青岛海底隧道围岩应力场与渗流场相互作用数值模拟

青岛海底隧道工程海域段穿越断裂破碎带,岩体呈碎裂结构,岩质软硬不均。为对岩体渗流场与洞周围岩开挖二次应力场二者间进行相互作用分析,应用非线性有限元程序ABAQUS检算施工期海底隧道开挖和衬护结构施作后,围岩体渗流场与隧道开挖二次应力场间的相互作用,得出围岩体渗流场、应力场的分布规律、洞周围岩塑性区的分布和范围,为海底隧道工程提供设计、施工依据。     

富水断层隧道突水突泥注浆治理关键技术研究

突水突泥是隧道富水断层地段施工常发生的地质灾害,注浆是灾害治理的重要技术方法。注浆工程隐蔽性强,控制浆液在加固区范围内有效扩散是灾害治理的关键。依托永莲隧道断层突水突泥治理实例,提出了注浆治理关键技术体系,包含整体、细部结合,精细化探测地质信息;采用引排泄压、注浆材料复合使用、注浆压力梯度控制和隐伏高压泥水腔体定域注浆等进行控制性注浆;综合应用注浆参数分析、检查孔分析、钻孔雷达探测技术和数值计算,全面地检查评估注浆效果。开挖和监测结果表明,注浆治理关键技术体系实现了隧道断层突水突泥的有效治理,有一定的工程参考借鉴意义。     

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。     

隧道穿越富水断层隔水岩体冲切剪切破坏研究

隧道在修建过程中不可避免会遇到富水断层等不良地质情况，极易引发突水突泥灾害，若能提前预测隔水岩体的最小安全厚度,则能有效避免灾害的发生。首先，以隧道穿越富水断层为背景，提出冲切剪切破坏模式的隔水岩体计算模型，得到最小安全厚度计算公式并进行影响因素分析； 然后，采用FLAC3D软件建立三维数值模型，确定最小安全厚度的模拟解,并与理论解进行对比；最后，将计算公式应用于永莲隧道以验证其适用性。结果表明： 1）最小安全厚度随断层宽度、隧道半径、水头高度的增大而增大，随断层倾角、隔水岩体内摩擦角及黏聚力的增大而减小； 2）模拟解与理论解较为吻合，且模拟得到掌子面附近围岩的移动态势与理论模型假定的破坏体运动方向一致； 3）计算公式能较为准确地预测隧道穿越富水断层时的隔水岩体最小安全厚度。     

基于离散单元法隧道开挖裂隙扩张及渗流特性预测

德江隧道穿越石朝向斜轴部,上覆岩溶地下水发育,顶板最小厚度45 m,隧道开挖可能会导致隧道顶板裂隙扩张及渗透性增大,将对隧道顶板隔水能力及隧道涌突水产生巨大影响,采用二维离散元数值模拟软件UDEC模拟德江隧道开挖裂隙扩张规律、渗流场分布及涌突水特征。研究得到:(1)德江隧道开挖将导致隧道拱顶以上50 m内裂隙扩张,渗透性增大;(2)数值模拟得到隧道开挖后最大涌水压力为0.25 MPa,最大流量为0.035 m~3/s,最大值均出现在拱顶,但远小于2.1 MPa汛季水头值,所以顶板仍然具有隔水能力,不会发生突水;(3)隧道开挖将经历应力重分布及裂隙扩张阶段、流固耦合作用阶段、隧道涌水3个阶段;(4)耦合算法模拟汛季开挖、枯季开挖隧道的拱顶位移值均比不考虑地下水的非耦合算法模拟位移值3.2cm大,说明渗流对围岩稳定性具有很大影响。     

武广客专某隧道涌水突泥成因及整治措施研究

武广客运专线某隧道出口工区开挖至DK2081+097时,遇一张性断层,发生较大规模的涌水突泥灾害。分析认为该隧道穿越的张性断裂中充填较多的断层角砾、砂、黏性土等,为地下水良好的贮藏及运移通道,隧道开挖后即形成集水廊道,破坏了原有的地下水平衡系统,从而引起大量地下水携带沉积于张性断裂中的粉细砂、黏性土、粉土夹碎块石等涌入隧道。针对涌水突泥的成因,采用了对充填于断层裂隙中的砂、土进行封堵,对地下水采用堵排结合的综合整治措施。     

