基于断裂错动引起地铁隧道的变形响应研究

以西安地铁隧道穿越骊山山前断裂为研究原型,分析了该断裂的活动特征,并基于近场区地震危险性分析结果,对断裂黏滑活动可能产生的地表最大垂直位错量进行了预测;运用数值模拟方法,研究了断裂错动造成地层与隧道的变形响应特征,并对分段隧道结构受损的临界位错量值进行了分析验证;计算了断裂活动的影响范围,确定了地铁隧道穿越断裂带的主要设防区域。研究结果表明,随着断裂位错量的增大,上盘地层的沉降响应表现较明显,上下盘地层的差异沉降区域集中在断裂带附近,并呈"倒三角"形状逐渐向两侧扩展;当断裂位错量大于20cm时,上下盘远离断裂带的地铁隧道差异沉降尤为严重;当上盘沉降量达到50cm时,相邻分段隧道产生拉张、位错破坏;基于隧道拱顶处地层的竖向位移变化特征,得到地铁隧道穿越该断裂带的最小纵向设防长度为上盘40m、下盘15m,经对比验证,数值模拟计算结果与现场勘察结论一致;最后提出了相应的设防建议措施。     

论新时代我国城市地下空间高质量开发和可持续利用

开发利用城市地下空间,开辟城镇化发展新资源,是解决城市病、改善城市生态环境、优化城市空间结构、提高城市韧性的重要途径。本文深入分析了新时代中国城市地下空间开发利用的现状,认为存在冒进式开发与总体供给不足、碎片化利用与协同规划缺位、被动式应对与科技支撑薄弱、无序化管理与法律法规匮乏等若干紧迫问题,明确了"立法为本、规划引领、调查先行、管理智能、科研支撑"的开发利用原则,提出了全面开展城市地下空间调查评价、尽快建立地下空间协同规划体系、加速构建地下空间智慧管理体系、超前布局地下空间科技发展战略、尽早健全城市地下空间法律法规等五个方面的具体对策建议,充分利用中国体制上的优势,集成国际城市地下空间开发利用先进的理念和技术,从而推动我国新时代城市地下空间产业快速发展、科技水平不断提高和地下空间体系日趋完善,在全球树立城市地下空间资源可持续开发利用的典范。     

