地下空间与工程学报

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2025年, 第21卷, 第3期　
刊出日期：2025-06-20

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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基于因子评价和经验指标的综合管廊规划研究

周志才

2025, 21(3): 739-747. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.03.01

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综合管廊建设对提升城市生命线韧性、集约利用城市立体空间具有显著作用,是服务城市高质量发展的重要基础设施。基于城市综合管廊规划建设的现实需求,利用层次分析法和专家咨询法明确15个关键影响因子的赋值规则与权重,构建城市综合管廊规划建设适宜性评价体系,借助GIS空间分析与统计功能,较为科学、客观地评估了研究区道路的综合管廊适建性,并以道路综合管廊建设率和城市综合管廊建设密度指标优化建设规模,平衡综合管廊建设覆盖与基础设施建设支出,为区域综合管廊规划方案提供支撑。
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场所理论下的地下交通与商业空间连通优化研究

唐耀, 范剑才

2025, 21(3): 748-758. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.03.02

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地下交通基于TOD模式的发展,带动了周边商业空间向地下开发的进程,而地下交通与商业空间之间的连通空间成为了不可忽视的一环。本研究基于场所理论高度概括上海市人民广场站与徐家汇站两处连通空间中的空间构成,对空间结构与场所精神两方面考虑,进行实地调研与问卷发放,并通过探索性因子分析与SPSS算法软件辅助,找寻影响连通质量的强相关原因。将行人主观因素进行量化,总结出中心场所与方向、区域划分与塑造、空间主题文化、空间互动性、公共安全与管理5个影响因子,并从中提出相对应的优化方法,为地下连通空间设计提供一定参考。

理论与试验研究

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预应力锚杆支护深埋隧道围岩应变软化弹塑性分析

邹金锋, 伍钦铧

2025, 21(3): 759-773. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.03.03

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为探明富水地层条件下预应力锚杆对隧道支护时的力学状态,以深埋隧道为例,基于三维Hoek-Brown屈服准则,考虑水力耦合及围岩应变软化的影响,将预应力锚杆视为带有锚垫板及两端应变不为零的被动锚杆模型,对隧道围岩进行了弹塑性分析,由此采用粘结-滑移理论建立了预应力锚杆剪切应力分布及端部预应力的数值计算方法,并通过与相关工程案例计算结果的对比分析,验证了本文计算方法的合理性。同时,依托实际工程对不同因素影响下围岩应力和位移的变化规律进行参数分析。结果表明:本文方法计算得到的锚杆轴力最大值、隧道表面力和锚杆中性点位置均与所选取工程案例的监测值拟合良好,且当锚杆剪切应力达到隧道壁峰值应力时,在隧道壁附近锚杆与围岩之间会发生解耦现象;依托实际工程反映了本文方法可有效解决深埋隧道预应力锚杆在工程中的设计计算问题,且预应力锚杆安装后可有效减小围岩变形,相比被动锚杆,其支护效果更好,研究成果可为类似工程地质条件下深埋隧道支护设计提供理论指导。
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基于爆破地震波的岩体屈服临界振速理论模型

吴祖松, 曾强

2025, 21(3): 774-779. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.03.04

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针对现有爆破地震波应力计算公式主要考虑震源参数而忽略传播介质影响的问题,采用量纲分析法,推导出了岩体爆破地震波应力方程,并结合DP屈服准则建立了岩体屈服临界振速的理论计算模型。结果表明:正应力大小与振速、介质力学参数成正相关关系;振速一定时,弹性模量越小,介质中正应力的变化越明显;弹性模量一定时,振速越大,介质中正应力的变化越明显;相比经验公式,爆破地震波正应力理论模型适用范围更广,能够更准确地模拟不同介质材料和地震波情况下的地震波传播过程;在DP屈服准则基础上,采用爆破地震波应力方程能准确的预测出不同介质材料达到屈服时的临界振速。
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考虑膨润土颗粒层的高放废物处置库温度场解析解

周祥运, 胡世翔, 卓为顶, 孙德安, 许迅

2025, 21(3): 780-791. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.03.05

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高放废物处置库温度场的时空演化规律是处置库热量尺寸设计和安全性能评估的重要参考之一。根据处置库多重屏障系统设计,建立了二维轴对称条件下处置单元的三层热分析模型。采用拉普拉斯变换和有限傅里叶正弦变换及其逆变换方法,对传热控制方程进行求解,获得了膨润土块层、颗粒层及围岩层的温度场半解析解。通过与数值解和双层模型解的比较分析,证实了三层模型解的可靠性及其在描述复杂热传导问题中的优势。进一步探讨了几何参数和材料热物性参数对缓冲层峰值温度的影响规律,并利用模型半解析解确定了不同类型核废料处置容器的合理间距,同时对瑞典原型处置库的加热试验结果进行了预测分析。结果表明:考虑膨润土颗粒层时缓冲层峰值温度较未考虑情况升高14.84 ℃;由于颗粒层热传导系数较低,其厚度对缓冲层峰值温度具有显著影响;当处置容器间距大于20 m时,缓冲层峰值温度变化趋于平缓;模型半解析解能够有效预测原型处置库加热试验的温度响应特性。
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粉质能源土水合物一维分解离散元分析

