岩溶富水区深埋水沟排水隧道注浆圈参数研究

为合理确定深埋水沟排水方式下隧道注浆圈特征参数,以某岩溶富水区隧道工程为依托,采用FLAC3D软件建立流固耦合计算模型,针对其注浆圈参数进行合理探讨,研究注浆圈厚度、注浆圈渗透性对隧道涌水量、衬砌水压力、结构安全性的影响规律。研究结果表明： 增加注浆圈厚度或降低注浆圈渗透性可降低衬砌水压、控制涌水量、保障结构安全,但并不代表实际工程中注浆参数需要追求最值,而应兼顾安全性和经济性,选取相对合理的注浆参数;结合模拟计算结果与同类工程案例,建议依托工程注浆圈厚度以5～6 m、渗透性比值以注浆前的1/50（渗透系数为2×10-6 cm/s）为宜,并应结合实际进行技术经济对比,合理确定现场注浆参数。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

限量排放下的隧道地下水渗流分析

以广东某在建高速公路隧道工程为例,通过地下水渗流计算分析,确定隧道富水段注浆后岩体渗透系数,最终实现地下水的限量排放。渗流计算采用连续介质模型,主要考虑泄水孔间距、隧道承压水头以及渗透系数的变化,分析孔隙水压力分布、地下水渗流路径,以及渗透系数与渗流量之间的关系,隧道富水段围岩注浆后,其渗透系数理论上不应超过2x10-5m／s控制指标的结论,可为隧道工程的安全施工提供较好的理论指导。     

富水黄土隧道地下水处治技术研究

为解决富水黄土隧道在施工过程中出现的各种病害,基于穿越富水黄土地层的乔原隧道工程,通过理论计算和分析,得出了衬砌水压力与围岩渗透系数之间的关系,在此基础上提出了利用二重管无收缩双液注浆法和防股流涌水型防排水结构形式结合的处治方法,在现场得以应用并取得了良好的效果。研究结果表明,利用"荷载-结构物模型"把渗透力的作用问题等效为孔隙水压力表面力的作用问题,从而可通过建立关于水压力的等式,得出水压力的折减系数;通过控制注浆圈渗透系数,可将衬砌水压力控制在合理的范围内;采用二重管无收缩双液注浆法和防股流涌水型防排水结构形式,既可减小地下水排泄量、保护地下水环境,又避免了过大水压力对隧道衬砌结构的危害。     

施工及运营期矿山法隧道渗流模型试验系统的研制及应用

为探索隧道防排水体系与地下渗流场之间的关系,研制了施工及运营期矿山法隧道渗流模型试验系统,其整体尺寸为3 m(宽)×3 m(高)×2 m(厚),包括渗流模型箱、加固区模拟装置、排(涌)水量采集装置、移动式循环水箱装置和数据采集装置。该试验系统能够方便、准确地测试矿山法隧道施工及运营阶段的水压力、排(涌)水量和渗流场变化,并可根据试验需求对不同水头作用下的围岩、注浆圈、掌子面预注浆区域和初衬等进行配置和更换,最大限度地还原隧道及其周边渗流场状态。依托实际工程,采用该渗流模型试验系统和以控制渗透系数为基础的围岩-支护体系相似材料开展了不同注浆圈渗透系数下的渗流模型试验研究。结果表明:随着注浆圈渗透系数减小,渗流速度减慢,渗流时间大幅增加;运营期隧道二衬和注浆圈背后的特征点水压分布规律相似,注浆圈渗透系数越小其分担水压的效果越明显;对于非扰动开挖状态下隧道拱顶的特征点,开挖区靠近掌子面时其水压力值呈快速减小的趋势,但仍有动水压的作用,注浆圈渗透系数的改变对掌子面前方围岩中的渗流影响有限;对于非扰动开挖状态下隧道拱底的特征点,不同注浆圈渗透系数下,开挖区各测点的离散性较大,随注浆圈渗透系数增大,初衬背后的水压力值逐渐增加,而注浆圈背后的水压力值呈下降的趋势。     

