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。     

高陡倾岩溶裂隙构造中隧道突水突泥机理及防控方法研究

依托重庆石柱至黔江高速公路七曜山隧道工程,结合施工过程中的突水突泥灾害统计,阐述高陡倾岩溶裂隙构造中隧道突水突泥的发生机理及有效防控措施,对其致灾构造形态、突泥物源、灾变机制、防控措施等内容进行研究.研究结果表明:高陡倾充填型岩溶裂隙是一种致灾性极强的突水突泥致灾构造;七曜山隧道突水突泥的主因是动态河水流入落水洞,通过...     

基于透明土的隧道突泥破坏特征试验研究

为探究不同致灾介质和地下水体量条件下隧道突泥灾害的灾变机制,利用透明土材料开展了全可视化突泥室内模拟试验,并利用PFC-CFD方法开展数值模拟试验对室内试验结果进行验证。论证了透明土材料用于岩土室内试验的可行性,克服了传统突泥试验的"黑箱"问题,分析了隧道突泥灾害的破坏形态,提出了刻画灾害破坏形态的抛物线旋转体形态模型;研究了介质内部位移场演化规律;发现了突泥扰动区,探究灾害真实影响区域的变化规律,最终从灾害的破坏形态、演化过程和影响区域等破坏特征角度揭示了隧道突泥灾害的灾变机制。研究结果表明：突泥灾害的破坏形态呈明显的抛物线旋转体状,且致灾介质和地下水的体量对灾害破坏形态的形态类型无影响。除因介质涌出形成直接破坏区外,突泥灾害还导致未突出介质中形成扰动区,破坏区和扰动区联合构成了灾害真实影响区;破坏区和扰动区均随致灾介质和地下水体量的增加呈扩展趋势,但破坏区范围受致灾介质体量影响显著,而扰动区范围则受地下水体量影响显著;突泥灾害演化过程分为介质启动运移、临空面形成、介质整体迁移和灾害渐停4个阶段,灾害过程中突泥量依次呈现启动、加速、缓慢和稳定的时变特征,突泥口应力呈现急剧上升、持续波动、缓慢下降的演化特征。     

富水风化花岗岩隧道帷幕注浆技术研究

富水风化花岗岩具有强度低、水稳性差,隧道在此类地层施工经常面临突水突泥灾害风险,迫切需提出有效的防治技术。以广西均昌隧道为工程案例,在详细调查隧道地质条件基础上,分析历次隧道突水突泥发生过程,在认清强风化花岗岩突水突泥致灾机理的基础上,提出采用全断面帷幕注浆技术方案对富水风化花岗岩进行治理,并结合数值计算确定帷幕注浆厚度及注浆方案,提出了帷幕厚度取5m是较为可行的方案。施工期采用瞬变电磁法、检查孔法、P-Q-t曲线法等对注浆效果进行检查,确保了工程安全顺利贯通。     

隧道突水突泥致灾构造及其多尺度精细观测技术

隧道突水突泥致灾构造作为灾害发生的控制因素,具有复杂的多尺度特性,而深长隧道山高洞长、传统野外地质踏勘面临艰难险阻且不能满足精度要求。通过百余例隧道突水突泥案例的统计分析与现场调研,识别概化了2类5种隧道突水突泥致灾构造,即富水夹泥断裂带（富水断裂破碎带及夹泥断裂带）与充水充泥岩溶体（深部充水岩溶、表层裂隙岩溶带及充填岩溶洞穴）,总结分析了不同突水突泥致灾构造的典型地质特征,提出了不同突水突泥致灾构造的判别理论方法。其中,气候湿热的碳酸盐岩地区表层裂隙岩溶带也可能诱发隧道突水突泥灾害。针对突水突泥致灾构造的复杂和多尺度特性,从大尺度到小尺度整体剖分地质结构,结合无人机高空航测、数字摄影测量、钻孔电视等先进技术手段,探索了隧道突水突泥致灾构造的多尺度精细观测技术,提出了一套空中（Air）-地表（Outcrop）-孔中（Borehole）-隧道（Tunnel）的地质行迹与致灾构造观测方法（AOBT）,并在多个隧道工程中进行应用。结果表明：空-地-孔-隧（AOBT）地质行迹与致灾构造观测技术可实现不同尺度结构面的高精度、快速测取,改进了传统地质调查方式。研究成果可为隧道突水突泥灾害防控提供参考。     

