地下空间与工程学报

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2025年, 第21卷, 第6期　
刊出日期：2025-12-20

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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中国地下空间响应“双碳”目标的研究热点及趋势

韦凌翔, 郭东军, 吴艳华, 梁素芳, 陈志龙

2025, 21(6): 1851-1860. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.06.01

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中国地下空间利用规模在未来很长一段时间将保持持续增长,可为多种减排增汇技术提供充足且稳定的空间和设施支撑,对实现“双碳”目标具有重要意义。为揭示中国地下空间响应“双碳”目标的研究热点及趋势,以中国知网数据库中截至2024年01月之前发表的944篇学术论文为数据样本,基于VOSviewer软件对该领域年度发文量、载文期刊分布、文献关键词、发文机构等进行可视化分析。结果表明:中国地下空间响应“双碳”目标的研究文献呈现出波动增长,近两年文献数量显著增加;研究内容主要集中在地铁低碳效应、地下物流、CO₂地下利用与封存及地下储能等方面。从空间紧凑、能源多元、功能整合、建设分期4个方面分析中国地下空间响应“双碳”目标的研究发展趋势。
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城市轨道站点空间一体化评估及分类优化策略研究

禹红宾, 陈志龙, 张健, 张梦宇

2025, 21(6): 1861-1873. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.06.02

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当前,城市轨道站点及周边区域综合开发相互脱节、站城融合不充分、可达性不足以及综合效益低等诸多一体化建设问题日渐凸显,且城市轨道站点的监督实施评估机制尚不完善。在搭建城市轨道站点评估体系框架的基础上,从用地功能、交通组织、空间环境、商业活力、经济效益、安全韧性、地下空间和实施成效8个维度建立了城市轨道站点一体化评估指标体系,并以北京32个轨道站点为研究对象,利用熵权—TOPSIS法开展轨道站点不同辐射范围尺度的评估及分类。结果表明,轨道站点辐射范围不同,轨道站点一体化建设的影响因素存在空间差异,通过利用K-means聚类将评估结果划分为4类,并提出了分类优化建议。
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基于地上地下空间整合的高校老旧校园更新方法

李晓丹, 李婧, 刘志平, 宋垚兵, 郝逸凡

2025, 21(6): 1874-1883. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.06.03

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城市用地紧张和学生数量增加导致高校老旧校园发展受限。以中国矿业大学(北京)学院路老旧校园为研究对象,基于地上地下空间整合理念,从功能分区整合、交通优化、地下空间安全疏散以及空间品质提升四个方面研究其更新方法。通过分析确定拆除部分现有老旧建筑,结合周边环境和拆除后校园地上地下状况,整合校园功能与分区,实现校园内部小汽车、货车和人员分流;针对较大规模且上部空间无法开口的地下文体馆,提出了“功能区—次安全区—安全区(下沉空间)”的安全疏散体系,并通过模拟软件验证了其合理性。通过下沉通廊、下沉庭院和天窗等设计手法有效解决了地下空间采光问题。上述方法不仅增加了校园各类建筑的面积,而且提升了校园空间品质。研究结果将为中国矿业大学(北京)学院路校园改造提供具体方案,为高校老旧校园的更新提供有效的方法。

理论与试验研究

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黏土条形地基极限承载力数值解与经验解比较

郑颖人, 阿比尔的, 杨莹明

2025, 21(6): 1884-1887. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.06.04

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数值极限分析方法可以准确算出传统算法无法算出的有重土地基准确的极限承载力。由此可见,数值极限分析比传统的解析算法能更好解决复杂的岩土工程问题。利用荷载增量法,该法应用了工程材料受力从量变到质变的破坏原理,随着基础荷载的逐步增加,土基受力由弹性逐渐过渡到塑性,最后达到极限破坏状态,进而得到对应的极限荷载值。结合工程算例求得了条形基础荷载下地基的极限承载力,并与传统的 Terzaghi 、Vesic 、Chen 三种经验结果进行了比较,表明数值极限分析法可比Terzaghi、Vesic、Chen经验法分别节省基础工程量40%、20%和相近。目前Terzaghi公式和Vesic公式均在实际工程中得到应用,Chen公式尚未见应用。
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RT模式黏性有限土体非极限状态土压力数值解

陕耀, 董雅丞, 吴遥杰, 陈志宁, 姚西平

2025, 21(6): 1888-1898. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.06.05

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为探明刚性挡墙绕顶部转动 ( RT ) 模式下有限土体非极限状态土压力的变化规律,解决既有土压力计算方法中墙体位移、水平剪切应力等影响因素考虑不全的难题,基于微分单元法框架,建立了一种能综合考虑墙体位移、土体强度参数( c_m -φ_m)、土拱效应和水平剪切应力影响的有限土体被动土压力数值计算方法。结合三轴卸荷试验与应力Mohr圆获取非极限状态下土体强度参数(c_m-φ_m )与墙体位移的关系,依据土拱效应原理对有限土体进行应力分析,依据水平与竖直方向的静力平衡方程构建沿深度方向的被动土压力数值迭代算法。通过与已有研究对比验证了所提方法的合理性与准确性。结果表明:RT模式下有限土体受到的侧向约束作用有助于进一步发挥土体的抗剪强度;有限土体被动土压力沿深度方向呈非线性分布,土压力大小会随着土体强度参数(c_m-φ_m )、初始滑裂面倾角、墙底位移比的减小以及宽深比的增大而降低。本文方法可为实际工程中挡土结构经济性设计提供理论指导。
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非稳定流越流承压层完整井水文参数识别

