化石燃料作为目前人类主体能源,其地位在短期内难以改变,但“双碳”目标的提出为我国产业结构升级和能源安全带来了新挑战与机遇。二氧化碳地质封存技术(CCS)是一种十分有效的减排手段,也是实现“双碳”战略的重要途径。该技术将工业活动中所收集的CO₂进行特殊处理后,灌注进入封闭且稳定的地层中,从而降低CO₂排放量,减缓大气污染与温室效应。目前,CCS技术已经受到国内外研究学者的广泛关注,中国的CO₂减排形势非常严峻,因此对二氧化碳地质封存技术的研究尤为迫切。为了更好地促进对该技术的认识和研究,本文拟从咸水层封存、废弃油气藏封存、深部不可开采煤层封存和玄武岩矿化封存4个方面对国内外的研究现状进行综述,并提出了当前研究中的不足和需要进一步研究的问题。

华南地区广泛分布裂隙发育且遇水软化的花岗岩风化土,该特殊土内常用的泥浆护壁桩承载力大幅损失,作为建筑业新技术的长螺旋钻孔压灌桩则能够发挥更高的承载力,甚至超出规范中干作业成孔桩取值范围。为明确花岗岩风化土层内长螺旋桩的承载力优势及发挥机理,本文在广州黄埔开展该桩型的静载试验和光纤感知测量。结果表明:长螺旋桩承载力为相同尺寸泥浆护壁桩的2倍,与桩径和桩长正相关,600~800 mm桩径范围内无尺寸效应;采用超弱光纤光栅技术测得侧摩阻力服从单峰分布,随着荷载的增加峰值位置从残积土层下移至全风化层;两类风化土中极限侧摩阻力为128 kPa和154 kPa,超出广东省/行业规范经验取值范围,全风化层中极限端阻力为3 080 kPa,高出经验值1倍。通过现场土层开挖与原状土CT扫描发现,同步压灌混凝土和提升钻杆的成孔方法避免了裂隙水发展及对其桩—土界面的软化,该桩型承载力优于泥浆护壁桩和其他干作业成孔桩。

地铁公共空间是城市居民的重要活动场所,具有空间的特殊性与复杂性特征。本文采用文献分析方法,从研究视角与方法、设计原则、优化策略等方面对中国城市地铁公共空间设计的既往研究进行归纳与分析。结果表明:当前研究已经形成较完整研究体系,研究视角呈多元化,涵盖了从微观层面的地铁公共空间要素分析、中观层面空间构成专项设计到宏观层面与城市空间的复合设计等众多领域,研究方法呈量化、模型化、可视化的发展趋势。在既往研究基础上对未来研究提出了展望:提升研究视角综合性;引入生态绿色理念;深化人性化设计;建构更加完善类型化研究体系,拓展研究对象分布范围;研究方法应推进跨学科融合,完善研究路径,提升数据获取与分析准确性。

为研究溶洞注浆处理效果的检测评价方法,本文对某工程的岩溶注浆处理区段进行了现场钻孔取芯检测和高密度电法室内模型试验研究。首先,通过钻孔取芯对该处理区段内的溶洞注浆效果进行了检测分析,发现该区段溶洞注浆处理效果较为良好;然后,结合数字化建模和3D打印实现了溶洞模型的构建,为岩溶室内模型试验提供了参考;最后,通过室内模型试验深入研究了溶洞在不同浆液填充度条件下,基于高密度电法的岩溶注浆效果检测评价方法。结果表明:注浆后溶洞位置处的视电阻率值会较注浆前存在一定幅度的下降,高阻异常区域面积会缩小;随着溶洞注浆量的增加,溶洞注浆处视电阻率图像达到稳定的时间相应延长,通常当溶洞被水泥浆液完全填充时,视电阻率图像将会在注浆后7 d达到稳定。研究对优化岩溶注浆效果检测评价方法提供了一定的参考。

地应力与瓦斯压力耦合环境是引起煤与瓦斯突出等灾害的重要因素之一,结合杉木树煤矿2+3#煤层所处地应力及瓦斯压力地质条件,开展地应力与瓦斯压力耦合环境下原煤的变形及渗流特性室内试验。结果表明:在瓦斯压力—地应力环境下,增轴压过程中煤样轴向应变、径向应变与偏应力均呈线性关系,煤样泊松比随偏应力的增大满足二次函数增大,煤样渗透率与偏应力均满足ExpDec1函数;增围压过程中煤样轴向应变、径向应变与偏应力均满足线性关系,煤样泊松比随偏应力的降低呈ExpDec1函数增大,煤样渗透率与偏应力均满足ExpDec1函数;同时,增轴压和卸围压过程中煤样轴向应变与偏应力满足线性关系,径向应变与偏应力均满足二次函数关系,煤样泊松比随偏应力的增大呈ExpDec1函数降低,煤样弹性模量随偏应力的增大呈ExpDec1函数增大;随后的加卸载过程直至破坏后出现残余强度前煤样渗透率几乎为零,煤样出现残余强度后渗透率迅速增大。