富水断层隧道突水突泥注浆治理关键技术研究

突水突泥是隧道富水断层地段施工常发生的地质灾害,注浆是灾害治理的重要技术方法。注浆工程隐蔽性强,控制浆液在加固区范围内有效扩散是灾害治理的关键。依托永莲隧道断层突水突泥治理实例,提出了注浆治理关键技术体系,包含整体、细部结合,精细化探测地质信息;采用引排泄压、注浆材料复合使用、注浆压力梯度控制和隐伏高压泥水腔体定域注浆等进行控制性注浆;综合应用注浆参数分析、检查孔分析、钻孔雷达探测技术和数值计算,全面地检查评估注浆效果。开挖和监测结果表明,注浆治理关键技术体系实现了隧道断层突水突泥的有效治理,有一定的工程参考借鉴意义。     

全断面帷幕注浆技术在均昌隧道突水突泥灾害治理中的应用

广西岑溪-水汶高速公路均昌隧道未贯通段穿越风化花岗岩富水地层,发生多次突水突泥灾害,对工程安全构成极大威胁,治理难度极大。利用探注结合方法对突水突泥灾害高风险区段(左线DK7+854.5~DK7+869.5)的水文地质条件进行了较为精确的调查分析。采用全断面帷幕注浆技术,基于重点区域重点治理的原则,实现了高风险区段的有效快速治理。治理后注浆效果检查合格,开挖顺利通过注浆治理段。该设计方案和施工方法对类似工程具有较大参考价值。     

充填型岩溶突水突泥灾害源的核磁共振表征与泥水识别方法

隧道穿越富水岩溶地层时,为预报可能遭遇的突水突泥灾害类型、水量以及突出物信息,需提前探明掌子面前方地层含水量、渗透系数、导水系数等水文地质参数,从而对灾害源进行泥水识别。核磁共振探测（Magnetic Resonance Sounding,MRS）是一种能够直接探明地层水文地质特征的物探方法,基于MRS方法的这一优势,提出一种针对充填型岩溶突水突泥灾害源的核磁共振表征与泥水识别的方法,以期对突水突泥灾害进行预报并加以区分。通过引入Log-Gauss分布函数构建MRS弛豫时间的时空分布函数,用以表征不同灾害所对应的充填物特征;并对掌子面前方电阻率、含水量以及MRS弛豫时间分布进行三维离散,实现了对充填型岩溶突水突泥灾害源的核磁共振表征与建模。在此基础上,正演模拟了不同类型突水突泥灾害源的MRS响应信号,并分析了其响应特征与影响因素。基于灾害源的MRS响应信号特征,利用充填物含水量和MRS弛豫时间的时空分布函数建立了以充填型岩溶突水突泥灾害源的泥水识别因子作为对灾害源进行泥水识别的判据。     

长大隧道施工过程中突水突泥灾害预测预报技术研究

在岩溶地区深埋长大隧道的施工过程中,由于深层岩溶发育的复杂性,造成施工过程中突水突泥灾害频繁发生,对工程造成很大影响,所以进行施工地质预测预报是必要的,这项工作主要包括预测和预报两个阶段。预测主要是根据岩溶水文地质与工程地质的基础理论,对岩溶洞穴管道集中发育地段进行判定,确定突水突泥灾害的危险地段,预报工作是在危险地段应用地质探测方法对施工掌子面前方的岩溶洞穴管道分布状况进行探测,在这方面主要方法有水平钻探和物探手段,探地雷达作为近年来发展起来的一种物探方法,由于其探测过程的连续性和定向性,在中短距离的探测预报中具有突出的优势。文章探讨了岩溶形成条件综合判识、水平钻探与探地雷达相结合进行岩溶隧道突水突泥灾害超前预测预报的方法。     

