基于最小二乘-分步解耦的泄渗漏带与隧道围岩渗流参数方法

鸡冠山隧道施工期渗涌水病害与降雨强度、上覆天坑洼地地貌密切相关,确定隧道围岩渗透参数是估计隧道涌水量与防排水设计的关键.通过电阻率法和地质雷达探测法查明隧道上覆岩溶溶腔分布状态,并结合工程地质条件构建上覆天坑降雨入渗饱和达西渗流地质模型,然后采用基于最小二乘-分步耦合优化方法的岩溶隧道围岩渗流参数反演法,以3个涌水事件的涌水量、涌水速率、涌水与降雨关联时间、天坑积水水头为反演边界条件,关联性解耦下泄渗漏带与隧道围岩渗流规律,最终分步优化确定出下泄渗漏带和隧道围岩的渗流参数.结果 表明:下泄渗漏带和隧道围岩的综合渗透系数分别为2.4×10-3cm/s和3.2×10-4cm/s,该成果可为降雨条件下鸡冠山岩溶天坑段隧道涌水量估计与防排水设计提供重要计算依据.     

海底岩溶隧道损伤-渗流耦合机制及其应用

目的分析多场耦合作用下海底岩溶隧道稳定性.方法建立基于Hoek-Brown准则的岩体弹塑性损伤-渗流耦合模型,通过ABAQUS软件中Umat子程序接口实现了模型的有限元计算,利用该模型对大连海底岩溶隧道进行数值计算.结果溶洞作用下地表沉降曲线在开挖面中线两侧存在较大差异,随着上覆海水压力的增加,沉降最大值出现小幅增长,其位置逐渐向溶洞中线处偏移;当施加充填水压时,地表沉降值、开挖面附近围岩位移值和衬砌最大主应力值均发生明显变化;随着充填水压的加载,隔水岩体的损伤值和损伤区域逐渐增大,渗透系数成数量级增长,形成的导水通道为开挖面发生突水突泥灾害埋下了隐患.结论计算结果对岩溶区隧道监测和突水灾害防治具有指导意义.     

动力扰动下岩溶隧道突涌水渗流-应力-损伤试验研究

为探究不同距离下充水溶洞对岩溶隧道突涌水灾变演化的过程,基于扫描电子显微镜 SEM 对研究区的灰岩进行微观结构表征分析,再采用岩石破裂过程分析软件 RFPA2D-Flow 建立数值模型,模拟不同距离溶洞对隧道开挖的影响。试验结果表明：通过 SEM 观察发现,灰岩矿物内部晶体颗粒分布不均匀,形状不规则,存在溶蚀孔隙较为发育。隧道在开挖扰动过程中,不同距离下溶洞对隧道围岩破坏过程影响显著,当相对距离 1 m 时,溶洞周围围岩单元损伤最严重,2 m 时次之,处于临界状态,3 m 时最小。整个开挖过程大致可分为三个阶段：压密阶段、裂缝扩展阶段、失稳破坏阶段。根据 AE 计数与 AE 总能量的趋势变化,可以清晰反映出在隧道突涌水的灾变演化情况。研究成果对富水岩溶隧道突涌水的防预和处治提供给理论指导。     

基于流-固耦合理论的水体下盾构隧道施工渗流规律

借助有限差分软件FLAC~(3D),依托太原地铁2号线双塔西街—大南门站下穿迎泽湖区段盾构隧道工程,基于流-固耦合理论分别建立5,10,20,30 m湖水深度下该区段隧道流-固耦合三维计算模型,对比分析4种湖水深度下盾构隧道开挖过程中地表的沉降量、围岩渗透性和管片内力分布。结果表明:盾构隧道地表沉降量及水平位移随湖水深度的增大而增大;各工况下隧道周围的孔隙水压力随着盾构隧道的开挖而显著减小,水力坡降在隧道拱顶、拱腰两侧明显增大,致使隧道拱顶、拱腰两侧极易发生涌水事故;流-固耦合作用下,盾构管片内力与水头压力呈正相关性,盾构隧道管片配筋设计中应考虑上覆水体水头压力对其产生的显著影响。     