注浆压力作用下隧道围岩变形规律与安全控制

注浆是隧道围岩加固与涌水封堵的主要技术手段,当围岩较为破碎且自稳能力较差时,注浆过程中若采取了不合适的注浆压力,极易造成围岩大变形甚至塌方等次生灾害。基于渗流-应力耦合理论,选取典型隧道开挖断面,建立注浆作用下渗流场与应力场数学模型,运用COMSOL多物理场耦合软件分析注浆过程中注浆压力作用下隧道围岩的变形规律。结果表明,围岩等级为Ⅴ时,注浆过程中注浆压力不断向隧道周围地层中扩散与传递,渗流场、应力场分布随注浆孔深度增加呈现衰减趋势; 随着注浆压力的提高,应力发生急剧变化,并不断地向围岩深部转移; 注浆初期,围岩变形速率急剧上升,注浆后期围岩变形速率下降,且变形量趋于稳定。依托具体工程实例,提出了合理选择注浆压力的控制技术,保证了围岩的稳定和安全。     

考虑质量迁移的全风化花岗岩隧道突水突泥试验

为研究全风化花岗岩隧道突水突泥变质量渗流特征及灾害演化机理,自行设计了一套可考虑质量迁移及三向应力状态的大型室内突水突泥试验系统。该试验系统主要由加载系统、渗流系统、泥水回收系统组成,具备模拟地层三向应力状态的特点,且设计的渗流系统能较好地模拟颗粒迁移特性。利用该装置系统开展不同水压力及围压下的突水突泥演化试验。结果表明：①全风化花岗岩隧道突水突泥灾害演化是渗流-侵蚀强耦合过程,岩体颗粒在水力作用下发生侵蚀流失,致使岩体孔隙、渗透率增长,进而再次加快颗粒迁移,促使涌水量不断增长;同时,随颗粒物不断迁移,水流流态可能由线性流向非线性流发生突变,最终诱发突水突泥灾害。即,颗粒迁移是突水突泥演化的内因,水流流态的转换是灾变的关键;②突水突泥灾变风险随水压力增加而增加,特别是当水压力达到0.6 MPa时,颗粒流失量达到总质量的11%,涌水量更达到395.84 mL·min^-1,是低压力（0.4 MPa）条件下的4.3倍,且水流流态也由线性流向非线性流转变,表明存在临界水压力促使灾害发生;③突水突泥灾害演化随围压加大而逐步加快,尤其是对灾害演化的初始阶段,表征围压的增长显著加快灾害的初始演化速率并缩减灾害预防时间,因此在高围压环境下须重点监测初期的渗流侵蚀特性。     

断面形状对隧洞围岩位移和应力的影响分析

采用FLAC3D软件分析了圆形断面、矩形断面、直墙式断面和曲墙式断面形状隧道开挖在III级围岩中的位移和应力集中分布规律。圆形断面隧洞围岩位移最小,应力集中系数最小,塑性区厚度最小,应力集中系数最大点距洞面的距离最大,即支护结构受到的围岩压力最小;与圆形断面隧洞相比,曲墙式隧洞围岩位移、应力集中程度和塑性区仅次于圆形隧洞,曲墙式断面是合理的隧洞断面形式;矩形隧洞围岩位移、应力集中程度和塑性区最大;直墙式隧洞围岩位移、应力集中程度和塑性区仅比矩形隧道略小,与矩形一样,直墙式断面是不利的隧洞断面形式。     

流固耦合下的软弱围岩隧道施工工法优化研究

CRD法和双侧壁导坑法在无水条件下对隧道围岩稳定性有很好的控制效果,但是在流固耦合条件下的软弱围岩环境,两种工法对围岩稳定性的影响不同。以内蒙古金盆湾公路隧道为依托,采用差分软件FLAC3D,在流固耦合效应情况下,对深埋隧道进行两种工法开挖模拟,对隧道关键点进行监测,分析开挖过程中的渗流变化、拱顶沉降、地表沉降、应力分布和塑性区。计算结果表明:两种工法开挖后软弱围岩呈现大面积的X形剪切带。双侧壁导坑法对渗流场影响较小,拱顶位移和地表沉降为CRD法的63%左右,且在开挖过程中拱顶最大最小主应力较小,但在导坑钢架与初期支护连接处易出现较大拉应力集中,塑性区面积小于CRD法,综合表明更有利于围岩稳定性。     

