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。

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。

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。

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。

随着我国交通网络的发展与施工水平提升,大量高难度隧道的修建推动了隧道工程研究深入发展。压力拱作为围岩承载的主要区域,其范围影响隧道的稳定性,因此有大量针对隧道压力(承载)拱的研究,但却鲜有系统性总结。本文调研了压力拱的研究进展,回顾了发展历史,梳理了研究手段与边界判定方法,其中“切向应力大于原岩应力”的内边界与“切向应力恢复至原岩应力110%”的外边界被广泛认可。压力拱的形成受围岩条件、地应力量级、隧道形状尺寸及施工因素的共同影响。其演变过程分为初始压力拱、分离压力拱、稳定压力拱与塌落压力拱4种状态,施工支护的目标是避免塌落压力拱的出现。围岩压力与压力拱范围的关系表明,岩类隧道支护结构主要提供形变压力以保持围岩稳定,土类隧道支护结构主要受压力拱内土体的松散荷载。未来研究应完善成拱机制,探究非均质岩体中压力拱分布规律及三维动态形态。

在空孔直眼掏槽爆破中,空孔常用作辅助自由面和爆破岩石的补偿空间,其对爆破效果有着重要的影响。本文以某铁路隧道工程为背景,通过理论分析、数值模拟及现场应用三个重要手段对空孔直眼掏槽爆破进行研究,借助ANSYS/LS-DYNA有限元软件分析了多炮孔爆破作用下不同空孔直径及炮孔与空孔间距两个关键技术参数对爆破效果的影响。结果表明:空孔直眼掏槽爆破槽腔最终的成型效果与空孔直径大小、装药孔至空孔的距离有关,当空孔直径为2倍装药炮孔直径且二者间距为2.5倍空孔直径时,掏槽爆破效果最好。基于理论分析及数值模拟结果对现场进行空孔直眼掏槽爆破设计及应用,发现掌子面平整光滑,平均线性超挖均值在15 cm以内,轮廓成型质量较高,验证了数值模拟及爆破方案的合理性。研究成果可为类似隧道断面爆破设计提供参考。

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。

城市更新背景下,存量地下商业街如何满足公众对空间品质的需求成为亟待解决的问题。转角空间作为地下商业街步行系统中的重要节点,是影响空间活力、步行导向、行人生理、心理的关键区域。基于行人友好视角,探究地下不同转角之间距离、构成要素、角度对行人行为影响,并结合空间操作方法提出(单建)地下商业街适应性转角空间优化策略,以期对地下商业街转角空间设计优化实践提供应用价值。结果表明:采用钝角转角、合适的转角间距、增大转角处界面积能够有效提升街道整体活力和店铺吸引力。

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。

“3060”双碳目标是我国关于碳排放有效治理的重大战略目标。城市轨道交通运营客流强度管理重点关注车站大客流形成机理、演变机制、预警概率、风险管理及应急处置。仅依靠工作人员人工巡查及通过对特定区域预设监控图像监测,无法实现主动预判客流预警。基于AFC大数据及智能视频图像识别处理分析原理,提出地铁突发大客流预警双维度耦合触发机制。构建突发大客流耦合触发判定矩阵,分级定义突发大客流预警风险概率,提出客流管控应对指南。以南京地铁突发大客流智能预警信息平台为例,验证了预警机理及耦合触发机制模型准确性及可操作性。

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。

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。

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。

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。

近年来,极端天气频繁发生,加上人类活动加剧,导致西北地区地下水位波动频繁,对固化土产生了较大影响。本文以粉煤灰和钢渣为原料,通过碱性硅酸钠溶液激发形成一种较高强度地聚物凝胶材料固化黄土,通过无侧限抗压强度试验、直剪试验、电子显微镜扫描试验(SEM)和X射线衍射试验(XRD),研究干湿循环后的固化土力学性能以及微观结构的变化。结果表明:干湿循环湿化度是固化土劣化的一个重要因素,随着湿化度增加,固化土的劣化程度增加;同时,添加地聚物可以有效减缓固化土的劣化程度,固化土黏聚力随着循环次数的增加呈线性持续劣化趋势,掺量为20%的聚合物固化土具有较好的抗干湿稳定性;经过15次循环后,素土和固化土的内摩擦角在前7次干湿循环中均有所减小,但在第7次之后变化趋势平缓;通过SEM和XRD分析观察到,在干湿循环的初期,固化土中存在少量未反应的钢渣和粉煤灰,这些物质在继续水化反应后形成了C-S-H和C-A-S-H胶凝物质,填充了土颗粒之间的空隙,减缓了固化过程的劣化程度。