高黎贡山隧道大规模突涌综合治理技术

为快速解决大瑞铁路高黎贡山隧道出口端TBM掘进D1K224+200～+230里程段后出现的突泥涌水地质灾害、隧道塌方冒顶、TBM被关在掌子面、皮带传送机中断等问题。根据隧道工程地质条件和施工开挖过程情况,分析隧道突涌原因,借鉴国内富水全风化花岗岩突涌处治经验,提出在隧道洞身地表河道改修、塌坑回填、深孔加固,确保洞顶稳定和防止水流下渗,同时在突涌体两端施作注浆加筋挡墙,为洞内清淤和TBM恢复掘进提供安全保障,形成了"高位锁口、泄水降压、两头夹击、支护加强、快挖快封"的施工技术措施对溃口进行处理,成功解决了富水风化花岗岩隧道溃口的突涌塌方冒顶的技术难题。     

大型三维地质力学模型试验系统研制及其应用研究

为研究泥灰岩隧道开挖诱发突涌水灾害机制及信息演化规律，以兰州至海口国家高速公路秦峪隧道为工程依托，研制泥灰岩隧道围岩相似材料，研发大型隧道突涌水三维地质力学模型试验系统。该系统可实现低频周期循环加卸载、数据自动化采集，可提供稳定水压加载，基于Python编程语言开发了隧道突涌水灾害预警系统，在此基础上开展泥灰岩隧道突涌水灾害演化过程模型试验。研究结果表明： 1）隧道开挖扰动会破坏围岩压力与渗透水压力之间的平衡，致使隔水围岩内产生微裂隙并扩展贯通，进而发生突涌水现象； 2）当发生突涌水现象时，隔水围岩压力、渗透水压力及位移均会发生明显的突变现象，围岩压力及渗透水压力最大释放率分别为18.6%、73.35%，最大位移量为0.18 mm； 3）泥灰岩相似材料能够较好地满足试验需求，证明了隧道突涌水三维地质力学模型试验系统的稳定性及可靠性。     

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。     

水泥浆液黏度对全风化花岗岩注浆加固效果的影响

水泥浆液是隧道与地下工程水害治理与地层加固的常用注浆材料。针对利用水灰比调节水泥浆液黏度的传统方法在注浆治理工程中存在的局限性,通过掺加2种外加剂实现了水灰比为1：1的水泥浆液的黏度和流动度在一定范围内动态可调。选取典型工程中遭遇的全风化花岗岩为被注介质,开展了注浆模拟试验,研究了不同黏度浆液在全风化花岗岩中的扩散规律,分析了浆液黏度对注浆加固效果的影响机制。研究结果表明：水泥浆液在被注介质中整体呈现劈裂扩散模式,随着浆液黏度的增大,主劈裂浆脉扩展形态由"三叉形"逐渐向"折线形"转变,主浆脉宽度变厚,被注介质的单轴抗压强度和抗剪强度不断提高;在水泥浆液黏度为24.6 s时,加固土体的单轴抗压强度提高了87%,内聚力和内摩擦角分别提升了220%和46.6%,内摩擦角与抗剪强度随浆液黏度的变化趋势基本一致,可见内摩擦角的提升可作为影响被注介质抗剪性能的关键指标;临近18.8 s的浆液黏度是浆脉扩展形态转变和被注介质强度增长速率变化的敏感黏度。研究成果可为全风化花岗岩及类似地层注浆治理工程中的注浆材料选型、黏度调控及加固效果评价提供技术参考。     

