黏滑斷層隧道減錯(cuò)措施參數(shù)對(duì)減錯(cuò)效果的影響分析1

崔光耀 伍修剛 王明年 荊鴻飛

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黏滑斷層隧道減錯(cuò)措施參數(shù)對(duì)減錯(cuò)效果的影響分析1

崔光耀1）伍修剛1）王明年2）荊鴻飛3）

1）北方工業(yè)大學(xué)，土木工程學(xué)院，北京 100144 2）西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610031 3）中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 102600

為提高黏滑斷層隧道的結(jié)構(gòu)安全性和穩(wěn)定性，對(duì)黏滑斷層隧道設(shè)置不同縫寬減錯(cuò)縫、不同剛度減錯(cuò)層的減錯(cuò)效果進(jìn)行研究。研究結(jié)果表明：斷層黏滑錯(cuò)動(dòng)對(duì)上盤隧道的影響遠(yuǎn)大于下盤；減錯(cuò)縫對(duì)上盤部分隧道結(jié)構(gòu)的減錯(cuò)效果優(yōu)于下盤，其中上盤減錯(cuò)效果最大為24.50%，下盤減錯(cuò)效果最大為9.26%；減錯(cuò)層對(duì)下盤部分隧道結(jié)構(gòu)的減錯(cuò)效果略優(yōu)于上盤，其中下盤減錯(cuò)效果最大為105.32%，上盤減錯(cuò)效果最大為78.07%；隨著減錯(cuò)縫寬度的增加，隧道上盤減錯(cuò)效果變好，下盤縫寬10—15cm減錯(cuò)效果最好；隨著減錯(cuò)層彈性模量的增加，隧道上下盤減錯(cuò)效果降低，當(dāng)減錯(cuò)層彈性模量增加到一定程度（約100MPa），減錯(cuò)效果趨于穩(wěn)定。研究成果可為黏滑斷層隧道的減錯(cuò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及施工提供參考。

隧道工程 黏滑斷層 減錯(cuò)縫 減錯(cuò)層 參數(shù)分析

引言

隨著我國(guó)交通基礎(chǔ)建設(shè)的持續(xù)深入發(fā)展，穿越黏滑斷層的隧道不斷涌現(xiàn)，如在建的雅康高速二郎山隧道穿越?；嘶顒?dòng)斷裂，成蘭鐵路諸隧道穿越龍門山活動(dòng)斷裂等。在2008年汶川地震中，都映高速部分隧道，其所穿越的黏滑斷層在強(qiáng)震誘發(fā)下發(fā)生黏滑錯(cuò)動(dòng)，造成錯(cuò)動(dòng)段隧道結(jié)構(gòu)和圍巖嚴(yán)重破壞，甚至出現(xiàn)了隧道整體垮塌的嚴(yán)重震害（圖1），這對(duì)災(zāi)后救援和災(zāi)后重建工作造成了嚴(yán)重影響（四川省交通廳公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院，2008；于海英等，2008）。如何提高斷層黏滑錯(cuò)動(dòng)時(shí)隧道結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性是亟待研究和解決的關(guān)鍵技術(shù)問題之一。

目前，黏滑斷層隧道的減錯(cuò)措施主要有二襯設(shè)置減錯(cuò)縫和初支與二襯之間設(shè)置減錯(cuò)層2種。設(shè)置減錯(cuò)縫可減小隧道結(jié)構(gòu)的縱向剛度，提高了隧道結(jié)構(gòu)適應(yīng)斷層黏滑錯(cuò)動(dòng)所產(chǎn)生相對(duì)變位的性能；設(shè)置減錯(cuò)層可減小隧道結(jié)構(gòu)的橫向剛度，消減了傳遞至二襯結(jié)構(gòu)的強(qiáng)制位移。