地下管线的综合治理是我国基础设施建设的重要组成部分,对于地下管线的修复更新,非开挖修复技术相对于开挖修复技术而言,具有环境影响小、施工周期短和综合成本低等特点。本文分析了目前国内外关于非开挖修复技术的相关研究,包括原位固化法、缠绕法、穿插法、碎管法、喷涂法、垫衬法、补丁法、套管法、机器人法和注浆法等,并且讨论了非开挖修复技术的优劣及在国内外的发展应用现状。通过对目前国内外非开挖修复技术的分析,为我国非开挖技术的发展提供了一些建议。

无中导连拱隧道是连拱隧道最新的发展型式,能显著提升施工效率并降低工程成本,但也存在近接施工、受力体系多次转换和施工控制难度大等缺点。因此,通过模型试验研究了无中导连拱隧道衬砌结构受力机理及破坏特征,结合典型隧道病害特征和65座隧道的建设经验,提出了无中导连拱隧道安全建设对策。模型实验结果表明,先行洞右拱腰的弯矩和轴力值均为最大,为受力最不利部位。先行洞右侧拱腰等部位需要加强结构设计和施工质量控制,并提出“重地质、强先行、预加固、稳中墙、先支撑、短开挖、弱爆破、勤量测、紧二衬、注精细”30字方针的对策措施。本文的对策措施对无中导连拱隧道的设计和安全施工具有参考意义。

高等教育的快速发展导致高校可开发用地日益紧张,师生住宿、生活空间资源短缺,地下空间的开发利用逐渐成为高校建设的重中之重。本文通过阐明高校地下空间发展动因,整理地下空间类型及开发模式,梳理国内外高校地下空间特点,并以西南地区某高校为例具体分析,进而预测高校校园地下空间开发趋势。研究表明:高校地下空间开发需要注重时代延续、强调景观协同,在进行具体设计时强化单体地下空间职能、提高空间纵深,打造具有“学习—生活—交往”复合职能的地下综合体,设计时加强多点联通,兼顾整体协同,将高校校园地下空间作为一个建设整体进行规划设计,同时注重地下空间开发中的动静交通结合,打造智能化的地下空间,才能构建集约化、高质量的高校校园地下空间。

设计了微生物诱导碳酸钙沉淀(MICP)灌浆加固系统,开展了天然海水环境下MICP固化硅质海砂的室内缩尺模型试验。结果表明:天然海水环境下MICP灌浆技术可以将大小为Φ25×50 cm砂柱固化成型,且整体质地坚硬;无损超声波检测技术表明,固化后砂柱中部密实度最大、下部次之、上部最小,其轴线方向波速平均值分别为2.993、2.877、2.867 km/s;固化后模型砂柱平均抗压强度为13.72 MPa,比材料尺度提升了44.88%;平均干密度1.82 g/cm³,比松散砂样提升18.18%;渗透系数为4.48E-04 cm/s,比未加固试样渗透系数降低2个数量级。MICP固化后形成的沉淀矿物包括立方体状、条柱状的方解石及针簇状、不规则絮状的碳酸镁,其主要分布于砂颗粒表面及颗粒连接处,从而起到胶结作用。本研究可为MICP技术改善海洋松散砂土地基提供理论依据和数据支撑。

潮汐作用下水位变化触发海床地层应力的重分布,影响海底隧道施工中工作面围岩的稳定性。以青岛胶州湾第二海底隧道为工程背景,采用多相大变形数值计算方法—物质点法,分析了潮汐作用下水位变化对隧道开挖工作面围岩的破坏响应。通过数值模拟与现场监测数据的对比,验证了物质点法数值模拟方法的可行性。通过模拟196组不同围岩等级下的水位变化,探究海床沉降、围岩变形、塑性破坏区的分布和特征。结果表明:水位降低会增大施工期间隧道工作面的变形;水位变化与不良围岩参数的组合是隧道工作面失稳的关键,并得到了16组诱发工作面大变形失稳的参数组合。

