相对越小,流速和漏水量越小,土颗粒移动所受的摩擦阻力越大,砂土颗粒越不容易移动,因此漏砂量和试样表面的沉降量越小;(6)试样相对松散,其孔隙比和渗透系数相对较大,流速和漏水量较大,由于剪胀性较弱土颗粒相对容易发生移动,漏砂量和试样表面的沉降量较大。
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钢筋钢纤维混凝土盾构管片裂缝宽度计算方法

周佳媚, 薛志斌, 马敏, 岳飞翔, 崔凯琪

2025, 21(1): 180-188. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.01.20

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预制混凝土管片是目前地铁盾构隧道最常用的衬砌结构形式,为了更好地发挥钢筋钢纤维混凝土盾构管片的优点,得到准确的钢筋钢纤维混凝土盾构管片裂缝宽度计算方法,设计4组18根钢纤维混凝土梁试验方案,开展了试验数据与有限元软件ABAQUS计算分析。(1)通过压弯梁和纯弯梁构件试验得到数据,提出钢筋钢纤维混凝土纯弯及大偏心受压构件裂缝宽度计算方法;(2)通过有限元分析钢纤维掺量及配筋率变化对裂缝宽度的影响,钢纤维掺量增大时,钢纤维混凝土抗拉强度逐渐增加,构件裂缝宽度逐渐减小,配筋率增大时,钢筋达到屈服强度时对应的荷载也逐渐增加,裂缝宽度逐渐减小;(3)通过管片裂缝宽度实测试验,本文提出公式与《Model Code》计算得到的裂缝宽度与管片试验结果相对接近,平均值相差分别为56%、50%;(4)提出的裂缝宽度计算方法有效考虑钢纤维掺量、配筋率对裂缝宽度的影响,计算结果更为准确,可以有效评价C50钢筋钢纤维混凝土盾构管片裂缝宽度计算。
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福州地区结构性软土的压缩试验及参数研究

张俊腾

2025, 21(1): 189-197. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.01.21

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以实际在建工程项目为依托,对福州四县区的结构性软土进行压缩试验,从工程实践角度出发,修正了Burland提出的归一化压缩曲线模型,同时提出了双对数模型,作为综合评价福州地区软土结构性的实用模型。结果表明:福州地区土具有较强的结构性,工程实践上不能简单套用其他地区的经验公式;修正的归一化压缩曲线模型能够直观反映福州地区土的压缩性状,在工程实践上应用非常方便;双对数法能够方便确定结构性软土的屈服应力,结合屈服阶段和过渡区阶段直线的斜率可以为工程实践中地基承载力的验算和变形计算提供参考。

设计、施工、监测

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液化场地大直径变截面单桩群桩动力响应差异

冯忠居, 周世昊, 张聪, 宋健, 林立华

2025, 21(1): 198-206. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.01.22

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为研究地震作用下大直径变截面群桩基础在与单桩基础抗液化性能方面的差异,依托第二东通道工程,采用振动台模型试验开展大直径变截面单桩、群桩基础动力响应差异性研究,分析了饱和砂土层中大直径变截面单、群桩在地震荷载下,孔压比、桩身加速度、桩顶水平位移和桩身弯矩差异。结果表明:地震荷载为0.30 g,大直径变截面单桩与群桩工况下,基础均发生液化现象,大直径变截面群桩基础完全液化时刻比单桩基础延缓1.58~1.64 s;大直径变截面群桩桩身最大加速度较单桩减小,且出现时刻较单桩更为滞后;大直径变截面群桩桩顶最大水平位移较单桩减小0.68 mm,出现时刻滞后1.44 s;大直径变截面群桩基础最大弯矩值较单桩基础减小11.99%,大直径变截面群桩基础最大弯矩出现时刻较单桩基础滞后1.88 s;大直径变截面群桩基础的抗液化特性明显高于单桩基础,动力响应更为滞后,在地震区桩基础设计中,可考虑用大直径变截面群桩基础形式增加其抗液化特性。
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考虑拼装变形的底部平型橡胶密封垫结构研究

