基于流固耦合的海底隧道注浆圈渗流场影响分析

将存在裂隙的岩体视为等效连续介质,建立海底隧道稳定渗流分析计算模型,并对渗流场相关特性进行探讨;结合青岛胶州湾海底隧道工程计算注浆圈对渗流场影响.结果表明:海底隧道防排水应采取“以堵为主,限量排放”的原则;注浆圈堵水效果与其厚度相关,且注浆圈厚度与其渗透系数成正比.但当围岩渗透系数与注浆加固圈渗透系数之比大于100,且注浆圈厚度不小于10 m时,注浆圈渗透系数、注浆圈厚度对隧道涌水量均影响不大;隧道涌水量和控制排水量之差越大,衬砌外水压力越大;为减少涌水量,可以采用注浆圈封堵地下水渗流通道,衬砌外水压力将显著降低.当处于自由排水阶段时,衬砌不承担水压力,隧道涌水量与控制排水量相等.     

水底隧道复合式衬砌水压力影响因素分析

富水量较大的水底隧道,隧道防排水系统对于控制隧道涌水量和衬砌外水压力十分重要。采用数值计算方法,研究固定水头下水底隧道不同注浆参数、衬砌渗透系数及隧道控制排水量对衬砌水荷载的影响,并与轴对称解析解结果进行对比验证。研究结论:(1)渗透系数增加和注浆圈厚度减小都致使衬砌外水压力的增加;(2)初衬渗透性的变化对初衬外水压力的影响十分显著;(3)数值解与解析解的结果相差不大,非圆形隧道截面可利用等效半径求解衬砌外水压力和隧道涌水量的解析解,并用于隧道防排水的初步设计;(4)隧道注浆圈参数和初衬渗透系数一定时,增大控制排水量有利于减小二衬背后外水压力。     

海底隧道涌水量的预测及其应用

海底隧道深埋于海水以下，处于高水压富水区，涌水是海底隧道的最大威胁。涌水量预测是海底隧道防排水设计和施工措施制定的依据。采用理论分析方法，推导了均质围岩中海底隧道注浆圈外表面、衬砌外水压力及涌水量的理论解析公式，并分析了涌水量与各量值之间的关系。通过对地下水渗流场数学模型研究，采用等效连续介质模型用数值方法分析了隧道渗流场的分布，计算出海底隧道的每延米涌水量，并与理论解析解进行了对比分析。结果表明：海底隧道的涌水量不仅与围岩和注浆圈的渗透系数的比值关系密切，而且还与隧道的半径、远场水压力、注浆圈的半径有关；数值计算所得结果与理论解析公式计算得到的涌水量基本一致；为了确保海底隧道施工及运营的安全，应采取“以堵为主，限量排放”的治水方案。     

海底隧道预注浆加固效果检查与评价

以青岛胶州湾海底隧道断层F4-4第一循环预注浆为背景,针对海底不良地质段隧道预注浆效果进行研究。为了合理地检查及评价海底隧道预注浆效果,首先采用公式法和数值法对断层F4-4处的3个断面进行隧道开挖涌水量计算;然后通过布置注浆检验孔,对涌水量进行实地测量;最后,分别将无注浆情况下和注浆情况下用公式法、数值法计算涌水量和实测涌水量进行比较。得出:(1)剖面1和剖面3用公式法的计算结果大于数值法的计算结果,剖面2相反;(2)随着注浆圈厚度的增加隧道开挖涌水量减小,当注浆圈厚度大于5 m后,涌水量的变化趋于平缓;(3)在相同注浆圈厚度的情况下,随着注浆圈渗透系数的减小,隧道开挖涌水量也相应的减小,当注浆圈渗透系数小于一定值时,隧道开挖涌水量的减少并不明显;(4)在断层F4-4开始阶段,用3种方法所得涌水量值相近,同时说明本循环注浆达到设计预期目标。     