某隧道遭受软弱破碎带不良地质的影响,TBM掘进时出现围岩自稳能力差、易坍塌、积渣堆积等问题,致使护盾抱死或刀盘被卡。为实现TBM脱困,提出了从TBM护盾上方进行小导洞施工新技术,对掌子面前方不良地质进行长距离水平加固以及刀盘、盾体周边积渣清理的方法,使得TBM顺利推进;提出在长大断层破碎带条件下,采用上断面开挖和TBM掘进的半断面法施工技术解决TBM频繁卡机、隧道坍塌的风险的新方法。结果表明:小导洞施工技术具备降低卡机风险、可实现TBM前方围岩水平超前加固、缩短工期、节约成本、施工安全的优点;半断面法施工技术相较于传统的迂回导坑法超前处理断层破碎带工作量小,节约成本,能避免TBM卡机与隧道坍塌风险,施工安全与质量得以保证。

为探究高填方减荷涵洞的受力状况,基于小主应力拱概念,并结合Marston理论,推导出了减荷条件下盖板涵竖向土压力的计算公式,公式综合考虑了填料物理力学指标、涵洞结构尺寸、填土高度等多种因素。研究发现:减荷条件下,土拱效应的产生使涵洞结构上方竖向应力转移至结构外侧土体中,从而减小了洞顶受力,土拱效应对外侧土体应力影响范围约为0.5倍结构宽度,沿结构宽度方向,结构竖向土压力均衡分布;洞顶填土高度小于结构高度时,土拱效应不明显;大于结构高度时,减荷措施效果显著,且填土高度越大,减荷效果越理想,涵洞竖向土压力随填土高度的增加近似线性增长,但增速较缓;通过与现场实测值、数值模拟结果对比发现,公式具有一定准确性、适用性。

针对深部储层压裂增渗难题,高温高压CO₂热冲击致裂技术凭借其绿色低碳、破岩效率高和震动噪音低的特点,已展现出巨大的发展潜力。本文在考虑热源的燃烧、传热传质、瞬态非线性流动以及岩石损伤演化过程的基础上,通过归纳试验现象推导的基于浓度变化的释能方程定义热源功率,从而建立相应的高温高压CO₂热冲击破岩数值模型,分析了地应力差和岩石围压对热冲击破岩裂隙扩展规律的影响,揭示了复杂裂缝形成机制。结果表明:高温高压CO₂热冲击致裂过程主要由两个阶段组成,分别是超临界CO₂冲击力作用下的动态致裂阶段和高能CO₂气体驱动裂纹扩展的准静态阶段。初始地应力能够从一定程度上抑制冲击力作用下岩石内部径向裂隙的扩展,流体峰值压力和岩石起裂压力随着初始地应力差的增加呈现减小趋势,流体峰值压力随着岩石围压的增加而增大。

为研究竹筋格栅加筋黄土的界面特性,本文开展了9组大型直剪试验,分别探究筋土界面特性受加筋类型、填土压实度、格栅网口尺寸的影响,并对其影响机理进行分析。结果表明:当剪切位移较小时,竹筋格栅加筋黄土界面剪切应力随剪切位移的增加逐渐增大并达到峰值,随着剪切位移进一步增大,界面剪切应力开始下降并趋近于一个稳定的残余应力;竹筋格栅的加筋作用使土体的黏聚力和内摩擦角均有所提升,且提升效果优于土工格栅;竹筋格栅加筋黄土界面抗剪强度随填土压实度的增大而增大;存在一个最佳格栅网口尺寸,使界面抗剪强度最大。成果可为竹筋格栅加筋黄土的工程应用提供参考。

为验证复杂接触条件下平面试验与曲面试验在研究岩质地层顶管摩擦力学特性问题上的适宜性与正确性,采用大型岩石直剪试验研究7类复杂接触条件下平面砂岩和新型曲面砂岩各自与混凝土管间的剪切摩擦特性,在此基础上进行较低接触高度变接触条件下的顶管施工力学效应数值分析。结果表明:试件的形状差异造成了平面试验和曲面试验接触面有效摩擦角的巨大差异;进行数值分析时将顶管的接触范围统一设置为1/2接触相较1/3接触更加合理,对比两类试验中1/2接触条件的顶力误差可知,基于曲面摩擦试验结果的顶力平均误差较平面试验小;试验条件间的大小关系以及试验结果的量化准确性问题上,曲面试验具有更好的适应性。

