在遵循雷诺准则的长大隧道模型试验中,保证模型与原形的压力降相等是当前的难题。为此,本文提出在出风口处安装节流口而模拟模型隧道长度延伸。在隧道通风模型上,完成了5组节流口面积比的试验,得到了平均风速、静压和节流口处风速;以此为边界条件,节流口面积比进一步扩展至9组,量化面积比对流场参数的影响,建立了面积比与节流口局部阻力的关系。结果表明:面积比在0.108~0.192时,隧道模型当量长度计算值骤增;小于0.108时,当量长度计算值随通风机频率变化而呈现发散,确定出了计算模型的面积比适用范围;最后,得到了适用于面积比不小于0.108的隧道当量长度计算式。该公式极大放宽了隧道通风模型长度,提供了重要的实验流体力学参考。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

我国西北地区土壤及地下水中含有浓度较高的Cl^-、SO₄^2-和Mg²⁺,侵蚀性离子会渗入到隧道中衬砌混凝土,严重威胁着混凝土结构的服役寿命。本文采用正交试验探究了水胶比、硅灰掺量、粉煤灰掺量对衬砌混凝土性能的影响。为了更好地模拟实际环境,分别配制了5种不同类型的含Cl^-、SO₄^2-和Mg²⁺复合盐溶液,并选取正交试验中的最优因素组合开展了56天侵蚀后其抗压强度以及表层氯离子浓度的变化规律的研究,采用扫描电子显微镜(SEM)和X射线衍射(XRD)对侵蚀过程进行了微观分析。结果表明:水胶比、粉煤灰掺量、硅灰掺量为0.33、30%、8%时,衬砌混凝土力学性能及抗氯离子侵蚀性能最佳;当混凝土在Cl^-和SO₄^2- 共同作用下,水化产物钙矾石膨胀破坏其内部结构,导致抗压强度下降,Cl^-侵入速率加快;而Cl^-和Mg²⁺共同作用下,Mg²⁺的侵入会破坏混凝土内部的碱性环境,也会造成抗压强度的降低,但其生成物Mg(OH)₂会阻碍Cl^-侵入材料内部;当Cl^-、SO₄^2-和Mg²⁺共同作用下,Mg²⁺和SO₄^2-可分别在不同程度上抑制Cl^-的侵蚀速率,同时SO₄^2-和Mg²⁺存在相互抑制的复合作用,使得有效降低混凝土的抗压强度损失。

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。

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。

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。

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。

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。

城市地下空间绿色、健康发展是践行“绿水青山就是金山银山”理念,努力建设人与自然和谐共生的现代化的必然要求。针对当前我国地下空间绿色建造理论体系不系统、不完善的现状,总结形成了地下工程绿色建造“三三”理念,即在规划、设计和施工三阶段,充分考虑环境、资源、成本三要素,并遵照全寿命期成本最小化原理、四节一环保的目标导向和“人、建筑与自然”和谐共生的可持续发展理念三个基本原则。此外,通过调研国内外绿色建造相关案例及技术,系统搭建了地下工程绿色规划、绿色设计、绿色施工3个阶段的技术体系框架,并汇总了相关绿色技术实践。文章提出的地下工程绿色建造理念和搭建的绿色建造技术体系可填补地下工程绿色建造领域理论的不足之处,以期对我国地下空间绿色建造提供引导和借鉴。

以大渡河双江口水电站地下厂房为研究对象,基于单孔声波测试结果,分析了高地应力条件下洞室开挖卸荷围岩波速曲线特征,确定了围岩开挖损伤区(EDZ)的范围,总结得到了应力重分布影响、临近爆破影响的围岩EDZ演化规律以及不同区域围岩EDZ的特征。采用有限差分数值分析方法研究EDZ形成机理,揭示了在高地应力条件下爆破荷载、地应力瞬态卸荷荷载以及应力重分布三因素在单独和耦合作用下对围岩EDZ的影响。研究结果可为地下洞室安全评价与支护参数优化提供技术支撑。

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。

传感器技术、物联网、大数据以及人工智能技术已广泛应用于隧道建设工程领域,促进了智慧隧道通风系统数字孪生的发展。本研究旨在探索智慧隧道施工通风系统的数字孪生应用,以实现精准通风调控效果,提高施工环境安全管理水平和通风效率。从构建施工隧道通风系统数字孪生的相关研究基础与智能通风的现状分析入手,提出了算测协同的智慧隧道施工通风系统的数字孪生构架,由实体空间、虚拟空间、数据融合、机理模型和应用服务5个模块组成。进一步设计了智能通风数字孪生管理平台架构,针对数字孪生的同步机制,提出了实时数据驱动的多维融合模型,以实现虚拟空间与实体空间状态和动作的精准映射。创建了简捷的施工隧道智能通风系统,并将其融入智能通风数字孪生管理平台且已在某施工隧道通风中获得成功应用。本研究为施工隧道通风管理提供了一种新的思路和方法。