國(guó)內(nèi)外專家、學(xué)者對(duì)穿越黏滑斷層隧道的減錯(cuò)技術(shù)做了部分研究，主要有：穿越活動(dòng)斷層隧道震害特征及震害機(jī)理（高孟潭等，2008；崔光耀等，2013a；何川等，2014）；斷層錯(cuò)動(dòng)下圍巖與隧道結(jié)構(gòu)的位移和應(yīng)力變化（趙伯明等，2009；李玉江等，2013）；不同傾角、錯(cuò)距下斷層黏滑錯(cuò)動(dòng)對(duì)山嶺隧道洞身結(jié)構(gòu)的受力特性（熊煒等，2010；蔣建平等，2011；劉學(xué)增等，2014；張理平等，2017）；設(shè)置不同減錯(cuò)縫的減錯(cuò)效果（崔光耀等，2013b；李學(xué)峰等，2014；信春雷等，2015）；設(shè)置不同減錯(cuò)層的減錯(cuò)效果（崔光耀等，2013c）等。以上研究在穿越黏滑斷層隧道斷層錯(cuò)動(dòng)機(jī)制，設(shè)置減錯(cuò)縫不同間距、減錯(cuò)層不同厚度減錯(cuò)效果方面做了部分工作，但均未對(duì)穿越黏滑斷層隧道設(shè)置減錯(cuò)縫不同縫寬、減錯(cuò)層不同剛度的減錯(cuò)效果進(jìn)行研究。本文依托都汶高速友誼隧道F1黏滑斷層段，對(duì)黏滑斷層隧道設(shè)置不同縫寬減錯(cuò)縫、不同剛度減錯(cuò)層的減錯(cuò)效果進(jìn)行研究，以期能夠促進(jìn)穿越黏滑斷層隧道減錯(cuò)技術(shù)的發(fā)展。

圖1 龍溪隧道黏滑斷層段隧道整體垮塌

1 研究情況

1.1 友誼隧道F1黏滑斷層段工程概況

1.1.1 工程地質(zhì)

隧址區(qū)位于紙廠溝與小桃溝之間的山體內(nèi)，受斷層和巖性影響，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體較破碎。

F1黏滑斷層為擠壓性逆斷層，隧道洞身穿F1黏滑斷層而過，走向北東，傾向北西，傾角60°，破碎帶寬度0.5—2.0m，斷層破碎帶主要由糜棱巖、碎塊巖組成，Ⅴ級(jí)圍巖。上下盤巖體均為Ⅴ級(jí)圍巖。

1.1.2 支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)為復(fù)合式襯砌，跨度×高度＝9.4m×8.0m；隧道初支采用C25噴射混凝土，厚度25cm，二襯采用C25模筑混凝土，厚度40cm。

1.2 計(jì)算情況

1.2.1 計(jì)算模型

以友誼隧道F1黏滑斷層段為研究背景，利用FLAC3D有限差分?jǐn)?shù)值模擬軟件建立計(jì)算模型，隧道埋深為40m，隧底圍巖厚40m，左右兩側(cè)寬度取5倍隧道跨度，約60m，縱向開挖長(zhǎng)度100m。本次計(jì)算采用brick單元，其中圍巖單元47550個(gè)，襯砌單元6820個(gè)。計(jì)算時(shí)圍巖按彈塑性材料考慮，襯砌則按彈性材料考慮。減錯(cuò)縫采用12m設(shè)縫間距（崔光耀等，2013b），減錯(cuò)層厚度采用10cm（崔光耀等，2013c）。通過在上盤圍巖施加位移荷載來(lái)模擬斷層錯(cuò)動(dòng)，位移荷載通過施加速度來(lái)實(shí)現(xiàn)，錯(cuò)距10cm。

1.2.2 計(jì)算參數(shù)

施工中減錯(cuò)縫主要采用止水帶進(jìn)行連接，減錯(cuò)層一般采用橡膠板（王帥帥等，2016），圍巖根據(jù)勘測(cè)資料選取Ⅴ級(jí)圍巖。計(jì)算模型物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 計(jì)算模型參數(shù)

1.2.3 計(jì)算工況

本文主要研究減錯(cuò)縫不同縫寬、減錯(cuò)層不同剛度對(duì)減錯(cuò)效果的影響規(guī)律，計(jì)算工況如表2所示。

表2 計(jì)算工況

1.2.4 監(jiān)測(cè)布置

計(jì)算模型上盤設(shè)4個(gè)監(jiān)測(cè)斷面、下盤設(shè)3個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，每個(gè)監(jiān)測(cè)斷面設(shè)置8個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)布置如圖2所示。