大型三维地质力学模型试验系统研制及其应用研究

为研究泥灰岩隧道开挖诱发突涌水灾害机制及信息演化规律，以兰州至海口国家高速公路秦峪隧道为工程依托，研制泥灰岩隧道围岩相似材料，研发大型隧道突涌水三维地质力学模型试验系统。该系统可实现低频周期循环加卸载、数据自动化采集，可提供稳定水压加载，基于Python编程语言开发了隧道突涌水灾害预警系统，在此基础上开展泥灰岩隧道突涌水灾害演化过程模型试验。研究结果表明： 1）隧道开挖扰动会破坏围岩压力与渗透水压力之间的平衡，致使隔水围岩内产生微裂隙并扩展贯通，进而发生突涌水现象； 2）当发生突涌水现象时，隔水围岩压力、渗透水压力及位移均会发生明显的突变现象，围岩压力及渗透水压力最大释放率分别为18.6%、73.35%，最大位移量为0.18 mm； 3）泥灰岩相似材料能够较好地满足试验需求，证明了隧道突涌水三维地质力学模型试验系统的稳定性及可靠性。     

地铁暗挖隧道断层破碎带突水涌砂原因分析及处治技术

青岛黄岛区某地铁区间隧道穿越断层破碎带时发生突水涌砂地质灾害,为保证隧道施工安全及后续顺利开挖,对富水断层破碎带突水涌砂原因及力学形成过程进行分析。富水断层破碎带稳定性差,未进行有效加固,在开挖卸荷和爆破扰动双重作用下,岩体防突水层厚度超过临界状态,进而导致掌子面发生突水涌砂。考虑到地铁暗挖隧道施工空间狭小、材料运输不便等特点,采用以地表模袋注浆为主、洞内堵水注浆为辅的综合处治措施。结果表明:注浆加固后的掌子面湿润无流动水,浆脉清晰可见,渗漏水量小于1.5 L/(min·m),渗流通道得到有效封堵,保证隧道顺利通过突水涌砂段。     

铁路隧道疑难工程地质问题分析——以30多座典型隧道工程为例

以30多座在施工中发生与地质因素有关的工程事件为例,归纳为15类疑难工程地质问题： 高压富水岩溶、软弱围岩大变形、太古界硬质变质岩大变形、侵入岩脉蚀变风化破碎岩体塌方和突泥、富水逆掩断层破碎带大规模突泥、层状地层大规模顺层塌方、中更新统老黄土崩塌、新第三系地层突泥涌砂、泥岩页岩可燃气体燃烧和爆炸、白云岩剪涨裂缝突砂涌砂、岩溶地面沉降、含石膏地层围岩变形、断层破碎带与软岩层面组合围岩变形、新第三系粉质黏土岩（土）垂直节理坍塌变形及石英砂岩断层破碎带突水涌砂。分析各类疑难工程地质问题发生的原因,总结其工程地质特征。针对高压富水岩溶的分类、断层破碎带突水涌砂和大变形问题、高压地下水的防治、高位选线、大变形及大变形分级标准、挤压大变形和卸荷大变形、隧道顺层偏压构造的危害、5种围岩变形失稳类型的特征对比、隧道围岩压力现场实测、岩溶地面塌陷、Q2老黄土和N2黏土层垂直节理渗水崩塌、N2弱胶结地层“流变”、石膏地层隧道衬砌开裂以及非煤系地层的可燃气等14类问题进行讨论,并从依法合规性、地质不确定性、专项地质工作、工程劣质岩、修订围岩分级和纳入规范等方面提出6条建议。     

