为了支撑服务廊坊市的总体规划,本文通过对比分析前期勘察的规划区(200 km²)80个钻孔岩心资料、912组岩土体物理力学试验及711次标准贯入试验资料,查明了廊坊市规划区地下空间资源禀赋特征和主要环境工程地质问题,探明了廊坊市规划区地下空间开发利用层0~50 m的工程地质结构特征,划分了8个工程地质层组。试验分析了各工程地质层组岩土体物理力学性质,利用层次分析法对廊坊市规划区的工程建设适宜性进行了定量分析评价,对地下空间开发适宜性进行了半定量综合分析评价,指出了工程建设及地下空间开发时需重点注意的主要环境工程地质问题,并提出了合理开发利用地下空间资源的方法,为廊坊市的总体规划建设提供了可靠的参考依据。

为了揭示炭质板岩隧道施工过程位移及力学变化规律,提出并验证加强支护措施有效性。以某高速公路隧道工程为依托,通过现场试验测试及数值模拟,分析了断面YK11+460拱顶下沉与周边收敛变形曲线,揭示了断面YK11+460围岩压力、钢拱架及混凝土应变规律。提出了“三台阶锁脚锚杆+钢拱架纵向连接”加强支护措施。研究表明:基于数值模拟得锁脚锚杆设置建议角度为35°,设置长度宜取3.5 m;采用加强支护措施结构处于稳定状态后,拱部位置围岩压力由0.83降至0.74 MPa,钢拱架应变由4 029降至2 719 με,混凝土形变由2 346降至1 773 με,断面ZK10+360拱顶累计形变量为13.6 mm,上、中、下台阶累计收敛值依次为6.1、5.4、3.9 mm;采用加强支护技术措施后,上台阶开挖施工后初支拱部受力水平略高于常规施工技术;仰拱施作完毕拱顶、拱腰、边墙呈统一受力状态,拱架沿纵向连为整体,增强了围岩稳定性,减小围岩松动压力,改善了初期支护结构受力状态。

为解决在特殊地形条件下线、桥、隧的良好衔接和线路规划等问题,小净距隧道作为一种新型隧道结构能够适应比较复杂的地形,近些年来得到广泛应用。以某公路隧道为研究背景,通过建立浅埋偏压小净距隧道左、右洞相互扰动的围岩压力计算模型,结合相关规范推导了隧道施工过程中围岩压力计算公式以及适用条件,并对隧道各参数的变化对围岩压力的敏感性进行了研究。结果表明:(1)后行洞的开挖会使先行洞拱顶垂直压力变大,侧压力和水平压力减小;(2)双洞外侧围岩侧压力系数受围岩计算摩擦角、中间岩柱两侧摩擦角和偏压坡角的影响,而双洞内侧围岩的侧压力系数还受隧道埋深和净距的影响;(3)隧道拱顶垂直压力的分布受到隧道埋深、偏压角度和侧压力系数的影响,但是受到隧道埋深的影响最大;(4)隧道围岩水平压力的大小受到隧道侧压力系数和隧道埋深的共同影响,但是隧道埋深占主要作用,埋深越大,隧道受到的水平压力越大。

高铁站地下换乘空间作为人流疏散的重要场所,其使用效果会受到自身空间组织特征的影响。京福高速铁路是“八纵”之一的京港(台)通道的一部分。通过实地调研京福线38个站点,按照空间组织形式将其分为网格式和轴线式2种类型,选取合肥南站和徐州东站作为2种类型的典型案例,采用空间句法的轴线法和视域分析法作为具体分析手段,结合整合度、连接值、可理解度、视觉整合度﹑视觉控制度和视觉聚合系数6个指标,分析地下换乘空间的可达性、渗透性、可识别性、可视性、视域范围和限制性,总结出京福线高铁地下换乘空间的组织特征,并提出相应优化策略。

大量研究认为轨道系统与城市街道可达性的叠加效应能集聚城市空间要素,轨交站域地上与地下步行网络系统耦合效应对公共空间品质有重要影响。以深圳市前海城市设计为研究对象,基于地铁站域的可达性以及现有研究成果,对轨交站域地面步行街道、地下步行通路活力指标进行提取量化,采用空间句法、网络分析、衰减叠加等方式做出数据分析,并通过熵权法分别对地上、地下步行网络进行指标集成,从而对街道综合活力的分布差异进行可视化。基于GIS平台对地上地下步行网络活力模拟值进行耦合计算,识别出方案设计阶段步行网络中三种耦合状态,针对耦合较差的区域提出初步改进策略。

