注浆圈对高水位山岭隧道衬砌的结构影响分析

为了探究高水位山岭隧道建设中地下水渗流对隧道衬砌的结构影响,运用有限元计算软件MIDAS GTS NX对某隧道工程进行建模计算,分析了不同注浆圈厚度(0m,3m,6m,9m)和注浆圈渗透系数(2.5×10-8 m/s,2.5×10-7 m/s,2.5×10-6 m/s,2.5×10-5 m/s)对衬砌结构竖向位移、大主应力和隧道涌水量的影响规律.结果 表明:注浆圈厚度的增加,可以减小衬砌结构的大主应力、竖向位移和隧道涌水量,不过减小幅度在厚度大于3m之后有明显的降低;随着注浆圈渗透系数的降低,衬砌结构的竖向位移和隧道涌水量都呈现出先急后缓的减小趋势,衬砌结构的大主应力与注浆圈渗透系数大致呈正相关关系.     

海底隧道修建中注浆加固圈参数研究

海底隧道开挖时采用注浆加固措施,可显著减小隧道涌水量、降低衬砌背后水压力,而其关键在于合理地确定注浆圈参数。通过理论计算和分析,得出注浆圈参数变化对隧道涌水量的影响规律;利用安全系数法,采用Flac软件对围岩稳定性进行数值模拟分析,得出围岩稳定的安全范围。在此基础上提出应从隧道涌水量的大小和围岩稳定性2方面综合考虑确定注浆加固圈的参数。     

胶州湾海底隧道穿越破碎带渗流有限元模拟

水下隧道最小覆盖层分析是设计过程中关系安全和经济的重要因素。以青岛胶州湾海底隧道工程为背景,建立不同覆盖层厚度的海底隧道渗流有限元计算模型,分别就隧道穿越f3-1破碎带时的涌水量、渗流速度、孔隙水压力以及注浆圈参数选取开展研究和讨论。研究表明： Park公式与有限元涌水量计算结果较为吻合;覆盖层厚度较大时,渗流最快区域出现在拱脚;覆盖层厚度较小时,拱脚和拱顶中心均渗流较快;边墙和底板的孔隙水压力变化梯度随覆盖层厚度的增加而增大,拱顶规律相反,并且覆盖层厚度超过22 m后孔隙水压力变化梯度基本保持不变;从可靠性和经济性两方面综合考虑注浆圈厚度和渗透系数参数选取,本文给出了注浆圈参数建议取值范围为： 注浆圈厚度为4～6 m,渗透系数为1×10-7～2×10-7 m/s。     

岩溶富水隧道Ⅴ级围岩段涌水及注浆加固圈研究

吉庆隧道是龙琅(涟源市龙塘镇—新化县琅塘镇)高速公路上的富水岩溶隧道,准确预测隧道涌水量对于采取合理的防排水措施及开挖方法十分重要。文中对该隧道中富水的Ⅴ级围岩段涌水量进行分析和预测,根据涌水量大小、围岩承载能力等确定注浆加固圈厚度,为隧道防排水设计、围岩注浆加固及施工提供技术支持。     

高压富水区山岭隧道施工注浆堵水技术研究

为了保障高压富水区山岭隧道施工安全,现场经常采用注浆堵水措施,而目前隧道注浆堵水时地下水渗水量和支护结构外水压力变化特性尚有待于进一步研究。依托南大梁高速公路华蓥山隧道工程,基于复合式衬砌山岭隧道"堵水限排"的防排水理念,采用理论分析和数值模拟方法,分析了高压富水区复合式衬砌山岭隧道围岩注浆堵水时地下水渗流场特征,推导了高压富水区山岭隧道采取注浆堵水时隧道渗水量和支护结构外水压力的计算公式,得到了隧道渗水量及支护结构外水压力与注浆圈厚度、围岩和注浆圈渗透系数之比及围岩和初期支护渗透系数之比间的关系。研究结果表明:高压富水区山岭隧道注浆堵水时,隧道渗水量和支护结构外水压力的主要控制因素为:注浆圈厚度、注浆圈及初期支护的渗透系数;隧道渗水量和支护结构外水压力随着注浆圈厚度的增加及其渗透系数的减小而降低,综合考虑注浆堵水效果及施工成本,建议注浆圈厚度为6～8 m、围岩与注浆圈渗透系数之比为100～200时较优;高压富水区山岭隧道防排水系统设计,需要考虑注浆圈和初期支护堵水作用以及横纵向排水管排水效果,即综合防排水设计才可以减小排水量,有效降低支护结构外水压力。研究所得隧道注浆堵水的相关参数成功应用于实际工程,为高压富水区隧道工程注浆堵水设计与施工提供了一定的参考。     