李涛, 张兴华

2025, 21(3): 792-799. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.03.06

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水合物分解下能源土(含甲烷水合物土)的宏微观性质变化决定了水合物开采工程的储层稳定性。通过将水合物颗粒随机填充到粉质骨架中,并对粉粒-水合物和水合物-水合物接触施加胶结模型,考虑细粒间的范德华力作用以及温压条件对胶结强度的影响,建立了粉质能源土离散元模型。考虑温压参数对水合物分解速率的影响,在典型地层一维压缩应力下进行水合物降压分解模拟。结果表明:水合物分解过程中,能源土骨架孔隙比逐渐降低而偏应变逐渐增加,压力恢复阶段,变形有一定的恢复;在组构方面,随着水合物分解,粉粒-粉粒(骨架)接触法向的各向异性程度逐渐下降,而粉粒-水合物和水合物-水合物接触法向各向异性程度有所上升;在承力方面,水合物更倾向于承担平均应力而较难承担偏应力,当水合物饱和度分解到4%~6%时,水合物尚能承担16%的平均应力,但仅能承担1%的偏应力,水合物分解对能源土的抗剪强度和体积屈服的影响有所不同。
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基于ANN的上海土体HSS模型模量参数研究

刘航宇, 顾晓强, 胡靖

2025, 21(3): 800-804. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.03.07

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小应变硬化(HSS)模型能够反映土体在小应变范围内模量的高度非线性,已被广泛应用于复杂地质条件下的基坑变形计算。模型参数的合理取值对于计算结果有着重要影响,但目前规范参数推荐值范围较大,给工程应用带来了不便,因此亟需解决模型参数精确取值问题。分析了已有HSS模型参数的数据特征,引入人工神经网络方法(ANN),得到了上海土体 HSS 模型模量参数与土体初始孔隙比e、压缩模量E_s1-2等的经验关系。实现了通过常规工程勘察报告快速准确确定 HSS 模型模量参数,确定的参数值较推荐取值更接近实测值。研究成果可以为上海地区地下工程提供参考。
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砂土地层浅埋隧道掌子面被动极限支护压力计算

叶友林, 钱子杰, 路志旺, 商诗健, 牛奔

2025, 21(3): 805-815. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.03.08

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为了更好地评估砂土地层中浅埋盾构隧道掌子面被动失稳破坏模式,对既有三维计算模型进行改进,使失效区域更接近真实土体破坏轮廓,考虑上下部块体之间的摩擦,采用极限平衡法,建立极限支护压力计算公式。采用有限差分软件FLAC^3D构建数值模型,分析掌子面被动破坏支护力变化规律及破坏模式。将理论模型得到的极限支护压力解与数值模拟及现有被动破坏理论模型得到的解进行比较,验证模型的可靠性。结果表明:理论计算模型可以满足掌子面被动失稳的极限支护压力计算;极限平衡计算模型的上下块体间存在摩擦,考虑静摩擦力进行计算更为合理;对数螺线转角的最优解受到内摩擦角的影响,当内摩擦角增大时,对数螺线转角的最优解会变小;浅埋盾构隧道掌子面被动极限支护压力随着土体内摩擦角的增大而增大,随着隧道直径的增大而减小。
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盾构隧道施工期管片上浮计算方法研究

叶俊能, 班勇婷, 叶肖伟, 张小龙, 宋轲

2025, 21(3): 816-823. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.03.09

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盾构法以不影响地面交通、机械化程度高、施工周期短等优势而被广泛应用于地铁隧道建设中。盾构法在施工过程中时常面临管片不均匀上浮引起的开裂、破损等问题,影响隧道的正常使用,而盾构隧道管片上浮机理与理论计算方面的研究还较为少见。本文针对盾构隧道施工期管片的不均匀上浮问题,深入分析了管片初始上浮阶段的上浮机理,提出了相应的上浮力/抗浮力、上浮量理论计算公式,结合工程算例对理论计算结果进行对比分析。结果表明:管片初始上浮可以分为快速上浮、缓慢上浮两阶段,其中快速上浮阶段上浮量约占总上浮量的80%~90%;总上浮量理论计算值均大于监测值,但每环管片上浮量的计算误差较为稳定,本文提出的理论计算公式可以为管片上浮量计算提供参考。
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基于迁移学习与宽带MUSIC算法的结构开裂定位

王云潇, 刘元雪, 白云山, 姚未来, 穆锐

2025, 21(3): 824-834. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.03.10

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为增强地下工程的韧性防护,裂缝的全域实时监测至关重要。本文提出一种结构开裂的实时定位方法,通过迁移学习方法,采用1 847组数据训练地震到时深度学习模型,建立结构开裂直达声波与反射声波的到时拾取模型,实现开裂声信号的自动识别与提取。针对宽带多重信号分类定位算法因空间混叠导致定位精度降低的问题,通过空频域的时延关系建立声源方位与相位差的方程,分析相位差与空间混叠的联系,以两组相位差同时为正的条件筛选窄带计算空间谱值。经现场衬砌开裂模拟试验验证,改进后的算法能有效降低空间混叠,提高定位精度,开裂点估计坐标与实际坐标的平均误差距离为0.05 m。连接各个开裂点可监测裂缝扩展方向与裂缝长度,能够满足工程需要。
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机械胀裂岩石钻孔裂纹的起裂与扩展规律研究

宰鹏辉, 董卓, 吴俊杰, 袁瑞甫, 刘锦荣

2025, 21(3): 835-844. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.03.11

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以绿色中砂岩为研究对象,综合采用室内试验、数值模拟及理论分析方法研究了机械胀裂作用下岩石单孔及多孔预制裂缝的起裂及扩展规律。结果表明:与无预制裂缝试样相比,裂缝起裂压力降低53%以上,理论模型与数值模拟及室内试验结果吻合较好;多孔条件下裂纹的贯通压力随孔间距和围压的增加而增大,且其降低率随围压的增大逐渐降低同时不受孔间距的影响;起裂压力随着围压的增加逐渐升高且孔距对其无影响;多孔机械胀裂裂纹扩展过程可划分为裂纹萌生、裂纹扩展和贯通3个基本阶段,上述胀裂过程是在相邻钻孔产生的峰值拉应力相互干扰下导致的。研究结果对煤矿坚硬顶板水力压裂、膨胀剂致裂及定向爆破致裂等工程具有一定的指导意义。
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考虑裂隙贯穿度的岩石裂纹演化及声发射特性