为了减缓隧道喷射混凝土钙溶蚀导致的排水系统结晶堵塞现象,在调研了多种混凝土外掺料的基础上,从消耗游离Ca(OH)₂、填充混凝土孔隙两方面,分别选取抗碱剂和纳米二氧化硅、粉煤灰和纳米碳酸钙进行室内单掺试验。试验主要从排水管上结晶情况、溶出液中钙离子浓度、溶出液流量变化和算得的钙溶出总量4个方面,通过不同掺料之间的组内比较和同种掺料不同掺量下的比较,比选出减少钙溶蚀结晶效果较好的外掺料及其最优掺量。结果表明:在消耗游离Ca(OH)₂方面,9%掺量下的抗碱剂抗钙溶蚀结晶效果最佳;在填充混凝土孔隙方面,6%掺量下的纳米碳酸钙抗钙溶蚀结晶效果最佳。研究结果可为隧道排水系统结晶堵塞病害的预防提供一定参考。

微波辅助TBM破岩是一种非常有潜力的提高硬岩隧道破岩效率的新型破岩技术。为研究常温和高温条件下岩石对微波的吸收能力,采用同轴传输/反射法测试原理设计了一套变温岩石介电特性测试系统,采用该系统对隧道施工中玄武岩、砂岩和花岗岩3种常见岩石进行了实验。结果表明:该系统能够准确地测量变温条件下岩石的介电特性,工业频率对岩石介电特性参数的影响不大,温度对岩石介电特性参数有一定的影响;常温和变温条件下,3种岩石介电常数虚部ε″和损耗正切tanθ的关系均为玄武岩>砂岩>花岗岩,3种岩石微波加热的升温规律和介电特性的规律保持一致;对岩石进行介电特性测试和升温规律分析,提前预判岩石对微波的吸收能力,可选择性地对具有良好微波破岩效果的隧道实行微波辅助机械破岩。

随着在役隧道运营年限的增长,会产生诸如裂缝、渗漏水等典型表观病害,影响隧道的安全运营。如何通过有效的技术手段识别出各种病害,并将结果反馈给养护单位显得尤为重要。通过调研国内外隧道病害检测技术与方法,分析利用机器视觉技术对隧道典型表观病害的测量原理,结合计算机技术,开发基于变焦摄像头的隧道典型表观病害智能监测系统,实现了对隧道衬砌表观病害的智能识别与监测,并利用标定板在实体隧道中模拟裂缝和渗漏水情况。经实验测试,该监测系统可实现对隧道病害7×24 h实时监测,隧道表观病害在拍摄环境优良情况下,识别率可达95%,监测裂缝最小宽度0.2 mm,最小渗漏水面积50 cm²。采用该系统,可实现多处、多类型病害的识别与全天候监测。

在构造应力的作用下,岩体内部节理普遍发育,而节理对深埋隧道岩爆的发生具有重要的影响。为研究节理分布与岩爆破坏的关系,本文以草果山隧道为依托,基于现场岩爆与构造节理的分布规律,通过声发射数据分析裂隙分布特征及演化过程,并采用岩石破裂过程分析软件(RFPA)进行研究。结果表明:节理的走向与隧道轴线平行较垂直更易引发岩爆;隐于围岩内部且靠近开挖轮廓的节理更易导致岩爆的发生,而其倾角的改变对岩爆的影响较弱;围岩内节理面的存在,使应力在节理面与开挖边界之间的薄层岩体中迅速集中,并且最大主应力在该薄层岩体的集中区域会出现应力由围岩表面过渡到围岩内部的情况,该应力边界为内凹型圆弧状,与岩爆后的“V”型或“平底锅”型爆坑类似。研究结果对实际工程的规划选线、岩爆预测及岩爆防治有一定的参考价值。

川西高原地质条件复杂,隧道建设过程中出现的有害气体问题日益突出,对西部大开发战略带来了前所未有的地质挑战。针对川西地区有害气体分布规律复杂的问题,本文在收集分析川西高原区域地质资料和隧道资料的基础上,采用地质历史分析、油气成藏理论、现场检测等方法开展研究,结果表明:川西构造复杂区有害气体的主要成分以瓦斯(甲烷)、硫化氢、二氧化碳为主;有害成因有无机成因和有机成因两种,其中瓦斯主要来源于有机成因,硫化氢主要来源于无机成因,二氧化碳为混合成因;有害气体主要分布在褶皱的核部区域、深部地层、压扭性断裂附近、含炭质岩层或火成岩或变质岩内,且分布规律相互关联。研究成果对川西高原隧道有害气体预测防治具有指导作用。

