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。     

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。     

富水深埋隧道围岩渗透扰动高度计算方法研究

针对深埋富水隧道排水过程对周边围岩渗流场扰动问题,首先,采用数值模拟方法,探明隧道排水条件下围岩渗流场分布规律,提出围岩渗流扰动高度概念;同时,采用控制变量法,明确不同因素(水头高度、围岩渗透系数、隧道排水率)条件下围岩渗流扰动高度变化规律;其次,采用数理拟合方法,给出围岩渗流扰动高度分段计算方法;最后,采用室内相似试验,对所提出计算方法的合理性进行验证。研究表明:1)隧道排水后会对围岩渗流场产生扰动,但渗流场扰动范围仅在隧道拱顶以上一定高度内存在,即围岩渗流扰动高度。2)围岩渗透系数、水头高度、隧道排水率均分别与围岩渗流扰动高度呈正相关关系,且3个因素的影响程度依次降低。3)当给定渗透系数与排水率时,围岩渗流扰动高度随水头高度变化规律呈明显2段式特征。当水头高度不大于临界水头高度时,围岩渗流扰动高度随水头高度的增大呈线性增大趋势;当水头高度大于临界水头高度时,围岩渗流扰动高度为定值,为临界围岩渗流扰动高度。4)给出围岩渗流扰动高度的数学计算表达式,并将采用所提计算方法的计算结果与室内试验结果进行对比,验证所提方法的正确性及合理性。     

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。     

寒区隧道含相变围岩传热渗流耦合数值分析

为研究寒区隧道围岩在冻融循环过程中的水-冰相变现象和渗流速率对围岩温度场分布的影响,基于COMSOL Multiphysics 多物理场分析软件,建立含相变的围岩温度场与渗流场耦合模型,通过改变模型中的渗流速率、已冻区和正冻区的边界温度Tm,对寒区隧道的围岩温度场进行数值分析。数值分析结果表明： 边界温度Tm影响正冻区的范围和不同深度处围岩水-冰相变发生的时刻,但不同的边界温度Tm对围岩温度场的影响较小; 当渗流速率高于1×10-6 m/s时,渗流速率的改变对围岩温度场具有明显影响,但当渗流速率低于1×10-6 m/s时,渗流速率的改变对围岩温度场无明显影响。因此,在地下水渗流速率较高的地区,应同时考虑水-冰相变现场和渗流速率对寒区隧道围岩温度场的影响。     

深埋高水位山岭隧道支护与衬砌外水压力分析

为保护环境并尽可能降低隧道衬砌结构所承受的水压力,深埋高水位山岭隧道一般采取堵水限排的设计原则。在隧道力学和渗流力学的基础上进行数值分析和模型试验,研究渗流应力耦合作用下支护和衬砌的力学特性。研究结果表明:对于受排水影响明显的山岭隧道,作用于初期支护上的水压力不会随排水条件的改变而发生显著变化。当排水通道从围岩与初期支护的界面转变为初期支护与二次衬砌的界面后,会导致孔隙水压力从初期支护向二次衬砌转移,初期支护产生卸载并朝向围岩变形。隧道有效排水时,二次衬砌承受的水压力可忽略。随着排水系统退化导致排水受阻时,地下水流梯度逐渐下降,有效径向应力逐渐下降,朝向隧道的径向流量减少,且围岩变形减小,二次衬砌上的水压力增大。本研究为深埋高水位山岭隧道的初期支护和二次衬砌的初步设计提供了一个合理的方法,并有助于确定地面、水和支护间的荷载传输机制。     

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。     

岩溶区运营公路隧道衬砌受力特性模型试验分析

岩溶区隧道的修建改变了原有地下水平衡,溶洞的存在会使水压力集中作用在隧道衬砌上产生集中应力,严重威胁到隧道的正常运营与安全。以广东省岩溶地区运营公路隧道为工程依托,基于室内隧道模型试验,研究岩溶区运营公路隧道在不同溶洞空间分布形态大小特征、不同节理倾角、强降雨条件下衬砌的受力特性,以隧道衬砌表面应变、孔压、土压力和衬砌周边围岩位移的试验测试数据为分析依据,得出结论:沿经过隧道衬砌中心位置走向为45°和135°的溶洞对隧道衬砌不良作用大;溶洞的直径对于隧道衬砌受力特性影响最小,其作用主要是通过与围岩节理面倾角和溶隧间距(溶洞与隧道)的组合来体现;溶洞与隧道距离约在该距离为1.5倍隧道直径时,隧道衬砌的安全性最差;围岩的节理面倾角对隧道衬砌安全性的影响较为复杂,主要表现为以围岩沿节理面方向运动发生的附加应力作用和地下水沿节理面渗流所发生的孔压调节作用。     

