岩溶隧道侧部岩盘突水机制研究

我国岩溶地区广泛分布,隧道建设穿越岩溶区域极易发生突水突泥灾害。为防止灾害的发生,采用隔水关键层原理对断层段岩盘突水力学机制进行了理论分析研究。就岩溶隧道断层段岩盘力学破坏机制探讨建立了溶腔位于隧道侧面条件下断层突水力学模型,推导了岩溶隧道断层段岩盘最小安全厚度计算公式,并结合工程实例对岩盘最小安全厚度的确定进行了讨论。对于压性断层,最小安全厚度计算依据以水压0.8 MPa为分界,小于0.8 MPa时应按抗弯强度分析,反之则应按抗剪强度分析,同时不能忽略零水压情况;对于张性断层,最小安全厚度计算需考虑侧方岩体上下部长度,较长部分更易被破坏,等长时下部易被破坏。确定岩盘最小安全厚度,综合考虑岩盘力学性质、溶腔水压及隧道半径等因素,对侧部岩溶隧道断层段设计施工提供了具体参考。     

穿越破碎带隧道掌子面力学模型及最小安全厚度研究

隧道穿越断层破碎带的稳定性及安全防护问题是目前隧道建设的难点。针对隧道掌子面前方存在破碎带松散岩土体的典型工况,基于隧道围岩以及掌子面的力学特性,采用理论计算、数值模拟、工程实践相结合的手段,提出了掌子面稳定岩体的最小安全厚度计算方法,并对隧道掌子面前方破碎带的预加固及处治方案进行了探讨。首先,建立了破碎带-岩板力学模型,将掌子面的岩体等效为受荷载作用的岩板,对受破碎带压力的岩板最小安全厚度展开计算分析,得到了岩板厚度与岩层倾角、破碎带有效高度的关系表达式,并对帷幕注浆处理参数进行了优化;随后基于理论计算结果,与某隧道穿越破碎带施工中因未控制掌子面岩体厚度而导致隧道失稳的典型案例展开对比分析;最后结合Comsol Multiphysics软件开展数值仿真模拟,分析了不同岩层倾角、隧道埋深、注浆预处理参数等因素对掌子面岩板最小安全厚度的影响。结果表明：理论计算、工程实际与数值模拟结果具有较好的一致性;正常施工时掌子面最小安全岩板厚度随破碎带有效高度的增大而增大,随岩层倾角增大而减小,故应在达到安全厚度之前对破碎带进行预支护;在选用帷幕注浆方法对破碎带进行预处理时,最小安全岩板厚度随着岩层倾角的增大而减小,此时在注浆过程中需要保留较大的安全厚度,同时控制注浆压力。     

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。     

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。     

基于优化FAHP-TOPSIS法的高压富水花岗岩断层涌水预测

隧道穿越花岗岩断层带施工的最主要灾害为高压富水体的突涌，其危险性极高且破坏力巨大。为有效解决理论计算、模型试验、数值模拟等方法中隧道涌水量预测值与实际值存在较大误差的核心问题，从系统辨识工程地质、水文地质和施工设计3方面共13个独立的花岗岩断层涌水致灾影响因素入手，提出基于优化FAHP-TOPSIS法的隧道断层涌水精细预测方法。该方法的创新在于采用平均优势度进行模糊层次分析法（FAHP）的判断矩阵优化，能解决传统FAHP法排序互斥而导致权重分配失衡的问题；同时，采用逼近理想解排序法(TOPSIS)替代模糊综合评价法，避免模糊综合评价法依赖大量样本数据及模型训练冗余的问题，能极大提高隧道涌水预测精度。并将优化FAHP-TOPSIS法应用于涌水预测实例中，实现6处断层涌水区段涌水等级及涌水量的精细预测。预测结果表明： S1、S4、S5、S6区段存在中等涌水风险，S2、S3区段存在大涌水风险； 6处断层涌水区段预测涌水量与实际涌水量的最大相对误差为14.8%，平均相对误差为8.87%，满足工程准确预测精度要求。     

顶部存在隐伏溶洞的深埋隧道安全系数研究

目前,大多数岩溶隧道围岩稳定性研究是基于Mohr-Coloumb线性破坏准则进行的,而Mohr-Coloumb破坏准则并不能较好地体现岩体的非线性破坏特征。文中利用有限差分软件FLAC~(3D)模拟岩溶地区深埋隧道的开挖过程,调用Hoek-Brown本构模型,得到Hoek-Brown非线性破坏准则作用下岩溶隧道围岩安全系数的数值解,并对不同参数作用下围岩安全系数的变化规律进行分析。结果表明,顶部存在隐伏溶洞的深埋隧道围岩安全系数随隧道支护力、围岩抗压强度、地质强度指标GSI及m_i的增大而增大,随溶腔压力的增大而减小。     