李甜甜, 哈达, 王石磊

2025, 21(6): 1899-1906. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.06.06

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实际工程中常采用抽水试验确定场地水文参数,但由于反演算法各异且缺少判定标准,往往无法证实其参数准确性。同时,由于各类算法本身局限性,在某些复杂水文模型的反演过程中需要不断调整参数以达到收敛精度。采用实测数据为天津市东丽区某场地抽水试验,根据当地水文地质环境采用Hantush-Jacob非稳定流越流模型进行计算。在反演计算过程中,通过引出有效流量概念以减少抽水井及观测井井管中水储量对试验产生的影响,利用多个观测井中实测水位降深与解析解合成目标函数,采用包括EKF算法(扩展Kalman滤波算法)、LM算法(Levenberg-Marquardt算法)及GA算法(遗传算法)3种最优化算法,对该场地的水文参数进行自动化反演。通过反演结果研究分析了3种算法在反演过程中其各自局限性。结果表明,采用GA算法与LM算法联合求解可在全局寻优并得到水文参数准确度较高,且利用该方法反演得到参数计算其他流量下场地水位降深,与实测对比效果较好。此外,在与已发表文献中采用的单一算法相比,GA算法与LM联合算法表现了其在水文参数反演方面的独特优势。
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Rayleigh波入射下河谷—隧道地震动力相互作用

刘中宪, 魏霞, 金立国, 周涛, 王莹

2025, 21(6): 1907-1915. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.06.07

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将间接边界元法发展至Rayleigh波入射下河谷—隧道地震动力相互作用模拟,在验证所建方法准确性的基础上,定量分析了不同频率Rayleigh波作用下隧道埋深、河谷宽深比对地表位移幅值和衬砌隧道环向应力的影响。结果表明:随着隧道埋深的增加,隧道上方位移逐渐下降,地表位移的放大效应逐渐减弱;河谷宽深比对河谷内部和河谷右侧位移幅值的影响更为显著;浅埋情况下,邻近河谷隧道环向应力幅值系数可达10.0以上,表现出显著的动应力放大效应;在入射频率η=2.0入射下隧道环向应力幅值、空间分布均受河谷宽深比影响显著,但埋深d=3.0a时隧道环向应力幅值放大效应不明显;沿河隧道抗震设计需主要关注浅埋低频工况下的隧道应力放大效应。
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FRP加固隧道开裂衬砌的近场动力学模拟

赵国军, 郭成超, 王复明, 王海波

2025, 21(6): 1916-1926. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.06.08

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为研究纤维增强复合材料(FRP)加固隧道开裂衬砌的阻裂性能,基于近场动力学理论,通过引入界面弱化准则,建立了FRP—钢筋混凝土结构的近场动力学模拟方法,开展了FRP—钢筋混凝土梁四点弯曲试验模拟验证,并对FRP加固隧道开裂衬砌问题进行建模分析,探究了FRP加固宽度与层数对多种开裂衬砌加固性能的影响规律。结果表明:界面脱黏是FRP加固开裂衬砌的主要失效模式;FRP加固宽度和层数与加固性能呈正相关关系,但当加固宽度超过拱底2/3、层数超过2层时,结构加固性能无显著提升;此外,裂缝分布位置与深度对FRP加固性能有显著影响,其中跨中裂缝的加固效果显著优于偏心裂缝;当跨中裂缝高比为1/5时,FRP加固后结构全局损伤指数降低了40.3%,显著提升了结构的阻裂性能。
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碎石桩加固地基承载力计算方法

张月鸣, 吴曙光, 黄凯, 兰远新, 杨凯丞

2025, 21(6): 1927-1934. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.06.09

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碎石桩在工程中应用广泛,其承载力是评价碎石桩工程性能的重要指标。基于圆孔扩张理论,引入拓展Lade-Duncan破坏准则推导了碎石桩单桩承载力计算公式,考虑应力扩张叠加效应,推导了方形布桩方案下碎石桩承载力计算公式。开展了室内缩尺模型试验,得出碎石桩最大鼓胀深度位于约二倍桩径深度处,为理论计算提供了依据。最后,通过现场试验与已有研究成果,对提出的计算方法进行了对比验证,结果表明:已有碎石桩承载力计算公式计算结果较为保守,引入拓展Lade-Duncan破坏准则的计算公式得出的承载力与实测值更为接近,可为相关工程及研究提供参考。
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横观各向同性非饱和重塑黄土力学特性研究

郭楠, 贾世宁, 杨校辉, 陈正汉

2025, 21(6): 1935-1945. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.06.10

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为了进一步研究横观各向同性非饱和重塑黄土在复杂应力路径下的变形及强度特性,采用不同试验仪器(非饱和真三轴仪及非饱和三轴仪)对横观各向同性非饱和土体进行了3组共计39个固结剪切试验。结果表明:在真三轴剪切试验中,试样的应力—应变关系曲线呈现出应变硬化特征,并具有双曲线形态,应力也随吸力的增加而提高;随着剪切过程的持续,真三轴试样的含水率不断减小,相同b值、净围压条件下,吸力越大,含水率—轴向应变关系曲线斜率也越大;真三轴试样、K₀CD试验试样及K₀′CD试验试样在剪切试验中始终呈现剪缩状态;3种不同初始条件下试验试样的破坏应力大小依次为真三轴试验试样最大,K₀CD试验试样次之,K₀′CD试验试样最小;K₀CD试验试样的初始切线模量最大,K₀′CD试验试样次之,真三轴试验试样最小。研究成果对于推动横观各向同性非饱和黄土的力学性质研究、完善相关理论和准则、以及指导工程实践具有指导意义。
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砂土基坑悬臂桩后有限土体非极限主动土压力研究

