城市深层地下空间地质环境韧性评估模型与应用

[研究目的]评估城市深层地下空间地质环境韧性有助于提高城市地下空间开发利用的安全性,减少灾害事件造成的经济损失。[研究方法]本文从城市深层地下空间的灾害事件严重度、地质体脆弱性、抵御力、恢复力和适应力等方面出发,建立了城市深层地下空间地质环境韧性多因素综合评估模型,并结合某城市一起突发事件的相关数据对评估模型进行了应用。[研究结果]评估模型具有较高操作性和可行性,可在各种复杂地质环境的城市中开展深层地下空间韧性评估工作;所评价灾害事件的严重度为5.601,属严重水平;地质体的暴露性为5.735,灾损敏感性为6.146,脆弱性综合评价结果为35.247,属脆弱地质体;预警能力指数为1.00,防灾能力指数由原来的5.66提高至灾后的7.00,故抵御力综合评价结果由15.38提高至19.02;通过填砂、地下注浆等措施后,恢复力为2.00,且由于地质环境趋于稳定,地质环境适应力综合分析为1.00。[结论]若受灾害影响,地质环境韧性水平的演化可分为正常、受灾、抵御、恢复、适应和新的正常水平6个阶段,韧性水平曲线呈现出先减小再增大后趋于稳定,且在受灾和抵御的节点处达到最小值。

深部地下空间储能安全与应急保障技术现状与发展趋势

伴随“三深引领”的科技攻关目标,我国油气资源勘探正由浅表地层向深部地层进发,千米级深部地下工程建设已成常态。随着深地工程的探索,枯竭油气藏、盐穴、采空区等可利用的深部地下空间涌现,深部地下空间在大规模能源储存利用上已被证明具有储量大、分布广、安全性高、经济成本低和环境友好等优势,深部地下空间工业化储能应用是优化我国能源储存结构、保障国家能源储存战略需求的有力手段。然而,我国对深部地下空间储能安全与应急保障技术研究起步较晚,目前常用的地面油气储存手段受限于地理环境、工程建设以及运输方式等条件,同时地面油气储备库事故存在致因因素复杂、关联性强、受灾波及范围广等安全难题,深部地下空间能源安全储存迫在眉睫。当下我国对深部地下空间储能的利用聚焦于枯竭油气藏的再开发,现有的深地安全保障技术落后于深地储能基础设施安全保障的现实需求。因此,本文系统性总结了深地储气、储氢、碳封存以及压缩空气蓄能等深地储能技术研究现状,以能源行业绿色转型兼备战略能源安全储存为目标,强调能源储存、碳封存以及资源深度开采的三位一体,提出了深地空间储能利用双碳循环架构。同时系统性辨识了深地储能设备设施面临的风险,涵盖深地储能设计期、施工期、运行期和废弃期的全生命周期,揭示我国深地储能安全与应急保障技术发展需求、发展难点,构建了深地储能全生命周期安全与应急保障技术框架,提出我国2024—2050年期间深部地下空间储能安全与应急保障技术发展建议,为完善我国深部地下空间储能安全与应急保障技术体系提供参考。

基于应用场景的城市深部地下空间规划模式研究

地下空间开发利用是解决当前我国土地资源紧张、人口稠密、交通堵塞等诸多城市问题的一种重要途径,但当前浅层地下空间开发利用方式难以直接指导我国复杂的深地开发场景,探寻深地空间开发组织模式是我国新时期城市化发展的必然需求。通过梳理国内外深部地下空间应用场景,通过分析深地矿井、深地交通、深地储存、深地实验室等各类场景下相应空间特征以及使用需求等,总结提出了点状、线状、面状和立体网络式4种典型的深部地下空间网络组织模式,并分析4种典型发展模式的适用特征与可能的应用场景,以期为我国深地空间开发建设和场景设计提供参考借鉴。

地下空间开发对其三面围合历保建筑影响实测分析

分析上海软土地区历史文化风貌区内某地下空间开发的深基坑施工对周边三面合围历史保护建筑的影响。深基坑分为三个区先后顺作实施,并采用锚杆静压桩对历史保护建筑进行沉降控制复合桩基加固,以控制新增地下空间施工对建筑物的影响。监测结果分析表明,基坑开挖前的历史保护建筑基础加固、基坑围护体施工、坑内被动区土体加固、工程桩施工等工程活动引起周边历史保护建筑沉降约占其总沉降的一半左右;历史保护建筑沉降内侧大而外侧小,中部大而角部小,各测点的沉降同其与基坑的距离大致线性相关;基坑开挖引起地下连续墙变形的空间效应会对紧邻的建筑变形产生显著影响,地下连续墙侧移大的区域引起建筑物的附加沉降也越大;基坑开挖引起了建筑物一定程度的倾斜回复,其最大差异沉降为1/468,最大倾斜变化量仅0.32‰,原有裂缝未进一步发展,说明沉降控制复合桩基加固保障了建筑物安全。