2 減錯(cuò)縫寬度對(duì)減錯(cuò)效果的影響分析

2.1 結(jié)構(gòu)內(nèi)力

提取各工況錯(cuò)動(dòng)完成時(shí)的各監(jiān)測(cè)斷面計(jì)算數(shù)據(jù)，以縫寬10cm為例進(jìn)行內(nèi)力分析。軸力、彎矩的計(jì)算按照公式（1）、（2）計(jì)算（中華人民共和國(guó)交通部，2004）。監(jiān)測(cè)斷面最大軸力值見表3，監(jiān)測(cè)斷面最大彎矩值見表4。

軸力、彎矩計(jì)算公式為：

圖2 監(jiān)測(cè)布置

表3 監(jiān)測(cè)斷面最大軸力（單位：kN）

注：距斷層距離正值為上盤，負(fù)值為下盤，其它同理。

表4 監(jiān)測(cè)斷面最大彎矩（單位：kN·m）

由表3可知，施設(shè)減錯(cuò)縫與無(wú)減錯(cuò)措施工況監(jiān)測(cè)斷面最大軸力值均呈現(xiàn)壓應(yīng)力狀態(tài)，且沿隧道縱向分布趨勢(shì)相似，最大值均出現(xiàn)在下盤靠近斷層的斷面，其中無(wú)減錯(cuò)措施工況值為-14884kN，施設(shè)減錯(cuò)縫工況值為-14857kN；隨著監(jiān)測(cè)斷面與斷層的距離增大，監(jiān)測(cè)斷面最大軸力呈下降趨勢(shì)。由各監(jiān)測(cè)斷面最大軸力整體分析可知，施設(shè)減錯(cuò)縫工況監(jiān)測(cè)斷面最大軸力略小于無(wú)減錯(cuò)措施工況。

由表4可知，無(wú)減錯(cuò)措施工況監(jiān)測(cè)斷面最大彎矩均表現(xiàn)為外側(cè)受拉，施設(shè)減錯(cuò)縫改變了隧道結(jié)構(gòu)受力，出現(xiàn)內(nèi)側(cè)受拉部位；監(jiān)測(cè)斷面最大彎矩值均出現(xiàn)在下盤靠近斷層的斷面，其中不設(shè)減錯(cuò)縫工況值為-217.6kN·m，施設(shè)減錯(cuò)縫工況值為276.1kN·m。由各監(jiān)測(cè)斷面最大彎矩整體分析可知，施設(shè)減錯(cuò)縫工況監(jiān)測(cè)斷面最大彎矩略大于無(wú)減錯(cuò)措施工況。

軸力、彎矩指標(biāo)主要用于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，單一分析軸力、彎矩不能綜合體現(xiàn)結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能。隧道支護(hù)的結(jié)構(gòu)安全性可由安全系數(shù)（綜合考慮了軸力、彎矩等指標(biāo)）體現(xiàn)。

2.2 結(jié)構(gòu)安全系數(shù)

提取各工況錯(cuò)動(dòng)完成時(shí)的內(nèi)力計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行安全系數(shù)分析，安全系數(shù)按照公式（3）、（4）計(jì)算（中華人民共和國(guó)交通部，2004）。以縫寬10cm進(jìn)行安全系數(shù)分析，監(jiān)測(cè)斷面最小安全系數(shù)見表5。

≤Ra（3）

式中，a為混凝土抗壓極限強(qiáng)度（MPa）；l為混凝土抗拉極限強(qiáng)度（MPa）；為構(gòu)件縱向彎曲系數(shù)；為軸向力偏心影響系數(shù)；0為軸向力對(duì)截面的偏心距（m）。

表5 監(jiān)測(cè)斷面最小安全系數(shù)

