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。     

矿山法施工的近海地铁隧道围岩注浆圈参数选择

青岛地铁13号线井冈山路站至嘉年华站区间隧道敷设在近海区域。该区域围岩较为破碎,裂隙水与海水连通,隧道开挖后预测最大单位涌水量达31.2 m3/(m·d),故防水问题十分突出。借鉴类似工程,确定区间隧道初期支护单位渗水量允许值为0.3 m3/(m·d);采用隧道渗水量简化模型计算不同水头高度、围岩渗透系数、注浆圈厚度与渗透性对初期支护渗水量的影响;基于施工空间和效益对注浆圈厚度的限制,确定不同水头高度和围岩渗透性条件下的注浆圈厚度和渗透系数的合理组合;通过现场初期支护渗水量测试,验证了注浆圈参数的合理性。结果表明:Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级强风化—微风化等级岩层中,注浆圈合理厚度分别为3.75~6.00 m、3.5~6.0 m和0.75~2.75 m,合理渗透系数分别为岩层的0.5%~1.2%、1%~2%和2%。     

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。     

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。     

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。     

双护盾TBM掌子面突涌水全断面超前多孔同步钻注堵水技术

双护盾TBM法施工隧洞掌子面发生突涌水，极易造成TBM长时间停机，不仅会降低TBM工作效率，还会恶化TBM工作环境。为解决输水隧洞掌子面突涌水技术难题，依托晋中引黄输水隧洞工程，针对掌子面涌水情况，制定了基于不同涌水量、围岩等级的超前注浆堵水方案分类标准，并提出了全断面多孔同步注浆技术及超前注浆堵水处理方案；通过全断面对称分区孔位钻孔、渐进型式注浆，提高了施工效率，取得了较好的突涌水堵水效果，可为类似工程提供借鉴。     

邻近水库富水断层破碎带隧道注浆圈参数研究

隧道穿越富水断层破碎带施工风险较大,常采取超前全断面预注浆进行处理.本文依托皖南一工点通过建立渗流数值模型分析了注浆圈不同厚度、渗透系数下隧道周边地下水渗流规律.结果表明:未支护条件下开挖,渗流达到稳定状态后地下水压力呈漏斗状分布;隧道涌水量随着注浆圈厚度增加而减小,注浆圈厚度宜控制在5～8m;减小注浆圈的渗透系数可有...     

雅砻江锦屏二级深埋隧洞围岩渗流特性初步研究

研究目的:锦屏二级工程地质条件复杂,4条长达17 km的引水隧洞具有超埋深,大直径特点。为更全面分析锦屏二级隧洞围岩渗流特性,采用有限元方法,建立渗流简化模型,重点研究深埋引水隧洞不同条件下的渗流场特征。研究结论:研究表明,不同灌浆圈厚度及渗透性对围岩渗流特性影响较小,运行期施工排水洞及A,B线辅助洞封堵会引水隧洞围岩渗压增加明显;成果可为锦屏二级深埋隧洞的设计及施工提供参考依据。     

引水隧洞突涌段变形特征及控制关键技术研究

深埋引水隧洞突泥突水洞段注浆固结圈与初期支护结构作为协同承载结构,其荷载分担与变形控制对结构和施工安全有重要作用。为研究深埋引水隧洞突涌洞段围岩与支护体系稳定性,以滇中引水狮子山隧洞为工程依托,通过现场对围岩-支护监控量测与第二层型钢拱架受力监测,结合施工工况动态分析围岩-支护体系受力与变形,研究总结突涌段施工变形控制关键技术。研究结论:(1)深埋隧洞突涌洞段拱顶累计沉降17.4 mm,达预留值的17%左右;拱肩、拱腰累计收敛106.6 mm、98.1 mm,达预留值100%左右。(2)突涌洞段理论预测极限位移150 mm;现场监测评价设定阈值uo=100 mm,当达到2/3时,应采取加强措施。(3)最佳开挖方法为微台阶法。各级台阶长度控制在3 m左右,按“快挖、快支、快封闭”原则组织施工。(4)超前预支护管棚结构起到提高固结体刚度作用,较固结体提高约13倍。(5)双层支护结构强度、刚度增加,承载能力明显提高,施工安全性也得以提高。     

