顶部溶洞水压对隧道突涌水灾害影响的数值分析

岩溶地区地质条件复杂,在隧道修建中存在溶洞突涌水安全隐患,而顶部溶洞带来的灾害性更加明显,溶洞水压是其重要影响因素。针对隧道顶部溶洞,建立数值模型,将溶洞水压作为工况因素,分析围岩中的孔隙水压力变化规律,揭示隧道开挖过程中突涌水通道的分布情况。基于数值模型中单元孔隙水压力突变最大值判断方法,溶洞与掌子面围岩达到塑性状态后,监测两者之间的单元孔隙水压力随开挖步变化速率,找出每一行单元中的最大值,从而确定不同溶洞水压下的突水通道及安全厚度。研究表明,随着顶部溶洞水压增大,突水通道距离溶洞底部由近及远,而安全厚度也随之增大。     

基于岩溶分布分析的突水风险评估模型研究

为实现岩溶突水风险评估的全过程动态修正与管理,一以岩溶发育分布规律为基础,采用半定量分析方法,估计溶洞与隧道在剖面图中的相对位置距离值,二将防突水岩层安全厚度的预测划分为初步估算、二次估计和动态测算3个阶段,每个阶段均采用有效的修正方式,不断获取更加准确且适用的防突岩层安全厚度预测数值。然后,综合考虑防突岩层安全厚度以及爆破开挖扰动深度影响,提出岩溶突水风险概率等级评价标准;通过划分突水量和溶腔高水头压强的等级,提出岩溶突水风险后果等级评价标准;并以二者为基础构建岩溶突水风险等级评估矩阵。最终,构建基于岩溶分布态势与防突岩层厚度的岩溶突水风险评估模型。通过具体工程实例检验,理论结果与实际情况相对比,验证所构建岩溶突水风险评估模型的合理性与可行性。     

不同位置充水溶洞对隧道开挖临界拱圈影响的数值分析

为揭示不同空间位置溶洞对隧道开挖拱圈的受力情况及危险程度,采用数值模拟方法,建立了分布于隧道拱顶、拱腰、边墙、拱脚及拱底的5种充水溶洞模型,在渗流模式下进行耦合收敛计算。在每一种工况下,采用全断面法模拟隧道开挖,随着开挖步的推进,溶洞与隧道间围岩逐渐达到塑性区贯通,以此时的隧道开挖拱圈为临界拱圈,并在临界拱圈均匀设置孔隙水压力监测点,分别提取各监测点在模型渗流平衡状态与开挖至临界拱圈时的孔隙水压力,计算两者孔隙水压力相对变化率。根据风险等级,将孔隙水压力相对变化率划分为红、橙、黄三级范围,最终基于数值计算结果可确定各工况的临界拱圈危险分区。该研究成果可用以指导隧道在不同空间溶洞下的合理施工和安全措施布控。     

公路隧道上覆溶洞水压影响隧道稳定性的数值模拟研究

为了研究公路隧道上覆溶洞水压对隧道稳定性的影响,通过采用MIDAS GTS/NX数值模拟软件建立了在不同水压下的星子山隧道和上覆溶洞的三维数值模拟模型。以围岩应力、位移、塑性圈和孔隙水压力为研究对象,分析隧道围岩应力场分布、隧道拱圈的位移变化、围岩塑性区及孔隙水压力特征。结果表明:围岩的最大主应力呈左右对称分布,且溶洞水压对拱圈应力的影响不大;溶洞水压越大,隧道变形越剧烈;不同水压下,最危险开挖步骤和最小安全厚度基本保持不变。     

岩溶隧道与下部溶洞间安全距离预测模型研究

为了完善现有的岩溶隧道与溶洞间安全距离预测模型,在已有的二维预测模型基础上,利用正交试验和数值模拟方法,同时对数值试验结果进行多元线性回归分析,得到包括溶洞空间形态在内的多因素共同作用下的岩溶隧道安全距离三维预测模型。该模型能够定量地预测隧道埋深、围岩水平、溶洞跨度、水平方向夹角及溶洞高跨比5个因子对隧道底板与下方溶洞之间所需安全距离的影响,进而预测所需的安全距离。最后将该预测模型用于实际工程,其结果与现场实际采用的安全距离差别不大,从而说明该模型具有一定的可靠性。     

隧道上部充水溶洞对围岩稳定性影响的数值模拟

基于隧道上方存在充水溶洞时容易对开挖造成很高的风险性,因此要预留一定的安全岩墙确保施工安全.通过数值模拟对比分析了隧道顶部正侧和上方侧向存在充水溶洞时对隧道开挖围岩稳定性的影响,计算结果表明:在自重应力作用下,隧道开挖后塑性区与充水溶洞塑性区贯通后易造成隧道涌水塌方;当隧道顶部和侧向存在充水溶洞时,如果洞径比小于1.0,建议安全岩墙的厚度应分别至少预留0.8倍隧道洞径和1.0倍隧道洞径;而洞径比大于1.0时,则安全岩墙厚度应分别至少大于1.0倍隧道洞径和1.2倍隧道洞径.     

