岩溶发育区深埋隧道水岩相互作用机理

结合渝怀铁路圆梁山隧道涌水实例,运用地球化学和断裂力学有关理论分析岩溶区深埋隧道的水岩相互作用机理,探讨水岩相互作用对岩溶地区隧道施工发生涌水、突泥的影响。研究表明:岩体的水力劈裂作用导致的裂纹扩展属于Ⅰ Ⅱ复合型裂纹问题;隧道开挖改变岩溶地下水循环系统的平衡,特别是深埋隧道在高水压作用下,施工爆破等作业使围岩裂隙的连通性增大,张开度增加,围岩体内裂隙发生扩展是最终形成大岩溶管道的关键;在高水头压力作用地段,水力劈裂作用造成导水裂隙进一步扩展,导致本来并不连通的岩溶管道产生水力联系,形成大型岩溶漏斗系统;如果隔水层在爆破过程中被破坏,大量岩溶水和填充物进入隧道可能会造成突发性大规模涌水突泥事故。超前地质预报或加强灌浆是确保隧道施工顺利通过隐伏大型岩溶区的有力工程措施。     

近接溶洞条件下隧道施工掌子面变形破坏特征数值分析

以宜万铁路齐岳山隧道工程为背景,以危险地段的岩溶地质条件为基础,应用三维有限元分析方法,在隧道掌子面前方的溶洞规模大于、等于和小于隧道掌子面规模的3种情况下,模拟分析不同岩体厚度、不同岩溶水压力时隧道掌子面的变形破坏规律。研究结果表明:当溶洞直径大于或等于隧道直径时,相同岩溶水压力作用下掌子面变形值相近,当溶洞直径小于隧道直径时,掌子面变形量小;掌子面变形量最大值出现在掌子面中心位置;当掌子面与岩溶洞壁之间的距离大于2.0 m时,掌子面变形量增加并不明显;在溶洞内无水压力条件下,掌子面岩体塑性区范围很小,但随着水压力的增大,塑性区的范围逐步增大。     

岩溶隧道涌突水灾害发生机理与工程防治

研究目的:针对国内岩溶区长大隧道施工过程中频繁遭遇的涌突水灾害对工程造成重大损失和人员伤亡的现状,在调研国内外隧道涌突水灾害发生现状的基础上,利用薄板理论、剪切破坏理论对隧道涌突水灾害发生机理和过程特征进行了研究,旨在得到涌突水灾害的形成和发生条件、预防措施以及岩溶地段隧道的施工原则。研究结论:涌突水灾害的形成和发生,必须具备四个基本条件;由于隧道开挖引起围岩应力场变化和溶洞内水压作用,隔水岩板发生松弛,易导致灾害发生;岩溶地段隧道施工要遵循下述原则:排水降压、超前支护,以堵为主,堵排结合,浑水要堵,清水要排。     

岩溶隧道防突岩层突水模拟分析

岩溶隧道施工中防突岩层突水已成为我国地下工程建设中的重大问题。本文首先分析了岩溶隧道突水机理和突水类型,然后通过块体离散元分析软件研究了隧道开挖过程中隧道与其边墙外高压富水隐伏溶腔间防突岩层在突水过程中位移场、渗流场的演化特征。研究成果表明:隧道开挖后随着围岩应力逐渐释放,防突岩层经历显著位移、局部垮落和整体破坏3个阶段,最终形成突水通道;开挖初期岩溶水压力分布范围逐渐增大,除防突岩层外其他部位围岩和高压富水溶腔逐步建立了水力联系;开挖后期溶腔水位下降,岩溶水压力分布范围减小。     

基于等效周长法研究隧道衬砌水压力荷载及内力

为研究方形隧道断面衬砌水压力及内力,利用等效周长替代法,将方形隧道断面转变成圆形隧道断面,并运用轴对称解析法与有限差分FLAC3D分别计算在不同衬砌渗透系数、不同注浆半径和不同衬砌厚度情况下,隧道衬砌水压力、渗透量、内力、偏心距以及安全系数。结果表明:轴对称解析法的渗透量和水压力与有限差分数值计算法的很接近;在不透水情况下,水压力不进行折减;通过控制排水、减小衬砌渗透系数、适当增大围岩注浆或适当增大衬砌厚度可以调节衬砌水压力、偏心距与安全系数;衬砌厚度对边角处安全系数影响大;以设计水荷载为正算,施工监测水压力为反算,在施工过程中,检验并修正水荷载。     