层状岩体的大变形问题是当前隧道施工中较为常见的工程灾害,尤其在高地应力环境下,这一问题愈加凸出。受高应力及层理结构的影响,隧道围岩会发生大范围的沿层理张拉、剪切、屈曲等典型的破坏模式,造成支护结构失效,严重危及人身安全并制约工程进度。为充分认识高应力层状岩体大变形的特征规律并指导现场施工,从层状岩石的地质力学特性,层状岩体大变形的特征、机制、分级及防控等方面,对国内外研究现状进行了回顾总结。针对目前高应力层状岩体大变形机理及防控方面存在的问题和新的发展趋势,探讨了亟待解决的关键科学技术问题。

为落实党的二十大提出的建设以人为核心的高质量城镇化的要求,充分利用地下空间把高寒峡谷型城市建设成绿色、低碳、生态、韧性城市,亟待探索高寒峡谷城市地下空间资源潜力评价方法及多维度利用方略。以高寒、干旱、缺水、少地、生态脆弱、自然灾害多发的峡谷型城市海东市平安区为例,通过专门的城市地质调查、野外观测和试验等研究,在查明了城市地质条件基础上,提出了高寒峡谷型城市地下空间资源潜力评价与开发利用新思路、新理念,研发了河谷两侧丘陵山体内地下空间资源潜力评价新方法。评价得到海东市平安区湟水河谷两侧山体中地下空间资源潜力为597.87×10⁶m²,河谷底部地下空间资源潜力为167.58×10⁶m²;城市核心区浅层地下空间资源潜力不大,潜力巨大的地方主要分布于河谷底部深层或河谷两侧山地中。地下空间利用方略为:尽可能多地利用地下空间,以留出更多的地表空间建设生态绿地,发展地下农业解决本地农产品不足等问题;利用湟水河谷底部深层地下空间建蓄水工程,作城市洪涝应急处置工程或应急水源储备设施等。研究结果可为高寒峡谷型城市地下空间利用提供理论指导。

为探究旧城中心区地下公共空间与轨道交通一体化的耦合协调关系,在分析两系统互动关系的基础上,引用物理学中耦合作用力场和协调作用力场的概念分析城市中心区地下公共空间与轨道交通一体化耦合协调原理;从规模、形态、强度和均衡性4个方面构建耦合评价模型和指标体系,结合新街口中心区两系统一体化的阶段性特征,选取2005年、2010年、2014年和2019年4个时间节点,测算其耦合度分别为0.830 8、0.896 3、0.935 1和0.892 1,耦合度在2019年有所下降,耦合协调度分别为0.482、0.555 6、0.650 4和0.676,呈现逐年增高的趋势。其原因在于,尽管早期在轨道交通建设的带动下,地下公共空间规模和环境品质探索出一套优化提升的长效机制,但现有的城市轨道交通线网规模、形态等指标在短期内提升效果远低于地下公共空间,导致一体化发展水平受限。基于此提出新街口中心区地下公共空间与轨道交通一体化优化对策。

悬索桥的重力式锚碇在混凝土与碎石土接触面的摩擦强度特性,对锚碇体的抗滑稳定性具有决定性影响。为了深入研究碎石土与锚碇混凝土接触面的摩擦强度特性,并确定接触面的摩擦系数,本文进行了混凝土与碎石土接触面的抗剪断试验、抗剪试验和往复剪切试验,分析了3个试验阶段的应力—位移变化规律,利用最小二乘法拟合τ与σ关系曲线获取接触面摩擦系数。结果表明:在抗剪断试验中,接触面呈现出应变软化现象,并在剪断破坏过程中出现压嵌效应,压嵌深度介于2~5 mm之间;在抗剪试验和往复剪切试验中,接触面并未出现显著的应变软化现象,混凝土主要在接触面上水平滑动;在抗剪段、抗剪和往复剪试验的3个阶段中,混凝土与接触面的黏聚力(c)显著下降,摩擦系数f值以1%~2%的速率递减,表明接触面的咬合和嵌固作用正在减弱;建议选取往复剪切试验中的纯摩擦强度参数f值(0.48)为混凝土与碎石土接触面的摩擦系数。

新疆南疆区域沥青混凝土道路路基结构受南疆特殊的盐渍土的水—盐—温耦合环境作用,在干湿循环作用和盐—冻融循环作用下路基结构发生损伤破坏。运用研发的水—盐—温多场耦合试验系统模拟南疆盐渍土环境特有的干湿循环和盐—冻融循环耦合环境作用,对沥青混凝土道路路基结构试样开展盐—冻融循环环境作用下的损伤破坏试验研究。结果表明:在一个盐—冻融循环周期水盐分布沿路基结构高度具有显著的变化特性,路基基底土中的水盐在温度梯度作用下由下向上发生迁移积聚,盐—冻融循环作用使路基结构中的水盐相态变化产生的应力应变是路基结构发生损伤变形的主要原因;可通过控制优化道路路基结构水—盐—温环境因子,阻断水盐在路基结构中的迁移,有效控制盐—冻融循环作用对路基结构的影响。