刘继国, 贺创波, 张晟斌, 舒恒, 李金

2025, 21(1): 207-213. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.01.23

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针对三种底部平型橡胶密封垫,通过数值计算和物理模型试验分析密封垫防水及压缩性能,并对拼装过程中密封垫滑动变形情况进行研究,研究表明:(1)断面1中心存在开孔,密封垫拼装时压缩应力减小,压缩后开孔位置无法完全闭合,密封垫防水路径减小,不利于管片接头防水;(2)断面3防水能力比断面2提高30.1%,但断面3复合遇水膨胀橡胶后会增加表面粗糙度,拼装过程易于加剧角部密封垫堆积变形,并且多次试拼可能导致遇水膨胀与三元乙丙脱落分离;(3)密封垫压缩滑动时角部堆积变形过大时易使密封垫间出现较大高差,下一环管片错缝拼装时此处密封垫难以压缩到位,易存在渗流通道出现渗漏。
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深部构造区大倾角高失稳倾向工作面回撤技术

刘国磊, 梁文昭, 郑寓超, 郝勇, 崔嵛

2025, 21(1): 214-224. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.01.24

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深部构造异常区大倾角工作面回撤具有高失稳风险,以潘西煤矿6199工作面为背景,采用理论分析、数值模拟和现场测试方法,分析回撤期间采场失稳倾向及机理。结果表明:工作面处于复杂高应力环境,回撤期间在高覆岩压力、采场顶板支撑力持续削弱下,具有由顶板主导的高失稳倾向;顶板-液压支架作用力学模型分析表明,避免回撤期间基本顶破断是维持顶板结构平衡的关键,并提出了满足顶板控制液压支架留置数量计算方法,计算留置液压支架数量应不小于48架;提出均匀留置部分支架、主动支护的顶板控制方法与方案,采用数值模拟进行了效果分析,表明均匀留置部分支架回撤基本顶位移相对较小;工作面回撤期间矿压数据表明顶板岩层未发生明显运动,顶板控制效果较好。
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断层破碎带倾角对复合地层开挖面极限支护力的影响

李章林, 蒋鹏程, 何国军, 张孟喜, 赵慧玲

2025, 21(1): 225-235. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.01.25

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为分析大直径盾构穿越断层破碎带对开挖面稳定的影响规律,总结了开挖面在盾构穿越断层破碎带前后的失稳特征,改进了包含断层破碎带的复合地层开挖面楔形体-棱柱体模型,推导了考虑断层破碎带影响的“上软下硬”复合地层开挖面极限支护力理论计算公式。结合工程实例进行了相关理论计算,揭示了大直径盾构穿越含断层破碎带前后交界面的过程中含复合地层的开挖面极限支护力受断层破碎带倾角影响的变化规律。结果表明:通过对黏聚力和内摩擦角的参数敏感性分析,开挖面范围内各土层黏聚力和内摩擦角的增大均能有效地减小极限支护力的大小,验证了改进的极限平衡分析模型的可靠性;开挖面极限支护力随着断层破碎带倾角的递增表现出增大的趋势;对应于破碎带倾角60°、70°、80°、90°,前交界面的临界长度范围始末造成了极限支护力分别增加88.4%、91.2%、92.9%、93.6%,后交界面的临界长度范围始末造成了极限支护力分别减小51.1%、53.1%、55.6%、56.3%。研究成果对大直径盾构穿越含断层破碎带的复合地层的施工控制措施的调整具有参考价值。
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考虑支护要素承载特性的围岩变形控制研究