城市深层地下空间开发层次划分及设施类型探讨

城镇化进程的加快导致我国城市空间资源日益稀缺,开发利用城市地下空间已成为解决这一问题最有效的途径之一。但我国部分城市中心区浅层地下空间利用已经趋于饱和,地下设施的继续扩展受到阻碍,未来城市朝着更深层地下空间发展是必然趋势。解释了城市深层地下空间的概念,分析了城市中心区深层地下空间的特性和主要功能,通过综合国内外深层地下工程案例和研究,提出城市深层地下设施的类型,为城市深层地下空间规划的制定提供参考。

BIM技术在地下空间深基坑工程中的应用研究

在城市化进程加快的背景下,地下空间利用逐渐成为施工工程的主要项目类型,例如深基坑项目等,此类项目难度较大,若未科学开展,容易引发坍塌,造成严重的工程事故。文章将重点围绕BIM技术在地下空间深基坑工程中的应用加以研究,先研究BIM技术相关内容,明确基坑工程概述,分析深基坑特点,之后对地下空间深基坑建设中BIM技术的运用路径予以阐释,包括运用目标、应用现状、技术运用意义等。在明确技术优势的基础上,对不同环节BIM技术管理开展研究,为推动我国建筑行业发展提供借鉴。

井筒式超深基坑混凝土内支撑拆除施工技术

随着地下空间的广泛应用,基坑向着“大”和“深”的方向发展,深基坑钢筋混凝土内支撑支护设计得到了广泛应用,且多处于城市中心的老城区及闹市区,周围建筑密集,施工现场综合环境复杂。以濮阳市老城区中医院内井筒式地下立体停车库超深基坑混凝土内支撑拆除为例,介绍了井筒式超深基坑混凝土内支撑采用盘扣式架结合绳锯切割拆除的施工技术。实践证明,通过采用该技术,在确保深基坑安全的同时,满足了工期要求,该技术成熟可行,取得了良好的效果。

软土地区深基坑工程绿色支护技术的应用

我国碳达峰战略目标的确定,对基坑工程提出了更高的要求。文章以上海理工大学军工路516号校区某建设项目为背景,基于校园环境敏感、文明施工要求极高的特点,创新性地采用以预制、装配、可回收支护结构为主的绿色支护技术,包括型钢水泥土搅拌墙、预应力组合式型钢支撑、混合配筋预应力混凝土管桩等绿色工艺,减少了泥浆和废弃物排放,并采用矿渣、钢渣等工业废渣制成的高性能复合型土体硬化剂代替水泥进行土体加固。该项目的顺利实施对地下工程传统行业绿色转型,实现地下空间开发碳中和、碳达峰目标等有一定的借鉴意义。

“三深”复杂环境下岩石钻进与机械化开挖技术发展与展望

地下资源的大规模开采使得浅部资源逐渐减少,促使深地、深海、深空(“三深”)成为资源开采的新领地。本文阐述了“三深”复杂环境下岩石钻进和机械化开挖发展现状,并从高地应力、高地温、高渗透压、高水压、微重力、高真空等不同复杂环境参数分析岩石钻进及开挖过程的相关特征,分别提出几个具有代表性的挑战技术。针对深地、深海、深空的岩石钻进和开挖技术瓶颈以及面临的挑战,总结部分解决方案的同时对钻进和开挖技术领域的未来发展方向进行展望。研究结果表明:深空钻进和开挖技术还处于初步发展阶段,开挖技术目前还达不到深空资源开采的技术需求,但近年来以钻进为主的钻探作业得到了稳步发展,对于深空机械化开挖也提出了合理构思;钻进和开挖技术是“三深”资源开采技术的重要组成部分,为实现“三深”复杂环境下矿产资源的安全、高效、经济、绿色开发,岩石钻进和机械化开挖技术亟需向数字化、自动化、无人化、智能化方向发展。

城市地下空间-50℃深冷冻结技术应用可行性研究

冻结法是我国富水地层城市地下空间建设中常用的一种地层加固方法。针对现阶段介于盐水冻结与液氮冻结之间的-40~-60℃温度区间冻结技术研究较少的问题,论述了目前冻结法应用存在的问题和必要性,提出深冷冻结技术在冻结工程中应用的可行性,对制冷机组设计与选择、载冷剂设计提出了建议与方案,并采用数值模拟方法对深冷冻结温度场扩展规律进行了计算。工程数据表明:采用深冷冻结方案,可以缩短工期20~30 d,在工期紧张的地铁建设领域、市政抢险领域具有较大的应用价值。