隧道侧部溶洞形态对安全距离影响分析

桑植隧道穿越灰岩地质时在隧道侧方常出现溶洞空腔,为保证隧道施工和后期运营安全,采用有限元软件构建三维数值模型,模拟隧道侧部出现溶洞且溶洞具有不同形态对隧道与溶洞间安全距离的影响。结果显示,隧道与溶洞间安全距离与溶洞跨度成正比,且和隧道埋深近似为线性递增关系,但溶洞高跨比对安全距离的影响较复杂,与溶洞形态存在密切关系。     

不同溶洞条件对大跨隧道开挖影响敏感性分析

该文以江西萍莲高速公路莲花隧道为工程背景,首先通过数值模拟软件建立大跨隧道在不同溶洞条件下的开挖模型,分析Ⅳ级围岩段某典型断面溶洞在不同位置、不同距离和不同扁平率3种条件下,大跨隧道开挖时地表沉降和拱顶沉降的发展变化规律,获取某典型断面隧道拱顶沉降和地表沉降的累积值,然后构建溶洞在3种水平条件下隧道围岩稳定性的正交试验模型,进行不同溶洞条件对大跨隧道开挖影响敏感性分析。研究结果表明:在不同溶洞条件下,溶洞位置是影响隧道开挖围岩稳定性的主要因素,其次是溶洞离隧道的距离和扁平率大小。     

考虑岩墙厚度的大断面隧道掌子面稳定性分析

基于道吾山隧道施工过程中发生的突水灾害,建立了三维情况下掌子面前方岩墙的力学计算模型,推导了突泥突水下隧道掌子面岩墙厚度的计算公式,与极限分析上限法进行了对比分析,并对各计算参数的影响进行了分析;根据隧道已有的力学参数,计算了不同溶腔压力作用下,隧道掌子面前方岩墙的最小安全厚度;运用数值分析了不同岩墙厚度下隧道掌子面前方溶腔的临界压力值,通过对比分析了数值模拟结果与理论计算结果,验证了这一方法对于研究隧道前方存在有压溶腔的掌子面稳定性具有一定意义。     

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。     

富水断层带隧道突水临界安全厚度预测公式研究

为预防富水断层带隧道突涌灾害,需要确定隧道突水临界安全厚度。采用数值模拟和工程验证的方法,建立考虑围岩力学和渗流参数、隧道参数和断层带参数的数值模型,并在标准工况基础上进行各因素的多水平数值试验,分析各因素对临界安全厚度的影响规律,基于多元线性回归分析建立多因素预测公式,通过6个工程实例对公式进行验证。研究结果表明:断层带围岩参数(泊松比、渗透系数和孔隙比)及普通围岩泊松比对临界安全厚度影响较小,水压、埋深、断层带厚度、隧道洞径、断层带围岩弹性模量、普通围岩参数(弹性模量和孔隙比)与临界安全厚度正相关,断层带走向及倾角、普通围岩参数(重度、内摩擦角、黏聚力和孔隙比)和断层带围岩参数(重度、内摩擦角和黏聚力)与临界安全厚度负相关;预测公式与数值模拟结果相差较小,预测公式计算结果与工程实际较符合,具有一定的工程参考价值。     

近水平岩层隧道贯通段受力机理研究

采用理论分析和数值分析相结合的方法,基于实际隧道塌方实例,利用ANSYS软件建立隧道贯通段开挖三维模型,分析水平岩层隧道在施工过程中围岩以及支护结构的受力、变形规律,同时深入分析隧道贯通段塌方产生的力学机理和地下水、爆破振动、空间效应和施工等影响因素。研究成果可为深埋隧道现场判断隧道贯通塌方起因和预测隧道塌方等提供参考。     

洞壁厚度和水压对公路隧道施工突水的影响

为了避免突水事件的发生,并保证隧道施工安全,采用有限元法,对不同溶洞条件下公路隧道的施工过程进行了数值模拟分析,结果表明:在隧道施工中,溶洞洞壁的厚度和溶洞内水压力的大小是引起岩溶突水的关键因素。     