由表5可知，施設(shè)減錯(cuò)縫與無(wú)減錯(cuò)措施工況監(jiān)測(cè)斷面最小安全系數(shù)沿隧道縱向分布趨勢(shì)相似，最小值均出現(xiàn)在下盤靠近斷層監(jiān)測(cè)斷面，其中無(wú)減錯(cuò)措施工況安全系數(shù)最小值為0.840，施設(shè)減錯(cuò)縫工況安全系數(shù)最小值為0.841；隨著監(jiān)測(cè)斷面與斷層距離的增大，監(jiān)測(cè)斷面最小安全系數(shù)呈增大趨勢(shì)，上盤安全系數(shù)整體較下盤小。由各監(jiān)測(cè)斷面最小安全系數(shù)整體分析可知，施設(shè)減錯(cuò)縫工況監(jiān)測(cè)斷面最小安全系數(shù)略大于無(wú)減錯(cuò)措施工況。

圖3 減錯(cuò)效果

2.3 減錯(cuò)效果

根據(jù)安全系數(shù)分析各工況減錯(cuò)效果，減錯(cuò)效果可按式（5）進(jìn)行計(jì)算，各工況減錯(cuò)效果如圖3所示。

式中：為減錯(cuò)效果；0為無(wú)減錯(cuò)措施工況監(jiān)測(cè)斷面最小安全系數(shù)；1為施設(shè)減錯(cuò)縫工況監(jiān)測(cè)斷面最小安全系數(shù)。

由圖3可知，各工況減錯(cuò)效果沿隧道縱向分布趨勢(shì)相似，隨著監(jiān)測(cè)斷面與斷層的距離增大，上下盤減錯(cuò)效果整體呈上升趨勢(shì)，且上盤減錯(cuò)效果較下盤整體更好，其中上盤減錯(cuò)效果最大為24.50%，下盤減錯(cuò)效果最大為9.26%。隨著減錯(cuò)縫寬度的增加，隧道上盤減錯(cuò)效果變好，下盤縫寬10—15cm時(shí)減錯(cuò)效果最好，主要由于斷層黏滑錯(cuò)動(dòng)對(duì)上盤的影響遠(yuǎn)大于下盤。減錯(cuò)縫寬度的增加適應(yīng)了斷層黏滑錯(cuò)動(dòng)造成的上盤強(qiáng)制位移，斷層黏滑錯(cuò)動(dòng)的能量得到一定程度的釋放，從而提高了上盤隧道的結(jié)構(gòu)安全性，可以設(shè)想，對(duì)于隧道上盤部分存在最優(yōu)減錯(cuò)縫寬度；減錯(cuò)縫寬度的增加雖然適應(yīng)了斷層黏滑錯(cuò)動(dòng)造成的下盤強(qiáng)制位移，但由于抵御斷層黏滑錯(cuò)動(dòng)對(duì)下盤影響所需減錯(cuò)縫縫寬為10—15cm，當(dāng)縫寬增加到20cm時(shí)，下盤隧道整體剛度的下降對(duì)下盤隧道的結(jié)構(gòu)安全性造成了不利影響，致使減錯(cuò)效果下降。

3 減錯(cuò)層彈性模量對(duì)減錯(cuò)效果的影響分析

3.1 結(jié)構(gòu)內(nèi)力

提取各工況錯(cuò)動(dòng)完成時(shí)各監(jiān)測(cè)斷面的計(jì)算數(shù)據(jù)，以減錯(cuò)層彈性模量為2.5MPa為例進(jìn)行內(nèi)力分析。監(jiān)測(cè)斷面最大軸力值見表6，監(jiān)測(cè)斷面最大彎矩值見表7。

表6 監(jiān)測(cè)斷面最大軸力（單位：kN）

表7 監(jiān)測(cè)斷面最大彎矩（單位：kN·m）

續(xù)表

工況距斷層距離/m -21-11-22112132 減錯(cuò)層彈模（2.5MPa）-173.4-269-254.1-217.1-108.0-59.3-42.7