基于突变理论的岩溶隧道拱顶安全厚度分析与失稳预测

为解决岩溶地区隧道安全施工的问题,在突变理论基础上,对岩溶隧道顶板安全厚度及稳定性问题进行研究.基于弹性梁模型,综合考虑围岩自重和隧道坡度等因素,建立隧道拱顶突变失稳的判别方程,得到岩溶隧道顶板安全厚度的计算公式,并分析相关因素对顶板安全厚度的影响规律.在此基础上,进一步提出隧道拱顶失稳预测方法,并结合工程实例进行验证.研究结果表明:溶腔水压力、溶腔大小、围岩弹模对拱顶安全有着重要影响;基于突变理论得到的岩溶隧道顶板安全厚度计算方法在实际工程应用中具备可行性与较高的准确性,建立的顶板失稳预测模型能有效预测岩溶隧道拱顶失稳时间.     

岩溶隧道突水机理研究

岩溶隧道修建过程中极易发生突水灾害，是工程界的热点及难点问题。针对岩溶隧道突水机理进行讨论剖析，首先将其概化为灾害源、突水通道形成及防突层岩体破坏3个过程，并将岩溶隧道防突层破坏类型分为整体拉剪破坏、水力劈裂、充填体渗透滑移、关键块体缺失以及综合型突水模式。结合典型案例并利用数值模拟或理论分析对相应的破坏机制进行研究，指出实际工程中的突水多为综合型突水模式，是多种突水类型相互联系、相互作用的综合结果，且不同突水类型在一定条件下存在相关的连续性和递进演化关系。     

水文观测系统在山区复杂岩溶隧道中的应用

水文观测系统的应用是指通过在复杂岩溶隧道建立水文观测系统,收集降雨量、涌水量、水压、深孔水位变化等数据,并对这些数据进行综合分析,以判断隧道施工过程中地质灾害（突水、突泥等）发生的可能性,据此可及时作出预警,确保施工安全。同时,这些监测数据也可作为结构设计的重要参考因素。此文结合宜万铁路的施工经验,对复杂岩溶隧道条件下建立水文观测系统的全过程作了详细介绍。     

岩溶地区隧道突水机理及防治措施

通过对我国西南地区渝怀铁路圆梁山隧道的分析发现含水结构中储有能量、岩溶水压力对岩体的应力作用、含水结构围岩的稳定性被破坏是隧道突水涌泥发生的必要条件;依据阻水结构性质将岩溶隧道的突水模式划分为防突岩层破坏型与填充介质渗透失稳型2大类。据此提出土石回填、超前小导管支护、注浆加固、加强监控量测等岩溶隧道突水涌泥综合防治措施,可为类似工程建设提供借鉴。     

山岭隧道突水对衬砌结构受力影响数值分析

用有限元数值模型,分析隧道断面上8个不同位置10种不同水压突水条件下衬砌结构的受力特征。结果表明:突水位置发生在仰拱或墙脚位置时,对衬砌结构的受力影响显著;突水对衬砌结构上的最大正弯矩和最大剪力影响最显著,而对最大负弯矩和最大轴力影响要相对小一些。运用结构力学的弯矩影响线理论,把突水压力作为衬砌结构上的移动荷载,给出不同突水压力下衬砌结构的弯矩包络图。     

岩溶隧道地质构造与围岩等级的划分

研究目的:对于碳酸盐岩的围岩等级划分,往往和非可溶岩有所混淆,因此围岩等级的划分往往偏低。通过在断层部位和影响范围取样,作偏光鉴定及岩石力学试验,加之隧道内施工地质测绘资料,对碳酸盐岩的围岩等级和稳定性给予重新的定位和评价。研究结论:碳酸盐岩受断裂构造影响,其岩石强度的大小,与断裂距离远近有关。但由于方解石的再胶结作用,岩石强度虽然大大降低,但岩体整体性仍显较好,因此围岩等级划定可以较非可溶岩类予以提高;岩溶地质灾害地段与碳酸盐岩围岩是突变性的,应按特别加强设计进行处理。     