地表超载会使隧道产生纵向不均匀沉降,危害隧道运营安全,隧道的沉监测降数据对于分析隧道的安全状态具有重要意义。提出了基于永久散射体合成孔径雷达干涉测量技术(PS-InSAR)的地表超载下隧道沉降预测方法,并在上海杨高中路电力隧道工程进行了应用,结果表明,PS-InSAR技术可以获取高精度的地面沉降数据,与水准数据相比,平均误差为0.78 mm/y;采用本方法预测得到的隧道沉降速率曲线与水准实测曲线变化趋势相对一致,较为准确的识别出了隧道纵向不均匀沉降发生的位置,预测沉降速率与隧道实测速率相比,平均误差为3.09 mm/y。影响结果精度的因素主要有PS-InSAR地表沉降拟合误差、隧道上方土层沉降计算误差以及隧道邻近施工造成的土体扰动。PS-InSAR具有监测范围广、可获取历史数据的优势,可以为软土地区隧道沉降数据获取与分析提供新思路。

考虑黄土区浅埋隧道的工程特点以及土体大变形特性,将浅埋隧道下穿开挖过程上覆管道分为管土脱空区与管土变形协调区,提出考虑管土脱空的相互作用计算模型。在考虑管道埋深对地基基床反力模量影响的基础上,采用Pasternak半无限弹性地基梁模型考虑土体连续性,采用二阶段分析方法将土体自由位移荷载施加于管道,分别建立脱空区、协调区的管道力学模型与微分控制方程,并给出理论解答与管-土脱空区范围的试算步骤。与已有模型试验监测数据的对比验证了计算方法的精确度,发现不考虑管土脱空现象时的管道变形计算方法偏于保守。最后,对管道变形的各主要影响因素进行了对比分析,结果表明:管道最大变形量随地层损失增大而增大,随管隧间距、管道刚度、土体强度增大而减小,但减小的幅度均随各参数的增加而减缓;脱空区范围随管道刚度、土体弹性模量及管隧间距增大而增大,而表征管土脱空程度指标即最大变形差随管道刚度增大而增大,但随着土体弹性模量以及管隧间距的增大却呈减小趋势。

在传统滨海城市地下空间潜力评价中,通常是根据当地工程地质特点构建统一的评价体系,运用模糊综合层次分析法完成评价。而在实际情况中,需综合考虑开发区的基岩与土体区域分布不均、开发条件不同及社会经济特点的影响,在此基础上选取具有滨海城市特点的评价因子,分别构建土体区域与基岩区域的开发潜力评价指标体系,采用组合赋权法结合模糊综合评价理论构建综合评价模型,并利用该模型结合GIS技术得到开发区综合开发潜力分区图,为实际地下空间开发提供了理论支撑。同时通过对比可知,运用层次分析法—主成分分析法(AHP-PCA)构建的模糊综合评价模型得到的结果将较传统方法所得结果更加科学可靠。

隧道衬砌结构沿径向深度存在温度变化差异,使其在冻融循环作用下沿径向发生不同程度的连续渐变劣化。为揭示衬砌结构渐变劣化对寒区隧道承载性能的影响,本文以羊八井2号隧道为工程依托,通过现场气温测试,结合隧道温度场和结构应力数值模拟计算,研究考虑衬砌结构渐变劣化的寒区隧道承载性能演化规律。结果表明:在每年170次的正负气温反复作用下,隧道衬砌表面经历约11次等效室内冻融循环;随着径向深度增加,衬砌经历的冻融循环次数呈指数函数降低,衬砌混凝土抗压强度和弹性模量沿径向深度呈指数函数连续渐变劣化,并主要集中在距衬砌表面35 cm深度范围内;在渐变劣化情况下,拱顶随服役年数增加,偏心距逐渐增大,受压区高度减小,呈大偏心受压,衬砌安全系数下降速率大,承载性能劣化严重,全截面劣化相反,拱顶由大偏心受压逐渐转变为小偏心受压,安全系数下降慢,承载性能劣化较轻;其余位置在两种劣化情况下衬砌承载性能变化基本相同;在隧道衬砌结构长期耐久性设计时,拱顶应考虑混凝土沿径向渐变劣化。

某科学装置项目5号井基坑最大深度达45.45 m,是目前上海地区最深的非圆形基坑。该项目实施遇到并克服了诸多挑战和新技术难题,取得一些技术创新:为控制软土超深基坑渗漏引发安全风险而采用了深墙浅帷幕相结合的双帷幕设计方案;首次在基坑中成功应用当时国内及国际最深、入土深度69 m的TRD隔水帷幕;首次开展并完成入土深度达86 m及厚度1.10 m的TRD隔水帷幕的非原位现场试成墙试验。本文结合已成功实施完成的5号井超深基坑,介绍上海软土地区45 m级超深基坑的设计与实践,重点介绍了超深基坑面临的技术问题及总体设计方案、超深地下连续墙设计、超深TRD隔水帷幕设计及非原位试成墙试验、多层承压水的降水设计与地下水控制效果,以及工程实施效果。本次设计实施可为类似工程设计与施工提供借鉴。