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。

岩爆灾害对地下矿山安全开采影响较大,准确可靠的岩爆灾害预测对安全生产意义重大。为了准确有效地进行岩爆灾害预测,首先,选取应力系数、脆性系数、弹性能量指数以及岩体完整性系数作为预测指标,建立了岩爆预测指标体系;其次,在层次分析法(AHP)、改进CRITIC法以及距离函数判别法确定综合常权重基础上,利用变权理论对常权重进行动态修正;然后,引入有效度对最大后验概率原则进行改进,构建了变权贝叶斯岩爆烈度等级预测模型。最后,选取15组岩爆工程实例进行模型可靠性验证和准确率对比,并采用该模型对金川二矿1 000 m水平中段进行了岩爆预测。研究表明:变权贝叶斯岩爆预测模型准确率可达93%;金川二矿1 000 m水平中段岩爆烈度等级为无~轻微,岩爆危害较小,预测结果与实际相符,可为岩爆防治提供依据。

岛礁土体地下空间的主要土质为钙质砂。通过对两种不同相对密实度的钙质砂试样进行的常体积和常应力条件下的单剪试验,以及具有相同级配的石英砂的对比试验,对钙质砂的抗剪强度进行了研究。结果表明:在相同的颗粒级配条件下,钙质砂具有高于石英砂的临界内摩擦角及低于石英砂的相变角和最大剪胀角的特性;钙质砂的最大剪胀角、相变角及临界内摩擦角均受颗粒破碎的影响,其中最大剪胀角及临界内摩擦角随着破碎的增加而降低,而相变角随着破碎的增加而增加。最后,将临界内摩擦角和剪胀角视为颗粒破碎的“效果角”,通过引入影响颗粒破碎的相对密实度,提出了基于现有评价方法的钙质砂最大内摩擦角的计算模型。

针对盾构在全断面风化岩层中掘进易发生管片上浮量过大的问题,首先通过倒杯法测试了在不同添加剂(促强干粉(A料)、液体激发剂(B料))掺量下浆液的初凝时间,配制了初凝时间可控且泵送性满足要求的同步双液浆。其次建立管片上浮有限元模型,考虑了环间接头轴向受拉和环向剪切刚度的非线性,应用该模型可以考虑盾构掘进过程中上浮位移逐步累加效应,得到了同步双液浆对稳定围岩地层中盾尾管片上浮的影响规律。最后将开发的同步双液浆应用于广州某盾构综合管廊工程,较好地控制了管片上浮,大幅度减少了拼装管片接缝的渗漏,管片拼装质量整体优良。研究结果表明:(1)采用1%的A料、1.5%的B料在盾尾注浆管与单液砂浆混合均匀后注入盾尾空隙,能有效地减少管片上浮量高达79%;(2)上浮量随着离盾尾距离增加而逐渐增大后趋于稳定,稳定处距离盾尾约10.5 m(7环),最大上浮位移约23 mm;(3)使用该新型同步双液浆后可有效地减少拼装管片的渗漏点数,减少量高达59%,大幅度减少了因渗漏而增加的封堵注浆施工成本,具有较好的经济效益。

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。

大直径盾构隧道已经广泛应用于各类穿江越河交通工程中,面临的管片上浮问题突出。依托济南黄河隧道工程,分别选取黄河中段、接收段进行管片上浮现场监测,结合室内浆液配比试验,对不同试验段内大直径泥水盾构隧道盾尾管片上浮规律、处理措施作用效果进行了对比分析。结果表明:大直径盾构隧道在埋深2.5D、水压0.4 MPa的粉质黏土地层中掘进时,管片自拼装完毕至上浮稳定的过程大致可分为初始变形(上浮占比22%)、快速上浮(上浮占比55%)、平缓上浮(上浮占比28%)、缓慢沉降(沉降占比5%)4个阶段;在埋深为1.6D、水压为0.2 MPa的区间,各阶段管片高程增量占比各相差3%、8%、-14%、3%,且上浮周期延长2倍;管片上浮的最佳控制时机是开始注浆10 h内,本工程采用的综合措施能够有效控制管片上浮,仅在拱顶区域注浆对管片上浮控制效果最为明显。

土体微观结构的定量化分析是土力学中非常重要的内容,目前的分析方法仍存在计算精度低、可视化效果差、分析内容局限等缺点。鉴于此,本文基于数字图像处理技术,提出一种基于SEM图像三维可视化建模和数字化分析方法,通过在Grasshopper平台的二次开发,实现了土体微观结构的数字化定量处理,给出了土颗粒表面粗糙度、表面凹凸度、三维孔隙比、孔隙三维分形维数等微观参数的计算方法。基于上述方法对Q₂黄土微观结构特征进行了定性和定量分析,结果表明:Q₂黄土以凝块和絮凝状结构为主,土颗粒间相对紧凑且牢固;土颗粒表面粗糙度主要分布于0~30之间,凹凸度主要分布在-40~40之间;三维孔隙比在0.60~0.72之间,三维孔隙分形维数在2.52~2.63之间。