富硫化氢隧道注碱固硫机理与数值模拟

隧道工程穿越区域性含油气地层或煤系地层经常会遇到硫化氢和瓦斯等有毒有害气体。在隧道掌子面前方围岩体内部预注碱液是从根本上去除硫化氢的方法,利用碱液与硫化氢在围岩内部发生化学反应,从而达到固硫的目的。通过分析隧道围岩气-液两相流渗流机理和渗流场-化学场耦合机理,基于Van-Genuchten模型建立考虑硫沉积条件下的围岩气-液两相流渗流场-化学场耦合运移方程,给出解耦方法和计算流程,引入碱液有效饱和度的定义并推导有效饱和度方程。通过对比分析考虑耦合与不考虑耦合条件下、不同注碱压力条件下和不同钻孔布置条件下碱液饱和度、压力和流速分布,研究了围岩注碱固硫和瓦斯抽采的运移规律。研究结果表明,在围岩渗透率较低,硫化氢浓度较高的条件下,隧道掌子面内碱液饱和度在考虑耦合作用时明显低于不考虑耦合作用,应考虑硫沉积堵塞围岩孔隙而造成孔渗结构损伤的影响。注碱压力较小时,碱液饱和度分布局限于隧道掌子面范围内,随着注碱压力的增加,碱液饱和度向隧道围岩深部扩散,碱液压力在5～10 MPa时,碱液均匀向围岩四周扩散,有利于吸收硫化氢和驱替瓦斯,应根据围岩物理力学特性,采用中、低压注入碱液,提高固硫效率。加密钻孔间距可显著提高隧道掌子面内碱液压力和流速分布,验证了同等条件下,小间距钻孔布置具有较高的渗流能力和瓦斯驱替能力,实际工程中应根据围岩地质条件,通过数值模拟和现场试验,综合对比钻孔布置的经济性与注碱固硫的效率来确定钻孔间距和数量。研究成果可为富硫化氢和瓦斯隧道的灾害治理提供参考。     

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。     

基于流-固耦合效应软弱围岩隧道CRD法开挖变形分析

以广东某高速公路弱质围岩隧道为工程背景,基于流-固耦合分析相关理论,对弱质围岩隧道CRD法开挖进行稳定性分析。运用FLAC3D软件分别在考虑渗流效应和不考虑渗流效应时,进行三维数值模拟,得到了相应的孔隙水压力和位移场变化特征,研究了渗流效应对隧道CRD法开挖过程中位移场的影响和在渗流效应下CRD法开挖隧道的变形控制。     

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。     

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。     

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。     

隧道断层突水突泥前兆信息演化规律数值模拟研究

为研究隧道穿越断层突水突泥灾害发生机制，在分析渗流诱发断层突水突泥机制的基础上，依托江西永莲隧道断层破碎带突水突泥灾害工程实例，采用数值模拟方法，建立可模拟隧道动态开挖穿越断层带过程的有限元计算模型，分析隧道开挖过程中渗流场、应力场、隧道涌水量、塑性区分布等灾害前兆信息的演化规律。研究结果表明，当掌子面接近断层时，应力场、位移场、渗流场、塑性区分布等前兆信息均发生了突变。主要表现在： 1）应力集中现象达到最大，增幅接近1倍，高应力集中极易导致隧道施工至断层附近区域围岩失稳； 2）隧道围岩位移包括拱顶沉降与拱底隆起急剧性、突变性增大； 3）渗流速度急剧增大，地下水更容易向洞内渗透，地下水对围岩的蚀溃破坏作用加大； 4）围岩塑性区范围覆盖了整个洞周范围并且屈服深度有所增加； 5）隧道开挖接近断层时极易造成突水突泥灾害，施工中应积极采取有效的防控措施。     