全回转套管钻孔灌注桩作为一种环境友好型桩基施工方式,因其成桩质量较高、施工速度快、地层扰动较小、环境污染程度低的特点,在城市地下工程建造中尤其在临近既有隧道、基坑工程中运用广泛。依托采用全回转套管钻孔灌注成桩的合肥市某终端塔基小净距上跨地铁隧道工程,在对钢套管旋压施工过程影响隧道变形开展理论分析的基础上,模拟分析了桩长、桩径、桩-隧相对水平位置、钢套管跟进深度等对邻近地铁隧道变形的影响,研究单参数变化条件下电缆终端塔塔基施工引起的隧道结构变形规律。结果表明:增加桩长会加剧邻近隧道的竖向变形,在满足桩基承载力的基础上应尽量减少桩长,对于隧道水平位移控制严格的区段,应尽可能避免桩长与隧道埋深比为1的情况;桩径因素对邻近隧道位移的影响非常大;隧道总位移值与桩-隧净距负相关,扩大桩-隧间距是控制隧道变形的最佳措施;钢套管逐节旋压取土的施工方法,对周围土体扰动影响程度较小,尤其可以减少邻近隧道的水平变形,应避免采用半套管成孔工艺,以规避套管以下部分土体钻孔施工对周围地层造成二次扰动。

新建隧道爆破作业对邻近既有隧道影响显著,鉴于减振孔的泛用性,常选其作为减振手段,但在近接隧道中的降振效果亟待探明。建立了能够表征各减振孔参数效应的爆破动力学模型,并与现场监测数据对比验证了模型的正确性。进而探究了减振孔参数对减振率的影响规律,提出描述减振率与减振孔参数间的关系式,论证了近接隧道爆破中减振孔的爆破振动控制效果。结果表明:(1)分别布设减振孔1~3排,平均减振率从40.58%增至71.99%;(2)分别布设减振孔距爆源距离0.75 m~1.5 m,平均减振率从53.93%降至40.21%,改变上述参数对减振效益影响明显;(3)建立了减振孔参数与减振率的拟合关系式,揭示了减振孔参数对爆破振动影响显著程度;(4)揭示了减振孔对近接隧道爆破振动的影响规律,距爆破临空面5 m以内振速高、衰减快,减振孔减振效益好,单排减振孔对中心断面各部位的减振率达到26%~38%。

为了研究开挖速率对注浆后岩体破坏机制的影响,利用岩石刚性试验机和声发射设备对砂岩裂隙注浆体开展加载与监测试验,研究不同加载速率与不同裂隙倾角影响下注浆体的力学特性及声发射时空演化特征。结果表明:随加载速率增加,相同裂隙倾角注浆体试件峰值强度逐渐上升,且注浆体试件的峰值强度低于完整试件;在裂隙倾角为15°~45°时,注浆体试件峰值强度主要受加载速率影响增加而增大;裂隙倾角为60°时,峰值强度主要受裂隙倾角影响随加载速率增加变化规律与之相反;注浆体变形模量与峰值强度变化特征基本一致,弹性模量总体呈下降趋势,且裂隙倾角对注浆体试件弹性模量影响程度大于加载速率;以裂隙倾角45°为例,分析了声发射振铃计数与加载曲线对应关系可以发现,应力突降对应声发射振铃数骤增,反之则不一定;加载速率大小与峰前“平静期”的产生及持续时间有着密切关系;声发射事件点主要集中在注浆固结体内部,且随着加载速率增加,事件点的个数呈逐渐减少趋势,此现象可为相应的裂隙注浆岩体工程施工提供灾害预测及理论指导。

为探究三洞盾构隧道的开挖顺序对地表沉降和管片收敛产生的影响,本文以南通地铁1号线隧道建设为工程背景,采用FLAC3D软件模拟三洞并行盾构隧道在“右-中-左”“中-右-左”和“左-右-中”3种工况下的掘进过程,分析其引起的地表变形规律及先行洞管片变形规律。对于地表变形规律,研究发现,不同开挖顺序引起的沉降槽宽度基本相同,但引起的地表最大沉降值存在差异,3种工况引起的地表沉降由大至小排序为:工况2＞工况1≈工况3。对于管片变形规律,不同开挖顺序引起的隧道变形均由标准的圆形变为上下扁、两端宽的椭圆形,但偏移过程及最终管片收敛值存在差异,3种工况引起的先行隧道变形由大至小排列为:工况3＞工况2≈工况1。数值模拟结果表明当采用工况1“右-中-左”施工顺序,即3条隧道依次顺序施工时,引起的地表最大沉降值和管片收敛偏移值较小,能够有效保障隧道施工安全,建议在实际施工过程中优先选择该开挖顺序。数值模拟得到的最大沉降值为-11.8 mm,通过Peck公式预测的最大沉降值为-11.1 mm,与实测拟合数据拟合得到最大沉降值-11.63 mm相比误差分别为1.46%和4.78%。