不同溶腔-隧道间距对地铁隧道施工影响的模型试验研究

为探明不同溶腔-隧道净距下隧道施工对岩溶地层的扰动影响规律,以贵阳市轨道交通3号线一期工程为依托,开展了城市浅埋环境下不同溶腔-隧道间距对地铁隧道施工影响的模型试验研究。主要得到以下结论：(1)拱顶侧溶腔对拱腰水平位移影响较小,主要影响隧道拱顶的竖向沉降量;溶腔对原始地应力场的影响范围是有限的,溶腔直径为4 m、溶腔底部与隧道开挖轮廓线顶部净距为5 m时,隐伏溶腔的存在对隧顶围岩的沉降量影响不太显著。(2)溶腔与开挖隧道净距为1、2、5 m时,拱顶围岩最终土压力变化分别为47.4、84.7、135.1 kPa。溶腔底部距离隧道开挖轮廓线越近,拱顶围岩在隧道开挖后的土压力变化越小。岩溶地质现象对原始地应力场的影响表现为岩溶腔体对周边围岩的应力释放作用。(3)溶腔与隧道顶部净距为1、2、5 m时地中沉降峰值分别为25.7、32.8、38.8 mm,分别为无溶腔时的135.3%、172.6%、204.2%。隧道拱部隐伏溶腔与隧道净距并非越小对地表的沉降影响更大,溶腔-隧道净距与溶腔上覆土层厚度都会影响隧道开挖后的地表沉降。(4)各工况下拱架最终轴力表现为全环受压,弯矩值差异较轴力值更显著。拱...     

隧道完整型岩盘渗透破坏失稳机制流固耦合模型试验研究

为研究深长隧道开挖过程中完整型岩盘在工程扰动和地下水渗流作用下发生渗透破坏的失稳机制,以在地形地质条件复杂的中西部地区修建的深长隧道-利万高速齐岳山隧道为工程背景,通过能够同时实现高水压加载和隧道开挖的渗流突水模型试验系统和配制的流固耦合相似材料,开展深长隧道完整型岩盘渗透破坏灾变演化规律的物理模型试验,研究了开挖扰动和防突岩盘厚度对其渗流特征的影响.研究结果表明:深长隧道完整型岩盘渗透破坏失稳突水本质是开挖扰动和地下水渗流耦合影响下突水通道逐渐形成、防突岩盘逐渐丧失阻水能力的结果;开挖扰动和防突岩盘厚度对围岩内水压力分布和涌水量具有显著的影响,围岩水压在承压水渗流作用下经历"稳定-增大-稳定"的过程;隧道开挖过程中,承载水压、涌水量与防突岩盘厚度分别表现出正、负线性关系,水力梯度及渗透系数均具有明显的分段特征,突变点前水力梯度和渗透系数基本稳定,突变点后水力梯度急剧减小而渗透系数快速增大;随着防突岩盘厚度的减小,岩盘的阻水性能逐渐降低,对外加水压的承压能力逐渐下降;突水灾害的发生虽具有很强的"突变"性,但突水通道的形成将经历一个较慢的渗透破坏过程.研究结果可为深长隧道突水灾变机理的研究提供参考.     

岩石破裂过程中裂隙流体X射线造影试验及应用

裂隙流体是水岩系统工程灾变的主要影响因素,直观可视化岩石破坏与裂隙流体的相互作用过程,是揭示不同工程背景条件下水岩互馈灾变机理的关键。该文提出了岩石破裂过程中裂隙流体X射线造影方法,开展了岩溶滑坡、红层边坡失稳及煤矿采空区涌水灾害背景下的岩石材料尺度试验。试验研究结果表明:岩溶管道-裂隙流过渡过程中流态经历了从层流到过渡流或紊流的演化过程,多级应力荷载作用下碳酸盐岩管道流体至裂隙流体的变化过程具有分形演化特征。水动力循环和多级应力荷载作用下红层泥岩损伤因子呈非线性增长,采取控制或降低渗流扩散系数的加固措施可有效治理或调控红层边坡灾害。煤岩破裂过程中裂隙水均方根流量具有分数指数演化规律,裂隙水演化经历了超-扩散流动向亚-扩散流动的变化过程,得出开采扰动作用下煤岩裂隙水的非线性流动和异常扩散现象是诱发采空区突涌水灾害的本质原因。     