特约主编致读者（附：龚剑明“城市地下空间的开发利用”项目由来）

地下空间泛指地表面以下的空间,它是地表土地资源向地下的延伸,是国家的战略资源,具体包括：以空间为载体的地下空间工程;以资源为载体的地下水、岩土体等;以能源为载体的地下矿产、地热能等;以生态系统为载体的地下再生系统;其他可供人类开发利用的地表以下的物质和空间。从城市建设的角度定义,地下空间多指以空间为载体的地下空间工程,即传统意义上的狭义地下空间。 随着城市的发展演变,地下空间在不同时期发挥不同的作用和功能,以适应城市和人对地下空间的需求变化。基于国内外城市地下空间的调研,通过功能、形态和效益等方面的分析,可将城市地下空间的发展历程划分为三个阶段,即地下空间1.0阶段、地下空间2.0阶段、地下空间3.0阶段。 在1.0阶段,地下空间建设是以市政功能需求为导向,以市政管线和单体式独立地下空间为主,解决城市快速发展引起的基础设施服务能力不足的问题。在形态布局上,主要依附于城市道路和建（构）筑物,不同空间之间缺乏连通性,呈点式的平面分布,且以浅层地下空间为主。1.0阶段的地下空间又称之为“功能地下空间”。 在2.0阶段,地下空间以地下交通建设为主体,并带动沿线城市地下空间的综合发展,出现了地下综合体、地下城、地下市政和完善的基础防灾设施。在形态布局上,形成了以地铁为骨架,以地下车站、地下综合体、地下枢纽为节点,以地下街等为延伸的网络化布局。竖向开发深度延伸至20~30 m左右,形成了典型的地下交通层空间。在该阶段,地下空间基本实现了有序化开发利用,并优化了城市结构。2.0阶段的地下空间又称之为“交通地下空间”。 在3.0阶段,地下空间以优化地表环境质量为主体,将不适宜的城市功能地下化,并实现单点空间的集约化、规模化利用。在形态布局上,打破了传统平面布局、竖向布局隔离的模式,向立体化、一体化发展,形成了地下空间的立体网络布局。在该阶段,地下空间的开发利用突出了提供城市韧性、改善城市宜居度的目标。3.0阶段的地下空间又称之为“环境地下空间”。 城市地下空间的建设阶段与城市的GDP成正相关关系。我国城市分布和发展的极度不平衡,造成大部分县级城市的地下空间开发利用尚处于地下空间1.0阶段,部分中等和大城市迈入了地下空间2.0建设阶段,少部分大城市、特大城市正在进行或逐步迈入地下空间3.0的建设阶段。新时期,人们对城市功能、生态化和宜居度的要求越来越高,加之信息化技术、人工智能、新型智能材料等的快速发展,地下空间发展可能出现新的特征、新的趋势和新的形态。 充分考虑人类对城市空间的需求,紧密贴合科技的最新突破进展,并考虑城市发展和演变的规律,可以初步判定新时期的城市地下空间开发利用会出现以下趋势：地下空间由单一空间属性向空间、能源、资源和生态“四位一体”的属性转变,其开发利用也从较单一的地下工程建设变为多种属性综合考虑的开发利用,如地下空间、地下空间余热、地热能和间歇性能源储存为一体的地下空间体系;地下空间开发利用逐渐向生态化发展,由过去的“能用”转变为“好用”;地下空间建设将愈加考虑人类生理、心理层面的影响,向人文化转变,形成“以人为本”的开发原则;地下空间向深度信息化、数字化和智慧化发展;地下空间与地上空间的分割日益淡化,城市空间向立体网络化发展。 基于以上城市地下空间的发展趋势,并充分结合21世纪信息化革命的浪潮,可以归纳总结出城市地下空间下一发展阶段（即城市地下空间4.0）的内涵和要求。城市地下空间4.0是以立体化综合利用、人与自然和谐发展为目标的智慧型地下空间,其内涵包括智能、韧性和绿色三个方面,其中智能是手段,韧性和绿色是目标。“智能”首先是指采用智能规划和智能建造提升地下空间立体化综合开发利用的能力,其次是指采用数字信息技术和人工智能技术提升地下空间的智能运行维护能力;“韧性”是指灾害发生时地下空间具备抵御吸收、响应适应和快速恢复的能力;“绿色”是指通过地下空间开发利用实现工程建设与生态环境的和谐、经济效益和环境效益的和谐、行业发展与社会人文的和谐。4.0阶段的地下空间又称之为“智慧地下空间”。 为进一步界定城市地下空间4.0,可以采用三级指标对其内涵进行剖析。其中,一级指标为智能、韧性和绿色。每个一级指标又包括三个二级指标。其中,智能包括智能规划、智能建造和智能运行;韧性包括抵御吸收、响应适应和快速恢复;绿色包括工程技术、经济管理和社会人文。每个二级指标又可分为多个三级指标,比如：智能规划包括形态、功能和布局,模拟和推演;智能建造包括智能设计、智能施工;智能运行包括感知技术、泛在物联、建模认知、服务决策、集成融合等。 20世纪60年代,我国城市地下空间的开发利用以人防工程建设开启了序幕。80年代后期,市场经济促使地下空间向平战结合的方向发展。进入21世纪,我国工业化、城镇化快速发展,城市地下空间开发利用的数量和质量都得到了快速提升。“十二五”时期,我国城市地下空间年均增速达到20%以上,约60%的现状地下空间为“十二五”时期建设完成。新时期,随着“深地”战略的实施和美好城市的建设,城市地下空间势必会快迈入4.0阶段。 然而,对比发达国家的城市地下空间开发建设,我国在城市地下空间开发利用方面还存在一些问题和不足：在管理方面,缺少管理依据,缺失综合管理机构,管理机制和管理制度仍不健全,亟须建立我国特色的地下空间管理体系;在技术方面,复杂地质、敏感环境下的扰动施工控制技术仍需进一步提高,缺少新型的装备和技术,深层地下空间的开发利用尚处于起步阶段,亟须建立基于开发与保护的全深度、全资源开发利用体系;在运维方面,缺少地下基础设施维护与更新的成套技术体系,缺乏对运维信息的管理和应用,灾害下的地下空间逃生救援体制不完善,亟须建立数字化、智慧化的安全运维体系;在人才方面,尚未建立完善的地下空间学科体系,缺乏跨学科、复合型人才,亟须建立健全的地下空间人才培育体系。 为了更好地促使我国城市地下空间的健康可持续发展,必须认清上述的问题和不足,充分理解地下空间4.0的内涵,并判识亟须解决的重大科学与技术问题,以制定相应对策,逐一攻克解决。经过调研、分析和推测,笔者认为新时期我国城市地下空间开发利用需要重点攻关以下内容：基于国土、规划、社科多学科的地下空间全要素、全资源规划及管理;考虑多尺度、多场、多因素的地下空间全灾害、全深度分析及设计;体现人文的地下空间与信息化融合理论及全寿命、全区域智慧运维。 “合理开发利用城市地下空间,是优化城市空间结构和管理格局,缓解城市土地资源紧张的必要措施,对于推动城市由外延扩张式向内涵提升式转变,改善城市环境,建设宜居城市,提高城市综合承载能力具有重要意义”。新时期,随着人们对美好生活的追求,地下空间建设将从狭义地下工程拓展为空间、能源、资源和生态“四位一体”的工程,逐渐进入4.0阶段,成为建设“山水城市”、生态文明城市的必经之路。 本专辑是中国科学院“城市地下空间的开发利用”咨询评议项目核心成果的集合,共收录17篇文章,涉及我国地下空间开发现状、问题与对策以及专题研究三个方面。本专辑的出版旨在促进城市地下空间的健康、生态、合理开发利用,进而促成新时期我国城市地下空间发展的解决方案。专辑的出版有赖于王成善院士、周成虎院士的大力支持和《地学前缘》编辑部工作人员的辛勤付出,在此表示衷心的谢意。     