矿山动力灾害的发生常伴随煤岩破裂失稳,研究煤岩破裂的演化特征将为矿山动力灾害监测预警提供理论基础。选取某矿煤系地层中常见的煤、泥岩、砂岩、页岩4种典型煤岩试样进行单轴压缩试验,研究其破坏过程的声发射特征。结果表明:振铃计数能够较好地反映煤和页岩试样各阶段的破坏规律,煤和页岩试样的累计振铃计数曲线增长拐点与其破坏过程中的塑性阶段起始点相对应,泥岩和砂岩的破坏过程的振铃计数较少,累计振铃计数曲线增长拐点出现在塑性阶段后期;煤、泥岩、砂岩、页岩试样拉伸破坏的占比平均值依次为64.97%、73.12%、84.45%、92.21%,均是以拉伸破坏为主的拉剪混合破坏;4种煤岩在破坏前各频段声发射信号的数量出现突增,煤和砂岩发生主破裂时的主导频段为Ⅲ(150~200 kHz)频段,泥岩为Ⅰ(50~100 kHz)、Ⅴ(280~330 kHz)频段,页岩主要集中在Ⅱ(100~150 kHz)、Ⅴ(280~330 kHz)频段;4种煤岩的声发射b值都大致呈现“上升-波动-下降”的变化特征,能有效反映4种煤岩的破裂过程,破坏前的下降趋势可以作为煤岩破裂失稳的重要前兆信息。

社会经济的飞速发展导致公路运输需求与通行能力不相匹配的矛盾日益明显,既有公路隧道改扩建成为改善未来公路交通运输环境的长期有效手段。通过对典型改扩建公路隧道文献检索及案例统计分析,明确了公路隧道改扩建的发展趋势及研究动态,指出了公路隧道改扩建方案研究的现状与不足,依据方案比选提出了改扩建建议方案;结合4种典型改扩建工法及隧道扩大系数,提出了既有公路隧道改扩建的建议施工工法;阐述了改扩建公路隧道围岩压力计算、围岩力学响应、爆破振动控制及支护参数的研究动态与不足;提出了BIM技术、人工智能技术、绿色建造及碳中和理念等在改扩建隧道中的应用前景;指出建设标准规范化、扩建方案智能化、施工方法创新化和理论研究系统化是未来重点研究方向。

以含砂量较多的花岗岩残积土为研究对象,通过分析其颗粒级配推断这类土具有过渡力学行为的可能性,随后对其进行了等向固结试验与不同应力路径下的三轴剪切试验,结果表明:该残积土为过渡性质土,其力学行为不能通过临界状态理论来描述;不同初始孔隙比的土体在各向等压固结阶段,在v-lnp′平面上的曲线不能汇集在一起形成唯一的正常固结曲线(Normal Consolidation Line, NCL),剪切过程中同样不存在唯一的临界状态线(Critical State Line, CSL),土体在固结与剪切过程中的应力状态受初始孔隙比影响,且这种影响是不会被过大的固结压力或剪切应力所消除,是一种典型的过渡力学行为;不同初始孔隙比土体在v-lnp′平面上的正常固结曲线与相应临界状态线是相互平行的,且二者间距离固定,与初始孔隙比无关。

基坑开挖引起的围护结构变形将引起周边土体的卸荷,而土体卸荷将会对邻近隧道附加变形及内力产生不利影响。考虑围护结构变形的空间效应,建立了基于基坑侧壁位移影响的三维土压力卸载计算模型,并借助Mindlin解得到了基坑开挖卸荷在隧道轴线处引起的附加应力。考虑地基土体变形连续性,将隧道视为置于Pasternak地基的Euler-Bernoulli梁,得到了隧道附加变形的受力响应。将基坑开挖引起的附加荷载施加于邻近隧道,得到了考虑空间效应的基坑开挖诱发邻近隧道附加变形的理论计算方法。通过与已有案例的对比分析,验证了本文方法的可靠性。进一步分析了围护墙最大变形、隧道与基坑边距离及地基模量等因素的影响规律,结果表明:围护墙最大变形的增大会进一步增加隧道的变形及内力,而隧道与基坑边距离及地基模量的增加,则会减小隧道的附加变形及内力。