基于水-岩相互作用的富水断层破碎带隧道突涌灾害演化特征

为研究开挖卸荷和水力荷载耦合作用下富水断层破碎带隧道突涌灾害演化特征,以沈白高铁西谷隧道工程为依托,考虑不同富水破碎带构造形式及地下水赋存特征,开展隧道突涌灾害演化过程研究。基于水-岩相互作用原理,建立三维离散元粘合块体-裂隙流耦合模型,明确不同地质构造特征下的隧道突涌灾害模式,分析破碎岩体裂隙扩展和地下水渗流的时空演化规律。研究结论有:(1) 引入粘合块体模型和裂隙流组合模型,建立了富水断层破碎带水岩相互作用力学模型,再现了富水破碎带隧道突涌灾害演化过程。(2) 不同富水破碎带构造形式引起的突涌灾变模式差异显著,且具有不同的触发条件和表现形式。断层破碎带倾角为45°时,破碎岩体沿掌子面下部溜塌涌入隧道,倾角为90°时,围岩向掌子面挤出,倾角为-45°时,表现为拱顶围岩垮塌。(3)富水破碎带突涌灾害程度随着水头增大而加剧,其中倾角为-45°时,突涌灾害程度受水头高度的影响最显著,倾角为90°时,水头高度影响相对较弱,但突涌灾害程度最严重。     

岩溶隧道突水灾变过程分析及控制技术

采用现场调查、模拟实验、理论分析与现场监测相结合的研究方法,对圆梁山隧道岩溶突水特征及突水机理进行了系统研究,揭示了隧道岩溶突水是受岩溶充填物、水压与隧道围岩塑性区范围等因素影响的渐进破坏过程.针对圆梁山隧道揭露的5个岩溶,分别制定了有效防治岩溶突水的关键技术对策.     

岩体裂隙渗流-劈裂-损伤耦合模型及应用

基于岩体裂隙渗流-劈裂-损伤耦合效应是引起岩体工程高压突水、水力劈裂等地质灾害的重要原因,研究高水压下岩体裂隙的劈裂损伤机理和各向异性渗流特性,建立岩体裂隙渗流-劈裂-损伤耦合理论模型。将损伤应力场和渗流场作为2个子系统,采用间接耦方法构建岩体裂隙渗流-劈裂-损伤耦合数值模型。将模型应用于山西省长治市潞安王庄矿3号煤4309工作面高压注水软化顶煤工程,对高压注水下煤岩体的渗流-劈裂-损伤耦合响应规律进行研究。研究结果表明:所建模型反映了渗透压对岩体柔度张量的贡献和翼形裂纹扩展对裂隙岩体渗透张量演化的贡献;在高渗透压条件下,煤岩的应力场会发生很大变化,甚至可能改变煤岩应力拉压状态;高渗透压改变了煤岩裂纹结构,导致煤岩破裂是高压注水软化顶煤的基本原因;潞安王庄矿3号煤4309工作面的合理注水压力为7 MPa左右,这在现场注水现场试验中得到证实。     

正盘台隧道超前帷幕注浆合理范围

富水隧道开挖易引起突涌水、掌子面失稳和支护结构位移过大等问题,采用帷幕注浆可加固围岩并止水,进而保障隧道施工安全。为寻求合理超前帷幕注浆范围,本文依托京张铁路正盘台隧道实际,通过FLAC3D数值模拟手段建立了渗流场与应力场的耦合模型,研究深埋富水段隧道超前帷幕不同注浆范围对围岩稳定性和渗流规律的影响,从而指导工程实践。研究表明：全断面帷幕注浆和全周边注浆可较好满足正盘台隧道不同渗水段安全需求。     