张嘉凡, 车虎斌, 张慧梅, 袁超, 刘小宇

2025, 21(3): 845-853. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.03.12

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不同裂隙贯穿度在岩体中广泛存在,但目前对贯穿度的研究较为罕见。为研究此类岩体的变形破坏行为,对裂隙贯穿度P=0%、25%、50%、75%、100%的红砂岩进行三轴压缩试验,并开展了PFC数值模拟研究。结果表明:裂隙贯通度越大,岩样强度越小,应力-应变曲线塑性变形段越明显;对于完整岩样,围压会改变岩样的破坏模式,由拉伸破坏向剪切破坏转化。对于裂隙岩样,贯穿度越大,岩样破坏时裂纹越复杂;同一裂隙岩样在不同围压下,破坏时裂纹有所区别,但总体破坏类型不变;PFC^3D显示完整岩样破坏时,张拉裂纹首先出现在加载点处,而裂隙岩样首先出现在加载点及预制裂隙处;声发射振铃计数有平稳期、缓增期和激增期;岩样在应变软化阶段才会出现宏观破坏。本文成果可为工程中研究岩体破裂演化规律提供依据。
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黏土岩裂隙渗透性自闭合机理微观试验研究

雷江, 陈卫忠, 于洪丹, 李翻翻, 何林恺

2025, 21(3): 854-861. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.03.13

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以黏土岩为研究对象,在重饱和及原位应力条件下开展扫描电镜试验,采用三维孔隙率定量分析结构变化,重点研究渗透性自闭合过程中微观结构特征及其宏微观机理。结果表明:无外力条件下,自闭合以水化膨胀为主且具有各向异性,垂直层理和平行层理分别以粒状单元崩解和片层结构不断软化剥落为主,黏土颗粒不断膨胀、剥落、崩落、堆积填充空隙,呈松散状态,自闭合程度与重饱和时间呈正相关;在应力、加温等作用下,自闭合以压缩挤密为主,颗粒细小,结构由松散转变为团聚状态;自闭合作用机理与水化学作用和体积应变有关,膨胀性黏土矿物含量多、饱和时间长等有利于裂隙自闭合,应力、加温和长期蠕变等导致体积压缩时,结构变密实,促进裂隙自闭合,反之体积扩容则起抑制作用。研究成果可对黏土岩高放废物处置库的安全评价和选址提供科学支撑。
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含盐量对固化盐渍土抗压性能与微观结构的影响

魏丽, 常欣欣, 柴寿喜, 魏学涛

2025, 21(3): 862-870. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.03.14

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盐结晶引起石灰固化硫酸盐渍土的抗压性能下降与微观结构破坏。为研究含盐量、抗压性能与微观结构指标之间的关系,完成了0.3%~5%含盐量的石灰固化土抗压强度试验、SEM观察和EDS测试。结果表明:(1)随含盐量增加,土的抗压强度先增大后减小,1.5%含盐量土的强度最大;(2)小于1.5%含盐量的土,土团粒趋向椭圆形,土的结构稳定;大于1.5%含盐量的土,土团粒逐步趋向扁圆形,土的结构趋于不稳定;(3)含少量盐的土,盐颗粒填充孔隙并发挥土的骨架作用,这使得土的强度提高;含较多盐的土,土中结晶盐颗粒多,盐胀作用占据主导,破坏了土的结构稳定性;(4)对低于1.5%含盐量的土,采用石灰固化方式可满足输油气管道的地基稳定要求,对高于1.5%含盐量的土,应专门研究其工程应用问题。
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人工冻融过程红黏土三轴剪切强度特性试验研究

王升福, 张祥荣, 刘光炎, 嵇晓雷, 李向辉

2025, 21(3): 871-881. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.03.15

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为探究人工地层冻结法实施过程中红黏土经历常温、冻结和冻融3种状态后的抗剪强度变化规律,采用低温MTS三轴试验系统,开展不同初始含水率、冻结温度和围压条件下重塑红黏土三轴剪切试验,探讨不同冻融状态下红黏土三轴剪切强度的特性,揭示不同条件下人工冻融全过程土体抗剪强度变化规律。结果表明:(1)冻结状态下红黏土应力-应变曲线均呈应变硬化型,常温、冻融后随围压增大,应力-应变曲线由应变软化型转为应变硬化型,较高围压(800 kPa)下表现为应变硬化;(2)冻结状态红黏土抗剪强度、黏聚力和内摩擦角都随含水率增加呈先增加后减小趋势,在含水率为30%时达到峰值;土体经历常温→冻结→冻融过程,冻结状态下抗剪强度平均提升10.5倍,冻融后抗剪强度低于常温状态;(3)冻结温度越低,冻结状态下红黏土的抗剪强度越大,冻融后红黏土黏聚力、内摩擦角及抗剪强度随冻结温度降低而减小。研究成果可为红黏土地层人工冻结法施工提供理论及技术参考。
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含砂率对重塑软黏土动力特性影响的试验研究