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。     

考虑水影响的关角隧道断层区围岩亚分级研究

在断裂构造发育区段围岩情况变化频繁,如何根据现场揭露的围岩情况采取相应的支护措施防止坍塌和大变形是这类区段施工的难点。以关角隧道断层区隧道施工为研究对象,对有水和无水条件下的支护结构受力进行了计算。计算结果表明围岩越差,在有水和无水时,衬砌内力相差越大,即恶化越严重。结合该工区围岩特征、受断层影响情况和地下水发育情况将关角隧道断层区围岩等级划分为Ⅳ1、Ⅳ2、Ⅴ1、Ⅴ2级,提出了相应的现场定性判别标准。为了应对断层区围岩可能发生坍塌、大变形,同时应对的工法转换带来的设备、工序变化,加快断层破碎带区段的施工进度,结合断层区围岩亚分级提出对应的开挖方法为上下台阶和上下台阶预留核心土法。     

基于对数应变考虑渗流影响的软弱围岩圆形隧洞弹塑性解

为求解发生大变形时软弱围岩圆形隧洞的应力和位移，基于三剪应力统一强度理论和拉格朗日坐标下的对数应变，通过考虑施工期、运行期和检修期3种工况下主应力顺序以及渗流等影响，推导理想弹塑性模型软弱围岩的弹塑性解，并分析弹性模量、泊松比、孔隙水压力和强度准则4个参数对塑性区厚度和洞壁处径向位移的影响。研究结果表明： 1）施工期围岩塑性区厚度随弹性模量的增大呈现先增大后逐渐趋于一个稳定值（小应变解），而运行期围岩塑性区厚度随弹性模量的增大呈现逐渐减小后逐渐趋于一个稳定值（小应变解），洞壁处径向位移在施工期和运行期2种工况下均随弹性模量的增大逐渐减小； 2）施工期和运行期围岩塑性区厚度随泊松比增大几乎无影响，而洞壁处径向位移随泊松比增大呈线性增大； 3）施工期围岩塑性区厚度和洞壁处径向位移随孔隙水压力的增大而增大，而运行期围岩塑性区厚度和洞壁处径向位移随孔隙水压力的增大而减小； 4）不同强度准则下的塑性区厚度和洞壁处径向位移变化显著； 5）检修期围岩塑性区厚度和洞壁处径向位移变化规律与施工期类似。对于发生大变形的软弱围岩圆形隧洞，推导的弹塑性解与小应变解明显不同。     

裂隙岩体中渗流作用对隧道围岩稳定性的影响分析

隧道穿越节理裂隙发育地质环境时，水压力以及节理裂隙发育程度会对开挖后围岩的稳定性产生影响。以某隧道为工程背景，运用离散元理论，考虑流固耦合作用，分析了水位高度和节理法向刚度对隧道开挖后洞周位移收敛、围岩剪应力及塑性区、支护结构受力的影响。计算结果表明:在一定范围内，水位高度和节理法向刚度越大，围岩塑性区的范围越小，衬砌结构受到的内力越小，隧道越安全。     

岩溶隧道断续节理掌子面突水判据及灾变过程

为了给岩溶区隧道掌子面突水灾害的预警与防治提供理论支持,针对岩溶隧道掌子面断续节理防突岩体,从断裂力学角度分析了地应力和岩溶水压力等自然营造力作用下断续裂纹的压剪起裂属性以及分支裂纹尖端应力强度因子随水压和支裂纹扩展长度的变化规律,推导了断续节理岩体发生轴向张拉贯通破坏突水的临界水压力。运用两带理论和推导的临界水压力公式,建立了基于最小安全厚度的岩溶隧道掌子面断续节理防突层失稳突水判据,并分析了掌子面前伏岩溶水压力、断续主裂纹长度、断续裂纹排距及裂纹与最大主应力夹角等对防突层最小安全厚度的影响规律。采用可考虑流固耦合效应和岩体结构特征的三维离散元数值分析方法,研究了岩溶隧道近接前方高压富水溶腔顺序开挖中掌子面防突层岩体位移场、渗流场等演化规律及其临突特征。数值模拟结果表明：随着岩溶掌子面的不断推进,掌子面防突层岩体挤出位移逐渐由单一卸荷引起向卸荷和前伏岩溶水压共同影响过渡;掌子面各测点位移及位移增加幅度均持续增大;掌子面挤出位移和掌子面水流速度在突水通道即将形成时出现激增和突升现象,具有明显的突水前兆特征。