山岭隧道涌水量预测方法分类及相关因素分析

准确预测隧道涌水量能有效减少隧道病害,保护生态环境,科学指导隧道的设计与施工,而如何正确选择和应用预测方法,是准确预测的前提条件。通过广泛调研,在总结分析各类涌水量预测方法的原理和适用范围基础上,以六盘山隧道某断面为例,深入探讨了围岩渗透系数、洞室尺寸、地下水位净高变化、注浆圈厚度、注浆水平和衬砌抗渗等级等因素对隧道涌水量的影响,重点指出各类解析方法的局限性和适用条件,突出了注浆水平在实际工程中的作用,并建议山岭公路隧道衬砌抗渗等级不宜小于S8。     

冰水堆积体隧道注浆圈厚度与初期支护受力特性研究

为解决不良地质软弱围岩造成隧道失稳、软弱围岩注浆参数不确定,以及米林隧道冰水堆积体围岩注浆厚度对支护力安全性造成影响等问题,基于三维有限元FLAC3D模拟软件,建立不同注浆厚度的隧道围岩模型,得到注浆后的围岩特征曲线,通过允许变形量确定了不同注浆厚度对应的允许支护力。基于此,进一步探讨围岩不同注浆厚度下,采用上下台阶法并打设锁脚锚杆对初期支护结构的影响,并计算得到断面每个位置初期支护的安全系数。结果表明： 1）注浆圈厚度越大,基于允许变形的允许支护力越小; 且围岩条件越差,相同注浆厚度对应的允许支护力越大; 故米林隧道冰水堆积体段Ⅳ1、Ⅴ1和Ⅵ级围岩的合理注浆圈厚度建议分别取3.5、3.5、5.0 m。2）随着注浆圈厚度的增大,各级围岩各个位置对应的初期支护安全系数增大。3）初期支护安全系数一般在拱肩、拱顶和拱底较大,在拱腰和拱脚位置最小。     

水底隧道衬砌水压力折减系数估算

水底隧道衬砌水压力是衬砌结构设计的关键参数之一,根据对衬砌水压力作用机制的探讨,"全堵型"隧道衬砌承担全部静水压力,而对于"排水型"隧道,衬砌只承受部分水压力,作用在衬砌上的水压力应该进行折减。根据渗流理论,推导了轴对称条件下衬砌水压力折减系数的理论公式及利用隧道衬砌前与衬砌后涌水量的反分析简化公式,并通过数值方法验证了其可靠性。计算结果表明:1)隧道涌水量随着衬砌渗透系数的减小而减少,当kl/ks=0.001时,涌水量几乎为0,而水压力折减系数近似等于1;2)对于不同的kl/ks值,水压力折减系数与涌水量存在一个公共点,这个交点范围为kl/ks=(0.02～0.03),对应的水压力折减系数约为0.5;3)对围岩进行注浆可以有效减少涌水量,但仍会有较大的水压力作用在注浆圈上,对注浆圈的长期耐久性提出了较高的要求;4)利用隧道衬砌前后涌水量推导的衬砌水压力折减系数反分析公式,其计算结果可靠、有效,可以在以后隧道结构设计中应用。     

厦门海底隧道防排水系统研究与工程应用

为了对中国海底隧道防排水系统设计提供理论依据,针对厦门海底隧道防排水系统设计问题进行了研究.通过对隧道涌水量进行计算,对堵水注浆圈作用进行分析并结合工程类比后,分析确定了厦门海底隧道的防排水设计原则及方案,即在主隧道不良地质地段和整个服务隧道采用全封堵方案,水压按全水头计算;在主隧道完整围岩地段采用限量排放方案,水压可进行一定折减.用堵水注浆圈、自防水衬砌结构、分区防水系统和隧道排水系统共同构成厦门海底隧道的防排水系统.现场工程实践表明:该防排水系统达到了预期效果,可供类似隧道工程参考.     