姚志雄, 周岐窗, 郑国文

2025, 21(1): 236-246. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.01.26

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为探讨支护承载及变形控制特性,基于综合考虑钢拱架、喷射混凝土、超前加固等支护承载特性的支护-围岩耦合作用力学模型,构建了5种计算类型共35种工况,并结合某工程算例详尽分析不同支护形式、支护刚度及支护时机等对围岩变形的影响规律。结果表明:隧道支护对掌子面前后方围岩变形具有较好控制作用,超前支护+初期支护的联合支护效果更佳,且这种控制具有空间效应;单一支护或多种支护协调的联合支护均可达到相同的变形控制效果,这取决于各支护要素的刚度匹配;钢拱架作为一种刚性的能立即、主动承担荷载的支护结构,在分担压力、控制变形方面较喷射混凝土更具优势,超前支护+钢拱架的联合支护效率更高。支护越早施作,围岩变形越早进入可控状态,效果越佳;有超前支护作用,围岩变形对支护时机的敏感性相对较低,因此针对复杂隧道工程,提前施作超前支护是弥补初期支护施作不到位、降低施工风险的重要措施。本研究从理论上阐明了支护结构之间合理的刚度匹配性是应力协调、围岩稳定的关键。
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深埋隧道微震震源参数特征规律研究

熊炎林, 陈冠甫, 刘晓丽

2025, 21(1): 247-253. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.01.27

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为分析深埋隧道开挖过程中围岩破裂的尺寸、机制和过程,本文以西南某隧道为研究对象,在隧道中构建微震监测系统,采用双差定位确定隧道开挖过程中微震事件的空间位置,并对静态应力降、动态应力降、震源半径等震源参数的演化规律进行了研究。结果表明:(1)开挖过程中围岩的破坏形式以拉破坏为主;(2)的静态应力降与天然地震和矿山微震相比要小几个量级,表明在围岩应力调整相对较小,同时隧道的动态应力降要小于静态应力降,表明隧道围岩破裂程度较高;(3)震源破裂的尺寸要大于浅埋隧道,但是小于矿山微震和天然地震;(4)深埋隧道围岩的破裂过程与天然地震和矿山微震存在区别,在研究过程中既要借鉴天然地震和矿山微震方面的研究成果,又要注意其与两者的区别。成果可以为研究深埋隧道开挖过程中微震震源处围岩的破裂过程提供借鉴。
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海上风电钢管桩基础轴向承载力计算方法研究

林纪好, 沈侃敏, 李颖

2025, 21(1): 254-260. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.01.28

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近年来,我国海上风电产业蓬勃发展。然而海上风电场建设成本仍然偏高,这成为制约其进一步发展的关键因素。为了优化海上风电基础设计尺寸、减小海上风电场建设成本,本文对比分析了国际上主流适用于桩基础轴向承载力的5种静力初探(CPT)和5种孔压静力初探(CPTU)计算方法。通过浙江和江苏海域两处海上风电项目的现场地质勘察CPTU实测数据,逐一计算各试桩的桩端阻力、桩侧阻力及总承载力,检验这10种方法在桩承载力方面的表现,并采用3种评价标准来检验这些计算方法的适用性。结果表明:Fugro、ICP和UWA这3种方法在这两处地区应用有着显著的优势,其中ICP法在侧阻总力预测方面都有着一定的准确性和稳定性。
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TSM管幕结构应力分布及钢管参数影响规律研究

赵文, 皮东立, 董驾潮, 路博

2025, 21(1): 261-271. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.01.29

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本文依托TSM管幕结构的抗弯性能试验,建立了TSM管幕结构三维有限元模型,在对模型准确性进行验证的基础上,对TSM管幕结构在单调静力加载作用下的构件应力分布规律进行了分析,并选取钢管壁厚和钢管弦高比两个参数进行研究,得到了不同参数对结构抗弯承载力的影响规律。结果表明:TSM管幕结构在加载过程中经历了弹性,弹塑性以及塑性3个工作阶段,且加载过程中,钢管和连接钢板交接处存在明显的应力集中现象;钢管壁厚及弦高比对TSM管幕结构的抗弯承载力均有显著影响;钢管壁厚从4 mm增加到8 mm时,结构抗弯承载力提高了9.09%;随着弦高比的增加,抗弯承载力出现先增大后降低的趋势,最佳弦高比在3.0附近。研究结果可为新管幕结构的应用提供理论依据。
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荷载分配式复合锚杆在分层岩土体中的应用研究