深埋岩溶隧道水压力的预测与防治

研究目的:为保护洞顶水资源和环境,深埋岩溶隧道“以排为主”的设计原则巳不适应环保要求,开始尝试 “以堵为主”的防排水原则。封堵地下水会使隧道衬砌承受巨大水压灯,“以堵为主”的关键问题是预测和防治隧 道水压力。 研究方法:隧道水压力受地下水水头损失和地下水与衬砌接触面积的双重影响,据此在调整岩溶隧道水头 折减系数的基础上,分析隧道水压力模式。 研究结果:给出了用渗流水量确定隧道水压力的公式,继而讨论了基于水环境平衡的适度排水和围岩注浆 的防治原则,并给出了注浆圈和其内衬砌的水压力的计算公式。 研究结论:引用锦屏二级水电站探洞和渝怀铁路圆梁山隧道的实测资料对上述水压力公式进行检验,其计 算的隧道水压力较符合实际。     

高压富水岩溶隧道注浆帷幕技术应用研究

帷幕注浆技术是岩溶隧道止水的有效方法,以宜万铁路马鹿箐隧道为依托,建立了隧道帷幕注浆数值模型,计算分析了不同帷幕注浆加固圈厚度、止浆岩盘厚度等参数对隧道围岩的位移、应力影响规律,确定了安全、经济、合理的帷幕注浆方案。结合工程实践,对注浆方式、注浆材料及参数、注浆结束标准及效果检查评定等设计要点以及帷幕注浆施工工艺进行了研究。该研究成果对高压富水岩溶隧道建设具有借鉴意义。     

牡绥铁路双丰隧道富水第三系砂泥岩地层超前注浆加固施工技术

双丰隧道是牡绥铁路最长隧道和重点控制性工程。隧道洞身长约2.3 km段穿越第三系砂泥岩及砂泥岩与其他岩层接触带的地层,其中第三系砂泥岩成岩作用差,属于极软岩;而隧道埋深较深,地形起伏不大,地下水在第三系砂岩及砂泥岩与其他岩层接触带处呈现富集,具有水量大、补给来源广和空间分布极不均一的特点,导致隧道变形大,塌方、涌水涌泥的风险极高,造成施工困难。结合本地层特点研究并采用上半断面加固全断面的超前注浆加固方案,经综合效果评价和施工开挖验证,加固效果良好,有效地保证了隧道的施工安全和顺利贯通。     

高速铁路隧道勘察钻探与物探综合应用分析

为研究鄂西山区某高速铁路隧址区工程地质问题,在勘察过程中采用综合勘探手段,利用钻探、音频大地电磁法、高密度电法,对隧址区地层情况、水文地质和工程地质条件、及其构造断层、岩溶、岩体富水破碎带的空间展布形式进行勘察。并将钻探实际揭露的目标地质体地层情况与物探解译成果进行对比分析。研究表明,物探对地层的岩性以及岩体破碎带的解译精确率较高,对构造断层、岩体破碎带以及岩溶等物性特征差异明显的地质体,两种物探方法均可对其定性辨别。研究结果表明,不同物探勘测方式探测出的异常地质体情况可能不同,通过对多种物探结果解译分析,可以提升物探成果准确率;通过钻探与两种不同物探的相互验证,可以较好查清隧址区钙质胶结砾岩区岩溶发育、富水情况及断层破碎带分布情况。     

广州地铁岩溶区盾构施工地层变形特性研究

以在建广州地铁盾构穿越岩溶填充区为依托,采用FLAC3D三维数值模拟程序,研究盾构施工力学行为,总结穿越岩溶填充区过程中围岩和管片变形特性。结果表明:围岩变形主要集中在岩溶填充区范围内,其位移明显要大于周围岩土体,特别是地质界面处前后2 m范围内,容易导致管片错位破坏,因此要加强设计参数;掌子面挤出变形基本上下对称分布,主要影响范围是掌子面前方6 m,其地层加固有效距离为6 m;盾构穿越地层发生变化时,管片纵向不均匀变形相当明显,主要表现为竖向位移,管片主要承受竖向力的作用,其力学行为表现为仰拱和拱顶向内弯折,而两侧变形向外弯折,应进行不对称配筋设计,以利于结构的安全性和经济性。     