岩爆是地下工程中常见的一种动力地质灾害。为提高岩爆等级的预测效果及预测模型的泛化性,提出了一种具有优良记忆性和强时序性的门控循环单元(Gate Recurrent Unit,GRU)神经网络模型预测岩爆等级。首先,综合岩爆成因特点并基于灰色关联分析筛选出合理的岩爆预测指标,采用已有研究成果的137组岩爆样本数据作为输入和输出数据集。其次,通过模型的超参数调整以确定最佳超参数和最佳预测效果,将GRU模型的岩爆等级预测效果与RF模型、SVM模型、CNN模型、LSTM模型、BP模型、Russenes判据、王元汉判据、关宝树判据、脆性系数判据和弹性能指数判据的岩爆等级预测效果进行比较以验证GRU模型的有效性,并根据不同模型的随机采样分析检验GRU模型的泛化性。最后,采用2个工程实例验证GRU模型的实用性。结果表明:合理的岩爆预测指标为围岩切向应力σ_θ、应力系数σ_θ/σ_c、压拉比σ_c/σ_t和弹性能指数W_et;GRU模型预测岩爆等级的效果明显高于上述其他预测方法;根据不同模型的随机采样分析结果可知,GRU模型预测岩爆等级的泛化性强;2个工程实例的岩爆等级预测结果与实际岩爆情况比较符合,本文所提出的GRU模型具有实用性。

软岩隧洞大变形控制是长距离引调水工程中难以避免的技术难题。滇中引水工程输水总干渠昆明段蔡家村隧洞埋深大,成岩年代久远,断层构造和节理裂隙发育,施工过程中软岩洞段频繁发生造成侵限换拱的大变形,对工程建设安全、进度和成本构成严重威胁。总结分析了隧洞建设过程中出现的大变形情况和原因,并以4^#施工支洞上游主洞段为例,通过数值仿真分析等手段,研究了大变形特征和处理措施的有效性,在此基础上提出了基于强度和强度应力比的大变形分级评价标准和包括开挖台阶、预留变形量、超前支护、一次支护和垫层等在内的综合处理措指南,有效解决了后续软岩洞段的大变形问题。研究成果可为类似地质条件下的隧洞建设提供经验借鉴。

防空洞是重庆城市地下空间的重要组成部分,在抗战时期作为军民生产生活的避难所,提升了城市总体防护能力,为抗战提供了有效保障。如今,抗战时期重庆城区防空洞的再利用存在空间利用不足、设计理念不明等问题。因此,依托适应性再利用相关理论针对抗战时期重庆城区防空洞适应性再利用进行专门研究。首先,通过转化和再利用防空洞原有功能与空间,延续旧功能,使旧功能与新功能相融合,从而拓展新功能。其次,将现存战时防空洞的空间和功能进行地域特征表达、内部空间形态优化、生态景观展现、功能效率升级、安全性能提升的适应性再利用设计,以提高和延长战时防空洞的使用效率和寿命。最后,根据战时防空洞独有的地域特征,提出多元化融合规划、人防功能与防灾救助相结合、军用与民用功能相融合的适应性再利用设计策略,以期在平战结合背景下更好地发挥抗战时期重庆城区防空洞的文化与社会经济效益。

地下空间开发利用的推广对土地产权空间的精细化划定和管理提出了更高要求,在土地供应前划定三维产权空间更是存在诸多挑战。深圳前海合作区通过多个地下空间开发利用项目,在三维产权空间划定与管理等方面积累了宝贵经验。本文对地下空间开发利用过程中,在土地供应前划定三维产权空间及其管理所面临的问题进行深入剖析,并结合前海合作区典型地下空间开发利用案例和土地立体化管理相关政策经验分析,在精细化划定三维产权空间、在相关文件或证照中增加三维信息和图形、三维宗地核定和管理机制、立体化空间权利相关政策完善、项目实施机制等方面提出改进建议,研究成果可为我国地下空间开发利用实践和管理提供参考和借鉴。

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。

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。

高应力状态粗粒土颗粒会发生颗粒破碎现象,颗粒粒径分布发生变化,大大增加了颗粒的压缩性。本文通过对生石膏、钙质砂两种均匀级配砂进行高应力下的一维压缩试验,探究初始粒径及材料性质对于试样屈服应力及压缩系数的影响。采用PFC-3D对粗粒土颗粒一维压缩过程中的颗粒破碎现象进行三维模拟,不仅实现了颗粒破碎可视化,还探究了初始粒径、粒间摩擦系数、破碎情况以及破碎准则对压缩特性的影响。结果表明:随着初始粒径的增大,屈服应力随之减小,而压缩系数随之增大;材料性质及破碎准则均可对压缩特性产生不同程度的影响,粒间摩擦系数及破碎情况则基本无影响;试验和模拟过程中,颗粒粒径均由最初的均匀分布向着分形分布发展,PFC-3D可以较好地对颗粒破碎现象进行模拟。