刘玉果, 夏凯, 张明礼, 张鑫, 马彦清

2025, 21(1): 272-282. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.01.30

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岩土体强度分层导致锚杆各单元锚固段极限承载力不同,使得锚杆锚固效果降低。设计了一种荷载分配式复合锚杆,在受地下水浸湿影响导致中风化泥岩强度出现分层的深基坑中进行原位试验。结果表明:(1)荷载分配式复合锚杆承载力是同长度拉力锚杆的1.52倍以上,是同长度荷载分散型复合锚杆的1.13倍以上,且其结构延性更优;(2)中风化泥岩浸水后,锚杆第二界面抗剪强度损失高达66%,直接导致了锚杆各单元锚固段极限承载力不同,影响了荷载在锚固段内的传递与分布;(3)荷载分配式复合锚杆各单元锚固段实际承担荷载与其极限承载力接近,实现了依据锚杆各单元锚固段极限承载力对锚头荷载按比分配的目的;(4)锚头荷载按比分配后,锚杆的结构延性更好,能够有效避免锚杆提前在薄弱点发生破坏,并阻止了锚杆受力过程中各单元锚固段之间裂缝的产生,锚杆使用寿命得到延长;(5)荷载分配式复合锚杆在锚固段内对岩土体强度得到更高的调用,在岩土体强度出现分层的锚固工程中适用性更强,经济效益更好。

防灾与环境

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引黄济宁工程隧洞穿越活动性断裂响应特征研究

杨继华, 崔臻, 万伟锋, 刘振红, 郭卫新

2025, 21(1): 283-292. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.01.31

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青海省引黄济宁工程隧洞全长74.4 km,隧洞穿越4条区域活动性断裂。保证隧洞穿越活动性断裂的安全是引黄济宁工程面临的关键问题之一。首先,提出了各活动性断裂的基本参数,为针对性设计提供了依据。其次,以青海南山北缘断裂(F₂)为例,采用数值模拟的方法,建立了隧洞穿越活动性断裂的弹塑性分析模型,研究了不同错动量下整体系衬砌和铰接衬砌的响应特征。结果表明:整体式衬砌条件下,隧洞的变形量、衬砌应力及内力均随错动量的增加而增加,左右边墙变形量、衬砌最大拉应力、剪力最大值出现在断裂带的中心部位,拱顶底板变形量、衬砌弯矩最大值出现在断裂带交接部位;铰接式衬砌条件下,隧洞不同部位的纵向应力、等效轴力、弯矩和剪力在断裂带错动量超过30 cm后,最大应力和内力没有表现出随错动量增加而增加的趋势,变形主要发生在铰接缝,有效改善了衬砌在错动条件下的受力状态。最后,提出了引黄济宁工程隧洞穿越活动性断裂下一步的研究方向。
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基于SA-PSO-BP神经网络的煤层底板破坏深度预测

李刚, 赵艺鸣, 杨庆贺, 才天, 邹军鹏

2025, 21(1): 293-299. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.01.32

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研究煤层底板破坏深度的准确预测对保证带压开采条件下煤矿的安全生产具有重要意义。针对传统BP神经网络预测底板破坏深度存在误差较大、容易陷入局部最优解、收敛速度慢等问题,提出了一种新的SA-PSO-BP网络模型。该模型以煤层倾角、开采深度、煤层开采厚度、工作面斜长作为评判指标,先利用粒子群优化算法(PSO)改进BP神经网络寻优过程、再引入模拟退火算法(SA)避免PSO算法陷入局部最优解,选取92组现场实测数据样本,对优化后的模型进行训练和预测。结果表明:SA-PSO-BP网络模型的拟合优度达到0.983 5,比BP神经网络提高了0.288 2;均方根误差达到1.319 0,比BP神经网络减小了3.864 1;平均绝对百分比误差达到5.442 3,比BP神经网络减小了14.93%。构建的SA-PSO-BP网络模型具有可行性,为底板破坏深度的预测提供了一种合理的方法。
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富水地层管廊结构裂损机理及修复技术研究