王睢, 方源明, 周子冬, 赵鹏, 潘石磊

2025, 21(3): 882-890. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.03.16

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基于GDS动三轴试验系统,通过开展不同含砂率重塑夹砂软黏土的动力特性试验,系统探讨了荷载频率、含砂率对土体塑性累积变形、动剪切模量及阻尼比的影响规律。结果表明:塑性累积变形呈先快后慢的发展特征,随振动次数增加,土体骨架逐步密实化抑制塑性变形速率,但含砂率升高会导致累积变形量显著增大;无论荷载频率低于或高于1.0 Hz,动剪切模量均随含砂率增加呈递减趋势,含砂率每增加10%,模量降幅达12%~18%;振动过程中孔压系数A持续增长,土体剪缩效应增强,稳定性劣化,且含砂率增加会加剧该现象,致使动剪切模量与阻尼比曲线出现明显拐点(临界含砂率约20%);总体来说,含砂率通过改变土体骨架结构与排水路径,显著影响夹砂软黏土的动力响应机制。
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大豆脲酶诱导碳酸盐沉积的砂土加固试验研究

何稼, 屈思源, 高玉峰, 季佳凤

2025, 21(3): 891-899. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.03.17

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基于大豆脲酶诱导碳酸钙沉积(SICP)的固化技术是一种效果良好、环境友好的土体和地基加固方法。但是,这一方法固土需要经过多遍处理,才能达到理想强度,处理效率低,耗时长。本文在SICP处理技术的基础上,通过添加脱脂奶粉、氯化镁等添加剂按不同配比,对砂柱试样进行了单遍处理,并测试了试样在饱和状态下的无侧限抗压强度(UCS)、碳酸钙含量及转化率。结果表明:添加脱脂奶粉效果最佳,饱和状态下,一遍处理后最大强度可达0.6 MPa左右,相较于无外加剂优化试样强度(0.35 MPa)提高70%左右。扫描电镜(SEM)和X射线衍射(XRD)分析表明:添加脱脂奶粉后,能够形成更多的球形方解石晶体,且晶体颗粒表面会有脱脂奶粉等有机质残存,进一步提高了砂颗粒间的黏结和桥接作用。
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NaCl溶液改良泥岩填料的膨胀特性及机理分析

马丽娜, 罗伟, 胡俊卿, 丁小刚, 郭瑾然

2025, 21(3): 900-909. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.03.18

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改良泥岩填料的膨胀特性是降低泥岩路基上拱变形的可行方式。通过对NaCl溶液改良泥岩填料开展自由膨胀率试验、无荷和有荷膨胀率试验,探究了泥岩填料膨胀率与NaCl溶液浓度、NaCl溶液掺比之间的响应规律,并通过核磁共振试验分析了泥岩填料改良前后的微观结构。结果表明:(1)NaCl溶液浓度为12%且掺比为14%的改良泥岩填料,无荷膨胀率与有荷膨胀率相较于未改良泥岩填料分别降低了10.651%、75.439%的幅度;(2)随着NaCl溶液浓度的增加,泥岩填料的小孔隙百分比呈现先增大后减小的趋势;(3)在相同NaCl溶液浓度下,随着NaCl溶液掺比的增加,泥岩填料的小孔隙百分比亦呈现先增大后减小的趋势;(4)NaCl溶液浓度和泥岩填料小孔隙共同影响着泥岩填料的粒间应力进而改变其膨胀性。
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不同水压下饱和砂岩分级加载蠕变特性研究

郭永成, 王树楠, 李建林, 胡鹏, 王兴霞

2025, 21(3): 910-916. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.03.19

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三峡库区库岸边坡消落带内部岩体在水位升降过程中长期处于饱和状态,为研究内部岩体的变形特性,通过选取库岸边坡岩体,按照相关规程制成标准岩样,利用TOP INDUSTRIE多功能岩石三轴测试系统,开展了无水压、有水压和循环水压3种状态下的饱和砂岩蠕变试验。结果表明:(1)饱和砂岩蠕变变形量在循环水压状态下最大,有水压状态下次之,无水压状态下最小;(2)饱和砂岩稳态蠕变速率的大小与蠕变变形量大小存在正相关性;(3)循环水压对饱和砂岩环向变形的影响大于对轴向变形的影响,在破坏应力等级阶段,循环水压对饱和砂岩环向变形的加剧作用明显;(4)循环水压大幅降低了饱和砂岩的长期强度,循环水压下的饱和砂岩最先破坏。
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基于各向异性蠕变特性的隧道结构变形特征研究

张加兵, 阳宗泉, 都荣环, 向旭, 陈宜玲

2025, 21(3): 917-928. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.03.20

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为研究层状千枚岩横观各向同性蠕变特性对隧道衬砌结构变形特征的影响,采用单轴压缩蠕变试验,分析了不同层理倾角千枚岩的蠕变特性,基于现有黏弹塑性损伤蠕变模型,构建了千枚岩横观各向同性蠕变损伤本构模型。将蠕变损伤本构模型嵌入FLAC^3D数值模型分析了不同层理倾角隧道围岩及支护结构的变形特征。结果表明:随着层理倾角增大,层状千枚岩稳定蠕变阶段的累积蠕变变形和蠕变时间呈先减后增的趋势;当层理倾角为0°时,围岩最大水平位移出现在拱脚处,呈近似对称变形特征;当层理倾角为22.5°、45°和67.5°时,随着层理倾角增大,围岩最大水平位移位置逐渐偏离左右侧壁,且偏离方向平行或垂直于层理面;围岩竖向蠕变变形与层理倾角方向基本一致,且在围岩上方沿层理倾角方向有沉降趋势,下方则出现隆起趋势;当层理倾角为90°时,围岩最大水平位移在拱脚处达到最大值,约为77 mm;围岩竖向最大沉降和隆起位置分别位于拱顶和仰拱处,为184 mm和159 mm,且围岩及支护结构变形呈现出明显的横观各向同性特征。
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围岩流变对有压输水隧洞管片衬砌长期受力的影响