为探究更为安全、有效的边坡落石防护结构,本研究基于光滑粒子流体动力学—有限元(SPH-FEM)耦合动力学数值计算及1∶10几何相似室内模型试验,针对“砂土—发泡橡胶”复合垫层棚洞的减振机制展开研究。结果表明:落石以20 m/s速度冲击时,顶板腹部正中单元峰值应力可达2.89 MPa,超过C30砼极限抗拉强度2.01 MPa;添加0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 m发泡橡胶垫层后,正中单元峰值应力依次为2.36、1.12、0.79、0.65、0.58 MPa,相较于纯砂土垫层,降幅依次可达18.34%、61.25%、72.66%、77.51%、79.93%;针对试验期间棚洞顶板腹部纵向测点P1,添加2、4、6 cm厚橡胶垫层,其峰值应变由50.57 με依次降至27.17、15.22、10.36 με,降幅为46.27%、69.90%、79.51%;针对顶板腹部横向测试位置T1,复合垫层工况下应变峰值由48.47 με降至26.54、17.29、13.59 με;复合垫层可大幅降低落石冲击能量与顶板应力水平,模型试验与数值计算结果基本相吻合,本文工况下发泡橡胶现场设置厚度以0.4~0.6 m为宜。研究成果可为相关防护工程设计提供借鉴与参考。

对高地温隧道施工期环境温度分布展开实地调研,在量化隧道内热源后建立高地温隧道独头通风三维数值模型,并通过监测数据与模拟结果验证了模型可靠性,进而展开隧道环境温度分布特征及通风参数优化研究,结果表明:(1)隧道沿程环境温度分布可分为2个区段,掌子面20 m范围内呈骤增再降低趋势,掌子面20 m后至洞口段随入口风温降低或风量增大呈现出先增大后降低再持续增大趋势;(2)入口风温降低使隧道环境温度峰值呈线性降低特征,风量增大使隧道环境温度峰值呈二次函数降低特征,表明入口风温较风量对隧道环境温度峰值影响更显著;(3)利用多元函数建立风量—风温因素耦合的隧道环境温度预测模型,表明当入口风温≤15 ℃时,风量＞40 m³/s即可满足隧道环境施工要求,入口风温高于20 ℃,需要额外采取其他降温措施。

能源桩实现了浅层地热能开发与地下工程结构的一体化,拓宽了桩基础的使用功能和应用领域,因此得到了广泛应用,同时,能源桩分析理论也得到发展。荷载传递方法因其计算简单、实用性强等优点而被应用于能源桩的计算和分析中,但热—力耦合荷载传递分析方法仍存在计算结果难以收敛、不能准确反映桩顶实际加载等缺点。分析桩顶误差产生的原因,并基于能源桩荷载传递位移协调算法建立了能源桩的桩顶不平衡力消除迭代法,使得计算结果能准确反映桩顶实际加载条件,从而使得能源桩的热—力耦合承载性能分析更为准确。结合现场测试,验证了桩顶不平衡力消除迭代法的可行性,计算结果表明该方法能够很好地反映荷载—温度联合作用对能源桩承载性能的影响。

以张靖皋长江大桥南锚碇基础现场工艺试验为依托,对超深异型排插式网片刚性接头地连墙施工过程中的关键工艺进行了创新及验证,结果表明:在采用双轮铣及液压抓斗联合施工工艺的基础上,通过合理设置施工顺序、引入基于复合检测手段的槽段虚拟碰撞检测技术和加长型孔口导向架以及加强泥浆性能管控等控制措施,可以确保超深异型槽段的成槽垂直度和槽壁稳定性;应用倾角仪和三维液压千斤顶调整刚性接头姿态,通过导向装置辅助入槽,实现了刚性接头安装过程中精度的可测可控,利用智能化同步焊接技术可有效控制焊接变形,优化焊接质量;在钢筋笼匹配制作的基础上,辅以垂直度监测手段可有效控制刚性接头和钢筋笼的相对位置关系;采用专用的刷壁装置清理排插钢筋处的泥渣,并使用同步浇筑平台实现刚性接头各隔舱的同步浇筑,有利于保证浇筑质量以及接头的结构安全控制,同时,引入防绕流水带封堵混凝土绕流通道,可以有效避免混凝土污染接头处的钢筋,确保地连墙墙体的强度和完整性。后期的开挖及抗弯承载力试验验证了本文所提出的地连墙施工控制措施可有效保证地连墙的成墙质量以及接头处承载力。

