深埋隧道注浆加固围岩非达西渗流场及应力场解析

深埋高水压地质环境下,隧道围岩内部往往伴随出现非达西高速渗流现象,且新奥法理念下的注浆加固围岩是隧道支护体系的重要部分,这2个因素对围岩内部渗流场及应力场的影响不可忽视。为此,建立含有注浆加固围岩的两场耦合解析模型,基于有效应力原理严格推导隧道围岩非达西渗流场及有效应力场解析解,通过与达西渗流的对比说明非达西渗流特征并验证解析解的有效性;根据解析理论对非达西渗流效应及注浆加固对围岩有效应力场的影响规律进行分析。研究结果表明:非达西渗流效应的主要影响范围为隧道开挖半径至3倍注浆半径内围岩,注浆加固范围内围岩有效应力相比达西渗流偏大,尤其是环向有效应力;注浆加固前后围岩力学和渗透性质发生改变,使得环向有效应力在加固边界处突变,指向隧道方向大幅增加,注浆范围内围岩有效应力随着加固后弹性模量的增大而升高,随着加固后渗透系数的减小而有所下降;针对需要严格控制排水量的隧道,注浆设计时建议优先降低注浆范围内围岩渗透系数,其次再适当加大注浆范围。研究结果可为深埋高水压隧道注浆加固设计提供理论依据。     

隧道开挖流体-固体耦合分析在复杂断裂岩体中的应用

基于某隧道工程,通过建立模型,研究了隧道开挖流体-固体耦合分析在断裂岩体中的应用。结果表明,在左隧道开挖后,围岩应力分布特征改变明显,应力距离隧道边缘越远变化越小,在洞半径约6倍以外的岩体,应力分布特征恢复到初始应力状态。在隧道拱顶,有较大沉降位移产生,拱腰水平收敛位移较大,拱底隆起变形较大。位移离洞边缘越近,变形越大,离洞边缘越远变形越小,围岩位移基于隧道中线为对称轴呈对称分布。与应力场作用下的应力相比,耦合作用下临近隧道围岩的应力高出约0~2.4 MPa,拱底处的应力要高出0~0.89 MPa。在耦合作用下,隧道洞周位移要大于应力场下的位移,在地下水渗流过程中,应力场发生明显的变化。在渗流场和流固耦合作用下,隧道水头分布情况基本一致,渗流场受应力场影响较小。     

大干溪I号隧道衬砌水压力分析

在岩溶富水地段,隧道衬砌实际上处在围岩应力场和渗透渗流场双场之中,渗流场的存在会导致围岩自稳能力降低,从而增加了围岩对衬砌的压力,同时渗流场的存在也会对隧道衬砌产生了渗透压力,研究了大干溪Ⅰ号隧道衬砌水压力,探讨了在渗流场和围岩应力场相互耦合作用下衬砌内力的变化情况,对富水段隧道衬砌的设计和施工有一定的借鉴意义。     

高水位下软弱破碎带围岩开挖变形分析

针对某隧道破碎带的水文地质情况,运用midas GTS NX软件,采用参数弱化法对隧道软弱破碎带段施工过程进行数值模拟,分析了破碎带、开挖渗流和注浆加固等对围岩开挖变形的影响。结合现场监测数据,对比该隧道中高水位下软弱破碎带围岩开挖变形的规律和注浆加固的效果。结果表明:当围岩中存在破碎带,尤其是斜向破碎带时,破碎带影响范围大于其存在范围,应适当扩大注浆范围。在渗流影响高水位下破碎带处围岩开挖变形急剧增大,对比注浆前,破碎带注浆后围岩变形得到明显改善。破碎带注浆加固后实际监测变形比数值模拟变形大很多,模拟时应弱化破碎带加固后的围岩参数,要注重围岩的流变效应。     

基于流-固耦合效应软弱围岩隧道CRD法开挖变形分析

以广东某高速公路弱质围岩隧道为工程背景,基于流-固耦合分析相关理论,对弱质围岩隧道CRD法开挖进行稳定性分析。运用FLAC3D软件分别在考虑渗流效应和不考虑渗流效应时,进行三维数值模拟,得到了相应的孔隙水压力和位移场变化特征,研究了渗流效应对隧道CRD法开挖过程中位移场的影响和在渗流效应下CRD法开挖隧道的变形控制。     