游泽玺, 赵大洲

2025, 21(3): 929-939. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.03.21

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通过建立反映岩石蠕变全过程的非线性西原流变模型,研究了某位于软岩中的有压输水隧洞工程地应力条件及内水压力变化对管片衬砌长期受力特性的影响。结果表明:(1)随着隧洞埋深的增大,围岩流变引起的管片衬砌径向变形量逐渐增加,围岩初始水平方向与竖直方向地应力值相差越大,围岩流变引起的管片衬砌径向变形极值越大,围岩应力释放率越大,围岩流变引起的管片衬砌径向变形越大;(2)考虑围岩流变效应后,衬砌内力沿环周的分布形态基本与初始阶段相似,但数值较初始阶段均有所变化,其中,轴力值较初始阶段均有所增加,工程运行100年后,各方案管片衬砌轴力增长率为25.6%～112.4%,轴力均值的年均增长量为50～82 kN/年,弯矩极值同样较初始阶段有所增加,其年均增长量与隧洞埋深之间呈正相关,且围岩侧压力系数越接近1.0,弯矩极值年均增长量越小;(3)考虑围岩流变效应后管片衬砌与围岩间的相互作用力随着时间的增长而增加,但增幅逐年递减,衬砌结构受力也逐步趋于稳定,管片衬砌与围岩间相互作用力的年均增长量随着隧洞埋深、侧压力系数或应力释放率的增大而增大;(4)不同内水压力时围岩流变对管片衬砌长期受力影响的差异不明显。
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裂隙砂岩强度与能量特征的真三轴试验研究

孙国文, 黄滚, 黄心宇, 梁秦铭, 陆驭

2025, 21(3): 940-949. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.03.22

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裂隙岩体的强度显著影响地下工程建设的安全性和稳定性。为深入理解裂隙岩石的强度和能量演化特征,本文开展了真三轴应力条件下不同裂隙倾角砂岩的强度试验研究。结果表明:随着裂隙倾角(α)的变化,起裂应力在α为15°~45°的条件下变化幅度小,在α大于45°(60°、75°、90°)的条件下则表现为迅速增长;损伤应力与峰值应力总体上呈现先减后增的变化趋势。根据能量理论的计算结果可知:随着α的增加,试样在破坏时的总应变能、弹性应变能、耗散应变能均呈现先减后增的变化趋势,与试样的峰值强度有较好的对应关系。研究成果可为裂隙岩体工程的稳定性评估提供理论参考。
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侧向约束下原状软碎岩体变形特性试验研究

冯杰, 钟志彬, 吕蕾, 魏星灿, 陈旭

2025, 21(3): 950-958. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.03.23

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掌握软弱破碎岩体的变形特性是合理进行地下工程设计和安全施工的关键。依托固增水电站引水隧洞工程,采集低扰动原状岩样开展被动三轴压缩试验,获得分级荷载作用下隧址区软碎岩体的变形曲线,利用经验流变模型和孙广忠提出的黏弹性流变模型分析原状软碎岩的时效变形特征。结果表明:(1)软碎岩体在被动三轴压缩下,加载阶段具有初期压密变形大、中期似弹性变形小、屈服后产生较大塑性变形的三阶段变形特征,稳压阶段表现为较小轴力作用下即出现加速变形的特征;(2)两种流变模型能够较好地描述软碎岩样的稳压变形过程,黏弹性流变模型参数随轴向加载压力变化规律,揭示了稳压过程中试样内部裂隙闭合-压密不同阶段时效性变形特征的差异。
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冷热交替作用下石窟砂岩劣化试验研究

王成龙, 刘东升, 李镕佳, 蒋思维, 仉文岗

2025, 21(3): 959-958. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.03.24

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石窟寺作为重要历史文物,其保护利用工作越来越重要,但在冷热交替的长期作用下,石窟岩体的物理力学性质会发生一定程度的改变。本文选取重庆大足石刻砂岩,通过质量对比、纵波波速测试、CT扫描、X射线衍射(XRD)、X射线荧光(XRF)分析,对冷热交替作用后石窟砂岩的劣化特性开展研究。试验过程设计不同冷热循环次数、不同高温和低温持续时间、不同冷却方式等多种试验工况,分析了石窟砂岩质量、纵波波速、裂隙发育、矿物元素组成和内部孔隙的变化规律。结果表明:(1) 经过多次冷热循环,砂岩纵波波速降低,并且变化幅度受冷热循环次数和冷却方式的影响;(2) 当冷热循环过程中采用水冷却方式,砂岩中可溶盐矿物会逐渐流失,导致岩样孔隙增大,进而产生裂隙。
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盾构施工中克泥效浆液的流变特性试验研究