论地壳运动的宇宙起因

本文笔者认为,宇宙事件是地壳运动的主要动力之一。与地壳运动有关的宇宙事件共有12种,其中6种为正常事件,它们改变地球自转速率,并进而引起跃变地壳运动;另6种为灾变事件,它们直接启动岩石圈的板块运动,并导致突变地壳运动。地质历史上,可相应地划分出12个宇宙事件构造旋回,它们各自对应着不同型式和规模的宇宙事件和地质事件。质量较大的小天体对北冰洋、太平洋、大西洋和印度洋的4次冲击,塑造了全球地幔对流和海陆分布的基本格局。     

黄河大柳树坝址岩体松动机制动力数值模拟研究

黄河黑山峡大柳树坝址区存在大面积、大范围的岩体松动现象,主要特征是岩体应力释放,结构面张开,密度显著下降。为进一步研究岩体松动的成因机制,在详细地调查区域地质背景条件及区域地震动力作用基础上,提出了地震动力作用与岩体松动现象的内在联系,通过三维有限元数值模拟计算,进一步证明了大柳树坝址区存在的大范围岩体松动与历史上该地区发生的强烈地震具有密切关系。因此,在目前的工程地质条件下,一旦发生同样规模的地震活动,坝址区所遭受的破坏程度会更大。     