高放废物深层地质处置库运行中,核废料衰变会释放较大热量,研究温度影响压实膨润土-砂混合物的膨胀特性对于评价处置库人工屏障系统的性能具有重要意义。本文对高庙子钠基膨润土及其含砂混合物在25、60、90 ℃下进行了膨胀实验。结果表明:渗透膨胀时,蒙脱石膨胀系数与温度之间(K-T_c)呈线性关系,最大膨胀应变随着温度升高而增大;相同温度下,高膨润土含量的混合物体积变形可以用e_m-σ_v分形关系表示,并且在去离子水内浸泡时,膨润土表面分维不受温度影响;低膨润土含量的混合物中存在砂骨架,上覆应力超过试样应力阈值时,e_m会偏离e_m-σ_v曲线。结合分形模型,提出了一种预测不同砂土比的膨润土-砂混合物在不同温度下的膨胀变形计算方法。

隧道穿越非均质地层时,由于土层物理力学性质差异较大,经典太沙基理论计算得到的竖向荷载与实际误差较大。基于经典太沙基理论,建立了一种基于折线滑动面的非均质地层隧道竖向荷载计算方法,针对软弱土层在隧道断面上方和隧道穿越软弱土层两类工况,考虑5种穿越场景,推导了非均质地层隧道竖向土压力计算公式。通过与珠海隧道、狮子洋隧道的现场实测土压力值进行对比,验证了所提出方法的正确性。通过对软弱土层内摩擦角、厚度和与隧道相对位置等参数进行敏感性分析,并与太沙基理论及直线滑动面模型的计算结果对比,明确了非均质地层隧道竖向荷载随软弱地层关键参数的变化规律。

郑州市“720”特大洪水造成地下空间严重灾害。随着各类灾害的发展演变以及地下空间开发利用层次和规模的提高,灾害防御将越来越重要。吸取郑州特大暴雨灾害教训,总结分析地下工程灾害情况,深入讨论城市地下空间科学发展的防灾问题,切实保住地下空间安全底线,具有重要意义。本文重点从灾害防御统筹兼顾防治结合、灾害防御兼顾国防安全、防灾标准适度超前、地下空间修复重建与地面工程规划设计相结合、加强大灾害预警预防信息化和智能化建设等方面对城市地下空间重大灾害防御进行了深入探讨,建议试点先行探索城市地下空间重大灾害防御的体制机制、规划计划、技术标准、新理念、新技术、新工艺等,深入开展成灾致灾机理、地下感知探测、灾害情景、韧性地下空间等研究。

基于弹性力学的复变函数方法和弹性-粘弹性对应原理,将物理平面(z平面)上三心圆拱断面隧道围岩区域映射到计算平面(ζ平面)上单位圆外域,并用2个应力函数表示围岩的应力、位移及其对应边界条件。考虑临近开挖面的空间影响效应,将其以应力释放率表示,运用幂级数解法、Laplace变换等手段给出了三心圆拱断面隧道围岩的粘弹性位移解析解,并与数值解对比验证了理论解的正确性。将该方法应用于杨林隧道,分析了围岩粘弹性变形规律,揭示了隧道开挖面推进速度、空间影响效应、侧压力系数对隧道围岩粘弹性位移的影响规律,对类似断面隧道围岩粘弹性变形分析具有普遍应用价值。

地铁车站具有通风不良、高密度人员聚集以及近距离暴露的特点,是传染病传播的高风险场合之一。基于计算流体力学(CFD, Computational Fluid Dynamic)方法,针对地铁车站不同风险区域队列人员,研究了口罩佩戴、人员间距、通风量以及送风距离对交叉感染风险的影响,评估了地铁站内高密度队列人群交叉感染风险并提出降低策略。结果表明:售票区未佩戴口罩的近距离接触过程中,感染者不仅使得正前方人员暴露于高风险中,也增大了其两侧人员的暴露风险;近距离的安检过程仍存在较高感染风险,建议安检人员佩戴面罩;地铁站全面通风的防控效果受到送风距离以及通风量的影响,距离送风口较近的区域(<0.5 m),增大通风量可以显著降低感染风险;对于距离送风口较远区域(>1 m),通过增大通风量降低风险的效果较差。本研究的发现预期可为制定合理防控措施提供依据。

在国家大力推动建筑工业化背景下,预制装配式建造技术得到了广泛关注与发展。相较于在地上建筑的大量研究与应用,预制装配式建造技术在地下空间的应用发展还有很大潜力。首先应用Citespace软件对2000年到2022年的地下装配式相关文献进行可视化分析,然后以地下综合管廊、地铁车站、隧道三类典型地下工程为例,总结了预制装配式建造技术在我国地下工程的应用现状,提出了当前地下工程预制装配式建造的5个重点研究方向,包括装配式衬砌拼装技术、装配式结构受力性能、预制构件连接接头、装配式结构抗震性能以及装配式结构防水性能。最后,总结了地下空间装配式结构的5个研究趋势,为预制装配式技术在地下工程中的推广应用提供参考。