大伙房输水工程特长隧洞TBM选型及支护系统优化研究

研究目的:大伙房输水工程特长隧洞主洞长85.32 km,开挖洞径8.03 m,属于深埋特长隧洞。由于隧洞施工采用以TBM为主、钻爆法为辅的联合施工方式。隧洞穿越区域水文地质条件复杂,通过对TBM合理选型和支护系统优化,来解决隧洞开挖过程中面临的围岩稳定性、隧洞涌水、石英砂岩的掘进效率及岩爆等三大关键技术难题。研究结论:通过对大量文献资料和工程实例的研究,对大伙房特长隧洞所穿越区域的主要工程地质问题进行分析,并结合国内外已有的TBM施工经验,特长隧洞决定选用敞开式TBM,锚喷支护+模筑混凝土复合衬砌结构支护系统代替管片衬砌结构。对大伙房输水工程特长隧洞的建成发挥了重要的保证作用,也为今后类似工程提供参考和借鉴。     

基于流固耦合的水底隧道全断面注浆力学分析

全断面帷幕注浆加固围岩是水底隧道穿越断层破碎带、海底风化槽等高渗透性岩体常采用的辅助工法。帷幕注浆的主要目的是加固围岩,改善围岩的物理力学性质,降低围岩渗透系数。本文在对注浆加固机理及注浆参数选取研究的基础上,采用三维有限差分FLAC3D数值模拟手段,基于流固耦合的力学模型研究注浆加固圈厚度及渗透系数对围岩稳定性、渗流规律、支护结构受力的影响。研究结果表明:水底隧道洞室开挖对初始渗流场的改变程度及范围与注浆圈渗透系数有直接关系,通过有效注浆不但起到限排堵水的作用,还起到降低地下水渗透体积力、约束位移的作用。     

山岭隧道高压富水断层破碎带注浆施工技术

研究目的:山岭隧道断层破碎带地层岩性复杂,围岩破碎,在地下水补给源充分的条件下,极易发生高压突水等地质灾害,严重影响施工安全和进度。为了有效地预测和治理隧道断层破碎带涌水,防止发生隧道突发涌水等地质灾害,需要对断层破碎的地质特征以及处理措施进行深入研究。研究结论:隧道注浆堵水的方式一般要结合现场开挖揭示围岩情况和前方地层超前预报结果合理选择。隧道高压富水断层破碎带应采取超前预注浆堵水措施,以达到降低围岩的渗透系数,减少地下水流失的目的。注浆结束后应采取施作检查孔等方法对注浆效果进行检查和评定。     

秦岭隧洞椒溪河段工程地质条件及涌水特征分析

隧洞突涌水是山岭隧洞施工中遇到的主要地质灾害之一。秦岭隧洞下穿椒溪河段,隧洞埋深浅,岩性以大理岩为主,断裂构造发育,形成良好的富水区,隧洞穿越时发生3次大的突涌水现象。施工中先期安排地质超前预报,再实施超前水平钻孔进行验证,并利用超前水平钻孔进行双液浆预注浆。最终采用多种注浆形式对洞内突涌水进行处理,洞外河床修筑挡水围堰及防渗墙有效减少了洞内涌水,确保秦岭隧洞顺利通过椒溪河段落。     

双护盾TBM输水隧洞成洞段微裂隙涌水治理技术

输水隧洞变质石英砂岩段洞身微裂隙涌水,较长涌水段落将增大排水系统负担,同时对连续皮带机、TBM等设备运行带来不利影响。结合晋中引黄输水隧洞施工,针对变质石英砂岩洞身较长段落微裂隙涌水,通过试验研发了适用于洞身变质石英砂岩微裂隙的抗裂快凝快硬的新型注浆材料,优选了最佳配比;设计了基于TBM法隧洞施工的钻孔用移动台车,提高了径向注浆钻孔精度和施工效率。并通过注浆孔设计、钻注顺序、注浆压力和速率控制,取得了较好的堵水效果,可为类似工程提供借鉴。     