黄志, 夏明, 徐毅勇, 石晓阳, 张志强

2025, 21(3): 968-976. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.03.25

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盾构隧道近接既有结构穿越工程中逐步引进克泥效工法进行辅助施工,克泥效浆液的流变特性对中盾注浆施工有着重要影响。基于克泥效浆液的材料成分分析,研究克泥效浆液的水化搅拌机理和流变性能。采用RVDV-1T无极变速旋转黏度计对克泥效浆液开展流变试验,对比常用剪切稀化流变模型表征克泥效浆液流变特性的适用性,分析搅拌时间、搅拌速率、水化时间、A液水粉比对克泥效浆液流变性能的影响。并依托实际工程对克泥效浆液在地层中的渗透扩散性进行研究。结果表明:(1)宾汉姆模型表征克泥效浆液流变特性的适用性更高;(2)克泥效表观黏度和屈服应力随搅拌时间、搅拌速率的增加先增后减;随水化时间的增加而增大;随A液水粉比的增大整体呈下降趋势;(3)“渗透区”土体受到克泥效浆液注入影响产生黏聚作用,土体强度提高;(4)浆液在砂砾地层的渗透扩散距离为5~10 cm,扩散距离和浆液表观黏度和屈服应力呈强烈负相关趋势,与地层渗透系数和孔隙率呈正相关趋势。研究成果可为克泥效工法的工程运用提供参考。
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冲击荷载下直墙拱隧道应变演化和破坏特征

常素玲, 王在泉, 丛宇, 王肖珊, 朝文文

2025, 21(3): 977-985. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.03.26

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为研究冲击荷载对直墙拱隧道的影响,制备大尺寸钢纤维混凝土隧道试样,使用自研双向受压摆锤动力冲击系统开展冲击破坏试验,并采用超动态信息采集系统记录冲击波和应变,并结合数字图像相关技术(DIC)表征表面应变和位移场。竖向施加0.6 MPa预应力,2 000 kg摆锤提升高度至150 mm冲击试样,结果表明:摆锤施加波幅振荡衰减的低频冲击波;直墙拱试样拱肩和拱脚4个位置出现裂缝,两拱肩处裂缝沿着直墙拱向冲击波方向延伸,并在洞室内部拱顶形成一条环向裂缝;峰值、塑性应变均以拉应变为主,峰值应变环向较大,径向与轴向较小,试样内部塑性应变左拱肩最大;拱顶变形位置附近应变计的塑性应变和峰值应变比值较大;DIC应变云图显示,在小于200 μs时间内试样拱肩、拱脚4条裂缝萌生、贯通,竖向应变变化最大,竖向应变集中区与裂缝形态相吻合,水平应变集中区主要出现在拱肩位置,剪切应变集中分布区主要分布在各裂缝的拐折处。
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岩层倾角对隧道锚承载稳定性的影响研究

李梅, 韩亚峰, 罗维邦, 梁宁慧, 邹惠琼

2025, 21(3): 986-993. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.03.27

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为研究层状岩层的倾角对隧道锚承载特性及稳定性的影响规律,通过实例分析,概化了典型顺倾层状岩层下隧道锚地质模型,采用数值分析方法,系统讨论了岩层倾角对锚塞体位移、围岩变形与塑性区发展以及锚岩接触面应力分布的影响规律,结果表明:当岩层倾角为30°时,锚塞体轴向位移及破坏后围岩塑性区范围最大,对隧道锚的承载稳定性影响最大;岩层倾角为70°时,隧道锚在设计荷载下存在逆时针旋转的趋势,将导致锚塞体后锚面拱顶存在不受压区,接触面正应力为零;岩层倾角越大,围岩主应力等值线因岩层间的错动抵抗导致波动越大,且当岩层倾角大于锚塞体倾角时,锚塞体将不会出现集中型的受压圈。研究结果可为层状岩层内的隧道锚施工设计与稳定性控制提供参考。

设计、施工、监测

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桩锚(撑)支护基坑施工变形与受力计算新方法

史宏彦, 杨德森, 涂彬鸿

2025, 21(3): 994-1000. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.03.28

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桩锚(撑)式支护体系广泛应用于深基坑支护工程,弹性地基梁法是模拟分析该类支护基坑施工过程中变形和受力变化的常用方法。但目前在应用该方法分析时,都需要先对每个施工工况在支撑和坑底处将支护桩划分为若干个桩段,然后利用桩段交界处的位移连续条件和受力平衡条件,推导其待定参数方程,导致计算公式不统一、分析过程复杂化。本文针对上述问题,通过用δ函数表示支撑对支护桩的集中作用力并对支护桩挠曲方程重新求解,推导出了无需再对支护桩分段的统一计算公式。文中所提方法的算例结果与分段法仅有细微差别,说明该方法是可行的。
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考虑施工扰动效应的扩底桩扭转振动特性研究

李振亚, 赵持恒, 张存, 何先斌, 席玉倩

2025, 21(3): 1001-1010. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.03.29

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基于平面应变模型研究考虑施工扰动效应的扩底桩扭转振动特性。首先,考虑到扩底桩的截面特性和施工扰动导致的桩周土径向非均匀性,将扩底桩沿纵向划分为若干微元段,同时将桩周土沿径向划分为若干圈层,分别建立桩-土振动控制方程;然后,通过剪切复刚度传递模型逐次求解各圈层土体控制方程,得到桩-土界面处剪切复刚度,将其代入到桩的控制方程中,利用Laplace变换和阻抗函数传递的方法,在频域内得到了扩底桩桩顶位移阻抗函数,进一步得到了桩顶扭转角幅频响应函数;最后,通过参数分析的方法,在低频范围内研究了扩底段参数和施工扰动效应对桩顶复阻抗和扭转角幅频响应的影响。
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冲击地压煤层机械扩孔卸压机理研究

张寅, 张季平, 杨建军, 尹立冬, 苏士杰

2025, 21(3): 1011-1020. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.03.30