方焘, 许伊楠, 周鹏, 方文苑, 徐佳磊

2025, 21(6): 1946-1955. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.06.11

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复杂环境基坑周边空间愈加有限,经典土压力理论所假设的半无限空间与实际工程不符,使得有限土体基坑主动土压力仍缺乏合理的计算方法。以有限土体基坑柔性围护桩和砂土为研究对象,采用单排桩悬臂支护模式且围护桩底端固定,开展了四种不同土体宽度下的基坑开挖模型试验,以探究主动土压力和围护桩水平位移沿围护桩分布特征。结果表明:各土体宽度侧支护结构水平位移近似三角形变位模式,土压力随开挖深度增大逐渐近似“D”型分布,最大值约出现在0.8H深度位置。通过极限平衡法对土体微分单元进行受力分析,推导极限状态下有限土体主动土压力分布,结合考虑位移影响的摩擦角发挥模型,推导了有限土体非极限主动土压力分布、合力大小以及作用点高度。通过土压力试验值和本文理论值的对比,验证了本文计算方法的有效性。经参数分析发现土压力与宽高比正相关,与内摩擦角负相关,区分有限土体与半无限土体的临界宽高比n_cr = 0.5。
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基于摄影测量的红黏土与砂土折射修正系数研究

李燕霞, 牟春梅, 阳瑾, 潘强, 张博

2025, 21(6): 1956-1967. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.06.12

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基于摄影测量法的三轴试验可以实现试样局部变形的实时测量,但由于光线折射作用导致试样变形测量产生误差。通过引入折射修正系数(κ)不仅可以解决此问题,而且可以提高试验效率。为了探究不同试样轴向、径向变形测量中的折射修正系数变化趋势,分析应用折射修正系数测得的应力—应变曲线与常规三轴试验的差异,分别对红黏土和砂土开展基于摄影测量的固结排水三轴试验,结果表明:(1)在轴向变形测量中,红黏土和砂土不同局部区域的折射修正系数均趋近1,折射放大效应对试样轴向变形测量的影响可忽略不计;(2)在径向变形测量中,红黏土和砂土的折射修正系数分别为0.812和0.757,折射放大效应对试样径向变形测量的影响较大,且不同试样对应不同的折射修正系数;(3)常规三轴与应用折射修正系数所测得的应力—应变曲线变化趋势一致,在试验中后期,应用折射修正系数摄影测量测得的偏应力相对较小。
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细粒含量对中粗砂地层盾构渣土聚合物改良性能的影响

钟小春, 张文斌, 周智, 黄思远, 云强

2025, 21(6): 1968-1975. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.06.13

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土压平衡盾构在大埋深、高水压地层条件下掘进时极易发生喷涌现象,聚合物一般作为应急改良剂来处理喷涌事故。由于聚合物较为昂贵且需在地面设置专门的搅拌设备拌成水溶液,其应用于渣土改良的案例较少。为了探究水溶性高分子聚合物改良中粗砂地层的适应性,针对不同细粒含量的中粗砂进行聚合物渣土改良,开展有压渗透试验、临界喷涌压力试验、流动度试验。结果表明:改良后渣土的渗透系数受细粒含量变化的影响较大,而聚合物的掺入量对其渗透系数的影响较为平缓;改良后渣土的流动度、临界喷涌压力随细粒含量的升高而线性增大;从渗透系数、临界喷涌压力、流动度三方面探讨水溶性聚合物对中粗砂渣土改良的适应性,确定聚合物适用于细粒含量3.8%以上的中粗砂地层;将聚合物与常用的膨润土泥浆进行经济效益对比,表明该聚合物不仅对施工效率的影响小,而且在成本上有优势。
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冻融作用下伊犁盐渍化黄土水盐迁移规律研究

包卫星, 吴倩, 吴谦, 秦川, 侯天琪

2025, 21(6): 1976-1987. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.06.14

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为研究含水率、含盐量对伊犁盐渍化黄土水盐迁移机制的影响,开展了含盐黄土在冻融循环作用下的水盐迁移试验,分析了温度场、水分场和盐分场及其黏聚力变化规律。结果表明:在冻融作用下,盐渍化黄土的温度场、水分场和盐分场均表现出周期性变化;随着冻融循环次数的增加,土柱的含水率整体会提高,呈现出两端含水率高,中间含水率低的形态;冻融作用下土层的盐分变化与水分的总体变化具有一致性,未冻融前各土层盐分呈现均匀分布;在温度势的作用下,水分携带盐分向上迁移,导致土柱中上部分含盐量较高;含水率和含盐量的提高对水分和盐分迁移具有的促进作用;含水率的提高会在土颗粒之间起到润滑作用,导致低含水率的试样其黏聚力大于高含水率的试样;随着含盐量的提高,盐晶包裹土粒形成的团聚体起到骨架作用,使得高含盐量试样的黏聚力大于低含盐量的试样;冻融作用后盐渍化黄土的内摩擦角值呈现波浪分布。
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酸对海相页岩断裂行为的影响机制

陈立超, 张超鹏, 张典坤, 吕帅锋, 王生维

2025, 21(6): 1988-1996. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.06.15