基于时间序列的中坝隧道涌水分析

隧道涌水是四川岩溶地区隧道开挖过程的重大影响因素之一,决定隧道的顺利施工与否.以中坝隧道为例,通过工程地质勘查和渗流管道调查,结合降雨量与涌水量的时间序列分析,更加准确地判断富水溶腔的连通性,阐述该类隧道涌水形成机理,有效地为预测和解决隧道涌水问题提供借鉴.     

基于水-力耦合理论的超深隧道围岩渗透性预测

涌水预测是特长超深隧道勘测设计及施工中面临的重要问题之一。围岩渗透性是涌水预测的基础 ,对于超深隧道 ,不能通过大规模抽水试验来获得渗透性参数。以水力耦合理论为基础 ,该文提出了一种超深隧道围岩渗透性预测方法。其主要思想是 ,首先确定近地表岩体的渗透张量 ;根据地应力实测资料进行地应力场的量级反演 ;选择适当的裂隙开度 -应力模型 ,预测不同深度的裂隙开度 ;在裂隙网络结构不随深度变化这一假定的基础上 ,计算隧道标高的围岩渗透性。     

侵入接触型隧道突泥涌水危险性评估的变权-靶心贴近度模型

为了对侵入接触型隧道突泥涌水危险性进行评估,建立变权理论与靶心贴近度法相结合的优化评估模型。以双丰隧道为工程背景,选取被侵入围岩的透水性、接触带岩体基本质量指标、接触带岩体风化程度等7个指标构建评价指标体系,并建立突泥涌水危险性分级标准。在确定常权权重后,根据指标取值进行变权赋权,再运用靶心贴近度法对突泥涌水的危险性等级进行评定,并分析各指标的致灾性,据此指导后续施工设计。研究结果表明:代表灾害源的指标(岩体基本质量指标、地下水位)致灾性最强,且经过变权计算,3个主控指标(岩体基本质量指标、地下水位、接触带岩体风化程度)的权重之和降低了近5%,危险性等级由Ⅱ级升为Ⅰ级,更加符合工程实际,也证明了本模型的有效性和准确性。     

大采高综采端头悬顶水力切顶控制机理

为解决大采高综采端头顶板难垮问题,以陕北侏罗纪典型煤层条件为背景,结合理论分析、数值模拟与现场试验,对顶板破坏时的人工干预破断裂隙演化与其采动应力耦合作用规律进行研究。通过对顶板割缝损伤弱化模型的研究,揭示水压裂隙控制顶板的破断规律,给出定向割缝的控制参数;基于此,构建定向裂隙与采动应力耦合模型,分析水压切割定向裂隙控制顶板破断的裂隙演化规律,提出水压致裂切割定向裂隙控制端头顶板破断的技术方案与工艺方法。结果表明:顶板水压致裂后,顶板破坏类型由拉伸破坏转变为拉剪复合破坏,定向裂隙尖端形成了翼型裂纹与反翼型裂纹,顶板破断角由45°变成56°,煤壁塑性区、片帮深度均减小;现场试验后,初次来压步距为32 m,周期来压步距为12. 2 m.     