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机械扩孔卸压能够精准降低浅部围岩体应力集中程度,对有效解决由密集的大直径钻孔卸压引起的巷道围岩稳定性下降问题有重要意义。基于某矿3106工作面工程实际,采用ABAQUS有限元模拟软件,对比分析大直径钻孔卸压与机械扩孔卸压后围岩垂直应力、位移、塑性区的变化规律,研究机械扩孔卸压机理。结果表明:机械扩孔后,围岩应力峰值下降14.89%,卸压段应力平均下降13%,应力峰值后移1.25 m;巷道顶板处的位移降低28.67%,巷帮顶部、中间和底部的平均位移分别降低98.71%、97.27%、90.63%;塑性应变区占比降低为12.92%,机械扩孔周围相邻钻孔之间的塑性区相连发挥耦合卸压作用。现场应用后,机械扩孔使微震能量最大降低了63.11%,卸压效果良好,消除了试验范围内工作面的冲击危险。
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U型盾构顶推力及反力撤除时机计算分析

许丙南, 王全胜, 白中坤, 王树太

2025, 21(3): 1021-1029. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.03.31

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U型盾构是我国研发的用于基坑施工的移动机械支护结构,为了合理设计U型盾构和确定反力拆除时机,根据盾构施工过程和其受力模式,分析和确定了U型盾构顶推力和反力拆除时机的计算公式和方法,结果表明:(1)U型盾构两侧所受的土压力符合朗肯主动土压力理论,通过对现场顶推力实测结果的分析证明了假设的合理性;(2)提出了U型盾构设计顶推力和反力拆除时机的计算公式;(3)结合具体工程,比较分析了计算值、设计值和实测值存在偏差的原因,为保证设备冗余度和简化计算,建议应统一按无粘性土进行主动土压力和侧摩阻力的计算,最大顶推力按计算值的1.3~1.5倍设计时,设备能力相对较为经济;(4)在确定反力拆除时机时,可按U型盾构设计的最大推力和管节与周边的摩擦抵抗力初步估算,并根据实际顶推力进行修正后确定;(5)本文计算分析结果可作为今后U型盾构优化设计和施工的参考和借鉴。
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岩溶区下穿隧道施工对既有地铁变形影响规律

李亚杰, 包太

2025, 21(3): 1030-1037. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.03.32

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岩溶强发育区下穿既有线采用浆液辅助土压平衡盾构施工时,在列车荷载-溶洞耦合作用下,盾构掘进参数控制不好会对既有线路造成较大扰动,导致其变形沉降过大或出现上浮隆起,严重威胁既有结构安全。以某共建综合管廊下穿地铁线工程为背景,采用数值模拟结合现场实测,分析了溶洞和列车荷载对地层变形的影响,同时,在两者的耦合作用下研究不同浆液辅助盾构掘进参数对地表和既有运营地铁线路变形的影响,结合现场地表监测,结果表明:在列车荷载-溶洞耦合作用下适当增大同步注浆压力和掌子面注浆压力可以有效控制地层变形,研究结论可为今后岩溶区浆液辅助盾构下穿既有线工程提供参考。
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断层破碎带围岩工程特性及隧道施工影响研究

肖时辉, 曹雄, 李伟鹏, 林彬彬, 李小刚

2025, 21(3): 1038-1049. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.03.33

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针对穿越断层破碎带的大断面隧道,通过室内试验研究岩样力学与渗透特性,基于岩体完整性指数与物理力学指标的相关性,量化不同破碎程度下的围岩参数指标。考虑围岩渗透性随围压变化,建立三维数值模型,分析破碎带围岩工程特性对隧道变形的影响规律,并通过现场监测掌握隧道变形与支护结构受力变化。结果表明:(1)破碎带岩样力学性质受水-岩作用影响大,饱和状态下岩样峰值应力相较干燥状态显著减小;(2)破碎带岩样渗透率随围压增大呈对数关系减小,当围压超过裂纹闭合应力后,岩样渗透贯通水压接近;(3)随断层破碎带岩体完整性指数K_v减小,隧道拱顶最大沉降量呈对数关系增大,渗流作用对隧道变形不利影响增大;(4)通过采取合理的加强支护措施及参数,隧道安全穿越断层破碎带里程段。研究成果可作为工程应用参考。
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隧道掘进楔形掏槽精确延时爆破技术与应用研究

胡宇, 汪艮忠, 周珉, 高文学, 张小军

2025, 21(3): 1050-1056. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.03.34

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为降低隧道楔形掏槽爆破振动强度,基于Mohr-Coulomb强度准则及最大拉应力理论与Anderson叠加原理,提出隧道楔形掏槽爆破精确延时技术。通过理论分析,揭示了楔形掏槽延时爆破机理,优化了掏槽孔起爆顺序;引入Gauss函数,对爆破振动波型进行拟合,得到了对应的函数表达式;结合Matlab软件对其进行不同延期时间的叠加计算,得到了降低爆破振动的精确延期时间。以国道109齐家庄隧道为背景工程,结果表明:楔形掏槽延时爆破,降低了单段起爆药量、改善了后爆孔爆破破岩条件并减弱了爆破振动传播能量;当延期时间为13 ms时,与常规掏槽爆破相比,振动强度降低约60%;理论分析与现场监测数据相对误差13.9%,验证了该技术的有效性。

防灾与环境

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盾构开挖面失稳下既有管线三维变形特性研究

史江伟, 王金朴

2025, 21(3): 1057-1065. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.03.35