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为探究不同层理方位酸岩反应对海相页岩断裂性能的影响机制,采用SNDB试样获取试样在三点弯加载下载荷—位移关系和断裂荷载,计算页岩断裂韧度K_IC和断裂能,结合缝网压裂需求对不同深度及应力状态下海相页岩储层压裂注酸模式开展初步探讨。结果表明:(1)三点弯加载试样断裂过程包括压实、弹性压缩、断裂及裂缝扩展阶段,试样断裂后快速失去承载能力,页岩脆性强;(2)平行、垂直、切分层理方向页岩断裂韧度随酸浓度增大而递减,K_IC由1.12降至0.44 MPa·m ^0.5,断裂能由211.50降至56.00 J·m ^-2,层理方位及酸浓度对海相页岩断裂性能控制显著;(3)按酸滤失力学机制,平行层理页岩酸液侵入方式为裂隙型侵入,侵入深度大;垂直层理页岩为孔隙型侵入,侵入深度小;切分层理试样为混合型;(4)浅层页岩压裂需要抑制裂缝沿水平层理方向扩展,不宜注酸;(5)深层页岩压裂中建议注酸增强裂缝在水平方向上的扩展趋势,提升裂缝复杂程度;(6)超深层页岩压裂中由于垂直方向裂缝受限,建议谨慎注酸提升裂缝垂向扩展趋势,实现超深储层扩逢高。
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基于DIC法的土石混合填料抗压强度试验研究

马丽娜, 黎世平, 乔丹阳

2025, 21(6): 1997-2004. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.06.16

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通过室内无侧限抗压强度试验,重点探讨了含石量及细粒料比例不同时对其抗压强度的影响。结合XTDIC分析系统得到试样的应变、位移云图,并对其进行定性及定量分析。结果表明:在静荷载作用下,应变增加导致初期应力增长速率加快,峰值应力显著上升,其相邻峰值应力的最大增量可达22.2%,达到峰值后,应变持续增长而应力降低的速率有所减缓,残余应力有所上升;当试样中石粉含量固定而含石量变化时,初期应力的增长速度加快,并导致峰值应力提升;从应力—应变曲线分析可知,含石量为70%,石粉占80%时,试样表现出最佳的力学性能和最小的变形;含石量为30%、石粉占20%时,试样的力学性能表现最差;击实后分形维数对无侧限抗压强度的影响显著,随着击实后分形维数的减小(含石量增加),无侧限抗压强度呈递先增大后减小的趋势。
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木钙—纤维协同微生物改良红层泥岩填料试验研究

陈勇琪, 肖瑶, 邓华锋, 朱文羲, 黄小芸

2025, 21(6): 2005-2016. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.06.17

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为了提升红层泥岩填料的微生物改良效果,将木质素磺酸钙、玄武岩纤维作为外加剂协同微生物改良红层泥岩填料,开展了MICP拌合法对红层泥岩填料的物理力学特性影响试验,通过相关试验研究了不同木钙、玄武岩纤维掺量下对MICP拌合法处理后红层泥岩填料的无侧限抗压强度、破坏特征、无荷膨胀率、耐崩解性的影响及其变化规律,揭示了木钙—玄武岩纤维协同微生物改良红层泥岩填料的作用机理。结果表明:(1)与MICP组相比,当木钙和玄武岩纤维掺量分别为3%和0.2%时,对试样的协同改良效果最优,其纵波波速提高了39.49%,无侧限抗压强度提升了134.55%,破坏时的峰值应变增大了32.34%,木钙—玄武岩纤维协同微生物作用能够显著提高红层泥岩填料的密实性、强度及其抵抗变形能力;(2)木钙—玄武岩纤维掺入后,红层泥岩填料的无荷膨胀率降低了53.84%~73.07%,最优掺量组试样的崩解性由中崩解改善为不崩解;(3)木钙—玄武岩纤维协同微生物改良红层泥岩填料的机制主要包括木质素聚合物的胶结填充作用、玄武岩纤维的加筋作用、木钙—玄武岩纤维对MICP协同促进作用等3个方面。本研究成果可为高铁路基红层泥岩填料的改良提供新的思路。
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盐岩单轴蠕变力学特性试验研究

丁伟伟, 黄光利

2025, 21(6): 2017-2025. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.06.18

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盐穴储气库的长期运营过程中,储库内压变化的持续时间相对较长且内压变化频率相对较低,储库围岩变形过程是一个处于低频循环荷载作用下的蠕变变形过程。为了深入研究盐岩在长期蠕变条件下的力学特性,进行了3组盐岩单轴蠕变试验。结果表明:(1) 对于破坏的盐岩试样,其变形过程分为减速变形、稳定变形和加速变形3个阶段,对应的应力应变曲线呈现出“稀疏”—“密集”—“稀疏”的变化趋势;(2) 在加载速率和应力上限两种影响因素中,应力上限对盐岩力学特性的影响更为显著。在相同应力振幅下,随循环次数增加,不同荷载速率对盐岩变形的影响逐渐减小;(3) 在加载阶段,盐岩试样的变形速率随时间逐渐减小,直至应力增长至应力振幅60%时,应变速率开始增大;(4)在应力上限恒定阶段,应变速率随时间逐渐减小,但在试样临破坏时,应变速率显著增加;(5) 在整个试验过程中,不同循环在加载阶段和在应力上限恒定阶段,应变速率近乎相等。试样临破坏前一个循环时的应力上限恒定阶段,应变速率明显增加;(6) 卸载阶段的变形速率随荷载减小而增大,盐岩弹性应变在此阶段恢复,表现出负值的变形速率;(7)在应力下限恒定阶段,应变速率为接近于零的负值,并呈波动状态。
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不同软硬互层厚度比围岩隧道破坏特征研究

范祥, 洪铭

2025, 21(6): 2026-2039. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.06.19