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。     

地铁暗挖隧道断层破碎带突水涌砂原因分析及处治技术

青岛黄岛区某地铁区间隧道穿越断层破碎带时发生突水涌砂地质灾害,为保证隧道施工安全及后续顺利开挖,对富水断层破碎带突水涌砂原因及力学形成过程进行分析。富水断层破碎带稳定性差,未进行有效加固,在开挖卸荷和爆破扰动双重作用下,岩体防突水层厚度超过临界状态,进而导致掌子面发生突水涌砂。考虑到地铁暗挖隧道施工空间狭小、材料运输不便等特点,采用以地表模袋注浆为主、洞内堵水注浆为辅的综合处治措施。结果表明:注浆加固后的掌子面湿润无流动水,浆脉清晰可见,渗漏水量小于1.5 L/(min·m),渗流通道得到有效封堵,保证隧道顺利通过突水涌砂段。     

正断层错动下山岭隧道衬砌结构力学响应分析

以某穿越断层隧道为背景，开展断层错动下高韧性水泥基复合材料(ECC)衬砌与传统钢筋混凝土(RC)衬砌的数值模拟分析，研究了断层错动量、断层倾角、断层宽度及错动形式等参数对隧道衬砌力学响应的影响规律。研究结果表明：正断层错动下，ECC和RC衬砌变形损伤规律相似，衬砌沿隧道轴向呈“S”形分布，损伤主要集中在断层破碎带及活动盘(下盘)范围内。随着错动位移的增加，衬砌损伤程度及范围迅速增大，最终以拱顶及拱肩等典型部位拉裂破坏为特征；随着正断层倾角的增大，衬砌损伤区域逐渐向断层错动面集中，衬砌所能适应的极限错动位移有所增加；随着正断层宽度的增加，衬砌极限错动位移和损伤分布范围呈现出先快速增大后趋于稳定的趋势；衬砌破坏模式和变形适用性随断层错动形式不同而异，正断层错动下表现为张拉破坏，而逆断层错动下以压溃破坏为主；与逆断层错动相比，正断层错动下衬砌所能承受的极限错动位移更小；相同断层参数下，ECC衬砌的变形适应性、抗错性能及损伤容限明显优于RC衬砌，在极端受力情况下抗错断性能更突出。     

基于离散单元法隧道开挖裂隙扩张及渗流特性预测

德江隧道穿越石朝向斜轴部,上覆岩溶地下水发育,顶板最小厚度45 m,隧道开挖可能会导致隧道顶板裂隙扩张及渗透性增大,将对隧道顶板隔水能力及隧道涌突水产生巨大影响,采用二维离散元数值模拟软件UDEC模拟德江隧道开挖裂隙扩张规律、渗流场分布及涌突水特征。研究得到:(1)德江隧道开挖将导致隧道拱顶以上50 m内裂隙扩张,渗透性增大;(2)数值模拟得到隧道开挖后最大涌水压力为0.25 MPa,最大流量为0.035 m~3/s,最大值均出现在拱顶,但远小于2.1 MPa汛季水头值,所以顶板仍然具有隔水能力,不会发生突水;(3)隧道开挖将经历应力重分布及裂隙扩张阶段、流固耦合作用阶段、隧道涌水3个阶段;(4)耦合算法模拟汛季开挖、枯季开挖隧道的拱顶位移值均比不考虑地下水的非耦合算法模拟位移值3.2cm大,说明渗流对围岩稳定性具有很大影响。     

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。     

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。     

黏土岩在评价隧道涌突水中的作用

针对遵义至余庆高速公路控制性工程桃子台隧道的水文地质条件及涌水量,通过分析泥岩、泥灰岩等黏土岩在地下水运动中的隔断作用,验算隧道底板高程跟黏土岩层底板的高程关系;引入"基坑突涌水验算公式",复验黏土岩之下的承压水跟黏土岩之上的总水土应力的关系,从定性和定量角度作出了准确的判断.     

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。     

隧道工程裂隙围岩结构稳定可靠性研究综述

在裂隙岩体隧道工程修建领域，大体量塌方、渐进式围岩失稳、巨石垮落等地质灾害时有发生，虽然近几年针对隧道工程的勘察手段、理论模型、数值方法及评价体系研究等很多，但围岩稳定可靠性作为隧道等地下工程修建的“老大难”问题仍未得到解决。数据不完备的复杂地质系统与理论严密的力学模型之间严重脱节,已然成为确定性分析方法的“瓶颈”； 单一的分析手段或确定性计算方法均无法获取准确的评价结果。不同于纯粹的结构工程，有着比较明确的数学模型，裂隙岩体隧道工程修建最为显著的特点就是岩体结构的不确定性问题。从岩体结构的不确定性这一根本属性出发，分别在裂隙岩体结构信息提取与解译、隧道围岩整体稳定性分析、局部块体稳定可靠性分析以及隧道工程智能反馈与系统评估4个方面进行概述，并对存在的问题及发展趋势进行针对性总结与探究。     

宜万铁路齐岳山隧道高压富水断层施工关键技术

摘要： 通过宜万铁路齐岳山隧道F11断层施工,对冻结法、泄能降压法、注浆加固堵水法等施工方法进行比选;经过科研实践总结,优化方案为分水降压和信息化跟踪注浆组合工法,采用泄水洞或平导等附属洞室突水后作为分水降压通道,降低水压,减少突水、突泥风险;再采用信息化跟踪精确注浆加固隧道范围内围岩,快挖快封安全快速通过。解决了岩溶地区隧道高压富水断层快速施工难题,可在类似工程中推广应用。