隧道断层突水突泥前兆信息演化规律数值模拟研究

为研究隧道穿越断层突水突泥灾害发生机制，在分析渗流诱发断层突水突泥机制的基础上，依托江西永莲隧道断层破碎带突水突泥灾害工程实例，采用数值模拟方法，建立可模拟隧道动态开挖穿越断层带过程的有限元计算模型，分析隧道开挖过程中渗流场、应力场、隧道涌水量、塑性区分布等灾害前兆信息的演化规律。研究结果表明，当掌子面接近断层时，应力场、位移场、渗流场、塑性区分布等前兆信息均发生了突变。主要表现在： 1）应力集中现象达到最大，增幅接近1倍，高应力集中极易导致隧道施工至断层附近区域围岩失稳； 2）隧道围岩位移包括拱顶沉降与拱底隆起急剧性、突变性增大； 3）渗流速度急剧增大，地下水更容易向洞内渗透，地下水对围岩的蚀溃破坏作用加大； 4）围岩塑性区范围覆盖了整个洞周范围并且屈服深度有所增加； 5）隧道开挖接近断层时极易造成突水突泥灾害，施工中应积极采取有效的防控措施。     

隧道衬砌外水压力确定的渗流场-应力场耦合模型研究

论述了国内外计算隧道衬砌外水压力的折减系数法和渗流场计算方法。分析了公路隧道围岩渗流场-应力场的耦合机理,并以此建立了计算外水压力的数学模型。同时提出了一种简化模型来表示两场的耦合本构关系,并给出了计算公路隧道衬砌外水压力的有限元方法步骤。     

小管棚注浆法在软弱地层隧道施工中的应用

小管棚注浆法是软弱地层隧道开挖中通常采用的一种超前支护技术,且多用于拱顶的预支护。小管棚注浆法将管棚的骨架作用和小导管注浆的固结封堵作用结合起来,提高了软弱围岩的强度和变形模量,抑制了软弱地层开挖时的局部坍塌变形,改善了掌子面和围岩所处的二次应力场和位移场。小管棚注浆法是软弱地层中开挖隧道行之有效的预支护措施。     

富硫化氢隧道注碱固硫机理与数值模拟（双语出版）

隧道工程穿越区域性含油气地层或煤系地层经常会遇到硫化氢和瓦斯等有毒有害气体。在隧道掌子面前方围岩体内部预注碱液是从根本上去除硫化氢的方法，利用碱液与硫化氢在围岩内部发生化学反应，从而达到固硫的目的。通过分析隧道围岩气-液两相流渗流机理和渗流场-化学场耦合机理，基于Van-Genuchten模型建立考虑硫沉积条件下的围岩气-液两相流渗流场-化学场耦合运移方程，给出解耦方法和计算流程，引入碱液有效饱和度的定义并推导有效饱和度方程。通过对比分析考虑耦合与不考虑耦合条件下、不同注碱压力条件下和不同钻孔布置条件下碱液饱和度、压力和流速分布，研究了围岩注碱固硫和瓦斯抽采的运移规律。研究结果表明，在围岩渗透率较低，硫化氢浓度较高的条件下，隧道掌子面内碱液饱和度在考虑耦合作用时明显低于不考虑耦合作用，应考虑硫沉积堵塞围岩孔隙而造成孔渗结构损伤的影响。注碱压力较小时，碱液饱和度分布局限于隧道掌子面范围内，随着注碱压力的增加，碱液饱和度向隧道围岩深部扩散，碱液压力在5~10 MPa时，碱液均匀向围岩四周扩散，有利于吸收硫化氢和驱替瓦斯，应根据围岩物理力学特性，采用中、低压注入碱液，提高固硫效率。加密钻孔间距可显著提高隧道掌子面内碱液压力和流速分布，验证了同等条件下，小间距钻孔布置具有较高的渗流能力和瓦斯驱替能力，实际工程中应根据围岩地质条件，通过数值模拟和现场试验，综合对比钻孔布置的经济性与注碱固硫的效率来确定钻孔间距和数量。研究成果可为富硫化氢和瓦斯隧道的灾害治理提供参考。     