为合理预测大直径泥水盾构隧道施工引起的地表沉降,本文对现场实测数据进行回归分析,深入探讨了Peck公式在预测大直径泥水盾构施工引起的地表沉降方面的适应性,并在此基础上引入地表最大沉降修正系数α与沉降槽宽度修正系数β,对Peck公式进行了必要的调整与修正。结果表明:线性回归后大直径泥水盾构在上软下硬复合地层中掘进沉降实测值与Peck公式沉降预测值之间有较大差异;α取值分布在0.1~0.5范围内,β取值分布在0.5~1.0范围内时可以较好反映大直径泥水盾构在上软下硬地层中施工引起的地表沉降变形;对比分析小直径和大直径盾构隧道沉降槽修正系数可知,沉降槽修正系数的变化范围随开挖横截面面积的增大、开挖面土层性质差异的增大而增加。研究成果可扩大Peck公式的应用范围,为大直径盾构隧道设计和施工提供参考。

桥梁灌注桩开式压浆难以控制注浆区域、注浆压力和注浆量,注浆效果不稳定、单桩承载力波动大。为提升桩基后压浆的可靠性,提出一种新型桩底复合式后压浆技术,通过在桩底安装中空环形钢板胶囊,采用“外—内—外”3次注浆加固桩端土体。为探明该技术对桩基承载力的提升效果,依托在建汾石高速S340跨线桥工程开展2根试桩的桩端复合式后压浆作业,研究压浆过程中注浆压力、注浆量和桩顶位移的动态变化情况,并对注浆效果进行弹性波CT测试;然后开展了采用桩端复合式后压浆和不注浆两种工况下的桩基静荷载对比试验。结果表明:桩底复合式后压浆可有效消除桩底沉渣,形成桩端扩大头,桩基承载力提升34.1%,桩端阻力增强系数为1.70,浆液影响范围内桩侧摩阻力增强系数为1.32~1.37。

为了研究软土地区沉井下沉阻力分布特征,以宁波某综合管廊沉井为研究对象,开展了沉井土层土体直剪试验和常规三轴试验,研究表明:该软土的应力-应变关系呈现出典型的硬化型发展,剪切初期应力随着应变的增加较快,且表现出围压越大剪应力越大,当应变20%时试样剪切破坏。沉井在下沉过程中,需要随时做好监测,利用测试数据对下沉过程做了受力分析,对不同深度下沉井刃脚端阻力和井壁侧摩阻力的分布规律进行了研究。最后,基于沉井下沉穿越淤泥土层时σ_f0和下沉深度S 数据规律,拟合出相应的经验公式,测试结果表明,该沉井下沉过程中侧阻力尚未达到极大值,沉井相对两面的侧阻力并不相同,研究成果可供同类工程参考。

地下空间评价是服务地下空间开发的先导性工作,近二十年以来,国内多个城市开展了不同尺度的地下空间开发地质适宜性评价,由于评价语义不明确以及地质条件和技术人员认识差异等原因,各城市在评价指标选取和赋权方法选择上不尽相同,制约了评价成果的推广和应用。本文基于系统理论提出地下空间开发地质适宜性评价是以地下空间系统边界、组成要素为研究对象,对系统在外部扰动作用下保持相对平衡状态能力进行评判的一项工作,阐明了具体评价要素和内容;在此基础上,重点针对评价指标体系中的层级组织、粒度选择,指标赋权中的方法选择、优化及校验评估等关键问题,构建了一套方法流程体系。海口江东新区的实践表明,以“限制级、安全级、成本级”划分第一准则层,以“复合迭代熵权法”进行权值计算,以统计评估、专业评估和多方法对比进行权值评估的方法,既体现了专业知识的导向性,也体现了数据的客观性与区分性,可为我国滨海平原城市地下空间开发地质适宜性评价提供方法参考。

对冻结岩土介质力学响应的研究是保障寒区土建工程安全及地质灾害防治的重点内容。论文通过对寒区建设中常见的冰、冰石混合物、冻土和冻土石混合体开展巴西劈裂加载下的声发射特征研究,分析了4种介质加载过程中的裂纹开裂模式、声发射能量演化和声发射b值特征。结果表明:(1)冰石混合物和冻土石混合体中的劈裂裂纹较冰和冻土曲折,存在绕石现象;(2)冰石混合物中冰石界面附近的裂纹多发育于靠近块石的冰中,且其强度和声发射能量明显大于纯冰试样;(3)冻土石混合体的裂纹主要由冻土裂纹和土石界面裂纹构成,该试验条件下冻土石界面仍然是最薄弱部位,导致冻土石混合体的声发射能量弱于冻土试样;(4)冰和冰石混合物劈裂加载的声发射能量峰值对应加载力峰值,呈现明显的单峰特征,冻土和冻土石混合体的声发射能量峰值较加载力峰值存在滞后现象,且存在多峰特征;(5)4种介质的声发射b值随加载力先上升后下降的变化而表现为先减小后增大的趋势,且冻土石混合体加载力峰后阶段的b值波动大于其他三者,反映出峰后阶段土石界面开裂与冻土开裂的交替扩展触发了不同能量的声发射活动。