由表6可知，施設(shè)減錯(cuò)層與無(wú)減錯(cuò)措施工況監(jiān)測(cè)斷面最大軸力值均呈現(xiàn)壓應(yīng)力狀態(tài)，且沿隧道縱向分布趨勢(shì)相似，最大值均出現(xiàn)在上下盤靠近斷層的斷面，其中無(wú)減錯(cuò)措施工況值為-17049kN，施設(shè)減錯(cuò)層工況值為-8981kN；隨著監(jiān)測(cè)斷面與斷層距離的增大，監(jiān)測(cè)斷面最大軸力呈下降趨勢(shì)。由各監(jiān)測(cè)斷面最大軸力整體分析可知，施設(shè)減錯(cuò)層工況監(jiān)測(cè)斷面最大軸力小于無(wú)減錯(cuò)措施工況。

由表7可知，施設(shè)減錯(cuò)層與無(wú)減錯(cuò)措施工況監(jiān)測(cè)斷面最大彎矩值均表現(xiàn)為外側(cè)受拉；無(wú)減錯(cuò)措施工況監(jiān)測(cè)斷面最大彎矩值出現(xiàn)在下盤靠近斷層的斷面，其值為-218kN·m，施設(shè)減錯(cuò)層監(jiān)測(cè)斷面最大彎矩值出現(xiàn)在下盤距離斷層11m處，其值為-269kN·m。由各監(jiān)測(cè)斷面最大彎矩整體分析可知，施設(shè)減錯(cuò)層工況監(jiān)測(cè)斷面最大彎矩大于無(wú)減錯(cuò)措施工況。

3.2 結(jié)構(gòu)安全系數(shù)

提取各工況錯(cuò)動(dòng)完成時(shí)各監(jiān)測(cè)斷面的計(jì)算數(shù)據(jù)，以減錯(cuò)層彈性模量為2.5MPa為例進(jìn)行安全系數(shù)分析，監(jiān)測(cè)斷面最小安全系數(shù)見表8。

表8 監(jiān)測(cè)斷面最小安全系數(shù)

由表8可知，施設(shè)減錯(cuò)層與無(wú)減錯(cuò)措施工況監(jiān)測(cè)斷面最小安全系數(shù)沿隧道縱向分布趨勢(shì)相似，最小值均出現(xiàn)在下盤靠近斷層監(jiān)測(cè)的斷面，其中無(wú)減錯(cuò)措施工況最小安全系數(shù)最小值為0.733，施設(shè)減錯(cuò)層工況最小安全系數(shù)最小值為1.505；隨著監(jiān)測(cè)斷面與斷層距離的增大，監(jiān)測(cè)斷面最小安全系數(shù)呈增大趨勢(shì)，上盤安全系數(shù)整體較下盤小。由各監(jiān)測(cè)斷面最小安全系數(shù)整體分析可知，施設(shè)減錯(cuò)層工況監(jiān)測(cè)斷面最小安全系數(shù)大于無(wú)減錯(cuò)措施工況。

圖4 減錯(cuò)效果

3.3 減錯(cuò)效果

根據(jù)安全系數(shù)分析各工況減錯(cuò)效果，減錯(cuò)效果計(jì)算方法同式（5），各工況減錯(cuò)效果如圖4所示。

由圖4可知，各工況減錯(cuò)效果沿隧道縱向分布趨勢(shì)相似，隨著監(jiān)測(cè)斷面與斷層距離的增大，上下盤減錯(cuò)效果整體呈下降趨勢(shì)，且下盤減錯(cuò)效果較上盤整體略好，其中下盤減錯(cuò)效果最大為105.32%，上盤減錯(cuò)效果最大為78.07%；當(dāng)減錯(cuò)層彈性模量增加到一定程度（約100MPa），減錯(cuò)效果趨于穩(wěn)定。

4 結(jié)論

（1）斷層黏滑錯(cuò)動(dòng)對(duì)隧道上盤的影響遠(yuǎn)大于下盤，上盤部分是黏滑斷層隧道減錯(cuò)設(shè)防設(shè)計(jì)的重點(diǎn)段落。

（2）減錯(cuò)縫對(duì)上盤部分隧道結(jié)構(gòu)的減錯(cuò)效果優(yōu)于下盤，其中上盤減錯(cuò)效果最大為24.50%，下盤減錯(cuò)效果最大為9.26%；減錯(cuò)層對(duì)下盤部分隧道結(jié)構(gòu)的減錯(cuò)效果略優(yōu)于上盤，其中下盤減錯(cuò)效果最大為105.32%，上盤減錯(cuò)效果最大為78.07%。