关角隧道富水区注浆圈合理控制参数研究

关角隧道为青藏铁路西(西宁)格(格尔木)二线控制工程。为了更好地解决关角隧道富水区防排水问题,以关角隧道水文地质为工程背景,采用有限元方法建立地下水注浆控制排放模型,对三叠系砂岩富水段进行模拟分析。分别分析了注浆止水圈渗透系数与厚度、节点流量的变化关系,得知富水区隧道注浆圈的控制参数具有其经济适用范围,并不是越大越好或越小越好;根据流量的变化过程验证了隧址区地下水位的变化情况;最后得出对于富水区隧道修建,取注浆圈厚度为3 m,渗透系数控制在2.1×10-3m/d较为经济合理。研究成果对富水区隧道控制地下水排放、减轻对环境水资源的破坏具有一定的借鉴作用和指导意义。     

基于流固耦合的高水压隧道支护结构研究

高水压是山岭隧道建设的重要难题之一,抗水压衬砌是隧道穿越这些区段的常用措施,其衬砌结构断面厚度远大于标准断面。衬砌厚度过大施工相对不便,施工质量不能保证,且不能及时分担水压。针对广西某隧道高水压段,采用双层初期支护和二次衬砌组成的支护结构承受高水压,减小二次衬砌厚度。为了分析双层初期支护的效果与获得基于双层初期支护的支护结构参数,利用有限差分法研究了不同防渗等级的单层与双层初期支护、不同注浆范围及不同二次衬砌厚度对围岩的变形影响和对支护结构的力学状态影响。结果表明:在相同支护体系中,喷射混凝土的不同防渗等级对围岩变形、支护应力影响不大;初期支护的防渗等级相同时,相比于单层初期支护,双层初期支护体系使围岩变形、喷射混凝土应力、二次衬砌的轴力与弯矩均减小40%以上;当拱顶以上水头为90 m且采用防渗等级为P8的双层初期支护时,径向注浆能够有效减小支护应力。当径向注浆范围超过4 m后,注浆对减小支护结构受力的效果不明显;采用双层初期支护体系,注浆范围为4 m时,二次衬砌的厚度设计为40 cm就能保障支护结构处于安全状态;径向注浆条件下,采用双层初期支护+二次衬砌的支护体系能够有效保障隧道高水压段的安全。     

青坪隧道涌水量及注浆加固圈研究分析

在岩溶区修建隧道的过程中,经常碰到涌水现象,影响隧道的施工。本文用FLAC3D数值计算软件来预测青坪隧道涌水量、研究最小注浆圈的厚度等,希望对隧道的设计和施工有一定的指导意义。     

下穿黄河盾构隧道“结构-壁后注浆-土体”结合部渗流研究

盾构隧道结构与土体间存在"衬砌结构-壁后注浆-土体"结合部,黄河下游"悬河"段河水水位高于两岸地表,修建于"悬河"下的盾构隧道"结构-壁后注浆-土体"结合部是否会形成渗流通道,使黄河水体涌入两岸从而影响两岸安全,是穿黄盾构隧道工程与其他穿越江河盾构隧道工程的最大不同之处,也是关系到工程建设是否可行的关键问题。对盾构隧道结构-壁后注浆-土体结合部进行理论简化和数值计算,并模拟了不同工况条件下沿结合部渗入两端的的渗流量,结果表明:壁后注浆对于减小结合部渗流具有重要作用,盾尾间隙厚度对渗流安全影响较小;随着壁后注浆体渗透系数减小,两端涌水量显著减少;盾尾间隙的减小对于降低两端渗流量作用不大。据此提出相应的工程建议:为防止"衬砌结构-壁后注浆-土体"结合部渗流通道形成,衬砌设计中增设注浆孔,施工时适当增大注浆量及注浆压力,防止无注浆空隙的产生,降低壁后注浆体渗透系数是首选措施;通过控制盾构掘进姿态、减少超挖,从而减小盾尾间隙厚度可作为辅助施工措施;施工过程中在隧道内进行壁后注浆开孔检漏试验并根据试验结果进行补充注浆可作为结合部渗流安全的检验、补充措施。     

