大瑶山1号隧道下穿水库段衬砌结构设计研究

大瑶山一号隧道下穿水库段由于环境要求的特殊性,提出对地下水必须采用限量排放的措施。通过对隧道衬砌外水压力进行分析,得出了在进行衬砌结构验算时应考虑外水压力的存在。并利用ANSYS有限元软件针对不考虑外水压力和考虑外水压力作用情况进行分析,得出了两种情况的受力状态是完全不同的。提出了在地下水较丰富段落采用"以堵为主,限量排放"的设计思路,为类似工程建设提供借鉴。     

山岭隧道"控制排水"原则下的围岩注浆

通过对山岭隧道新的排水原则的理解,指出了要在隧道开挖前进行预注浆堵水,从而达到“控制排水”原则的目的;提出了在围岩注浆情况下隧道的两种外水荷载的概念;并分别对加固圈和衬砌结构的外水荷载进行了受力分析,分析结果表明,在现有的技术条件下,单纯的围岩注浆,虽然可以达到堵水的目的,但并不能保证衬砌结构的安全,还必须采取“小排”的方式,排除衬砌背后多余的水,以消除衬砌背后的外水压力。     

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。     

深圳某富水围岩大跨隧道防排水体系分析

近年来,大量地下工程修建在富水地层中,有效的防排水体系设计是保障此类隧道修建和运营安全的关键因素。为了研究限排敏感区域的防排水体系适用性,以在建的深圳东部过境高速公路连接线工程为依托,在考虑分区防水初步设计的基础上,利用有限元软件精细化三维建模计算,比选了隧道全排水、不排水、全包-限量排放防水、半包-限量排放防水等4个设计方案。计算结果验证了在富水围岩地区采用全包限量排放防水的可行性,总结了4种不同防排水方案水压力分布规律,提出了适用于现场工程的注浆圈控制渗透系数,注浆圈施工范围,排水盲管间距、衬砌外水压力折减系数等防排水系统设计关键参数。     

富水大断面公路隧道水压模型试验及衬砌结构力学行为研究

为研究隧道衬砌在围岩压力及外水压力综合作用下的受力特征、结构安全性及破坏过程,采用自制的均匀水压模拟加载装置及隧道地层复合试验台架,实现对围岩压力及外水压力的分别控制加载,完成在深埋条件下不同外水压力作用下衬砌结构受力模型试验。运用ANSYS有限元软件分阶段计算衬砌在水土压力作用下的受力特征,计算各部分安全系数,并与试验结果对比分析。研究表明：采用抽真空的方法模拟外水压力时,外水压力值越大,试验结果越接近真实情况,当外水压力达到150 kPa时,其差值可控制在5%以内;在外水压力及围岩压力的作用下,墙脚及拱底分别受最大正弯矩及最大负弯矩作用,且安全系数较其他位置小;随着外水压力的增大,衬砌所受的轴力及弯矩持续增大,且增大速率基本呈线性,其中墙脚位置增长速率最快;随着荷载的增大衬砌结构墙脚最先发生破坏,墙脚裂缝发展导致衬砌结构应力重分布,最终引起拱底开裂;墙脚的裂缝导致墙脚处承受的正弯矩不断减小,拱底承受的负弯矩不断增大,安全系数不断减小;当墙脚的裂缝宽度发展至1.5~2.0 mm时,试验数据及数值模拟结果计算所得拱底安全系数降低至1.5左右,拱底不再满足承载要求,与试验中衬砌的开裂行为相吻合。所提出的模型试验方案可为类似模型试验提供参考,研究成果可为富水大断面公路隧道的设计及安全评估提供依据。     

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。     

公路隧道外水压力的相似模型试验研究

针对确定公路隧道衬砌外水压力的技术难题,利用自行设计的模型试验装置,采用相似理论,进行了38组工况试验。试验主要研究了水头高度、渗透系数、隧道排放量以及组合排放系统等因素与外水压力和折减系数的关系。通过对相似准则的分析得出,进行工程类比时应注意水头高度的相似关系为平方关系。试验结果表明:水头高度越小、隧道排放量越大、围岩渗透系数越小,隧道外水压力则越小;无论隧道是否完全封堵,只要周边存在排水点,且隧道在其渗流影响的范围之内,隧道外水压力就可折减。此外,深入分析组合排放系统的试验结果,提出了对于隧道周边富水洞穴应采用"复合回填"的处治方式的理念。最后指出,采用这种相似模型试验确定的外水压力是岩石隧道外水压力的上限值。     

条石衬砌公路隧道病害检测及安全性评估

采用地质雷达对白岭窟隧道条石衬砌壁后空洞病害进行了检测,基本探明了该隧道壁后空洞的分布形态和分布规律。根据病害检测结果,开展了不同空洞组合、不同围岩特性、特定位置不同外水压力、不同衬砌厚度等条件下衬砌的内力有限元分析,并对衬砌结构进行了整体抗拉(压)强度检算、偏心距检算以及条石衬砌灰缝局部抗拉和抗剪验算,继而对隧道的整体安全性进行了评估。     