基于流固耦合的富水区隧道注浆圈优化研究

分析地质复杂的富水山岭隧道的渗流问题,并基于渗流场流固耦合理论,研究采取注浆加固措施,注浆圈对渗流场的影响。通过理论分析、公式推导、数值分析的方法,并结合工程实践,在分析富水区隧道渗流场的基础上,得到以下几个结论:(1)建立富水区深埋隧道渗流简化模型,推导了渗流场下,隧道涌水量、注浆圈外水压力和衬砌外水压力的推导公式;(2)详细分析了注浆圈对涌水量、衬砌外水压力的影响,涌水量和衬砌外水压力之间的影响,FLAC3d数值分析建立模型,通过数值计算,验证了公式推导的正确,这可对类似工程提供有效的指导和借鉴。     

各向异性渗流深埋隧洞衬砌外水压力解析研究

基于渗流力学基本理论，进行各向异性深埋隧洞渗流场解析研究。由稳定渗流场基本微分方程结合深埋隧道渗流场边界条件，利用坐标变换法将地层从各向异性转换为等效各向同性，运用保角变换将渗流方程转化为Laplace方程；将围岩渗流区域进行分区计算，得到围岩的渗流量计算公式；考虑衬砌为各向同性渗流，根据围岩与衬砌分界面上的渗流量相等得到衬砌外水压力的解析表达式，在此基础上考虑注浆圈及其对衬砌外水压分布的作用，得到了带注浆圈隧道衬砌水头和渗流量的解析解；通过与各向同性解析解和数值算例的计算结果对比，验证了公式的正确性。分析围岩水平与竖向渗透系数、注浆圈参数、衬砌参数、作用水头高度和隧道半径等因素对衬砌外水压力的影响，并考虑了各向异性渗流情况下衬砌外水压力与隧道渗流量的关系曲线。     

隧道衬砌水压力荷载及内力研究

通过轴对称解析计算和有限元数值计算隧道在不同衬砌渗透系数、不同注浆圈厚度、不同衬砌厚度条件下,衬砌背后的水压力、流量及衬砌内力,分析影响水压力的因素和水压力对衬砌内力的影响,轴对称解析计算和有限元数值计算结果显示水压力和流量十分接近。衬砌不透水时,水压力荷载系数不折减;在控制排水的条件下,调整衬砌渗透系数、注浆半径和衬砌厚度可以改变水压力、流量和衬砌内力。设计时正算水荷载,施工时通过监测流量反算水荷载,对水荷载设计进行检验和修正。     

开挖扰动及非达西渗流对隧道涌水的影响分析

研究目的:隧道开挖扰动对渗透系数的改变及扰动区的非达西渗流是影响隧道涌水预测精度的重要因素,为提高涌水预测精度,构建含扰动区的隧道涌水简化计算模型,基于地下水力学理论、非达西定律及线性叠加原理推导涌水量及结构外水压力计算表达式,并进行退化分析,后对特征参数进行敏感性研究,最后通过与现场实测数据对比检验构建模型的合理性及公式推导的正确性。研究结论:(1)扰动区厚度及渗透系数的增加,减弱了围岩的阻水能力,导致隧道涌水量增加,提高施工技术水平,降低扰动程度与扰动范围可减弱扰动区围岩渗透系数的变异性,对隧道运营期阻水有积极作用;(2)适当提高注浆圈的抗渗性能可有效降低隧道涌水量,但随注浆圈抗渗性能的增加,对隧道涌水量降低的作用逐渐趋于平缓;(3)考虑扰动区对围岩渗透系数的改变及非达西渗流影响时,涌水量预测误差可由8.9%降低为4.2%;(4)本研究成果可为考虑开挖扰动对隧道涌水影响的研究提供理论指导。     

地铁隧道过海段复合衬砌参数的敏感性分析

以青岛地铁1号线胶州湾过海隧道为研究背景，选取了影响复合式衬砌外围水压力的9个主要影响因素，在利用Midas有限元数值分析软件的基础上，采用正交试验设计法分析了2种测试水平下这9个因素对水压力折减系数的显著性影响水平。结果表明：影响二次衬砌外围水压力大小的显著性因素为二次衬砌外围半径和围岩渗透系数与二次衬砌渗透系数的比值；影响初期支护外围水压力大小的显著性因素为围岩渗透系数与注浆圈渗透系数的比值、注浆圈厚度、围岩渗透系数与二次衬砌渗透系数的比值及隧道半径。其中，围岩渗透系数与二次衬砌渗透系数的比值对二次衬砌、初期支护的外围水压力均有显著性影响。因此，在海底隧道设计和施工过程中，应重点关注衬砌的渗透性能，注意支护结构的参数设计和选取，以保障海底隧道的顺利开挖及运营安全。     