地下空间工程格构柱桩施工技术研究

以南京江北新区地下空间工程为例,介绍格构柱桩施工技术。格构桩柱深度为53.7~84m,共计109根。上部采用540×540mm2的格构柱作为临时中立柱,长度为25.4~30.9m,下部分为增打立柱桩和利用主体结构工程桩作立柱桩两种类型。工程特点为格构柱数量多、长度长、垂直度要求高。本文重点介绍了格构柱桩的施工技术,根据不同类型立柱桩采用不同的工艺,合理划分和制作格构柱,设置钢筋笼,选择合适的成孔工艺和注浆工艺。该施工技术在国内工程实例较少,具有一定的借鉴意义。

面向未来守护城市安全的地质工作方略——中国科学院院士何满潮教授接受本刊专访

2023年8月7日下午,中国科学院院士、中国岩石力学与工程学会理事长何满潮教授,接受了上海市地质调查研究院副院长、《上海国土资源》期刊主编詹龙喜教授级高工的专访。何院士针对城市安全地质工作策略与路径,从地面沉降灾害防治、地下空间开发、地质大数据及科学开放共享几个方面,对面向未来、支撑城市安全的地质工作如何深化发展,发表了高屋建瓴的深刻见解。何院士指出:对于类似上海的超大城市,围绕城市安全战略预测预警是城市地质工作的生命力,工程荷载、第四系和基底基岩三大层体相互作用的基础性研究对城市安全预测预警至关重要,深部地质是未来地面沉降和地下空间研究的重点方向;加强地质调查研究,建立海量数据底座,构建地面沉降开放科学生态,实现数据共享、知识共享和合作机制,是实现学科水平量变到质变的重要路径。何院士同时寄希望于青年地学科技工作者,要在工程实践中去做真正的学问。

地铁工程深基坑的变形监测研究

文中针对浙江省某地铁线路开展地铁深基坑不同位置的变形监测。结果表明,不同位置及不同监测时间下的基坑沉降量、围护墙水平位移、立柱桩竖向位移以及周边建筑沉降量存在一定的波动,但波动范围较小,累计的最大基坑沉降量仅达到5.7 mm,累计的最大地下连续墙水平位移为15 mm,累计的最大立柱桩竖向方向位移为14.2 mm,累计的最大周边建筑沉降量为11.3 mm。各个位置的累计值及监测变异系数均满足规范要求,证明本项目深基坑工程安全可靠。

双轮铣深层搅拌工法在复杂城市地下空间开发的应用研究

以福州某深基坑工程为背景,为解决地下残留障碍物的不利影响,采用双轮铣深层搅拌墙替代三轴搅拌桩作为止水帷幕,结合监测及检测数据对双轮铣深层搅拌墙止水帷幕的效果进行验证。结果表明:在采取合理清障工序后,采用CSM双轮铣深层搅拌工法止水帷幕可有效解决地下残留障碍物的难题,可确保止水帷幕均匀的成墙质量,但在双轮铣深层搅拌工艺施工过程中,当周边环境较为严苛时,应采取有效保护措施,避免清障施工对周边环境产生不利影响。

深地科学领域的若干颠覆性技术构想和研究方向

习近平主席指出"向地球深部进军是我们必须解决的战略科技问题",开发深地资源已经成为未来中国科技发展的重要方向。目前人类对于地球深部的认知相当匮乏。因此,超前布局、抢占深地研究高地、积极推动深地基础前沿大科学问题探索已迫在眉睫。本文从深地能源和人类生存的角度出发,深度剖析了深地资源开发和深地空间利用的必然趋势,提出向地球深部进军研究的3个层次内容,即深地地质结构探测、深地行为规律研究及深地环境利用与资源开发。同时,围绕关系国家全局的地下空间资源开发、能源储备、核废料处置等国家长远战略,提出深地科学研究领域的3个颠覆性技术构想,即深地矿产资源的流态化开采、深地空间与地下城市、深地实验室与深地空间舱。最后,针对深地岩石力学、深地渗流力学、深地地震学与地球物理学、深地微生物能量溯源等国际最前沿的深地基础科学问题,明确了深地科学研究的若干重要研究方向,即原位保真取芯技术,深地非常规岩石力学行为,深地结构与开采的透明推演理论,深地地震学与地球物理学,深地微生物学,深部资源开采与能源储存,深地地下水赋存、运移及水质变化,地下空间生态、能量循环系统等。基于若干颠覆性技术构想的攻关和若干重要研究方向的探索,构建中国独有、世界领先的深地基础性科学前沿研究阵地。