涌水隧道高聚物帷幕注浆技术研究

为解决隧道涌水病害，通过高聚物注浆材料的研发、高聚物注浆材料性能的评价、公路隧道帷幕注浆方案的设计、高聚物帷幕注浆的施工及高聚物帷幕注浆的作用机理研究，提出了涌水公路隧道病害的处治方法及高聚物帷幕注浆质量检测与评价方法。结果表明：涌水公路隧道要求高聚物注浆材料密度为0.25～0.43 g/cm³,抗压强度至少为5.89～7.68 MPa,渗透系数少于2×10^-7 m/s;高聚物帷幕注浆可以有效封堵隧道涌水，及时解决隧道涌水病害。     

不同应力场软弱围岩隧道施工力学特征的数值分析

岩体内部的初始应力及隧道开挖后的围岩应力是隧道工程的关键影响因素,为了更全面地了解不同应力场软弱围岩公路隧道施工的力学特征,建立有效的有限元模型,采用不同加载方式,模拟不同应力场,对软弱围岩公路隧道施工过程中隧道围岩位移和应力变化特征及其影响范围进行了详细分析,并对衬砌结构的受力特征进行深入研究.结果表明:不同应力场决定了隧道施工过程中围岩塑性区的大小和位置,这也就决定了隧道施工中重点监控的位置;在不同应力场隧道开挖完成后,拱上20 m水平面围岩竖向位移、拱上中心线围岩竖向位移及仰拱底围岩竖向位移随着侧压力系数的减小而明显增大,拱腰处围岩水平位移则随着侧压力系数的减小而明显减小;应力场对衬砌结构的内力影响很大.     

隧道洞口段的抗震设防长度

运用Newmark隐式时间积分有限元法并采用粘-弹性人工边界,进行了隧道三维地震反应分析。在不同的围岩材料、衬砌类型情况下,分析了隧道洞口段衬砌应力和位移沿隧道轴线方向的变化规律以及采取注浆加固围岩方法的减震效果。计算结果表明:抗震设防长度主要与洞口段围岩性质有关,洞口段松软、破碎的围岩越长,隧道的设防长度就越长;隧道的断面形式以及洞口段临空面的存在与隧道的设防长度关系不大;在地震荷载作用下,洞口段隧道衬砌产生了很大的轴向应力;可采用注浆加固洞口段围岩的方法减小洞口段衬砌的应力和位移。     

高烈度地震区冻土公路隧道结构动力特性研究

为揭示高烈度地震区冻土公路隧道震动特性,借助有限元软件分别研究了多年冻土隧道在全冻、1～10m融化圈以及季节性冻土隧道在全融、1～10m冻结圈状态下,围岩与结构地震加速度、位移等动力时程响应特性。结果表明:多年冻土隧道随着融化圈深度的增加,地表及洞顶的地震加速度、位移响应均逐渐增大。融化圈为1m时地震影响最小,与全冻结状态下相比,洞顶加速度减小约9%,洞顶位移减小约22%,即适当厚度的融化圈具有一定的减震作用;季节性冻土隧道随着冻结深度的增加,地表及洞顶的地震加速度、位移响应均逐渐减小。冻结深度为10m时,地表及洞顶加速度达到最小值,全融状态下,地表及洞顶加速度达到最大值。此外,全冻状态下地表及洞顶位移小于全融状态,即全冻状态下地震作用时,破坏作用较全融状态下小。     

正断层下隧道结构受力特征及设防长度研究

以乌鲁木齐市跨活动断层轨道交通1号线地铁隧道为研究对象，根据活动断裂带近场区几何学特征与运动学特征并结合区域地震构造条件，采用理论分析和数值模拟综合方法，针对活动正断层粘滑错动下隧道衬砌结构在不同因素条件时的纵向力学响应，系统计算分析了整体式隧道衬砌结构纵向应变、主应力、裂缝和围岩-初期支护附加接触力等分布规律。结果表明:结构埋深从10 m增至20 m，隧道结构设防范围无明显变化；断层倾角从60°增至80°，隧道结构设防范围逐渐减小。     

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。