浅谈隧道衬砌水荷载问题

关于处在渗流场中的隧道衬砌所受的水荷载,不同的规范有着不同的规定,有的按静水压力来计算,忽略渗流的影响;有的则认为因为隧道的排水消除了作用在衬砌上的外水压力,所以结构不受水荷载作用;有的则比较折中,将静水压力乘上一个折减系数作为作用在衬砌外边线上的计算水压力。为了明确水荷载概念,根据笔者的实际经验,对衬砌在不同透水性的情况下所受到的水荷载进行分析。从而进一步明确作用于衬砌背后的水荷载问题及其变化规律。     

富水隧道施工期及运营期衬砌结构力学特性研究

以米亚罗3号隧道为依托工程,首先通过现场实测应力监测数据,对米亚罗3号隧道施工期支护结构应力的演变规律进行了分析研究;然后进一步借助数值分析软件,对不同初始水头高度下,米亚罗3号隧道运营期间围岩和衬砌结构的力学特征进行了研究。应力监测结果表明:隧道上台阶开挖后,拱顶和拱肩处的围岩-初支接触压力、钢拱架应力和外水压力迅速增大,约在30~40d后趋于稳定;下台阶开挖后,拱腰处的接触压力、钢拱架应力和外水压力快速增长,约在30~50d后趋于稳定;随着下台阶的开挖,拱肩处的围岩-初支接触压力再度缓慢增长,而钢拱架应力则明显下降;二衬施作后,其内力快速增长,并在20d后趋于稳定。数值模拟结果表明:当初始水头高度增加时,运营期间米亚罗3号隧道的洞周位移、二衬内力和外水压力均成一定比例的增加;隧道变形主要为竖直和水平方向的挤压变形,最大位移发生在拱底;相对于无地下水的情况,地下水的存在会影响衬砌弯矩分布,导致弯矩最大截面从拱顶转移至拱脚;衬砌所受外水压力在拱底处最小,其余部位分布较为均匀;随着初始水头的增大,拱腰和拱脚背后围岩的塑性区范围会明显增加。     

高水压富水隧道地下水控制技术探讨

高水压富水隧道施工中地下水的作用容易引发涌水突泥和坍塌,造成施工安全事故和破坏周围环境,甚至给运营带来安全隐患。文章通过理论公式、工程案例及规范规定等方面的分析,主要探讨了2方面的内容:1)通过分析地下水的渗流规律,从地层加固和止水、限排降压、抗水压衬砌等方面介绍了隧道涌水量和水压力;2)隧道排水量分级、水中泥砂含量及粒径控制问题,提出了一些控制参数和标准。并以中天山隧道为例,介绍了高水压富水区的地下水控制,促进高水压富水隧道的设计和施工水平的进一步提高,并供类似工程参考。     

漫谈矿山法隧道技术第十四讲——隧道涌水及其控制方法

分析制定隧道控制地下水对策的基本观点:既要考虑隧道施工对地下水的影响,也要考虑地下水对隧道施工的影响。指出控制地下水的对策必须符合3个条件:1)确保施工作业安全、顺利地开展;2)不对周边环境产生有害的影响;3)以合理的工费和工期来实现。隧道涌水视其发生位置、涌水量、发生时期、涌水量的历时变化等是各种各样的,应对隧道涌水进行合理分类,以便有的放矢地采取相应的对策。介绍了日本统计的地质构造和涌水现象的分类。涌水处理应达到3个基本目标:1)确保隧道施工在无水的条件下进行,或者是在可以接受的渗漏水条件下进行,或者是在对周边环境"可接受干扰"的条件下进行;2)二次衬砌原则上不承受水压作用,不得已时把水压控制在二次衬砌容许的范围内;3)运营中的隧道洞内不能成为地下水流经的通道,隧道衬砌背后必须形成一个纵横交错的、不易堵塞的、通畅的排水系统。达到上述目标的基本方法是:充分利用和提高围岩的隔水性能,合理地处理好"排"与"堵"的关系。针对涌水处理的3个基本目标,分别介绍了国内外相应的经验和措施。1)一些国家的指南、标准对隧道的涌水量进行了分级,认为涌水量≤2.5 L/(min·m)时基本上可以认为是在无水条件下施工;一般的线状流水、经常涌水可以用自然排水法排水;而针对突发大量涌水,则需要采取特殊的地下水对策予以解决。2)按照二次衬砌是否承受水压,隧道可分为3种情况:1衬砌不承受水压,即所谓的完全排水型隧道;2衬砌承受全部水压,即所谓的非排水型(防水型)隧道;3衬砌背后设置注浆域,分担衬砌承受的水压,衬砌只承受部分容许的水压。从目前的隧道设计实际来看,在山岭隧道中多数采用方案1,在城市隧道中多数采用方案2,在高水压和突发大量涌水的极端情况下采用方案3。介绍了日本、美国的设计经验。3)我国铁路隧道采用把地下水引入隧道,再从洞内两侧边墙附近设置的排水沟排出地下水的做法是值得商榷的;特别是在可能发生冻害的地区,更不可取。在国外,日本、德国、法国等国家的铁路、公路隧道基本上是把中央排水管设置在仰拱内或仰拱下方,而在隧道两侧只留有用于排出流入隧道内的雨水或隧道清洗水的排水沟;因此,建议立项研究取消洞内排水沟,设置中央或两侧脚部排水管的问题。最后指出,实现涌水处理的3个基本目标我们尚需努力,特别是"目标"的定位问题,尚需进行基础性的研究才能解决。在隧道施工中,涌水是不可避免的、客观存在的现象,我们积累的经验非常丰富,但缺乏系统的、认真的总结和归纳。     