伴随着以通勤为目的的城市轨道公共交通使用人数的增加,高峰期轨道交通站点内出现的快速变化的、大流量的短时疾增客流使得换乘站点难以安全、稳定、有效地承载客流并满足客流换乘需要。本研究通过实地调研与借助Anylogic平台的仿真来剖析短时疾增客流的特点及其对站内空间的作用效果,将现有的预制式、组装式、折叠式等应变技术或设备作为基础,提出建筑空间层面与站内设备设施层面的分类应变思路。建立应变应用场景与应变技术及措施的对应关系,并探究空间可变在动态优化地下轨道交通站内换乘空间方面的应用。研究成果可为未来既有轨道交通站点的优化设计提供参考。

随着城市不断发展,轨道交通作为公共基础设施的便利性日益突出。地铁域地下车站应急疏散能力对城市轨道交通的安全、正常、低风险运营具有重要意义。地铁站是轨道交通的关键节点,由于大部分处于地下空间中,运营过程发生事故后的安全疏散更为困难。为了制定更加科学合理的地铁安全疏散方案,本文通过对国内外地铁域地下车站应急疏散相关研究进行深入分析,归纳了地下车站应急疏散主要影响因素。由于地下空间疏散涉及多学科、多领域的问题,论文从人员行为、地铁站设施、地铁站灾害等方面进行讨论和总结。通过比较国内外不同学者对地铁站应急疏散的研究,结合人、机、环境三要素提出现有研究存在的问题及解决策略,对今后地铁域地下车站应急预案的制定具有较好的参考价值。

运营隧道拱顶存在衬砌厚度不足及脱空的情况十分常见,不及时整治可能会造成衬砌局部开裂、掉块等问题,威胁隧道运营安全。通过资料调研、数值计算及现场应用等方法,开展该类缺陷的危害性及整治措施研究。研究表明:以纵、环向2.0 m和6.0 m为界对衬砌厚度不足及脱空的严重程度进行了分级;当衬砌缺陷范围较小时,衬砌厚度变化对衬砌应力影响较小,当衬砌缺陷范围大于4 m²、衬砌厚度小于设计厚度40% 时会引起衬砌应力突变;当缺陷纵、环向单一尺寸大于2 m时,环向尺寸比纵向尺寸更易引起衬砌应力的变化;结合衬砌缺陷程度分级和衬砌厚度,对应提出了充填注浆、开窗修补和套衬3种整治方案;经依托工程实际应用,验证了缺陷程度分级的正确性、整治方案的可行性和有效性,可为隧道衬砌厚度不足及脱空的整治提供借鉴。

围压是影响岩石力学属性的主要因素之一。为了研究围压效应对花岗岩强度特性和脆性特征的影响效应及机理,以色季拉山花岗岩为研究对象,开展不同围压工况的室内三轴压缩试验,得到破坏形态、峰值应力等强度参数的变化规律,并在统一强度理论框架内构建考虑围压效应的三轴本构模型。基于全应力—应变曲线建立采用断裂能表征的岩石脆性评价指标,确定围压与岩石脆性的定量关系。在此基础上,采用RPFA软件模拟花岗岩在不同围压下的破坏全过程及声发射演化特性,揭示花岗岩的损伤演化机制。结果表明:围压可有效限制花岗岩内部细观裂纹的产生和扩展,进而显著提高花岗岩的宏观强度及变形性能;本文建立的三轴本构模型和脆性评价指标可有效反映围压效应对岩石强度特性和脆性的影响规律。

TBM(Tunnel Boring Machine)掘进施工成本中,刀具的磨损占比很高,这通常是由于TBM的刀具设计与岩石强度及硬度不匹配。因此需要对TBM隧道岩石进行可掘性评估,为刀具设计及施工参数确定提供依据。岩石可掘性评价在TBM围岩分级、掘进效率预测等方面十分重要,是评估TBM施工效率与成本的关键,但隧道TBM开挖过程中岩石可掘性的评价通常相当复杂,需要考虑许多参数,且至今国内外对可掘性这一指标尚未有标准化定义。通过文献检索,本文针对可掘性指标的定义,可掘性的研究应用等方面研究进展进行综述。结合已有的研究成果,对TBM可掘性未来的研究方向进行了展望。