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软硬互层岩体的受力较为复杂,预制不同软硬互层厚度比的互层围岩隧道试件,通过试验研究互层围岩隧道周围的变形破坏特征,并采用数值模拟对互层围岩隧道周围的应力、应变分布进行分析对比。结果表明:当相对较软层较厚时,隧道的破坏受相对较软层压缩的影响更大,隧道轴向压缩变形量较大;当相对较硬层较厚时,隧道的破坏受相对较硬层岩层断裂的影响更大;当互层厚度均较薄时,更薄的岩层使隧道周围岩体的变形破坏更为连续。具体表现为:(1)相对较硬层10 mm且相对较软层10 mm工况下的试件整体破坏模式为强孔洞破坏模式,拱顶和拱底处张拉破坏较为严重,易在拱肩和拱脚处出现压—剪切复合型裂缝;(2)相对较硬层10 mm且相对较软层20 mm工况下的试件整体破坏模式为强压缩破坏模式,压剪破坏在拱腰表现明显,易在拱肩和拱脚处出现压—剪切复合型裂缝;(3)相对较硬层20 mm且相对较软层10 mm工况下的试件整体破坏模式为断裂破坏模式,拱顶下沉明显,拱腰附近应力水平较高,但破坏程度较小。
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外水压作用下供水管道内衬稳定性足尺试验研究

罗宏川, 马保松, 郑立宁, 闭靖杰, 赵雅宏

2025, 21(6): 2040-2050. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.06.20

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采用原位固化技术加固的高龄供水管道能够承担内水压荷载,但既有管道的孔洞缺陷为管周地下水提供了渗流通道,局部静水外压的激增造成内衬失稳失效。通过对DN 600和DN 1 000两组足尺管道静水外压试验和有限元分析,研究原位固化内衬在静水外压作用下的变形规律和失稳特征,探讨界面粘结条件下内衬DR值和椭圆度对内衬屈曲行为的影响规律。结果表明:内衬管在静水外压作用下经历了上浮、弯曲、极限外压屈曲、局部纤维断裂和内衬断裂5个阶段,界面的粘结强度对内衬屈曲的影响显著;采用原位固化技术修复供水管时应保证CIPP内衬与既有管道的粘结性能及粘结作用的耐久性。
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悬索桥岩锚锚碇变形承载特性试验研究

彭波, 王中豪, 毛龙, 吴校全, 杨嘉毅

2025, 21(6): 2051-2059. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.06.21

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岩锚锚碇是一种新型的悬索桥锚碇结构型式,受力机理复杂。为了研究悬索桥岩锚锚碇的变形特征和承载能力,以西堠门公铁两用大桥岩锚锚碇工程为例,在现场开展了1∶10岩锚锚碇缩尺模型试验,通过1.2P预应力工况加载、1P设计荷载工况加载和超载工况加载试验获得了岩锚锚碇在各级工况下的变形分布规律,研究了岩锚锚碇的承载特性。结果表明:在各级工况下,岩锚锚碇变形主要发生在两个岩锚体及其夹持的锚间岩体区域,变形分布曲线形态近似为以锚间岩体为中心的双峰状;实桥岩锚锚碇在设计荷载工况下的最大变形为4.17 mm,安全稳定系数为11,满足悬索桥锚碇变形限值和安全稳定性要求。研究成果为西堠门公铁两用大桥岩锚锚碇的安全评价提供了试验依据,也可为岩锚锚碇相关的研究和应用提供技术参考。
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节理岩体爆破数值模拟及裂纹定量统计

王雪松, 郭连军, 张久洋, 闫大洋, 徐振洋

2025, 21(6): 2060-2070. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.06.22

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爆破破岩过程中,岩体中节理、裂隙的存在影响了爆炸破碎效果,部分有限元数值模拟软件能够实现节理岩体的爆破破岩模拟,但难以实现裂纹的定量描述。采用LSDYNA软件,建立含节理条件的岩体数值模型,分析了节理面对爆炸应力波的阻碍、反射作用,将爆生裂纹图像二值化处理,采用Hough变换方法实现了二值化图像中的裂纹提取,并采用极大似然估计法分析了裂纹图像统计结果。结果表明:节理的存在严重阻碍了爆生应力波的传播作用,峰值应力减少约为60%,炮孔与节理间的岩体由于反射作用受到了更强的应力叠加作用,破碎效果更为显著;爆炸的初始阶段小裂纹出现概率较大,结束时则以长裂纹为主,此过程中许多短裂纹扩展为长裂纹,裂纹角度的分布较为平均;节理角度45°及60°条件下的长裂纹分布更为均匀,极值不明显;节理为15°及30°时的垂直方向裂纹发育较为明显,Hough变换方法实现了数值模拟结果中裂纹图像的定量统计。
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水泥固化滨海软土的强度与耐久性研究进展与评述

梁仕华, 余洋, 冯德銮

2025, 21(6): 2071-2093. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.06.23

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沿海地区广泛分布大面积的深厚滨海软土地层,具有含水率高、压缩性高、有机质含量高、承载力低、透水性低和变形稳定时间长的“三高两低一长”的显著特征,固化处理是其最常用也最有效的方法之一。深入理解固化软土的固化机理、强度特性和耐久性的影响机制是确保固化处理滨海软土地基维持长期安全稳定的关键前提。通过对水泥固化滨海软土的强度和耐久性进行综述,阐明水泥对滨海软土的多尺度耦合固化机理,讨论当前针对滨海软土固化体研究的不足,探讨具有前沿性的潜在研究建议,为后续科学研究和工程应用推进提供新的思考和思路。

设计、施工、监测

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泥岩区隧道二衬力学特征及抗膨胀设计研究

普如敏, 祝鹏程, 李小坤, 梁宁慧, 杨方

2025, 21(6): 2094-2103. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.06.24