（3）隨著減錯(cuò)縫寬度的增加，隧道上盤減錯(cuò)效果變好，下盤縫寬10—15cm減錯(cuò)效果最好，主要是由于斷層黏滑錯(cuò)動(dòng)對(duì)上盤的影響遠(yuǎn)大于下盤。減錯(cuò)縫寬度的增加適應(yīng)了斷層黏滑錯(cuò)動(dòng)造成的上盤強(qiáng)制位移，斷層黏滑錯(cuò)動(dòng)的能量得到一定程度的釋放，從而提高了上盤隧道的結(jié)構(gòu)安全性，可以設(shè)想，對(duì)于隧道上盤部分存在最優(yōu)減錯(cuò)縫寬度；減錯(cuò)縫寬度的增加雖然適應(yīng)了斷層黏滑錯(cuò)動(dòng)造成的下盤強(qiáng)制位移，由于抵御斷層黏滑錯(cuò)動(dòng)對(duì)下盤影響所需減錯(cuò)縫縫寬為10—15cm，當(dāng)縫寬增加到20cm時(shí)，下盤隧道整體剛度的下降對(duì)下盤隧道的結(jié)構(gòu)安全性造成了不利影響，致使減錯(cuò)效果下降。

（4）隨著減錯(cuò)層彈性模量的增加，隧道上下盤減錯(cuò)效果降低；當(dāng)減錯(cuò)層彈性模量增加到一定程度（約100MPa），減錯(cuò)效果趨于穩(wěn)定。

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Analysis of Influence of Parameters of Reducing Measures on the Effect of Reducing Dislocation on Tunnels Crossing Stick-slip Faults

Cui Guangyao1), Wu Xiugang1), Wang Mingnian2)and Jing Hongfei3)

1) School of Civil Engineering, North China University of Technology, Beijing 100144, China 2) Key Laboratory of Transportation Tunnel Engineering of the Ministry of Education, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China 3) China Railway Fifth Survey and Design Institute Group, Beijing 102600, China

In order to improve the safety and stability of tunnels structure with crossing stick-slip fault, we study the technology on the effect of reducing dislocation by setting different width of reducing dislocation gap and different stiffness of reducing dislocation layer on tunnels with crossing stick-slip fault. The results shows that, the effect of stick-slip fracture movement on hanging wall is larger than that on footwall; the reducing dislocation effect of reducing dislocation joints on the hanging wall of tunnel structure is better than that on footwall, which the maximum effect of the hanging wall is 24.50% and the maximum of the footwall is 9.26%. The reducing dislocation effect of reducing dislocation layer on the footwall of tunnel structure is slightly better than that on hanging wall, which the maximum effect of the footwall is 105.32% and the maximum effect of the hanging wall is 78.07%. With the increase of the width of the reducing dislocation gap, the reducing dislocation effect of the hanging wall is better improved, and the footwall width of 10~15cm is mostly improved. With the increase of the elastic modulus of the reducing dislocation layer, the reducing dislocation effect of the tunnel is reduced, and when the elastic modulus of the reducing dislocation layer is increased to a certain extent (about 100MPa), the reduction dislocation effect tends to be stable. The research results can provide a reference for the structural design and construction of reducing dislocation on the tunnel with crossing stick-slip faults.

Tunnel engineering; Stick-slip fault; Reducing dislocation gap; Reducing dislocation layer; Parameter analysis

崔光耀，伍修剛，王明年，荊鴻飛，2018．黏滑斷層隧道減錯(cuò)措施參數(shù)對(duì)減錯(cuò)效果的影響分析．震災(zāi)防御技術(shù)，13（3）：502—511．

10.11899/zzfy20180302

國(guó)家自然科學(xué)基金（51408008、51478277），北京市青年拔尖人才培育計(jì)劃（1759-004），四川省應(yīng)用基礎(chǔ)研究計(jì)劃項(xiàng)目（2015JY0166）

2018-01-26

崔光耀，男，生于1983年。副教授。主要從事隧道與地下工程研究。E-mail：cyao456@163.com