CT扫描和重构可以提供岩石内部结构的详细视图并对其定量分析,而在此过程中需要对扫描所获得的CT图片中的不同部分进行准确分割。本研究对传统的U-Net、增加残差模块的ResUNet,以及融合了残差模块与迁移学习特性的ResUNet-TL三种深度学习模型进行比较和分析,并借助ImageJ软件中的Weka3D进行图像分割作为对照。通过对比和分析,发现采用预训练的VGG模型以及深度残差网络技术的ResUNet-TL模型在处理复杂的岩石CT图像分割任务上优于其他模型,在准确率和F1得分两种不同的评价指标上都表现出较大的优势。将ResUNet-TL模型应用于二维CT图像中裂隙的识别,随后采用堆叠的方式,将所有被分割的CT图片进行三维重构,获得岩石样本的三维模型并进行定量分析,为岩石科学的研究和应用提供了有效工具。

在超大埋深软岩中修建隧道,由于地应力高、围岩软弱,常常导致隧道产生大变形灾害。采用超前中导洞应力释放技术释放部分地应力,可使围岩中高地应力场转变为低地应力场,降低正洞扩挖时围岩作用于支护结构上的力,从而减小隧道变形,保证支护结构的安全。本文以滇藏铁路丽香段哈巴雪山隧道为依托,分析中导洞不同超前距离工况下隧道的变形量、初期支护结构受力及围岩塑性区大小,提出中导洞合理超前距离,并通过现场监测对其应用效果进行分析。结果表明:中导洞超前距离为2倍中导洞洞径时,隧道变形及围岩塑性区较小,支护结构受力较为合理,且现场实测隧道变形平均可减小44.52%,初期支护结构围岩压力、钢筋应力及喷混应力平均降低32%、35%、31%。

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。

长期沉降是运营期盾构隧道纵向结构安全的重要影响因素之一。为了更精确地预测运营期盾构隧道长期沉降发展情况,本文采用深度学习算法提出了基于经验模态分解-多层长短期记忆人工神经网络(EMD-多层LSTM)的运营期盾构隧道长期沉降预测方法。建立的方法主要通过数据前处理、经验模态分解、预测模型构建和结果重构4个关键步骤实现对运营期盾构隧道长期沉降的预测,并成功应用于上海地铁10号线多个监测点的长期沉降预测分析中。结果表明:(1)相较于传统LSTM和支持向量机(SVM)等基准算法,本研究所提出的模型能够更有效的预测运营期盾构隧道长期沉降的动态发展情况,模型泛化能力显著提升,长期沉降预测结果精度良好,最大绝对预测误差可控制在1.3 mm以内;(2)通过模型适用性能分析表明,本文建立的EMD-多层LSTM预测模型适用性能好,能在不同情况下始终保持模型的预测结果真实可信。本文提出的预测方法为运营期盾构隧道长期沉降预测提供了一种新的解决途径。

帷幕注浆是隧道工程地下水控制的一个重要措施,富水情况下由于卵石地层渗透系数大,易形成动水条件,使得浆液的扩散半径难以确定,这将导致帷幕质量难以控制。基于迂曲度理论,建立了动水条件下牛顿型浆液在卵石地层中柱形扩散的模型,并进一步分析了迂曲度、注浆压力、地下水压力、地层孔隙度、渗透率及浆液黏度对浆液扩散距离的影响。结果表明:动水条件下,浆液的顺水流方向扩散距离显著大于逆水流方向扩散距离,且迂曲度对浆液的扩散距离影响较大;逆水流方向扩散距离受注浆压力、地下水压力、渗透率和浆液黏度的影响较大,顺水流方向扩散距离受地下水压力的影响较小,受其余因素的影响同顺水流扩散距离;受迂曲效应的影响,逆水流和顺水流方向的扩散距离受孔隙度的影响较小。研究成果可为富水卵石地层注浆帷幕设计和施工提供理论支撑。