穿越富水断层深埋引水隧洞涌水量预测研究

针对高地应力及高水力梯度等复杂地质环境下,深埋引水隧洞穿越组合富水断层破碎带发生突、涌水地质灾害的问题,以福建龙津溪引水隧洞为工程依托,提出基于平面一维流微分方程的引水隧洞组合富水断层控水模型涌水量计算方法,并从断层倾角和倾向2个角度考虑隧洞与断层的位置关系,从而确定模型中的3种典型平面一维流涌水模式的几何计算参数。基于隧洞与断层的空间位置关系,将计算区域划分为3个计算子区间:Ⅰ区(隧洞处于普通围岩)、Ⅱ区(隧洞处于断层影响带)和Ⅲ区(隧洞处于断层破碎带),分别对3个子区间的涌水量展开计算,并通过分段积分得到整个区段总涌水量,其中Ⅱ和Ⅲ区受断层以及高水力梯度的影响,需要考虑高速非达西修正。最后将理论计算结果与工程常用的裘布依公式、数值模拟计算以及现场实测数据进行对比,结果表明该方法计算组合富水断层隧洞涌水量具有切实可行性,且准确度较高。     

基于流固耦合理论下穿库区隧道围岩稳定性分析

以某下穿库区铁路隧道为依托工程,对比分析有无渗流场作用和不同水深条件下,隧道结构应力变化规律以及围岩变形、塑性区和渗流场的变化特性,同时还考虑隧道加固圈厚度和渗透系数对围岩稳定性的影响。研究结果表明:地下水渗流场对围岩变形影响较大,不仅能引起大范围的库底沉降,而且能增大隧道拱顶和拱腰的位移,并且能够减小仰拱的隆起量以及加剧围岩塑性区的范围;隧道的开挖能够对地下水孔隙水压力的分布形成明显的扰动,并且在两拱脚处渗流速度最大,最大塑性区位于横向临时支撑处;注浆加固圈能够改善围岩的受力,隧道最优注浆圈厚度在5m,并且当渗透系数小于围岩渗透系数的1/50时注浆圈加固效果不再明显。     

新近系富水砂岩隧道注浆加固圈厚度研究

新近系富水弱胶结砂岩地层隧道在施工过程会破坏围岩稳定，进而出现突水和涌沙病害，在砂岩地层进行注浆加固是保障隧道安全的关键。以宁夏中卫某富水砂岩隧道为依托，采用FLAC 3D建立计算模型，探明不同注浆圈厚度对围岩的影响。结果表明：隧道注浆圈厚度为3 m时，围岩累计周边收敛值和拱顶沉降值分别为35.3 cm和30.9 cm，满足设计允许变形值。随着注浆圈厚度的增加，注浆加固效率先增大后减小，但施工难度及工程投资显著增大。综合考虑隧道施工的安全性、简便性及经济性，当围岩含水率为塑限范围及以下时，建议注浆圈厚度为3 m；当围岩含水率为塑限及液限范围之间时，建议注浆圈厚度为4 m。研究结果可为富水砂岩隧道的结构设计和施工提供借鉴。     

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.     

海底隧道全断面注浆渗流场分析

围岩的注浆效果直接影响到海底隧道的施工安全。采用数值计算方法对固定水头的海底隧道在不同注浆圈厚度、注浆圈渗透系数以及排水方式下,隧道的涌水量和衬砌外水压力进行计算与分析。并将数值模拟的结果与轴对称解析解结果进行对比,结果表明:(1)不同的隧道防排水方式对衬砌外压有着明显的影响;(2)注浆圈的径向加固范围对隧道涌水量和衬砌外水压力产生一定的影响,但其效果并不明显;(3)注浆圈的渗透系数对隧道的涌水量和衬砌的外水压力有较大影响。