半无限平面双孔平行隧道渗流场解析研究

以镜像法和渗流力学理论为基础,推导了半无限平面双孔近距平行隧道稳定渗流场的解析解,并与数值解进行了对比验证。对2个平行隧道间距,注浆圈和初期支护的渗透系数、厚度等参数对隧道涌水量和初期支护后水压力的影响进行了分析。研究结果表明:随着2个隧道水平间距的增大,隧道的涌水量和衬砌后水压力逐渐增大;当隧道中心水平间距大于隧道半径的20倍时,水平间距的影响几乎可以忽略不计;随着其中一个隧道埋深的逐渐增大,该隧道涌水量和初期支护后水压力逐渐减小,而邻近隧道涌水量和初期支护后水压力先减小后增大;随着隧道注浆圈渗透系数的减小和注浆圈厚度的增大,隧道涌水量和初期支护后水压力均逐渐减小;随着隧道初期支护渗透系数的减小和初期支护厚度的增大,隧道涌水量逐渐减小,初期支护后水压力却逐渐增大。     

深埋山岭隧道帷幕注浆段衬砌外水压力研究

通过建立深埋山岭隧道的渗流模型,分析外水压力对支护体系的荷载影响,推导出帷幕注浆段衬砌外水压力的计算公式以及隧道内最大涌水量公式,并就理论公式结合工程实际情况展开探讨。同时,对太行山隧道帷幕注浆段外水压力进行现场测试。测试数据表明,由于监测时间较短、测点选择等原因,虽然帷幕注浆段衬砌外水压力较小,但考虑到后期外水压力的增加,为确保隧道运营期安全,需加强高压富水段外水压力持续监测。     

盾构隧道同步注浆对管片上浮的影响分析北大核心

为分析广州地铁18号线沙西站—石榴岗站区间隧道同步注浆对盾尾管片上浮与受力的影响,建立考虑围岩随机裂隙分布的流固耦合数值模型。基于牛顿流体与宾厄姆流体推导管片壁后注浆压力分布解析解,通过将数值模拟获得的注浆压力与解析解对比,验证数值模型的适用性,并分析同步注浆作用下围岩和隧道结构的变形及应力特征。结果表明:所建的数值模型能较好地模拟同步注浆压力的分布;注浆对地层的初始位移场影响较大,导致整个隧道周围地层均表现为隆起;管片内外轮廓线的Mises应力与压应力差异较大,且分布形式正好相反。     

深埋岩溶隧道水压力的预测与防治

研究目的:为保护洞顶水资源和环境,深埋岩溶隧道“以排为主”的设计原则巳不适应环保要求,开始尝试 “以堵为主”的防排水原则。封堵地下水会使隧道衬砌承受巨大水压灯,“以堵为主”的关键问题是预测和防治隧 道水压力。 研究方法:隧道水压力受地下水水头损失和地下水与衬砌接触面积的双重影响,据此在调整岩溶隧道水头 折减系数的基础上,分析隧道水压力模式。 研究结果:给出了用渗流水量确定隧道水压力的公式,继而讨论了基于水环境平衡的适度排水和围岩注浆 的防治原则,并给出了注浆圈和其内衬砌的水压力的计算公式。 研究结论:引用锦屏二级水电站探洞和渝怀铁路圆梁山隧道的实测资料对上述水压力公式进行检验,其计 算的隧道水压力较符合实际。     