本文在结构性类修正剑桥模型的基础上综合考虑了天然黄土的结构性及其演化规律、初始各向异性特征,建立了适用于天然黄土的临界状态本构模型。从能反映土体结构性的类修正剑桥模型出发,通过在屈服面、硬化准则以及临界状态描述方面引入各向异性参数,以此来反映天然黄土的各向异性特征。进一步地采用非相关流动法则推导出了饱和天然黄土的临界状态本构模型。本文模型共有9个参数,与传统的修正剑桥模型相比,增加了3个反映结构性的参数和1个各向异性参数,其均可通过常规三轴试验确定。通过选取不同地区黄土试验结果对比,表明所建立的本构模型能够较好地描述饱和天然黄土的结构性和各向异性特征。

以宁波地铁隧道为研究对象,采用现场实测与2.5维有限元相结合的方法研究了整体式轨道和钢弹簧浮置板轨道在轨道振动和周边环境动力响应上的差异。结果表明:相较于整体式轨道,钢弹簧浮置板轨道能显著吸收10 Hz以上的轨道振动;当隧道埋深小于20 m时,列车速度越高,隧道埋深越浅,钢弹簧浮置板轨道对隧道及周边环境的减振效果越好;但采用单相弹性介质模拟隧道周围地层会明显低估隧道内的振动强度,并高估钢弹簧浮置板轨道的减振效果。隧道周围的超静孔压与列车速度和轨道类型有关,与隧道埋深无关;采用钢弹簧浮置板轨道不仅可以减振,还能有效减小隧道周围土体中的超静孔压,有利于控制隧道沉降。

双圆盾构隧道具有比单圆盾构隧道复杂得多的断面形式,由此引起的邻近土体和桩的位移特征比较复杂。采用自主设计研发的双圆盾构隧道透明土试验装置,通过分析隧道上方水平与竖直地层位移特征、隧道周围土体位移云图、桩及桩周土体位移规律,系统探究不同埋深的双圆盾构隧道掘进引起的邻近桩-土位移响应。结果表明:随着双圆盾构隧道埋深增加,最大地表横向位移先增大后减小,最大地表沉降逐渐降低,隧道顶部沉降逐渐增加,沉降曲线形状由地表到隧道顶部呈“U-V-W”形的逐渐过渡;地表横向位移和隧道纵断面上方沉降分别在盾尾经过监测面(桩轴线位置)0.7D和0.6D(D为隧道开挖直径)后达到峰值并趋于稳定;随着覆土深度的增加,竖向地层的横向位移先减小后增大再减小,横向位移峰值位于隧道中心同一水平处,而土体沉降呈先慢后快地减小变化;邻近桩基对桩侧土体位移具有限制作用,桩基整体发生下沉和偏转;埋深为1.5D时的桩-土位移明显大于埋深为1.0D和2.0D时的桩-土位移。

在饱和软土地层中,渗漏水是盾构隧道主要病害之一,亦是引起地表及隧道长期沉降的主要原因。基于镜像法,假定土体渗流服从Slepicka指数渗流模式,衬砌渗流服从达西线性渗流模式,推导了非达西渗流条件下浅埋圆形盾构隧道周围土体孔隙水压力分布解析解,在此基础上,进一步取得了隧道沉降解析表达式。结合算例,验证了所提出的解析解的正确性,并进一步分析了非达西渗流对隧道周围土体孔压与隧道上方地表沉降的影响。结果表明:非达西渗流指数m对隧道周围土体的孔压分布与地表沉降均具有显著的影响,m值越大,隧道周围土体的孔压越小,地表沉降越大;分析饱和软土盾构隧道渗流问题必须考虑非达西渗流的影响。研究可为类似工程的设计与施工提供参考。

为探究片岩隧道钻爆法开挖围岩松动圈演变规律,以牛栾村隧道为依托,运用地质雷达法对现场松动圈范围进行探测;采用数值仿真方法,模拟不同倾角片岩隧道爆破开挖过程,分析围岩松动圈的分布范围及演变规律。结果表明:受片理影响隧道松动圈并不总沿轮廓线对称分布,且水平与竖直方向不对称性的表现程度不同;由于内部片理构造与外部爆破开挖扰动的共同作用,片岩极易沿片理方向发生破坏,松动圈的形成也易沿片理方向发展;随着钻爆开挖的进行,松动范围呈非线性累积扩展状态,4次钻爆之后对初次产生的松动圈影响不再明显,隧道各部位累积程度不同;地质雷达的使用能够有效地实现隧道多次钻爆后围岩松动范围的探测。