区域稳定性的神经网络分区评价

以黄河黑山峡河段区域稳定性研究为例 ,本文系统地提出了区域稳定性的神经网络分区评价的程序与方法。结果表明 ,这一评价方法比其他方法更简洁 ,也更准确     

地铁隧道受平行向地裂缝错动影响数值分析

西安地铁3号线局部地段通过f7地裂缝上盘,并且和f7地裂缝近似平行。基于f7地裂缝长期水准监测预测的未来最大活动量值,采用数值方法,研究了西安典型的黄土、古土壤和粉质黏土地层下地铁隧道受平行向地裂缝活动的影响。通过逐渐变化地铁隧道衬砌外皮同地裂缝间的距离,计算了6种工况下地铁隧道衬砌的变形和内力。计算结果表明:当地铁隧道衬砌外皮距离地裂缝30m时,隧道衬砌是安全,并有一定的安全储备。     

石窟寺典型工程地质变形破坏模式及分类体系

石窟寺是宝贵的石质文物,但在复杂的赋存环境、长期的侵蚀风化以及人类活动的影响下产生了多种变形破坏问题.详细的破坏分类体系是石窟寺病害表征、解释、分级和预测的基础,而目前尚未有针对石窟变形破坏的综合分类方法.分析了川渝、陇东地区代表性石窟的工程地质条件和变形破坏特性,将石窟的变形破坏类型分为工程地质成因型和工程地质力学型,建立了2大类、6亚类、24种破坏现象的综合分类体系.采用工程地质类比法对比了石窟变形破坏及诱发机制的南北差异.陇东石窟因卸荷产生的变形破坏更多,而微环境扰动带来的变形破坏在川渝石窟更突出.在微环境扰动下,川渝石窟的破坏响应以鳞片状剥落破坏为主,而陇东石窟以渔网状剥蚀破坏为主.      

渭河盆地安仁镇地裂缝基本特征与成因分析

2016年野外地质调查发现渭河盆地东北侧安仁镇发育48条地裂缝,造成沿线房屋墙体开裂、道路错断和农田变形龟裂等,并严重威胁大西高铁安全运营。通过详细的地质调查和地质测绘发现其均位于地貌分界线两侧并发育在双泉-临猗断裂上盘,地裂缝走向为NE60°~80°,按发育位置可将其划分为5组地裂缝。选取典型地裂缝为研究对象,利用槽探和工程地质钻探揭示了地裂缝的剖面结构特征,发现地裂缝导致浅部土体破裂严重,地裂缝错断两侧地层且位错量随深度增加而增加,表现出同沉积断层的性质。在此基础上,对比西安地裂缝并详细分析了安仁镇地裂缝的成因机理,发现构造断裂、地震活动和表水潜蚀是地裂缝形成的主要因素。安仁镇地裂缝成因机理可概化为:构造控缝、地震启缝和表水扩缝。     

宜居黄河科学构想

黄河问题表象于河,形成于域,根植于地。针对于黄河流域高质量发展面临的地球科学问题特点及挑战,本文提出了“宜居黄河”科学构想,旨在构建一个包括“安全黄河”、“绿色黄河”、“生态黄河”、“和谐黄河”和“智慧黄河”5大核心内容的体系完善的宜居黄河研究科学架构,并对这5个方面的科学内涵和关键研究内容进行了阐述。其中,(1)安全黄河立足于工程地质学,研究黄河流域地质地表过程及其灾害效应,以保障地质安全需求,构建安全黄河体系;(2)绿色黄河立足于水文地质学,研究黄河流域水循环过程及其水土环境变化效应,构建绿色黄河体系;(3)生态黄河立足于环境地质学,研究黄河流域生态系统演化规律及其生态屏障效应,构建生态黄河体系;(4)和谐黄河立足于资源地质学,研究黄河流域资源开发与人地协调的发展模式,构建和谐黄河体系;(5)智慧黄河立足于大数据及信息科学,研究黄河流域地学信息集成与智慧决策平台,构建智慧黄河体系。这5个部分相互支撑融合,共同解决宜居黄河的核心关键问题,从而为保障黄河长治久安、促进全流域高质量发展,最终形成造福中华民族的“幸福黄河”起到科技支撑作用。