某隧道断层区段流固耦合分析及涌水处治措施研究

针对泽雅隧道穿越F10断层破碎带区围岩破碎、涌水量大等问题,为保证隧道的正常施工,确保后期运营安全,采用ABAQUS数值分析软件建立是否考虑流固耦合的模型,分析不同工况下衬砌的力学特性,计算显示渗流的存在导致隧道衬砌最大总应力增加52.15%,衬砌最大弯矩增加75.4%。鉴于涌水对隧道力学特性影响较大,进而结合隧道实际情况进行涌水处治措施比选,选取泄水孔结合径向注浆的处治措施,并运用数值分析手段对注浆圈厚度和注浆材料渗透系数进行优化,计算结果显示注浆层厚度为5~7 m时,注浆材料渗透系数为围岩的30~50倍时施工效果较好。该分析结果有效指导了施工,可为类似工程提供参考。     

铁路隧道钻爆法施工废水治理关键技术研究

为进一步提高隧道施工废水处理技术水平,围绕其水质、设计水量以及处理工艺等关键技术开展了研究。对西南、华南及西北地区典型铁路隧道开展了广泛调研和水质检测,结果显示:施工废水中悬浮物是主要污染物,且pH值7呈碱性,COD、石油类则为非主要污染物。据此将废水处理工艺优化为沉砂、调节pH、混凝、沉淀、过滤,不再保留气浮处理流程,经现场试验验证,经该工艺处理后的隧道施工废水出水水质能够符合《污水综合排放标准》(GB8978—1996)规定的一级排放标准。明确了隧道施工废水由施工作业废水和隧道施工涌水组成、且以后者为主的观点,较为系统地阐述了隧道衬砌、注浆等对涌水量的影响,推荐以水文地质预测正常涌水量为基准,并根据隧道防排水设计、隧道正洞施工分段划分、辅助坑道设置和工期等条件,提出隧道施工废水水量计算方法。     

某高速铁路隧道无砟轨道上拱处治技术

高速铁路隧道内多铺设无砟轨道,隧道基底受水压影响大,造成的轨道上拱,具有突发、后果严重、整治困难等特性。为更好地研究并解决隧道轨道上拱现象,结合典型轨道上拱案例,通过现场调查、钻孔查验及数值模拟计算等多种方法相结合,系统分析产生原因,得到水压力作用是导致轨道上拱的最大原因。针对现场实际研究情况,提出隧底抗拔锚杆注浆锚固+轨道板钻孔植筋加固的综合整治方案,并提出预防性技术,为类似工程病害处置提供参考。     

黄土隧道洞口段饱和滑坡体处理

某新建铁路刘坪隧道出口段穿越不稳定富水饱和黄土地层,洞口段为疑似滑坡体。为保证工程施工及运营安全,采用现场钻孔补勘和水文地质调查等方法,确定了滑坡体的规模、滑动方向,结合区域地质构造,分析了洞口段滑坡体的成因,并结合施工过程,提出了洞外设置防护桩及坡脚反压回填、洞内超前帷幕注浆与基底加固等相结合的处理方案。目前,该隧道已贯通。实践证明:(1)防护桩及坡脚反压回填对控制滑坡体位移效果明显;(2)帷幕注浆能有效提高土体稳定性;(3)帷幕注浆能有效减少洞内涌水,并可降低土体含水率约10%。     

软弱砂层下的地铁隧道穿越建筑物的加固技术及注浆控制效果分析

地铁隧道在富水软弱砂层下穿越建筑物时,容易引起开挖面涌水突泥、围岩滑塌失稳以及建筑物不均匀沉陷等工程灾害。以青岛地铁枣李区间隧道软弱砂层带下穿建筑物工程为例,提出了全断面超前帷幕注浆、初支背后径向注浆及洞内补偿注浆联合加固技术。通过数值计算考虑注浆膨胀作用,分析了隧道下穿施工过程的地表变形及建筑物稳定性特性。研究表明:隧道在软弱砂层中采用全断面超前帷幕注浆会引起地表隆起现象,双线隧道地表呈现M型隆起变形,后开挖隧道变形值较大;地表建筑物在注浆膨胀作用下表现出正曲率变形,后开挖隧道正上方建筑基础最易发生破坏;穿越富水软弱砂层时不能一味提升注浆压力来提高地层刚度,应与现场监测结合进行施工控制。