京珠高速公路洋碰隧道水害原因分析及安全性评价

针对降雨引发的岩溶地区隧道水害影响隧道运营安全问题,以京珠高速公路洋碰隧道为例,通过地质勘探与水连通试验,探明隧址区不良地质情况与水连通特性,采用数值仿真方法探究雨后高水压下隧道结构应力场、渗流场的特征规律,并结合病害情况提出整治措施。研究结果表明: 1)地表强降雨、地层岩溶发育、灌入式雨水下渗通道是此次水害的主要原因,而这些原因综合导致的隧道外水压力过高是病害发生的直接原因; 2)由于排水能力相对不足,地层高水头下隧道结构(尤其是隧底和拱顶)仍承受较高水压力,大幅削弱了衬砌结构安全性,易引发边墙、隧底的裂损问题; 3)采取“增设泄水廊道+地表封堵及引流+增设边墙泄水孔”的整治措施后,整治效果良好。     

复合式衬砌隧道防排水设计几个问题探讨

为了防止和减少隧道渗漏水病害,通过分析复合式衬砌隧道防排水的现状和存在的主要问题,研究隧道排水量和水压力控制值分级、上下分离的防排水体系、围岩防水能力、防水层和二次衬砌混凝土整体防水效果检验评价等,并对防排水系统的设计和参数选择提出以下建议： 1）对于采用复合式衬砌的隧道,如果能满足环境保护及使用功能要求,其全隧道排水量宜控制在1.0 m3/（m·d）〖JP〗以内,二次衬砌背后承受的水压力最大宜控制在1.0 MPa以内; 2）为了减少隧道渗漏水发生的概率,并保证隧道结构的稳定,可考虑将拱、墙防排水体系和仰拱防排水体系分开设置,拱部、侧墙部位的渗水直接排入侧沟,仰拱部位的水主要通过纵向中心排水盲管排出,当水压力高时,通过与中心排水盲管连通的横向排水管将水引入新增的侧沟,并通过在横向排水管出水口安装的阀门进行限量排放; 3）通过地面隔离墙（咬和桩）、地面注浆、洞内注浆、旋喷、超前管棚、超前管幕、施作双层衬砌等措施,阻断和减小来水通道,提高地层强度和完整性,降低隧道涌水量和衬砌背后的水压力,并降低大量排水对运营和环境的不利影响。     

深埋排水调蓄盾构隧道管片1∶1力学试验系统的研发与应用

建设深埋排水调蓄隧道是缓解城市内涝问题的最有效方法之一。深埋排水调蓄隧道管片由于其直径大、外部水土荷载大、受内水压等特点,在工程实际应用前须对其受力变形特征进行研究。提出了一种1∶1平躺式原型盾构管片力学加载方法,并建立了一套管片模型试验数据采集系统。基于该试验系统,以上海苏州河段深埋排水调蓄水隧道为例,通过单环整环试验研究了埋深增加、蓄水和排水状态下管片结构内力和变形的变化规律,建立了接头抗弯刚度与偏心距之间的关系。试验结果表明:空管状态竖向收敛和水平收敛值分别为18,20mm,满管状态竖向和水平收敛值分别为78,80mm,蓄水对管片受力变形较埋深增加影响更为明显;卸载后管片变形无法恢复到初始状态,管片整体呈现非完全弹性的特点;接头抗弯刚度受管片内力影响较大并呈现空间变异性,空管状态接头抗弯刚度约为满管接头抗弯刚度的3~6倍;抗弯刚度与偏心距近似呈反比例函数关系,正负弯矩条件下均可以划分为3个阶段。     

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。     

大相岭隧道涌水塌方处理技术

大相岭隧道是一座长大深埋隧道,裂隙水发育,部分地段涌(突)水现象严重。在施工中采用了注浆加固初期支护、引排水与注浆堵水以及仰拱、衬砌紧跟等措施,确保了施工安全。可供同类隧道地质灾害处理的借鉴和参考。