深埋山岭富水公路隧道衬砌结构设计模拟分析

由于近年来环保要求的提高,在富水隧道工程中提出了"以堵为主、限量排放"的治水理念,该理念要求设计者充分考虑山岭富水地段隧道设计中衬砌结构的抗水压能力。采用"荷载-结构"模型对全断面承压情况下抗水压衬砌结构进行分析,通过分析3种不同隧道衬砌结构形式的受力特征,在"安全实用,质量可靠,经济合理"的原则下,设计了0.3 MPa外水压作用下深埋公路隧道衬砌结构形式,采用SK1形衬砌控制超前注浆加固区折减系数不大于0.6,对于外水压大于0.3 MPa工况,采用相应增大衬砌截面厚度设计,衬砌根据富水段水压进行分段设计。     

超大断面4车道公路隧道二次衬砌厚度优化研究

京沪高速济南连接线工程与济南绕城高速济南连接线工程共设置了6座双向8车道隧道,隧道比重高、里程长、断面大、地质条件复杂,是整个项目的控制性工程,其二次衬砌厚度对整个项目隧道工程的安全性与经济性具有重要的影响。鉴于目前国内尚缺少4车道公路隧道支护参数的技术标准,为得到合理的二次衬砌支护参数,选取典型小净距Ⅴ级围岩浅埋段,采用数值计算的方法,研究了不同混凝土强度等级、不同厚度条件下的二次衬砌力学性能。结果表明:1)超大断面4车道隧道二次衬砌厚度存在一个合理范围,在该范围内二次衬砌的最大裂缝与最小安全系数均在限值范围之内,超过合理厚度不利于结构安全;2)提高二次衬砌混凝土强度等级对结构安全有利,但随着等级的提高其有利作用在逐步减弱。     

高外水压山岭隧道衬砌结构安全性分析

基于中国在高外水压地区修建长大山岭隧道增多的现象,就涉及隧道衬砌结构在高外水压作用下的力学响应相关问题进行了研究.运用荷载结构法,采用三维有限元模型,以白芷山隧道工程为依托,对白芷山隧道在无外水压、均匀分布的高外水压和不均匀分布的高外水压影响下衬砌结构最大弯矩、轴力值大小及发生位置的变化进行研究；并根据外水压最大断面处衬砌结构的实际配筋情况计算其在外水压分布均匀和不均匀条件下的安全系数.分析结果表明:在高外水压作用下隧道衬砌结构的最大弯矩和轴力值都显著增加,且发生位置也在发生变化；水压最大断面处的安全系数大小在水压分布不均匀情况比水压分布均匀情况整体降低.     

富水全强风化花岗岩隧道注浆加固参数研究及其效果评价

全强风化花岗岩强度低、水稳性差,在富水条件下易崩解成流塑体流失,隧道穿越此类地层常面临严重的突水突泥风险,全断面帷幕注浆作为软弱富水地层预加固最为常用的技术方法之一,其注浆参数如注浆量(浆液充填率)、帷幕注浆厚度是决定地层注浆加固效果的关键技术指标。本文以多次发生突水突泥灾害的典型富水风化花岗岩地层隧道为工程依托,采用室内试验、理论分析等研究方法开展帷幕注浆量、注浆厚度研究。室内试验结果表明浆液充填率达到48%以上,注浆加固体强度、渗透性特性改善显著,其中粘聚力较未注浆提高3倍,达到200k Pa以上,内摩擦角提高10倍,达到30°,渗透系数从10~5cm/s量级降至10~8cm/s量级。同时结合理论分析与类似工程,得到注浆加固圈厚度可取5~8m。由此确定隧道帷幕注浆技术方案,并采用检查孔法、P-Q-t曲线法等对其注浆效果进行评价,验证该方案的可行性。     