平行裂隙条件下水幕孔间距与压力对地下储油洞库水封性影响分析

地下水封石油储库水幕系统的布置方式及参数选取对储库的储油效果影响很大。采用数值模拟的方法建立地下水封石油储库的三维模型,分析裂隙对渗流场的影响,研究平行裂隙条件下不同间距和压力的水幕孔对水幕系统的影响。结果表明： 有裂隙存在时,水幕系统对储油洞室的影响更为明显,裂隙有利于围岩内渗流压力传递;适当缩小水幕孔间距、加大水幕孔压力,有利于形成“群孔效应”,在洞室周围形较高的稳定压力,且水幕孔压力变化引起的洞室周围压力变化较水幕孔间距明显,可优先选用加大水幕孔压力的方法来提高水幕系统的水封效果。     

存在局部破碎带条件下海底隧道渗透稳定性分析

根据渗流有限元计算方法及岩石强度折减理论,研究考虑海水渗透压力作用下,存在破碎带海底隧道围岩的流固耦合稳定性分析方法,并将此方法应用于青黄海底隧道工程,进行隧道围岩堵水和不堵水2种条件下的渗流场以及隧道的渗透稳定性计算分析。结果表明：由于破碎带的存在,海水入渗将直接导致隧道围岩范围内水头升高,渗水量增大,特别在破碎带附近产生较高的水力梯度,这使隧道的安全系数大大降低;堵水加固后,隧道的整体安全系数有所提高,围岩内渗流量明显减小,但是在堵水部位,隧道围岩的梯度有所升高,所以应该加大堵水部位围岩的支护强度。并讨论海底隧道设计中渗透压力梯度的考虑及堵水加固措施的选择。     

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。     

基于正交试验的瓦斯隧道施工通风方案优化研究

为提高瓦斯隧道施工通风效率,改善隧道内的工作环境,以城开高速鸡鸣隧道为研究对象,考虑掌子面与二次衬砌间距(X)、风筒直径(Y)、出风口与掌子面距离(Z)3个因素,运用fluent进行正交试验数值模拟研究,分析以上3个因素对通风效果的影响,并确定最有利于瓦斯气体排出的通风设施布置方案.研究结果表明:由极差分析及方差分析结果可知,3个因素各自水平间的变化对通风效果的影响程度依次为掌子面与二次衬砌间距、出风口与掌子面距离、风简直径;最优通风方案中X、Y、Z等3个因素的水平值分别为50 m、1.0m和20 m;隧道沿程中流场结构分为涡流区、涡流影响区和稳定区,其中涡流区对瓦斯气体的排除起着最主要的阻碍作用,稳定区几乎不影响瓦斯气体的运动,涡流影响区对瓦斯气体的运动有较小影响,因此瓦斯气体浓度在隧道沿程的变化是先减小,再略微升高,最后趋于稳定;横断面处,回风侧瓦斯浓度高于进风侧,并且回风侧隧道边壁及底角处瓦斯气体集中现象较为明显,实际施工过程中应该加强对该两个区域内瓦斯浓度的监测.     

公路隧道开挖渗流场的有限差分法分析

由于隧道的开挖,使地下水的排泄有了新的通道,破坏了原有的补给循环系统,也加剧了地下水对围岩岩体的作用效果。该文结合江西省景婺黄(常)高速公路新建隧道工程,根据隧道现场的工程地质条件与隧道的设计参数建立模型,利用有限差分软件FLAC3D流固耦合模块对隧道开挖进行研究,分析在饱水状况下隧道开挖过程中渗流场的分布、围岩稳定性以及围岩变形情况,模拟计算结果对于裂隙发育、富水地层隧道稳定性设计、防排水设计与施工具有一定的指导意义。     

富水区城市公路隧道中隔壁法各开挖步力学特征研究

以深圳东部过境高速公路连接线工程为依托,基于应力场-渗流场耦合的数值模拟方法,研究富水区城市公路隧道中隔壁法各开挖步力学特征。结果表明:中隔壁法各开挖步骤的围岩主应力变化特征明显,隧道目标面围岩总体受压,在隧道两侧拱腰至拱脚处存在较为明显的压应力集中现象,而拱底及掌子面则出现少量拉应力集中;不同开挖步拱脚处初期支护应力最大,拱腰、拱肩和拱顶处应力量值较为接近,而拱底处应力最小;初期支护受力随隧道开挖进程变化幅度较小,初期支护具有一定的安全储备;各径向特征点水压力均呈现从注浆圈外侧至初期支护外侧逐渐减小的趋势,而各环向特征点水压力由拱顶至拱底逐渐增大;对于作用于初期支护上的水压力值,数值计算结果稍大于不考虑开挖影响的理论预测值,表明中隔壁法隧道施工各开挖步对衬砌背后水压力大小及分布规律有一定影响。     