自20世纪90年代以来,上海市地下空间开发进展迅速,迄今不仅总量颇具规模,形态上也基本形成了与地上开发相协调的多中心结构。然而,在快速发展的同时,上海市的地下空间开发仍然存在诸如资源管控不足、引导不够全面、综合效能未有效发挥、体制机制未完全理顺等问题。在新时代高质量发展的背景下,地下空间的开发面临着生态、高效、集约等一系列更高的要求,结合开发现状及存在问题,提出了系统性的应对策略,从加强资源管控、提升开发品质、优化空间布局、完善管理机制等角度为上海市今后的地下空间开发明确了相应的理念及原则,为转变传统城市发展方式提出方向。

拟建的宁晋盐穴储气库是目前世界最深的盐穴储气库,面临重大的科技挑战,在正式建设前须对其地质可行性进行充分分析。本文从地质条件、库容及长期建库规划等方面初步论证了该区建库的地质可行性。结果表明:宁晋石盐田盐系地层沉积厚度大、空间分布稳定且含矿率高、夹层少,有利于开展水溶造腔;盖层及夹层以泥页岩为主,岩性致密,具有较高的密封性,但Z1资料井附近的VF6断层断穿了石盐矿体,正式建库时需合理避开此断层,此外,拟建库地层埋深大,盐岩蠕变速率较高,后期须对储库长期运行稳定性开展详细研究;基于前期盐矿开采情况和地质调查结果,圈定了该区优选建库区和远期规划备选区,初步估算其库容分别为(6.4~6.9)×10⁹m³和(2.6~2.8)×10⁹m³,具有很好的储气潜力。

活门槛防护密闭门在人防工程中应用广泛,因活门槛刚度低,其门扇受力与普通固定门槛防护密闭门差别大。现行相关设计规范未见针对活门槛防护密闭门门框墙设计的荷载分配算法,一般参照普通防护密闭门进行设计。针对活门槛防护密闭门门框受力问题,构建了活门槛混凝土防护密闭门有限元数值模型,采用ANSYS/LS-DYNA对平板活门槛钢筋混凝土防护密闭门在冲击波超压作用下的动态响应进行了模拟计算,分析了门扇对门框作用力的变化过程及荷载分布规律。结果表明:活门槛的刚性较弱,其承载作用可以略去不计,门扇对门框的作用力随门扇的振动而变化,门框荷载分布与门扇的变形状态密切相关,门扇达到准静态时的门框荷载分布主要取决于门孔的宽高比。

试验研究发现岩石强度的动态尺寸效应与静态尺寸效应相反,但岩石动态尺寸效应的内在微细观动力机理还没有澄清。本文以砂岩为例,基于岩石的翼状裂纹模型,联合求解裂纹的加载方程和运动方程,研究了在动载作用下试件尺寸对岩石强度的影响机理,即岩石强度的动态尺寸效应。结果表明:在相同动力加载率条件下,试件尺寸越大,裂纹连接所需要的时间越长;试件破坏时的施加的应力(也即动态强度)越大,试件的动态尺寸效应越显著,岩石动态强度近似以幂律关系增长;对于一定的试件尺寸范围,根据数值分析,得到岩石的临界应变率范围,在该临界应变率以下,静态的尺寸效应占主导地位,在该临界应变率以上,动态尺寸效应占主导地位,且临界应变率随试件尺寸增加而降低;试件临界尺寸随着应变率增加而降低。

为针对高地应力区多场耦合作用对深部围岩分区破裂范围的影响问题,基于双剪统一强度理论,建立了多场耦合作用下围岩塑性区力学分析模型,提出了热—力耦合作用下深埋隧道围岩塑性区半径的计算公式;在此基础上,进一步提出了热—力耦合作用下深埋隧道围岩分区破裂的破裂区半径计算公式。结合工程实例分析可知,在热—力耦合作用下,基于双剪统一强度理论计算的围岩分区破裂半径误差小于8.9%,证明了本文所提出的计算方法的合理性和可行性。研究成果为高地应力及高地温影响下的围岩稳定性分析提供了理论依据,同时也为定量描述分区破裂化现象提供了新的方法和手段。