岩溶地区某浅埋箱型隧道沉降成因及控制

研究目的:岩溶地区侧方基坑桩基施工及土方开挖过程中,浅埋明挖箱型地铁隧道结构出现突发沉降,尤其是变形缝部位沉降显著,本文通过箱型地铁隧道沿线及变形缝两侧的位移监测数据,分析隧道结构突发沉降产生的原因,并研究了浅层回灌水、深层回灌水和注浆加固等沉降控制措施的效果。研究结论:(1)支护桩施工诱发浅埋箱型隧道最大累计沉降为3. 3 mm,应重视其在岩溶地区的施工影响;(2)嵌岩工程桩施工揭露溶洞,承压岩溶水突涌桩孔,是侧方浅埋箱型地铁隧道结构突发沉降的主要原因;(3)浅层回灌水可短时间内使地层补水,抬升隧道,抑制隧道急剧沉降;长期实施深层回灌、桩基泥浆护壁施工,可维持地下水位,控制侧方隧道沉降,但存在深层回灌水可能通过岩溶裂隙或通道进入溶洞,降低回灌水补充效率的问题;(4)"双排桩+对拉钢绞线+对称开挖"有效控制隧道的最大水平位移为3. 0 mm;(5)箱型地铁隧道周围进行垂直和斜向钻孔注浆可起到加固和止水的效果,考虑到变形缝的敏感性,应实时控制注浆压力;(6)该研究成果可供类似岩溶地区浅埋箱型地铁隧道侧方基坑工程参考。     

富水复杂地质围岩稳定性评价与支护系统优化

研究目的:富水复杂地质隧道施工过程中,不良地质带受水-岩相互作用的影响,开挖过程中拱顶、拱腰等部位极易产生块体失稳,且隧底压力经常大于垂直地压,造成仰拱断裂、边墙下部内移错动甚至衬砌失稳破坏,从而给隧道施工造成很大的安全隐患,因此很有必要对围岩稳定性进行评价,并以此为基础对围岩支护系统进行优化探讨.研究结论:(1)隧道在弱风化的花岗岩中掘进时应尽快施作仰拱,使衬砌闭合成环;(2)CD法开挖段仰拱紧跟、衬砌尽早封闭成环很有必要;(3)文兴隧道与水库之间具有水力联系的可能性,对于隧道内的渗、涌水应及时采集水样进行必要的水化学及同位素分析,判断隧道内渗、涌水的来源.(4)隧道在断层破碎带的软弱围岩中掘进时,应尽早施做二次衬砌,必要时做专项的抗水压复合式衬砌设计;(5)一旦证实水库水与隧道之间存在水力连通,隧道的断层破碎带为力学和形变不良段,车行横洞应尽量避开该位置,适宜前移或后移数十米至微风化岩层段内.     

饱和软黄土隧道围岩注浆加固参数研究

研究目的:饱和软黄土地层隧道围岩具有强度低、承载力差、抗变形能力弱等特性,因此对饱和软黄土地层隧道围岩注浆加固参数展开研究具有重要意义。依托西安地铁4号线火车站站暗挖西安火车站工程,进行室内黄土力学性能和现场注浆试验,研究含水率对黄土强度特性的影响,分析黄土劈裂注浆浆液扩散的基本规律及劈裂机理,并总结现场隧道围岩注浆加固参数。研究结论:(1)饱和软黄土的含水率降低,其强度呈线性增长,因此注浆后降低了原位土体的渗透性能以及提升土体的黏聚力,整体上提升土体的抗剪强度;(2)黄土劈裂注浆浆液扩散的基本规律及劈裂机理:浆脉夹角近似120°,且高度不一致,长度有差别,在注浆压力逐渐增大的情况下,浆液在黄土体内会先后三次劈裂土体,形成劈裂缝并在其中进行扩散、填充,最终形成黄土劈裂注浆的"Y"型浆脉;(3)加固后的开挖面土体无侧限抗压强度达到0.6 MPa,周边土体加固区达到1.2 MPa,渗透系数≤10-6cm/s,含水率由原先的约30%下降至10%;(4)得出了在饱和软黄土地层中下穿火车站暗挖隧道WSS注浆所使用的配合比、注浆压力控制值、黄土地层下填充系数等参数,可为饱和软黄土地层隧道围岩注浆加固参数的精细化设计提供必要的参考依据。