合肥地铁盾构隧道下穿河道施工数值模拟分析

文章针对合肥地铁1号线盾构下穿南淝河存在的安全隐患,基于流固耦合原理与有限差分方法,采用FLAC3D对隧道盾构开挖流固耦合效应进行模拟,分析了盾构推进过程中隧道周边土体孔隙水压力规律、竖向应力场、拱顶沉降等。研究表明:盾构开挖导致隧道拱顶及两侧土体孔隙水压力明显降低,地下水在水压力的驱动下向拱顶与两侧流动,这些部位容易出现危险,要防止涌水事故的发生;考虑流固耦合后,围岩竖向应力值变大,最大拉应力与压应力均变大,隧道周边局部围岩出现较大的应力集中现象,对隧洞安全不利,拱顶竖向位移增大,竖向位移在水平方向从隧道中心向两侧不断减小,而土体后期固结沉降占最终沉降的比例达到30%,要加强后期监测,防止沉降过大影响隧道安全。     

富水岩溶隧道下穿充填型溶腔技术措施及力学分析

为解决富水岩溶地区隧道下穿充填型溶腔时发生的突水涌泥灾害,以云南玉磨铁路巴罗二号隧道为背景。运用有限元软件MIDAS GTS NX建立充填型溶腔处治前后两种工况下的隧道模型,对两种工况进行力学分析,提出在充填溶腔位置采用超长管棚加固的方法对围岩变形进行控制,并通过现场试验段验证超长管棚加固效果。结果表明：在采用超长管棚加固后,溶腔与隧道间塑性贯通区消失,围岩竖向位移降低76.3％,左侧拱腰收敛降低63.85％,模拟值与现场实测值吻合度较高,证明采用超长管棚加固后隧道结构稳定性明显增强。超长管棚弯矩值和轴力值随开挖进度不断增大,但分布逐渐均匀,超长管棚应变解析解与软件模拟数值解分布规律基本一致,表明管棚在稳定围岩方面效果显著。现场试验段应用超长管棚加固措施后,围岩变形量值得到有效控制施工工期缩短,有效提高施工效率且效果良好,保证了后续施工的安全。     

断层突水非线性渗流-应力耦合研究

针对断层水突出日益严重的问题,为揭示断层水突出过程中流固耦合作用影响下突水不同时刻、不同阶段的承压水运移规律,在断层破碎带中应用非达西流动方程并考虑应力作用和孔隙水压力作用对断层带中岩石力学参数的影响,应用Comsol软件建立含水层-断层-工作面三个阶段的断层导通前后达西-非达西-自由流动方程,获得应力-水压力作用下断层水突出及流动机理。结果表明:非达西Forchheimer方程能有效模拟计算高水压高流速水流在断层中的流动过程;流固耦合作用对断层中的非达西流动特性影响较大,断层破碎带作为含水层和工作面的连接部,其在应力作用下的渗透性突变是断层突水形成的根源。     

尚家湾强岩溶隧道突水突泥伴生灾害源综合分析

通过采用长期预报和短期预报相结合的方式,准确预报尚家湾强岩溶隧道突水突泥伴生灾害源的规模与空间位置,结合超前钻探建立综合超前预报体系。针对发生的3次突水突泥灾害,通过现场踏勘和水文地质分析,查明突水突泥伴生灾害源的来源,揭示尚家湾隧道突涌灾害源的赋存特征、致灾模式及其致灾机理,提出突涌灾害是由压力水、泥砂相结合的伴生灾害源和突涌通道2部分组成,伴生灾害源是内在源动力,突涌通道是灾害源的优势运移路径。同时,建立集内外结合(隧道内部揭露围岩与地表环境)、综合预报、"循环推进,交叉评价"、动态补探、综合治理相结合的伴生灾害源探测及防治技术,提出相应的治理原则、治理方案及后续施工的预防措施。     

黄土孔隙、裂隙及其优先流研究进展

开展黄土孔隙、裂隙与黄土优先流研究对黄土高原农业耕作、饮用地下水安全、水土保持及地质灾害防治具有重要理论意义和实用价值。介绍了黄土孔隙、裂隙及优先流研究进展,结合当前研究的不足,对研究思路和应用前景提出展望。认为定量刻画黄土微细观孔隙、裂隙结构模型,水土作用下的黄土颗粒滑移机理,孔隙、裂隙演化特征及其规律,揭示水-土耦合作用下的黄土灾变力学机理等,是当前及今后一段时期黄土孔隙、裂隙及黄土优先流研究的重要任务。