针对狭小密闭空间内深基坑开挖支护难的问题,研发了高压喷射注浆系统(Metro Jet System, MJS)止水帷幕套打钻孔灌注桩的微扰动支护方案。以海安火车站站房扩建项目三期深基坑工程为例,应用Plaxis 3D有限元分析软件建立三维数值计算模型,对MJS止水帷幕在不同喷浆压力、喷浆范围、桩径大小和施工顺序工况下对临近既有建筑物桩基的变形影响进行了优化分析。结果表明:随着MJS桩喷浆压力系数的增大,既有桩基等深度处水平变形位移呈线性增长;随着MJS桩喷浆范围的减小,施工对临近既有桩基的变形影响沿桩深方向均有所减小;既有桩基变形位移随MJS桩径大小呈非线性变化;考虑多桩不同施工顺序的影响,从中间往两边对称的施工方法对临近既有桩基的累积变形量最小。研究成果可为类似狭小密闭空间内基坑开挖支护提供经验。

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。

地铁货运作为城市的一种新型货运模式,存在货品运输属性限制、公众认可度不确定、货运需求不明晰等问题。针对地铁货运特性总结了其适运货品,调研了托运人的选择偏好,建立了集成潜变量和有序Logit的选择模型,并与传统Logit模型进行了对比。同时,分别评估了地铁货运对高附加值和低附加值货品托运人的吸引力,以托运人选择地铁货运的概率作为地铁货运分担率开展预测研究,进行了边际概率的分析。结果表明:相较于传统模型,本文所建立的选择模型具有更好的拟合度与解释力;两类货主选择转向地铁货运的概率均高于选择不转移的概率;换装次数和运输费用分别对高附加值货主和低附加值货主有显著影响,不换装可使高附加值货主转向地铁货运的概率增加53.01%,费用每减少一个单位可使低附加值货主转向地铁货运的概率增加23.70%。

为达到将废弃矿井的地下空间进行军事利用的目标,本文借助Flac3D软件模拟并研究废弃矿井旧巷道扩建弹药洞库在稳定性上的可行性。根据废弃矿山的巷道分布情况,结合弹药洞库的埋藏深度、安全相邻距离以及具体的断面参数等定量指标,确定了8座弹药洞库的具体布置。随后,在三维建模后模拟了某采区经历包括开拓、回采、充填3个过程在内的开采全过程后的废弃状态下的围岩稳定性,确定了某采区在稳定性上扩建弹药洞库的可行性。最后,通过再一次对弹药洞库的精细化建模后模拟并分析了扩建的8座弹药洞库的稳定性,结果表明:地表仅有小范围的拉应力集中但并未破坏,绝大部分地下巷道都具有很好的稳定性,局部的破坏主要集中在巷道的拱顶和底板;以该断面参数扩建的8座弹药洞库基本上可以保证整体稳定。

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。

在高海拔寒区,隧道病害严重威胁着道路的行车安全。本文利用现场试验获得的大量监测数据,研究了青藏高原某高海拔寒区隧道的气候特征及温度场时空分布规律,建立了水–热–力耦合冻胀模型,同时,采用COMSOL数学模块中的系数型偏微分方程和固体力学模型进行水热力数值模拟,利用监测数据验证了该模型的准确性,在此基础上,研究了该寒区隧道工程的水热力学分布特性,结果表明:外界气温与隧道温度之间具有强相关性,离洞口越近,两者之间响应越强;气温对隧道径向温度场的影响主要体现在衬砌和浅层围岩,对深层围岩温度影响较小且相对滞后;隧道洞口段衬砌和路面冻害严重,在冷季,隧道仰拱处的含冰量和边墙处的混凝土二衬应力达到最大值;此外,气象要素、衬砌与围岩间的相互作用是引起高海拔寒区隧道洞口段冻害破坏的主要原因。研究结果有助于更好地认识高海拔寒区隧道的水热力作用机理,可为寒区隧道工程的设计和养护提供科学依据。

在国家大力推进“高质量发展”的今天,高校各学科对实验室环境的要求也逐渐提高。在北京市总体规划政策“减量发展”的背景下,开发利用校园地下空间成为近年来北京高校发展不可或缺的手段之一,地下实验室的强抗干扰性也展现出重要优势。通过对国内外高校既有地下空间开发为地下实验空间的案例进行文献调研和分析,总结了地下实验建筑设计的若干要点。在此基础上,结合地段现状和周边现有建筑的功能需求,尝试对清华大学校园西区天文台周边地下空间进行初步策划、设计,并且针对地面入口形式和平面功能及流线组织逻辑的差异性进行了多方案对比,研究成果可为清华校园地下实验空间的未来发展提供参考。