富硫化氢隧道注碱固硫机理与数值模拟

隧道工程穿越区域性含油气地层或煤系地层经常会遇到硫化氢和瓦斯等有毒有害气体。在隧道掌子面前方围岩体内部预注碱液是从根本上去除硫化氢的方法,利用碱液与硫化氢在围岩内部发生化学反应,从而达到固硫的目的。通过分析隧道围岩气-液两相流渗流机理和渗流场-化学场耦合机理,基于Van-Genuchten模型建立考虑硫沉积条件下的围岩气-液两相流渗流场-化学场耦合运移方程,给出解耦方法和计算流程,引入碱液有效饱和度的定义并推导有效饱和度方程。通过对比分析考虑耦合与不考虑耦合条件下、不同注碱压力条件下和不同钻孔布置条件下碱液饱和度、压力和流速分布,研究了围岩注碱固硫和瓦斯抽采的运移规律。研究结果表明,在围岩渗透率较低,硫化氢浓度较高的条件下,隧道掌子面内碱液饱和度在考虑耦合作用时明显低于不考虑耦合作用,应考虑硫沉积堵塞围岩孔隙而造成孔渗结构损伤的影响。注碱压力较小时,碱液饱和度分布局限于隧道掌子面范围内,随着注碱压力的增加,碱液饱和度向隧道围岩深部扩散,碱液压力在5～10 MPa时,碱液均匀向围岩四周扩散,有利于吸收硫化氢和驱替瓦斯,应根据围岩物理力学特性,采用中、低压注入碱液,提高固硫效率。加密钻孔间距可显著提高隧道掌子面内碱液压力和流速分布,验证了同等条件下,小间距钻孔布置具有较高的渗流能力和瓦斯驱替能力,实际工程中应根据围岩地质条件,通过数值模拟和现场试验,综合对比钻孔布置的经济性与注碱固硫的效率来确定钻孔间距和数量。研究成果可为富硫化氢和瓦斯隧道的灾害治理提供参考。     

富水盾构隧道地表固结沉降及控制措施研究

依托某城市富水盾构隧道,通过数值模拟,研究地表沉降控制措施,结果表明:富水地层中地表固结沉降占比较高,计算需考虑渗流。考虑渗流下,结构受力变形有不同程度提高;隧道四周剪切塑性区增大。围岩孔压在拱腰聚集,开挖后地下水指向内空,管片注浆后,地下水沿衬砌背后向下渗流;盾尾注浆会改善盾壳受力及不均匀性。考虑渗流,管片变形及弯矩由拱顶、拱底向拱底（变形）和拱顶（弯矩）转移;增大注浆圈为较实用措施。     

兰渝铁路两水隧道高地应力软岩大变形控制技术

兰渝铁路两水隧道地质条件极为复杂,洞身围岩为千枚岩及炭质千枚岩,属极软岩,受高地应力影响,施工时发生了挤压性大变形,变形和破坏极为严重。以现场测试和理论分析为手段,结合隧道变形特征,探索和研究了适合两水隧道的软岩变形控制技术,并得出以下结论:1)软岩隧道的变形特性及稳定性(塑性区)取决于地应力、围岩的力学特性、开挖断面等,且与围岩的支护条件密切相关;2)通过采用加大预留变形量、加大支护刚度、多重支护,优化施工方法、适时施作二次衬砌等手段有效地控制了大变形,较好地解决了两水隧道高地应力软岩施工问题。在此基础上,提出了软岩隧道大变形分级标准及其对应的支护参数。     

鸡口山岩溶隧道处治方法适用性模拟对比分析

结合鸡口山隧道工程,针对该溶洞隧道分别采用开挖回填法、超前注浆法和超前管棚支护法3种方法施工时,采用数值模拟分析对围岩变形情况进行了研究分析。研究结果表明： 采用超前注浆法开挖时隧道围岩的变形最小,开挖回填法次之,超前管棚支护法最大,超前注浆法控制围岩变形的效果优于开挖回填法和管棚支护法。说明在开挖过程中,超前注浆法使开挖范围内的围岩稳定性得到了加强,有效地减小了溶洞对隧道围岩变形的影响,因此在鸡口山隧道中采用超前注浆法施工比较适宜。     

注浆加固对近水库隧道裂隙密集带区地下水渗流场的影响性分析

利用Visual-modflow三维可视化渗流软件建模分析了邻近水库裂隙密集带地层，隧道开挖至注浆前后全过程地下水渗流场分布规律。结合隧址区水库、裂隙密集带等水力联系的影响，研究了隧道施工未扰动下渗流场演变过程。结果表明，毛洞开挖后裂隙水垂直补给隧道，影响范围很大，水库方向的反向补给或贯通排泄并不明显；隧道初期支护有利于保持地下水流场稳定，由于密集裂隙带的存在，横断面渗流变化与毛洞状态初期较为接近；随着注浆加固止水效果的提升，地下水向隧道内汇集的趋势减弱且范围减小，当围岩渗透系数折减到90%时，与初始渗流场较为接近，表明良好的防水体系对维持地下水渗流场稳定发挥了较好的作用；密集裂隙带的存在仅对局部渗流场有影响，对隧道和水库之间的水力联系并无显著影响。     