隧道底部溶洞顶板安全厚度预测模型

以某公路岩溶隧道为背景,采用二维弹塑性有限元方法对隧道开挖进行数值模拟计算,分析隧道底部溶洞顶板安全厚度的影响因素,研究各影响因素与安全厚度的相关变化规律,并用多元回归和支持向量机方法建立能综合体现各影响因素的溶洞顶板安全厚度预测模型,从而为岩溶隧道设计施工提供一定的科学依据和指导。     

考虑Pasternak地基模型的基坑开挖诱发既有隧道纵向变形理论分析

邻近隧道进行基坑开挖会破坏周围土体平衡状态，引起既有隧道结构不均匀沉降，最终将对隧道安全运营产生不利影响。为控制基坑开挖所导致的既有隧道纵向变形，基于Pasternak地基模型提出双基坑开挖引起邻近既有隧道纵向变形影响的两阶段简化分析方法，分析软土中双基坑开挖对隧道竖向沉降的影响。对比简化理论计算与三维有限元数值模拟，结果吻合较好，由此可得： 该简化解析法精度较高并且计算简便。此外，针对基坑侧壁与隧道轴线距离、基坑开挖深度和基坑间距等不同工况，分析双基坑平行隧道、双基坑垂直隧道、双基坑斜交隧道3种布置情况下双基坑开挖对邻近隧道竖向变形的影响，分析结果反映了隧道变形的规律。     

岩溶隧道瞬变电磁三维超前探测技术研究

针对岩溶发育地区隧道开挖时现有地质预报技术对岩溶突水较难做出准确预测的问题,设计出大断面三维多匝小回线瞬变电磁探测技术。依据岩溶发育特点,采用数值模拟方法对隧道掌子面前方25 m和50 m处不同体积富水溶洞进行模拟,研究掌子面前方不同距离和规模的低阻异常体瞬变电磁响应特征。基于数值模拟结果,在张吉怀铁路古丈隧道岩溶发育段进行探测验证,结果表明： 1）溶洞模型在二维视电阻率等值线断面图上25 m和50 m处形成闭合、视电阻值小于60 Ω·m的低阻区,低阻区与设计的模拟体的位置和范围一致; 2）大断面三维多匝小回线瞬变电磁探测三维显示结果与现场实际揭露情况基本吻合,采用该技术能够准确预报掌子面前方17~30 m、隧道两侧20 m到隧道中轴线的充泥含水溶洞。     

侧部水压充填型岩溶隧道围岩变形特征分析

结合宜万铁路大支坪隧道施工,利用FLAC如软件对侧部水压充填型岩溶隧道施工过程中的围岩变形特征进行了数值模拟研究,并与现场实测结果进行比较。计算及监测结果表明：隧道开挖后,靠近溶洞的隧道右侧向内水平位移,远大于远离溶洞的隧道左侧的水平位移,是最有可能发生围岩突水失稳的区域。     

岩溶隧道溶洞顶板安全厚度预测模型

以某岩溶隧道为背景,采用二维弹塑性有限元方法对隧道开挖进行数值模拟计算,分析了隧道底部溶洞顶板安全厚度的影响因素,研究了各影响因素与安全厚度的相关变化规律,并用多元线性回归的方法得出了一个能综合体现各影响因素的溶洞顶板安全厚度预测模型,以此确定顶板的最小安全厚度,从而为岩溶隧道设计施工提供一定的科学依据和指导.     

溶洞对隧道围岩稳定性影响的数值分析及应对措施

岩溶等不良地质情况的存在对隧道建设极易产生极大的安全隐患。为研究隧道上部既有溶洞对隧道围岩的影响,以霍永高速某隧道为工程依托,通过有限元计算软件MIDAS GTS建立起隧道结构与围岩的数值模型,着重研究了上部溶洞在不同位置及不同大小的情况下隧道衬砌的位移及应力变化特征。结果表明:溶洞对围岩位移产生了显著的影响,其中拱顶下沉的增幅最大;溶洞的半径越大,围岩所产生的变形也就越大;当溶洞半径R=2m时,随着溶洞距离的增大,剪应力并未发生任何实质性的变化;当距离L=2m时,随着溶洞半径的增大,剪应力逐渐增大。于此同时给出相应的应对策略,以降低施工及后期运营过程中的安全风险。     

基于正交设计的大断面隧道分部开挖步距敏感性研究

为了研究大断面分部开挖法隧道分部开挖步距敏感性,基于正交设计原理,通过AQAQUS有限元软件建立三维动态开挖支护数值模型,对三种大断面隧道分部开挖法:中隔壁台阶法、CRD法及CD法进行了不同开挖步距下的计算,对比研究各工况下大断面隧道施工过程中拱顶沉降、地表位移及支护结构应力变化规律,揭示不同开挖步距对大断面隧道围岩与支护结构的变形及受力状态影响规律,同时对大断面隧道分部开挖步距的选择提出参考意见。