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泥岩亲水性强,遇水发生体积膨胀,影响隧道工程的施工与运营。为探究围岩膨胀力对隧道二次衬砌力学特征的影响,以云南省楚雄州黑井隧道为工程依托,基于地层结构法理论,系统研究了有、无围岩膨胀力作用下二次衬砌的力学特征及安全性,并提出具有经济效益的抗围岩膨胀二衬设计方案。结果表明:仰拱矢跨比变化对二衬的影响主要体现在隧道起拱线以下区域(边墙、拱脚、仰拱),矢跨比增大能优化结构受力状态,提高安全性;膨胀力作用下,二衬安全性将下降,结构的最不利位置随着仰拱矢跨比的变化会发生改变;当膨胀力在100 kPa以内,可通过增加配筋率的方法使结构满足安全性与裂缝要求,膨胀力超过100 kPa时,仰拱矢跨比取0.12可大幅度削弱膨胀力对结构的不利影响,减小配筋率,降低成本。
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缓和曲线段盾构机平面姿态与超挖控制分析

黄大维, 陈凯, 陈后宏, 陈永青, 余珏

2025, 21(6): 2104-2111. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.06.25

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盾构机姿态控制主要由伸缩顶推千斤顶和控制超挖刀伸长量来实现,由于缓和曲线段的曲线线型较为复杂,盾构机的姿态往往难以控制。针对以上问题,基于盾构机超挖模式和平面姿态分析,确定了盾构机合理的超挖模式为内侧半周超挖,并对内外侧顶推行程差和超挖刀最大伸长量进行了计算。计算过程应用二维平面来简化盾构机顶推千斤顶,仅考虑左右两端的千斤顶对盾构机姿态的影响。最终得到了盾构机直线进缓和曲线段、缓和曲线段的顶推行程差以及超挖刀最大伸长量计算公式。以某工程施工数据代入上述公式,分析得出直线进缓和曲线段内外侧顶推行程差和超挖刀最大伸长量均与盾构机掘进距离成二次抛物线关系,在缓和曲线段中均成线性关系。研究可为盾构机过缓和曲线时的平面姿态与超挖控制提供科学依据。
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泥水盾构排浆管道波纹加速结构运输特性分析

廖异, 张澳, 陶铁军, 刘恩龙, 徐涛龙

2025, 21(6): 2112-2121. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.06.26

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针对泥水平衡盾构机循环系统的排浆管道运输堵塞情况,基于计算流体力学(Computational Fluid Dynamics, CFD)和离散元(Discrete Element Method, DEM)双向耦合方法,模拟了波纹管道中泥浆和石材颗粒相互作用下的运输过程,研究了颗粒相和流体相随时间的演化。结果表明:波纹管道实现了向内波纹会聚管流场加速效应,泥浆通过波纹结构时流速显著增加,高速流域面积扩增;更多管道底部处石材颗粒与管壁的滑动摩擦变为滚动摩擦,降低了石材与管道间的摩擦磨损,且底部泥浆具有向上流动的趋势,使得石材颗粒获得向上的速度分量,分布在流场作用更强的位置;波纹管壁附近,湍流动能随着泥浆的流动而增大,泥浆与管壁的摩擦损失以及湍流流动带来的热能耗散则使得总压减小较为明显;波纹函数振幅增大或者周期减小均有利于缓解石材颗粒的堵塞情况,但周期过小会导致个别石材颗粒长时间滞留;在石材颗粒易堆积管段使用波纹加速结构能有效避免堵塞情况。
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穿越断裂带隧道变形机制及NPR支护数值模拟研究

曹振生, 徐海斌, 虎晓敏, 张光逵, 刘珂源

2025, 21(6): 2122-2132. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.06.27

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穿越断裂带的隧道在铁路工程、水利工程、公路工程较为常见,由穿越断层破碎带所诱发的工程地质灾害占我国隧道灾害总数的50%以上,保证穿断层带隧道的安全稳定是发展我国隧道工程的重中之重。以他白依隧道为工程背景,探究围岩在断层破碎带影响下的有效支护措施。为解决他白依隧道软岩大变形问题,本文首先通过开展现场点荷载试验、地应力试验及室内矿物成分分析试验来探究形成大变形原因的主控因素,之后针对他白依隧道变形力学机制提出高预紧力长短NPR锚网支护方案,依据开挖补偿理论利用NPR锚索的高预紧力对隧道围岩进行应力补偿,并通过数值模拟与现场监测说明隧道在高预紧力长短NPR锚网支护方案下能够有效减少围岩在断层破碎带影响下产生的大变形。该研究成果可为穿越断层带的隧道支护提供参考。
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基于P波自动筛选的入侵事件震源贝叶斯定位研究

江传宾, 袁朋, 尚雪义, 陈结, 袁强

2025, 21(6): 2133-2140. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.06.28