考虑注浆加固作用的非圆形隧道应力和变形解析解

为了得到考虑注浆加固作用的非圆形隧道应力和变形解析解,基于复变函数理论引入一种新的考虑注浆加固作用的非圆形隧道应力和变形的求解方法。首先,为克服非圆形隧道断面、注浆圈几何形状和考虑衬砌支护造成的计算困难问题,引入了保角变换及复变函数幂级数解法。通过采用最优化解法确定保角变换中各项系数,得到计算模型映射函数。其次,通过幂级数复变函数法和弹性力学连续性条件克服隧道衬砌以及围岩注浆圈带来的多连通域问题,确定应力函数各项系数。随后,将得到的应力函数代入应力、位移方程求解考虑注浆加固作用的非圆形隧道应力和变形值。最后,将新方法所得结果分别与未考虑注浆作用的非圆形隧道应力及位移解和数值模拟计算结果进行对比分析。研究结果表明：注浆后注浆圈环刚度增大,整体性提升;衬砌变形减小,衬砌受到的围岩压力减小;围岩注浆有效改善了衬砌受力状态,使衬砌拱顶下沉减小约21.8%,拱底隆起减小约18.1%,拱脚附近法向应力减小约19.9%,环向应力减小约8.9%;围岩注浆可以有效加固岩体,封闭隧道周边岩体裂隙,改善衬砌受力状态,提高隧道抵抗变形和破坏的能力;解析解与数值解吻合较好,所得规律符合工程实际规律。研究结果可为考虑注浆加固作用下的非圆形隧道开挖问题提供一种新的快速、准确的计算方法,并为考虑注浆加固作用的非圆形隧道数值计算和安全运行提供参考依据。     

基于厚度检测的运营隧道二次衬砌安全评价研究

二次衬砌作为隧道复合式衬砌结构的重要组成部分和最后一道防水防线,其安全评价历来备受关注,而二次衬砌的厚度通常是评价运营隧道安全的重要指标。以运营中的代古寺隧道为工程依托,开展了二次衬砌外观质量及厚度现场检测;采用MIDAS有限元软件对衬砌厚度不合格段进行变形及受力分析,基于数值计算结果校核了二次衬砌的安全性状;针对不同等级的围岩,分析了二次衬砌厚度与其安全性的关系,并给出了相应的最小安全厚度。研究结果表明:二次衬砌最不利位置位于边墙和拱脚附近,衬砌厚度不足会使结构的轴力与弯矩减小,导致隧道结构的安全系数降低;对于Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级围岩,二次衬砌最小安全厚度建议值分别为31cm、36cm和41cm。     

漫谈矿山法隧道技术第十五讲——隧道涌水控制技术

涌水控制对策大体上分为"排水"对策和"堵水"对策2大类,经验表明"排"与"堵"相结合的方法是控制地下水最有效的方法。在处理"排"与"堵"的关系上,关键是弄清何种情况下需要采取"堵"的方法。适用堵水方法的条件:1)在地下水量大、围岩渗透系数大于10~(-6)~10~(-5)cm/s时,为了确保施工可接受的渗漏水条件;2)在地下水位降低对周边环境产生有害影响,为了确保周边环境"可接受干扰"的条件;3)为了避免二次衬砌直接承受水压,或减小作用在二次衬砌上的水荷载,不仅需要注浆,而且注浆必须形成防渗体来承受水压的场合。目前基本上都是采用注浆的方法堵水,挪威通过预注浆来控制海底隧道和城市隧道涌水,注浆围岩的平均渗透系数大致是非注浆围岩的1/100~1/25,采用高注浆压力(3~4 MPa)可以减少注浆孔、提高围岩注浆的"预应力"效应;日本青函隧道注浆实践表明,隧道围岩的综合渗透系数大于10~(-6)~10~(-5)cm/s时需采取注浆堵水对策,改善围岩渗透系数小于10~(-6)cm/s时能够正常安全开挖。通过一定范围的注浆,把围岩的渗透系数降低2个数量级,达到10~(-6)cm/s,就完全可以不考虑水压的作用。最后,用5个事例说明解决大量、集中、异常涌水的方法,多是放在形成有效的注浆域(防渗层)上。实际上,我们也是这样做的,但在明确的目标准则和注浆工艺上尚需努力。