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。     

围岩空洞对公路隧道渗流力学特征的影响分析

以雅安至西昌高速公路土山岗2号隧道工程为依托，基于流-固耦合作用机理，运用有限差分软件FLAC3D进行数值模拟分析，探究了二次衬砌背后不同位置出现空洞情况对二次衬砌应力场、二次衬砌背后孔隙水压力以及围岩渗流场的影响规律。研究结果表明:隧道衬砌背后存在空洞时，渗流场不均匀分布，围岩孔隙水压力较无空洞状态明显减小，折减幅度与空洞位置无关。空洞处的二次衬砌主应力增大，当空洞位于隧道拱顶、拱脚位置，增加幅度最大。其衬砌结构的最大主应力位置从仰拱内侧转移到了空洞位置处。衬砌结构的最小主应力均出现在隧道拱脚内侧，未受空洞位置影响。     

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。     

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。     

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。     

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。     

平行4孔山岭隧道渗流场解析解及影响参数分析

为研究平行4孔山岭隧道渗流场,综合镜像法与叠加原理推导考虑衬砌时平行4孔隧道渗流场的解析解,将该解分别退化为单孔、双孔及3孔隧道渗流场解析解后与现有研究进行对比,并结合数值模拟计算结果,对解析解的正确性进行验证,继而讨论隧道间距、隧道相对尺寸及初期支护参数对4孔隧道涌水量及初期支护外水压力的影响规律。研究结果表明： 1）对于平行4孔隧道渗流场来说,间距变化带来的影响在相邻隧道间表现更加显著,当间距超过20倍隧道半径时则可忽略不计; 2）随着某一隧道直径的增大,该洞涌水量随之增大,其余隧道涌水量随之减小; 3）随着初期支护渗透系数的减小及其厚度的增大,隧道涌水量逐渐减小,初期支护后水压力逐渐增大,隧道间相互影响逐渐减弱。     

注浆加固对深埋富水围岩隧道开挖变形影响研究分析

注浆加固作为一种提高围岩力学性质的手段,具有堵水防渗和加固的作用,主要用在IV~V级围岩地段。文中分析了注浆对于围岩参数的影响和注浆加固后隧道孔隙水压力分布情况。依托某隧道工程,采用数值模拟的方法,从注浆圈厚度和渗透系数2个方面探讨注浆加固对围岩开挖变形的影响。结果表明:注浆加固会减小渗流影响下围岩开挖变形速度及变形量,在开挖边界一定范围内注浆加固效果比较明显,注浆圈渗透系数的大小主要影响隧道整体的固结沉降。     

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。     

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。     

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。     

铁路隧道结构计算荷载问题分析讨论

铁路隧道复合式衬砌结构的计算荷载,按有关资料建议取值存在主观操作差异,设计失之指导与规范。通过进一步分析隧道工程状态,认为应规范化区别各级围岩及其级内差异和支护强度,以体现不同围岩衬砌的受力差异和平衡同级衬砌受力水平,为合理确定结构荷载提供条件;综合新奥法和传统矿山法分析,衬砌结构“远期”都承受相当的围岩压力,经结构验算和实测压力分析比较,并参考公路隧道设计细则,确定铁路深埋隧道坍方荷载按现行公式计算,Ⅱ、Ⅲ级衬砌荷载为坍方荷载的40%; Ⅳ、Ⅴ级衬砌分别为50%和70%; Ⅱ、Ⅲ级单线衬砌可视为安全储备,当跨度增加时,应全面满足构造、工程类比和结构检算要求;各级围岩侧压力系数按规范沿用,可以此统筹当前设计。建议通过系统性实测统计分析和试验研究,为进一步完善结构设计方法提供条件。