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。

为了研究地下商业街不同建筑空间形态中消防疏散的问题,搭建了3组“火灾烟气+人员疏散”的仿真实验模型。经过模型调研和统计计算得出火灾荷载密度、热释放速率等数据,并通过Pyrosim和Pathfinder开展火灾及人员疏散模拟运算,对比分析不同典型空间对火灾烟气蔓延和人员疏散带来的影响。结果表明:由于不同典型空间内的火灾烟气蔓延速度不同,且火灾烟气蔓延方向与人员疏散方向基本保持一致,所以典型空间内的火灾烟气蔓延速度越快,人员安全疏散时间越短。因此,起火源在不同的典型空间的人员安全疏散效果不同,由高到低为:长廊空间、厅型空间、交汇空间。根据模拟结果分析影响疏散效率的不利因素,提出了具有针对性的地下商业街设计优化策略。

特长大断面瓦斯公路隧道风险大,施工通风是隧道建设的“生命线”。以在建贵州公路第一隧—桐梓隧道为工程背景,综合考虑瓦斯涌出量、爆破炮烟、工作最多人数、作业机械以及最小风速,分别计算压入式通风和巷道式通风需风量、风压及风机功率,分析了风管直径对通风阻力的影响规律,并对2种方案瓦斯浓度和风速进行了数值分析,最后比较2种方案的经济性。结果表明:原设计压入式通风方式未考虑非煤系地层瓦斯涌出而无法满足施工通风要求;风管直径对通风阻力影响显著,结合工程实际选用1.8 m风管直径;数值分析表明,压入式通风断面最大瓦斯浓度始终高于巷道式,巷道式通风的瓦斯浓度比压入式通风提前进入稳定区随后趋向于0,巷道式通风的速度稳定区的值比压入式通风高2~2.5倍;巷道式通风方式相比压入式通风,设备投入和运营费用均较低,经济性更优。研究成果具有典型代表性,可为隧道施工通风提供理论指导和工程参考。

大型水电工程中巨型地下洞室群的开挖、支护施工是技术难点,根据现场实际地质条件和工作环境对地下厂房的开挖及支护工法进行改进、对施工机械进行改良,是保证地下洞室群安全、优质、高效、绿色施工的重要保障。本文针对乌东德水电站大型地下洞室群施工过程中关键工法和技术难题,开展创新研发和攻关,包括:大跨度高边墙开挖施工、超大断面调压室开挖施工、小直径溜渣井式竖井开挖、不良地质段超大断面洞室支护、拔管法接触灌浆施工、洞内压力钢管拼装、多孔深竖井混凝土滑模施工、大型出线竖井施工等。从工艺类型、精细开挖、支护和装备革新技术等方面进行关键创新施工方法和技术总结,研究成果可供同类工程建设参考。

静态爆破技术可用于井下煤岩体的弱化致裂,相较炸药爆破有着安全、无震动、无污染的优点。为探究静态爆破的硬岩弱化致裂效果及实际工程应用技术,通过室内试验、数值模拟和现场试验等方法,对静态破碎剂的膨胀力学参数、不同孔径与孔距下静态破碎剂对试件的裂纹演化规律及破坏作用范围、现场布孔参数的选择等展开研究。结果表明:静态破碎剂最高膨胀压可达75 MPa,反应过程分为初始阶段、快速反应阶段、后续缓慢反应阶段共3个阶段;试件裂纹发展方向沿最小抵抗线方向,裂纹拓展形态多为“Y”字形;声发射检测中,累积能量呈阶梯状增长,其峰值随破碎孔孔径增加而减少;破碎孔孔径控制在40~50 mm、间排距控制在300~500 mm破岩致裂效果较好。研究结果证实了静态爆破方案对岩层弱化致裂的可行性,对实际应用具有参考价值。

当隧道穿越高温热泉断层破碎带时,施工人员将面临高温高湿环境,而钻爆法隧道施工工序复杂,劳动强度大,高湿环境对隧道人员的影响巨大。为保障隧道施工人员的安全健康,本文基于能量代谢率变化规律得到高温高湿环境隧道施工人员劳动强度修正等级和人体预测热应激修正模型,给出了高温高湿环境下隧道施工人员安全连续劳动时间建议,并在高温隧道进行了现场测试。结果表明:当温度大于30 ℃,湿度大于70%时,温度每增加4 ℃,或相对湿度每上升10%,隧道施工人员劳动强度等级约增加一级;当温度超过38 ℃,相对湿度大于90%或温度超过40 ℃,相对湿度大于70%时,所施工人员均应停止作业,现场测试结果表明人体热应激修正模型误差小于5%。