王洪涛, 解学磊, 范福强, 张维欣

2025, 21(1): 300-311. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.01.33

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城市地下综合管廊受材料种类、施工工艺、施工质量及后期外部环境荷载影响,极易出现结构裂缝、渗漏水等病害问题。本文以济南市某富水地层综合管廊工程为依托,开展了现场管廊工程结构健康状态检测分析,识别了结构竖向裂缝为主的病害特征。在此基础上,利用ABAQUS有限元软件,模拟分析了不同混凝土线膨胀系数与管节浇筑长度下结构侧墙裂损响应规律,揭示了侧墙裂缝分布模式与应力演化特征。最后,研发提出了一种新型改性环氧修复堵漏材料,通过新型材料单轴压缩试验与干-湿条件下粘结试验,揭示了新型材料对混凝土结构裂缝的修复机理,并进行了现场管廊裂缝堵漏应用实施。研究结果可为富水地层综合管廊结构裂缝病害防治提供理论与技术参考。
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盾构施工诱发的筏板基础建筑沉降影响分区研究

雷华阳, 刘濠瑜, 许英刚

2025, 21(1): 312-319. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.01.34

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随着城市化规模的不断发展,盾构施工扰动诱发的既有建筑沉降问题已经成为环境安全评估关注的核心问题。针对盾构施工全过程诱发的筏板基础建筑横向沉降、纵向沉降及扭转变形,采用FLAC^3D有限差分软件进行深入研究,将盾构施工扰动平面影响区域划分为忽略影响区、过渡区和危险影响区。结果表明:建筑横、纵向平均沉降影响区呈抛物线分布,横向整体倾斜影响区呈半椭圆形分布,纵向整体倾斜影响区呈类抛物线分布,而扭转变形影响区呈类圆形分布;盾构施工全过程中,建筑横向平均沉降、横向整体倾斜及纵向平均沉降最大值发生在盾构穿越完成阶段,而当盾构掘进至建筑附近区域时,建筑纵向整体倾斜及扭转变形已发展到最大值,表明盾构穿越既有建筑沉降安全评估应重视盾构施工过程性。研究成果可为城市密集区盾构施工环境安全性评估提供理论依据。
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不同地层下盾构隧道变形与病害统计分析

张金红, 刘兴旺, 孙政波, 李瑛, 曹国强

2025, 21(1): 320-328. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.01.35

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不同地层条件下,盾构隧道长期变形及病害现状有所差异。根据杭州典型地质条件,将隧道所处的地层归类为软黏土、上粉下软及粉砂土3种典型地层,并汇总了杭州地铁大量监测及实测数据,研究了不同地层条件下盾构隧道长期变形及病害现状规律。粉砂土地层中盾构隧道的水平收敛、竖向位移较小,上粉下软地层次之,而软黏土地层则相对较大。不同地层中管环渗漏水、管环破损、环间错台、环缝张开等病害发生概率及病害严重程度为:软黏土>上粉下软>粉砂土。粉砂土地层中极少出现漏泥沙、缺角/缺损、环间错台量/接缝张开量大于4 mm、道床脱开量大于1 mm等较为严重的病害。
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高应力脆性硬岩地下厂房岩爆破坏特征及防治