隧道开挖流体-固体耦合分析在复杂断裂岩体中的应用

基于某隧道工程,通过建立模型,研究了隧道开挖流体-固体耦合分析在断裂岩体中的应用。结果表明,在左隧道开挖后,围岩应力分布特征改变明显,应力距离隧道边缘越远变化越小,在洞半径约6倍以外的岩体,应力分布特征恢复到初始应力状态。在隧道拱顶,有较大沉降位移产生,拱腰水平收敛位移较大,拱底隆起变形较大。位移离洞边缘越近,变形越大,离洞边缘越远变形越小,围岩位移基于隧道中线为对称轴呈对称分布。与应力场作用下的应力相比,耦合作用下临近隧道围岩的应力高出约0~2.4 MPa,拱底处的应力要高出0~0.89 MPa。在耦合作用下,隧道洞周位移要大于应力场下的位移,在地下水渗流过程中,应力场发生明显的变化。在渗流场和流固耦合作用下,隧道水头分布情况基本一致,渗流场受应力场影响较小。     

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。     

不同倾角的破碎带对隧道围岩稳定性影响

针对工程中具有破碎带的隧道存在饱水的实际情况,基于流固耦合理论,利用有限差分法软件Flac,对含有破碎带的隧道围岩在饱水条件下的开挖稳定性进行分析。通过考虑流固耦合效应,得到不同倾角的破碎带在开挖前后的渗流场特性、主应力特性和塑性区特性等结果,并在此基础上分析了地下水的存在对隧道围岩稳定性的影响。研究结果表明:随着破碎带倾角的增大,使围岩加速破坏,塑性区的范围也逐渐扩展,说明形成不稳定围岩的区域也在扩大。通过渗水模型试验对存在破碎带的围岩在饱水情况下隧道失稳的过程进行演示,揭示围岩破坏的机理。研究成果可为富水地层条件下含破碎带的隧道工程开挖设计提供了理论参考。     

断面尺寸对高瓦斯隧道围岩稳定性的影响分析

随着科技的进步和施工技术的不断革新,在复杂地质条件下建设隧道工程便成为可能,且公路隧道或铁路隧道穿过煤层的情况也越来越多。由于煤层中可能存在高瓦斯压力,故隧道施工可能诱发瓦斯灾害,其严重威胁隧道施工安全。以某铁路隧道为依托,利用FLAC3D软件建立模型,研究断面尺寸对高瓦斯隧道围岩稳定性的影响。研究结果表明:随着隧道开挖断面尺寸的增加,瓦斯气体的渗流速度越大,掌子面前方围岩中塑性区就越接近煤层,发生瓦斯突出的风险也就越高。     

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。     

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。     

凿岩台车采用长短眼配套控制隧道超挖技术

为有效降低施工成本，减小钻爆法隧道超挖量，提高钻爆施工技术及改进施工工艺，通过研究凿岩台车作业模式，分析得出凿岩台车进行隧道钻爆开挖时，由于受台车钻臂结构影响以及现场视线不清、视距较远等，钻凿周边眼时外插角不易控制，产生的隧道超挖往往较大。结合工程实践，通过对比凿岩台车在初期支护紧跟掌子面及不紧跟掌子面等不同施工工况下长短孔配套施工产生的超挖量，得出在保证施工安全的前提下，保留一定长度的隧道不进行初期支护施工钻孔，并采用长短孔配套钻孔爆破技术，可有效控制凿岩台车钻爆时隧道的超挖量。研究结果表明： 采用长短孔配套钻孔时，Ⅱ、Ⅲ级围岩，Ⅳ级围岩，Ⅴ级围岩相比类似条件只采用长眼时的最大超挖量分别减少约12、19.5、21.5 cm。