富水区城市公路隧道中隔壁法各开挖步力学特征研究

以深圳东部过境高速公路连接线工程为依托,基于应力场-渗流场耦合的数值模拟方法,研究富水区城市公路隧道中隔壁法各开挖步力学特征。结果表明:中隔壁法各开挖步骤的围岩主应力变化特征明显,隧道目标面围岩总体受压,在隧道两侧拱腰至拱脚处存在较为明显的压应力集中现象,而拱底及掌子面则出现少量拉应力集中;不同开挖步拱脚处初期支护应力最大,拱腰、拱肩和拱顶处应力量值较为接近,而拱底处应力最小;初期支护受力随隧道开挖进程变化幅度较小,初期支护具有一定的安全储备;各径向特征点水压力均呈现从注浆圈外侧至初期支护外侧逐渐减小的趋势,而各环向特征点水压力由拱顶至拱底逐渐增大;对于作用于初期支护上的水压力值,数值计算结果稍大于不考虑开挖影响的理论预测值,表明中隔壁法隧道施工各开挖步对衬砌背后水压力大小及分布规律有一定影响。     

极高地应力区隧道地质特征及围岩变形机制研究

以某在建高速铁路隧道作为工程实例,结合地质情况,从初始应力、岩体结构和地下水分析了影响围岩的因素。运用理论分析和现场监控量测反馈结果等综合方法,从监控量测数据时态曲线特征、方向性、累计变化量、变形速率、时效性、现场围岩变形情况、隧道施工影响、变形段变形差异性等方面系统分析了极高地应力区隧道围岩变形特征及机制,并得出如下主要结论:1)极高地应力区围岩应力释放有一定的过程,不同的围岩应力释放的速度可能不同,爆破对围岩产生扰动,将一定程度加速围岩应力的释放。2)围岩地质条件不同,变形规律会表现出一定的差异性。3)围岩的变形机制,层状围岩的变形破坏一般形成几个区域:破坏区,崩塌,滑动滑移,张裂、弯曲及折断。4)本隧道围岩变形特征主要是由极高地应力和岩体结构综合决定的,隧道初期支护变形情况一定程度上是隧道围岩变形特征的有效反映。     

盾构隧道壁后注浆压力对地表沉降及围岩变形的数值模拟研究

以某地铁工程区间隧道为例，采用通用的FLAC程序对盾构区间隧道施工在不同注浆压力条件下引起的地表沉降及围岩变形进行了数值模拟研究。根据该分析结果，综合考虑在工程地面条件允许的沉降范围内，提出了合理的盾构施工同步注浆压力及相应的控制沉降措施。     

车站基坑揭露断层带注浆加固效果数值模拟研究

为研究注浆对明挖基坑揭露断层带的加固效果,以南京地铁上元门车站基坑工程为背景,考虑基坑开挖过程中渗流场与围岩应力场的相互耦合作用,建立相应的有限元分析模型,对软弱破碎层、注浆加固带、基坑地下连续墙以及围岩所组成的耦合系统进行模拟,研究注浆加固前后围岩渗流场、位移场以及应力场的特征,最终获得基坑地下连续墙的水平位移、基坑外地表沉降、围岩塑性区分布、基坑内围岩变形以及基坑内涌水量变化规律。研究结果表明： 1）通过对基坑底部断层带的注浆加固,基坑侧向位移及基坑外地表沉降均得到有效控制,相比于注浆加固前,其最大水平位移和地表累计沉降量减小50%以上,满足工程要求; 2）基坑底部区域内塑性区范围明显减少,基坑外塑性区扩散也得到有效抑制; 3）基坑底部断层带注浆改变了渗流场分布,有效降低了基坑涌水量,基坑治理区域涌水量由最初的94 m3/h逐渐减小到4 m3/h,堵水率达96%; 4）注浆结束后现场钻孔取芯率达到75%~80%,开挖揭露大量劈裂作用形成的浆脉,验证了注浆可有效治理明挖基坑所揭露的软弱断层破碎带。