CO_(2)地质封存深部地下空间利用管理法规探讨

深部咸水层CO_(2)地质封存是实现温室气体减排、应对气候变化的重要支撑技术之一。CO_(2)在地下的长期有效封存,需要直接占用深部地质体及其孔隙空间。这些深部地下空间也是未来社会发展的一种重要国土资源,需要制定相关的审批与监管法规来规范其科学开发利用。总结发达国家或地区管理现状与经验,参考已有参考矿产、油气资源勘查开发等经验,提出适用于我国的CO_(2)地质封存地下空间勘查利用审批与管理流程,以及地下空间利用与CO_(2)确权、场地选址勘查备案、勘查试注审批、地下空间利用权审批、封场审批与责任转移5个重要内容;同时,进一步建立了综合CO_(2)羽流、扰动边界和经济性“三级边界”的地下空间利用评估概念模型,以及各类边界的确定方法,能够为我国CO_(2)地质封存地下空间开发利用的政策制定与开发利用提供参考。

新加坡NTU深层地下空间规划探讨

随着城市地下空间利用意识的加强和浅层地下空间的全面开发,必然带来对深层地下空间开发的迫切需求。而在地下空间的开发过程中,需要不同层次之间的系统化开发,才能为城市整体空间的可持续发展创造条件。通过介绍新加坡南洋理工大学(NTU)深层地下空间利用的具体规划实例,来探讨深层地下空间规划过程中需要关注的地质、环境、功能、节点、疏散等几方面的问题,在浅层地下空间开发体系基础上建立深层地下空间利用体系,并讨论相关规划的可行性、发展性、安全性,使浅层、中层、深层地下空间开发同步规划,为我国合理规划深层地下空间提供一定的借鉴。

浅析城市深层地下空间设计与施工关键技术

深层地下空间具有埋置深度大、水土压力大、开发难度大等特点,但也具有容易实现工程合理规划,有利于城市线状空间直线化和更好的隔音、恒温、恒湿等特点。深层地下空间是涉及人、结构物、环境的相互作用,设计与施工过程中必须协同考虑,做到人与自然环境全面协调可持续发展,同时,深层地下空间的开发利用具有一定的不可逆性,作为一种三维空间实体,深层地下空间的开发建设必须建立在理论储备与技术完善的基础上。城市深层地下空间的开发利用也面临着一系列的问题,分析设计与施工方面的几个关键技术问题有利于以后更好的研究和开发城市深层地下空间。

日本大深度地下空间利用状况及对我国的启示

在城市的发展过程中,地下空间的利用对于创造更具吸引力的城市环境具有重要作用。由于大城市中浅层地下空间利用的日趋饱和,对于大深度地下空间的合理利用变得十分紧迫。通过介绍日本大深度地下空间利用的规划理论、基础设施形式、施工方法等几方面的现状,为我国合理利用大深度地下空间提供一定的参考。

地下工程微观NPR锚杆钢静力拉伸及锚固抗剪力学特性

资源开采和地下空间建设逐渐向深部发展,给深部围岩支护体系带来了新的挑战,研发具有高强高韧、超强吸能、可施加高预紧力的围岩支护材料势在必行。基于此,自主研发了一种高强度、高延性,具有微观负泊松比效应的锚杆钢新材料,又称微观NPR(Negative Poisson’s Ratio)材料,这种材料可以被用于加工成锚杆、钢筋、锚索、钢带等多种类型的工程应用材料。重点针对微观NPR锚杆钢的锚固剪切力学特性进行实验研究,介绍了PR(Poisson’s Ratio)材料、宏观NPR结构和微观NPR材料的基本概念及研发历史;开展微观NPR锚杆钢和普通PR锚杆钢的静力拉伸及锚固剪切实验;对比分析微观NPR锚杆钢的破坏形态、拉伸力学性能以及锚固抗剪力学特性。实验结果表明,在静力拉伸条件下,相较于普通锚杆钢,微观NPR钢拉伸曲线无屈服平台,具有恒阻大变形的准理想弹塑性特征,大大提高了锚杆材料的强度和变形性能,且其拉伸过程中均匀变形,破断后基本无颈缩;在锚固剪切实验条件下,加锚节理岩体在剪切荷载作用下具有显著的延性破坏特征,有效改善了无锚固节理岩体脆性破坏现象,微观NPR锚杆钢所能提供的抗剪强度远高于普通锚杆钢,并且其承受横向剪切变形能力是普通锚杆钢的2.5倍以上。实验证明微观NPR锚杆钢能够很好的平衡金属材料高强度和高延性的矛盾,极大提升了锚杆钢抗拉、抗剪能力,从材料本质上实现了锚杆的大变形超强吸能特性。