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分布式光纤声学传感(DAS)技术在地下工程安全监测中发挥着越来越重要的作用,其中入侵事件辨识和震源定位是关键。针对单一方法P波初至数据震源稳定性较差、震源定位未考虑P波初至数据不确定度的问题,提出一种基于P波初至数据自适应筛选和考虑其不确定度的分布式光纤入侵事件震源贝叶斯定位方法。具体地,首先建立随距离衰减的入侵事件震源定位目标函数,研发多种P波初至数据自适应筛选和震源初定位方法,进而提出考虑P波初至数据不确定度的震源贝叶斯定位方法,给出震源定位结果及其不确定度。某地下排水洞入侵事件震源定位测试表明:(1) 与入侵事件位置较近的传感器数据具有明显更大的定位权重,而传播距离较远传感器数据的定位权重趋于零;(2) 对于传播距离较近的传感器,自适应优选后的P波初至时间与理论传播时间具有良好的一致性;(3) 考虑P波初至不确定度的震源贝叶斯定位能够快速收敛,震源定位结果在水平方向的不确定度呈圆形分布,而在垂直方向的不确定度呈椭圆分布,测试事件定位误差在1 m以内;(4) 岩石掉落、渗透水释放、人员行走、人工敲击试验的平均定位误差分别为0.98 m、0.81 m、1.82 m和0.35 m。本文方法为P波初至数据自适应筛选和震源定位结果不确定度分析提供了一种新途径。

防灾与环境

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铁路隧道抗震目标可靠指标研究

胡炜, 汤印, 谭信荣, 喻渝

2025, 21(6): 2141-2147. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.06.29

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目前我国已初步完成铁路隧道极限状态法转轨,建立了铁路隧道结构在自重及围岩荷载作用下的极限状态设计方法,但未对铁路隧道在地震荷载作用下的极限状态法展开详细研究。为进一步完善铁路隧道极限状态设计体系,明确铁路隧道结构抗震目标可靠指标以建立铁路隧道抗震极限状态设计方法,采用校准法对现行铁路隧道衬砌及明洞抗震通用参考图进行了可靠度校准,并基于校准结果提出了铁路隧道抗震目标可靠指标。结果表明:铁路隧道结构抗震可靠指标主要与围岩级别及结构类型相关,具体表现为衬砌可靠指标小于明洞可靠指标,Ⅴ级围岩下结构可靠指标小于Ⅳ级围岩可靠指标;考虑不同围岩级别下各结构的权重系数后,铁路隧道抗震可靠指标的平均值为6.81,大于现行规范提出的铁路隧道结构在自重及围岩压力作用下的目标可靠指标4.2,现行衬砌及明洞的抗震可靠度水平较高;结合铁路隧道抗震通用参考图可靠度校准结果和现行规范中的目标可靠指标,确定铁路隧道抗震目标可靠指标安全等级一级时为4.7,二级为4.2,三级为3.7。
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越坡体油气管道地震作用的拟静力分析方法

谢成, 赵子震, 刘军, 肖世国, 戴天毅

2025, 21(6): 2148-2158. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.06.30

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越坡体的埋地油气管道在地震作用下因可能的滑坡推力而使管体产生显著的力学响应。为合理计算地震滑坡推力致管体的内力与位移,根据拟静力模式,通过传递系数法计算管道后侧地震滑坡推力后,采用沿管道轴向两端小(滑坡周界附近)中间大的梯形推力分布模式,基于Winkler弹性地基上的考虑管体横向剪切变形的Timoshenko梁模型,建立了管道力学分析方法,推导出管道位移和内力的计算公式,给出了基于应力安全状态分析的管道选材计算方法。实例分析表明:管道挠度由滑坡周界至滑坡体内逐渐增大,穿越段中间部位挠度基本不变,管道中间1/3~2/3长度范围内的弯矩与剪力均很小,管道弯矩与剪力最大值均位于滑坡周界附近,理论计算与FLAC3D数值模拟结果基本一致;随着地震影响系数、管道穿过滑体的长度、管道横截面尺寸的变化,管道内力的分布模式基本不变;管道的最大弯矩与剪力则随水平地震影响系数呈非线性增大,随管道横截面尺寸的增大而有所增大,但随管道穿越段长度的增加则略有减小。
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高应力脆性硬岩洞室开挖损伤区判别标准研究

马行东, 张世殊, 黎昌有, 袁国庆, 贾翔

2025, 21(6): 2159-2166. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.06.31

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双江口水电站深埋大型地下厂房洞室群布置在左岸山体内,地层岩性为脆性硬岩花岗岩,实测地应力达37.82 MPa,为高～极高地应力区。研究发现地下厂房松弛深度介于2.2～4.4 m,围岩损伤总体随分层爆破开挖呈增强趋势,但松弛深度变幅小,松弛层平均破碎变幅均小于10%,围岩破裂滞后效用缩短。提出高应力脆性硬岩洞室开挖损伤区(GEDZ)分布可以采取声波检测为主、辅以创新性提出的半定量指标“破裂形态”(新生裂缝、残余爆破孔半孔率、岩爆破坏深度)、定量指标渗透性等判别标准合理地评价,较好地指导了现场设计与施工,研究成果可为今后类似水电地下厂房提供参考。
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双江口厂房洞群围岩变形破坏特征与反馈设计研究

杨云浩, 张顺利, 袁国庆

2025, 21(6): 2167-2179. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.06.32

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对双江口水电站三大洞室围岩变形的时空特征及机理进行了分析,并以厂房洞室为研究重点,利用围岩变形、支护荷载监测数据以及钻孔声波检测数据,采用考虑洞周松弛区动态演化的力学参数反演方法,开展施工期监测反馈设计。结果表明:双江口厂房洞群围岩空间变形由应力卸荷效应主导,并叠加洞群效应和高边墙效应,呈现出上下游不对称变形的基本特征,开挖完毕后实测洞周最大位移仅为28 mm;三大洞室变形时间特征表现为在开挖揭露后以及后续2~3个下卧分层开挖期间,变形以卸荷回弹为主,随着进一步的下卧开挖,时效变形开始显现,但时效变形量级较小,且在洞群开挖结束后很快趋稳;在围岩存在时效变形的情况下,采用考虑洞周松弛区动态演化的参数反演与数值计算,能够较为合理地反映围岩的渐进劣化并对后续开挖引起的围岩变形增量做出较为准确的预测;基于变形预测结果对支护强度做减弱调整后,围岩变形未出现异常增长,说明反馈设计是合理的。
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上下盘错动作用下穿越地裂缝综合管廊损伤分析