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盾构隧道开挖面支护压力控制不当将诱发地层位移,进而威胁邻近地下管线正常运营和安全。既有研究重点讨论了隧道施工引起的土体小变形对上覆管线影响,开挖面失稳时地下管线变形特性研究甚少。开展物理模型试验,研究了隧道埋深比(C/D)和管线-开挖面水平净距(H/D)对地下管线变形特性影响。结果表明:管线与开挖面水平距离为0.1D(隧道直径)时,开挖面失稳引起的管线沉降最大;管线-开挖面水平净距(H/D)从0.1增至0.5,管线最大沉降和最大弯曲应变降幅分别高达64.8%和51.6%;隧道埋深比(C/D)从1.0增至1.5,管线沉降和弯曲应变最大降幅分别为14.9%和7.3%,表明管线-开挖面水平净距是控制地下管线变形的关键参数。基于系统的有限元数值模拟,提出了管线沉降比和管线-土体相对刚度无量纲组,建立了开挖面主动失稳下地下管线最大沉降预测方法,并利用试验数据验证了预测方法的合理性。
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降雨作用下黄土窑洞水分场变化及稳定性研究

胡梦玲, 许文昊, 张小龙, 王治文, 陈豪

2025, 21(3): 1066-1075. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.03.36

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黄土窑洞是我国西北地区极具当地特色的居民建筑。为了探究降雨入渗对黄土窑洞水分迁移规律和稳定性的影响,选取延安市郊区某废弃黄土窑洞为研究对象,开展室内试验获得黄土的土水特性和非饱和抗剪强度,采用COMSOL有限元软件建立窑洞模型,分析降雨条件下窑洞的水分迁移规律和稳定性变化,探讨降雨持时、降雨强度和降雨类型等因素对窑洞水分场和稳定性的影响。结果表明:降雨入渗导致窑洞覆土含水率急剧增大,雨水下渗不断在窑拱周围积聚,致使窑洞安全系数不断减小;降雨持时与降雨强度越大,安全系数减小的幅度越大;短时强降雨相比于长时弱降雨对窑洞的深层土体水分分布影响更大,窑洞稳定性在短时间内剧烈下降;窑洞安全系数的变化相比于降雨过程具有滞后性;前锋型降雨作用下窑洞产生的竖向位移最大,窑洞安全系数的降幅也最大,但在降雨结束后后峰型降雨的安全系数反而最小,对窑洞稳定性最为不利。
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水平封底式降水对基坑周围环境影响研究

李兆, 骆祖江, 陆建生, 张英英

2025, 21(3): 1076-1084. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.03.37

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为了进一步研究水平封底止水帷幕隔水性对基坑周围环境的影响规律。首先,开展高渗透性含水层抽水试验,揭示了高渗透性含水层中垂向止水帷幕内外渗流特征,阐明了地面沉降发生机理;然后,基于地下水渗流理论和有效应力原理,建立了地下水渗流—地面沉降三维耦合数值模型;最后分别模拟预测地下连续墙加深4 m、8 m、12 m和水平封底止水帷幕渗透性减少至原地层渗透性的2%、5%、10%、15%、20%时基坑降水引起的坑外水位降深和地面沉降,进而揭示水平封底式降水对基坑周围环境影响规律。结果表明:水平封底式降水能有效控制基坑降水对周围环境影响,引起的坑外地面沉降减小68.48%~76.37%;当水平封底止水帷幕渗透性减少至原地层渗透性的10%以下时,基坑外地面沉降控制效应显著;大幅度加深地下连续墙对地面沉降同样具有很好的控制作用,但需进一步从地下连续墙施工难度及工程造价方面分析可行性。
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低透煤层巷道中心体突出预测与多参量关联性

郑寓超, 刘国磊, 崔嵛, 王泽东, 曲效成

2025, 21(3): 1085-1093. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.03.38

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低透气性煤层具有煤体破碎、煤层内部瓦斯含量高、压力大、逸出困难等特点,导致突出危险监测预警体系不完善,预警指标单一等问题。本文基于综合作用假说和动静载叠加原理等理论,提出掘进工作面突出中心体致灾理论假设,并据此构建了中心体突出预测模型,研究了多参量监测预警技术。以阳泉矿区某矿8#煤层北翼北三采区正、副巷掘进为工程背景,采用现场试验、理论分析的方法进行了掘进工作面中心体突出危险预测与多参量监测响应关系研究,结果表明:北三大巷构造区突出中心体孕育和发展显著,掘进期间微震能量响应与K₁值变化趋势相近,验证了利用微震预测中心体突出危险的可行性;微震事件、锚杆应力、掘进速度和K₁值对中心体突出风险呈正相关性。研究成果对揭示低透气性煤层煤与瓦斯突出致灾机理、提高灾害监测和防治的有效性具有指导意义。
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隧道近距离下穿采空区稳定性分析及支护优化

申慧涛

2025, 21(3): 1094-1104. https://doi.org/10.20174/j.JUSE.2025.03.39

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隧道近距离下穿采空区是地下工程施工过程中要面对的重大技术难题。以成自高铁白云山隧道为工程背景,通过FLAC3D分析无水与含水两种采空区状况下隧道稳定性,优化原有的加固方案。结果表明:不同工况未注浆的隧道开挖施工后,采空区左端均呈现应力集中,隧道上方塑性区范围较大,破坏较严重,拱底竖直位移超出相关规范控制值,隧道施工存在安全隐患;采空区无水工况下,当采空区与隧道距离小于4.5 m时进行140°半包围注浆,采空区距离隧道4.5~9 m时进行全包围注浆,采空区与隧道相距超过9 m时不注浆,加固方案可以满足安全要求;采空区含水工况下,围岩遇水软化,破损程度加剧,隧道拱顶孔隙水压较大,存在涌水风险,全包围注浆范围需扩大为采空区与隧道相距4.5~10 m处,其他隧道段支护形式与采空区无水工况下相同即可;现场监测结果显示隧道稳定性得到了保障。

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