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。

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。

为改良花岗岩残积土以满足路堤填筑的需求,综合考虑木质素磺酸钙的特点,设计并开展木质素磺酸钙改良花岗岩残积土试验,综合宏观物理力学试验、室内模型试验以及微细观检测,系统分析了木质素磺酸钙能否满足路堤填筑需求以及改良机制。结果表明:(1)木质素磺酸钙的掺入,有效改良了花岗岩残积土路用性能,木质素磺酸钙掺量在4.00%达到最佳,与改良前相比,液限降低了32.28%、塑限降低了40.06%、最佳含水率降低了18.63%、承载比提升了567.09%,并且改良后均满足填筑规范要求;(2)木质素磺酸钙的掺入,显著提高了花岗岩残积土的力学性能,2.00%~8.00%掺量下固化体的抗压强度提升了61.12%~126.11%,内摩擦角增加了13.08%~37.74%,黏聚力提升了108.50%~379.86%;(3)木质素磺酸钙改良花岗岩残积土的增强机制主要有两个方面,一方面木质素磺酸钙水解后其本身能够发生质子化反应形成木质素聚合物,能够胶结土体,提升力学性能;另一方面木质素磺酸钙水解出的钙离子通过离子交换反应形成了典型的碳酸盐胶结物质CaMg(CO₃)₂,而碳酸盐胶结强度高于黏土矿物。

为探究层理板岩在三轴压缩荷载作用下的力学性能和损伤演化规律,将层理结构面显著的板岩看作由包含微观缺陷的岩块、节理面闭合元件和剪切变形元件串联而成的复合岩体。考虑层理结构面的闭合和剪切滑移变形对层理岩石试样轴向变形的影响,结合统计损伤力学理论建立三轴压缩荷载下层理板岩的损伤本构模型,并开展三轴压缩试验验证模型的准确性。结果表明:建立的损伤本构模型可以准确地描述层理板岩应力–应变曲线的压密段和弹性段;层理倾角在0°到90°变化时层理板岩的强度和变形能力整体呈现U形分布,60°时呈现最小值;随着倾角的增加其破坏类型由张剪复合破坏向剪切滑移破坏发展,90°时为劈裂张拉破坏;损伤演化曲线整体呈现S形分布规律。

为提高岩溶塌陷风险预测精度,以重庆市中梁山地区457处历史塌陷点为基础数据,结合模糊层次分析法与信息量法划定岩溶塌陷易发性分区,并基于考虑塌陷点密度选定的均布非塌陷点建立受试者曲线(ROC),验证了该分区的准确性。利用近期57处降雨型岩溶塌陷点历史数据建立前期有效降雨量–降雨历时(P_EE-D)阈值方程,结合易发性分区构建启发式矩阵风险预测模型。通过塌陷概率同有效降雨强度和降雨历时的非线性拟合,得到降雨引发岩溶塌陷的连续概率值,进而与易发性分区耦合构建连续概率性预测模型。利用2021—2022年4次近发降雨致塌事件对以上两种岩溶塌陷预测模型进行了验证。结果表明:(1)选定不同倍数于塌陷点数的非塌陷点所得各ROC曲线下面积(AUC值)均达0.95以上,表明所划分易发性分区的准确性较高;(2)建立了中梁山地区降雨型岩溶塌陷连续概率的逻辑回归模型,该模型与临界降雨阈值模型所得离散概率结果拟合优度达0.913 5;(3)两种预测模型对4次近发塌陷事件出了基本相同的风险级别预测,但启发式矩阵风险预测模型所划分的极高风险区面积显著大于连续性概率预测模型,其预测结果偏保守。启发式矩阵风险预测模型易于实施,连续概率型风险预测模型具有更高的精度和空间辨识度。

为研究大断面砂质黄土隧道的合理台阶开挖工法,以中兰铁路最长的黄土隧道为研究对象,在室内土工试验获取围岩参数的基础上,采用数值模拟方法对比分析了三台阶法、三台阶七步法和三台阶临时仰拱法与超前管棚组合下的围岩变形控制效果,并考虑施工进度和造价因素,优选出合理工法。开展现场测试工作,评价了优选工法的有效性,结果表明:(1)对于拱顶沉降和水平收敛,三台阶临时仰拱法和三台阶七步法控制效果相当,三台阶法最差;(2)对于掌子面挤出位移,三台阶临时仰拱法控制效果最优,三台阶七步法控制效果最差;(3)对于三台阶临时仰拱法,围岩压力沿洞周分布较小,小于规范中松动压力计算值,围岩处于弹塑性状态,钢拱架弯矩较小,轴力较大,呈现小偏心受压特征,且安全系数均小于规范容许值。综合数值模拟和现场测试结果,三台阶临时仰拱+超前管棚组合工法兼顾了施工速度和围岩变形控制需求,可作为大断面砂质黄土隧道的优选工法。