熊仲明, 张佳斌, 陈轩, 梁家伟

2025, 21(6): 2180-2191. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.06.33

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针对地裂缝分布较为密集的城市,地下综合管廊等线性工程不可避免要穿越地裂缝,而地裂缝场地上下盘垂直错动会严重威胁地下综合管廊的安全。为此,以西安市幸福路地下综合管廊为研究背景,建立了土与结构共同作用的三维有限元分析模型,研究了上下盘不同错动量下综合管廊的损伤特征和场地土应力应变的变化,引入了损伤指数建立管廊安全评价分类标准(DS0-DS3),以评估结构损伤。结果表明:管廊受拉损伤区集中在下盘上层舱室、地裂缝处墙体、上盘下层舱室,受压损伤区集中在地裂缝处墙体;受拉损伤控制管廊损伤;管廊结构薄弱位置在上盘为下层大舱底板,在地裂缝处为下层大舱侧墙,在下盘为上层大舱顶板;当错动量达到300 mm,上盘管廊上部土体塑性区向上发展贯穿土体,管廊大部分损伤区达到DS3,出现大面积混凝土剥落,结构失效。
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隧道排水系统结晶风险控制指标及评价体系构建

刘禹阳, 张艺潇, 马德胜, 张浩楠, 陈明杰

2025, 21(6): 2192-2202. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.06.34

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山岭隧道排水系统结晶病害十分普遍,结晶风险定量评价方法的构建具有较大的实际工程意义。本文基于隧道排水管内化学结晶过程与物理堵塞过程分析,确定了7种溶液参数作为识别结晶风险的关键判断指标,设计并开展了单因素结晶和正交结晶影响试验,分别确定了各判断指标对结晶生成的影响规律和影响程度排序,根据钙离子浓度变化率确定了指标赋分标准,利用改进层次分析法计算了指标权重,构建了结晶风险评价体系,并与现场情况进行了对比验证。结果表明:山岭隧道结晶堵塞过程包括初支渗透析钙、排水结晶反应和管内物理沉淀3个阶段;排水溶液参数中Ca²⁺、HCO^-₃、pH、SO^2-₄、流速、Mg²⁺及温度可作为结晶风险的判断指标,前5个对结晶起正向促进作用,后2个起负向抑制作用;结晶反应相对影响程度由大到小依次为pH＞Ca²⁺＞流速＞HCO^-₃＞SO^2-₄＞温度＞Mg²⁺,对应权重在 0.319~0.034之间变化;基于钙离子浓度变化率定量曲线,可将指标的赋分标准划分为4~6个区间,利用曲线斜率内插法确定指标赋分标准。工程应用表明,所构建的隧道排水系统结晶风险等级评价体系可较客观地反映目标隧道结晶风险等级。
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浅埋隧道地层瓦斯驱替措施性能及影响因素研究

苏培东, 石疏桐, 李有贵

2025, 21(6): 2203-2216. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.06.35

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针对浅埋隧道穿越高瓦斯地层治理效果不理想、施工风险高的问题,基于流体多孔介质理论,将煤层瓦斯驱替抽采技术应用于高瓦斯地层浅埋隧道施工治理。采用理论分析、数值模拟的方法分析了地层瓦斯驱替的性能,确定了瓦斯驱替影响范围、瓦斯驱替时间,对可能影响驱替性能的抽排负压、注气压力、地层渗透率、钻孔孔径4个因素进行研究,最后通过现场实验对地层瓦斯驱替数值模拟结果进行论证。结果表明:在抽排负压P_C=50 kPa和注气压力P_Z=2.0 MPa条件下,注气、抽排孔间距12 m时采用注气40 min,同时抽排90 min达到的驱替效果较好;抽排负压越小驱替性能越好,但抽排负压对驱替进程影响较小;注气压力的提高能显著提高瓦斯抽排量、减少驱替时间;地层瓦斯下降量、抽排孔瓦斯流量与渗透率有着近线性的正相关性;对于目前常用钻孔孔径来说,增大钻孔孔径对地层瓦斯驱替治理效果影响不明显;由于地层条件、设备限制、施工扰动等因素,现场实验与数值模拟瓦斯含量监测数据存在一定差异,但两者在驱替效果和时间进程上具有较高的吻合度。
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地下停车场火灾与人车混行疏散耦合模拟研究

翟越, 韩珠琳, 屈璐, 韩策

2025, 21(6): 2217-2226. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.06.36

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为了提高地下停车场火灾中人车混行疏散的安全性和高效性,采用Python语言构建基于元胞自动机的背景场模型,加入PyroSim模拟的火灾场数据,得到火灾与人车混行疏散动态耦合模型。以西安某商业综合体地下停车场为研究对象,开展人车混行疏散仿真模拟实验。结果表明:相较于行人疏散,人车混行的必需安全疏散时间延长了20%~130%,仅在一定的行人密度和车位占用率下才能实现安全疏散;行人密度较大时会在出口产生拱形效应,同时降低行人和车辆的疏散效率;车辆疏散失败的概率约为行人的22倍,行人即使成功疏散至出口,依然有15%~25%存在不同程度受伤,重伤和濒死人数比例与疏散行人密度呈正相关。研究结果可为地下停车场防火设计优化和人车疏散预案制定提供参考依据。

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