盾构隧道开挖面涌水对地表沉降及管片内力的影响分析

土压平衡盾构在高水压砂层中掘进时,施工措施不当会使开挖面发生涌水涌砂险情,进而引起较大的地表沉降,土体下沉会使得管片严重变形,威胁施工人员的生命安全。以武汉地铁7号线小东门至武昌火车站盾构区间为研究背景,通过建立精细化数值模型,考虑水土流固耦合作用,研究土压平衡盾构在砂土层中掘进时开挖面涌水对地表沉降及管片和螺栓内力的影响。结果表明:开挖面涌水量与地表沉降呈线性关系,与管片螺栓内力呈非线性增长关系,较大的涌水量使隧道拱顶处发生严重的挤压变形,进而引起管片破损及螺栓屈服。因此,当开挖面发生涌水涌砂险情时,为防止地表严重下沉及管片破损,应尽快采取紧急措施减小涌水量。     

不同地层注浆加固方案与施工技术研究

通过分析致密干燥细砂、人工素填土、动水条件下全风化花岗岩等不同地层的物理力学特性及工程加固目的,提出注浆加固方案和施工技术并组织实施,达到了预期效果。总结得到:致密细砂地层通过新型钢花管注浆工艺结合水玻璃氯化钙复合注浆液,可得到较好的扩散半径和加固强度;人工素填土地层建筑物的不均匀沉降,可通过周边花管帷幕注浆结合基底开孔式布袋注浆桩,达到可靠的加固效果;动水条件下,全风化花岗岩地层采用袖阀管单管交替注入水泥水玻璃双液浆,可达到理想的加固效果。     

高温淬火后预制孔洞花岗岩力学特性试验研究

运用弹性接触理论对不同温度热处理淬火后的含预制孔洞花岗岩试样开展三轴压缩试验和微米压痕试验,研究含缺陷孔洞花岗岩的物理力学性能受温度影响的变化特征,对比分析了花岗岩试样在不同高温热处理淬火后相关力学参数的变化规律。试验结果表明:在0 MPa围压时,岩样峰值强度随着热处理温度升高呈先增大后减小的趋势;在5 MPa围压时,随着热处理温度升高,花岗岩试样峰值强度逐级降低。花岗岩试样的弹性模量在200 ℃时呈略微增大趋势,随着温度的不断升高而逐渐减小,岩样的泊松比无明显的变化规律,而岩样的体积应变逐渐增大。花岗岩试样维氏硬度在200 ℃和400 ℃时呈增加趋势,而在600 ℃时发生骤降。     

铁路隧道疑难工程地质问题分析——以30多座典型隧道工程为例

以30多座在施工中发生与地质因素有关的工程事件为例,归纳为15类疑难工程地质问题： 高压富水岩溶、软弱围岩大变形、太古界硬质变质岩大变形、侵入岩脉蚀变风化破碎岩体塌方和突泥、富水逆掩断层破碎带大规模突泥、层状地层大规模顺层塌方、中更新统老黄土崩塌、新第三系地层突泥涌砂、泥岩页岩可燃气体燃烧和爆炸、白云岩剪涨裂缝突砂涌砂、岩溶地面沉降、含石膏地层围岩变形、断层破碎带与软岩层面组合围岩变形、新第三系粉质黏土岩（土）垂直节理坍塌变形及石英砂岩断层破碎带突水涌砂。分析各类疑难工程地质问题发生的原因,总结其工程地质特征。针对高压富水岩溶的分类、断层破碎带突水涌砂和大变形问题、高压地下水的防治、高位选线、大变形及大变形分级标准、挤压大变形和卸荷大变形、隧道顺层偏压构造的危害、5种围岩变形失稳类型的特征对比、隧道围岩压力现场实测、岩溶地面塌陷、Q2老黄土和N2黏土层垂直节理渗水崩塌、N2弱胶结地层“流变”、石膏地层隧道衬砌开裂以及非煤系地层的可燃气等14类问题进行讨论,并从依法合规性、地质不确定性、专项地质工作、工程劣质岩、修订围岩分级和纳入规范等方面提出6条建议。