马行东, 李鹏, 黎昌有, 袁国庆, 贾翔

2025, 21(1): 329-338. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.01.36

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双江口电站左岸实测最大主应力37.82 MPa,是在建和已建国内水电站地下厂房系统最高实测地应力,属高～极高地应力区。基于西部大型水电工程地下洞室群高地应力、脆性硬岩的岩爆破坏大量调查、统计并总结宏观发育规律特征基础上,提出了“浅表饼层型”“扇形板裂抬动型”“大板裂滑动型”“新生裂隙”高应力脆性硬岩破坏特征新理念和高应力脆性岩体围岩变形破坏地质力学模式,在此基础上提出了技施阶段水电高地应力岩爆灾害防控方法,对类似水电工程、川藏铁路等工程的岩爆预测预防等有一定的指导意义。
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库岸堆积层滑坡位移区间混合预测方法研究

邓自强, 李麟玮, 向喜琼, 吴益平, 苗发盛

2025, 21(1): 339-349. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.01.37

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为解决传统方法中存在的位移分量物理意义不准确和预测区间计算效率不高两大难点问题,提出一种新型库岸堆积层滑坡位移区间混合预测方法。首先,采用临界水平模型建立趋势性位移与库水位变动特征参数之间函数关系,实现趋势性位移成分的预测,并结合时序分解模型,获取周期性位移成分;然后,采用上下限估计框架下的多目标灰狼优化双体式支持向量回归机对周期性位移区间进行预测;最后,对趋势性位移与周期性位移的预测结果进行组合,构建累积位移预测区间。通过白水河滑坡实例验证,所提出方法在具备更高计算效率的同时,预测精度与预测区间质量较高,在滑坡灾害预测预报领域具有较高的实用价值。
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复杂断块山区隧道涌突水灾害的风险评价模型

眭素刚, 杨艳娜, 黄靖宇, 于斯遥, 王帮团

2025, 21(1): 350-357. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.01.38

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科学可行的隧道涌突水评价模型应准确客观地描述隧道重点部位的涌水特征,同时也能够反应出涌突水灾害本身的不稳定性。以弥玉高速公路登楼山隧道1^#斜井穿越复杂断块山区为工程背景,在野外调查与水文地质分析基础上,选定了控制隧道涌突水灾害的7个指标,结合突变级数法构建了适用于断块结构区域隧道涌突水灾害的风险评价模型,并引入本研究团队已提出的评价体系,将二者应用于隧道斜井工程的涌突水分段风险评价中,并与实际施工涌水情况对比验证。结果表明:基于突变级数法构建的涌突水灾害评价模型在断块结构地区相较于既有评价体系具有更好的适用性与准确性。研究成果可有效指导登楼山隧道主洞施工的水害防治工作,评价模型可为复杂山区富水隧道的涌突水灾害风险预测提供参考。
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蛇型曲线公路隧道火灾烟气控制风速与回流长度研究

王峰, 戴开来, 袁松, 刘吉鑫, 张洋语

2025, 21(1): 358-366. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.01.39

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为探明火源位置对蛇型曲线隧道火灾临界风速及烟气回流长度的影响,确定蛇型曲线隧道最不利火源位置,依托跑马山1号隧道工程,采用三维数值计算方法对不同横断面火源位置、不同纵向火源位置下,蛇型曲线隧道火灾烟气回流长度及临界风速的变化规律进行研究和分析。结果表明:对于蛇型曲线隧道一次曲线稳定段、反向曲线稳定段,火源位于断面内侧的临界风速最大;对于蛇型曲线隧道过渡段,火源位于断面外侧的临界风速最大。蛇型曲线隧道最不利火源位置位于曲线稳定段断面内侧;火灾规模为30 MW时,半径为1 000 m的蛇型曲线隧道最不利火灾临界风速为4.3 m/s,相比直线隧道增大了8%;随着通风风速的减小,蛇型曲线隧道不同火源位置的烟气回流长度近似线性增长;断面内侧、断面外侧火源的烟气回流长度增长速率基本一致,断面中间火源的烟气回流长度增长速率显著大于断面侧壁火源。

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