地下水作用下公路隧道衬砌结构耐久性与安全性问题突出,运营期间易发生衬砌渗漏、开裂和脱落等现象。为了更好地评价富水公路隧道抗水压衬砌结构的安全性,基于《公路隧道设计规范》相关条款开展荷载组合下衬砌截面强度验算,对衬砌外水压力进行了分级。在此基础上,基于荷载结构法采用数值模拟开展了不同断面大小、围岩级别和埋深条件下隧道衬砌结构安全系数随外水压力的变化规律研究,提出了隧道抗水压衬砌结构分级标准。基于外水压力分级和抗水压衬砌结构等级划分,提出了抗水压衬砌结构设计方法和衬砌结构安全评价方法,为相关工程提供参考。

城市地下空间作为集约型城市建设的必要途径以及“城市病问题”的有效解决方案,其开发利用受到了越来越多的重视。针对现有城市地下空间研究中集成要素不全面,导致其开发规划不协调的问题,提出了一种城市地下全要素信息多尺度语义表达模型。通过分析城市地下全要素信息的特点、存储形式及语义关系,明确了全要素信息所含的各种实体及其属性、实体间的联系等,构建了城市地下全要素信息实体关系ER图,同时,从语义层、模型层、表达层3个层次构建了城市地下全要素信息多尺度语义表达模型,并展现了该模型在城市地下空间开发适宜性三维评价中的应用实例。

在深基坑排桩支护设计中常将土的粘滞效应忽略,但对粘土分布较为广泛地区这并不符合工程实际,对于锚索施工后出现的意外脱锚现象也并未有具体研究。基于Kelvin粘弹性地基模型,对具体的深基坑排桩支护过程进行有限元模拟,分析了考虑粘滞效应的情况下支护结构中脱锚效应对支护桩的变形时效影响,以及考虑横梁和不考虑时横梁锚索失效的影响范围。结果表明,粘滞效应能够在支护桩变形、内力变化、锚索力变化过程中起到一定的延缓作用;考虑横梁也可有效抑制结构在水平方向的变形发展,且可有效提高支护桩体的抗弯性能,当发生脱锚后对结构变形等具有明显保护作用。

非煤系地层瓦斯产生源相对难以确定,瓦斯释放具有随机性、不均匀性的特点,使瓦斯突出的防治更加困难。基于属性识别理论建立了非煤系地层隧道瓦斯突出的风险评价体系。根据典型性和可操作性原则,选取8个因素作为非煤地层瓦斯突出的风险评价指标,构造属性测度函数计算评价指标的属性测度,采用模糊层次分析法确定评价指标的权重,再根据计算得到的多指标综合属性测度,应用置信度准则对隧道的瓦斯突出风险进行识别。运用所提出的属性评估系统对某隧道施工前的瓦斯突出风险进行了评价,评价结果与实际情况的一致性验证了所建立的风险评价体系的适用性。该评价体系对非煤层隧道瓦斯突出的风险评估及灾害防治具有重要意义。

孤峰平原区作为岩溶地区常见的一种地貌形态,因地形陡峻,一般情况下不具备实施勘察实物工作量的条件。在基于岩石强度、岩体完整性为主要判别指标,以地下水、软弱结构面产状和初试应力状态为修正指标的隧道围岩基本等级分级方法中存在缺乏判定依据。通过对现有勘察数据的分析,以线岩溶率为基础,综合考虑区域岩溶发育情况及孤峰位置的特殊性,建立以线岩溶率、岩溶发育形态和规模、岩溶充填物、地下水径流及溶洞分层特征等为主要计算参数的体岩溶率计算模型,结合体岩溶率同隧道围岩分级的对应关系调查,对隧道围岩进行初步分级,可较好地为设计、施工和建设单位控制工程造价。

为研究爆破荷载作用下隧道裂隙围岩的塌方规律,以连云港北固山隧道为工程背景,借助UEDC离散元数值模拟软件,模拟隧道钻爆法施工时裂隙围岩塌方运动全过程, 揭示塌方过程中位移、速度、加速度等的变化规律,并深入探究不同节理分布时隧道塌方运动和破坏形态演变过程,为类似隧道工程建设提供借鉴。结果表明:爆破荷载作用下隧道裂隙围岩位移先小幅上升后下降;不同倾角节理分布时隧道塌方运动主要是形变和滑移;45°节理与另一不同倾角的节理组合时,隧道塌方运动主要表现为形变、开裂和塌落。