复杂地质条件下隧道突水突泥致灾机理研究

在隧道施工过程中,因隐伏于岩体中的含水构造系统被揭露破坏,很可能导致开挖临空面与导水通道进行连通,从而发生突水突泥灾害。通过建立充填介质滑移失稳力学模型并利用有限差分模拟软件模拟岩溶管道在不同水压力影响下隧道发生突水突泥的可能性,研究了复杂地质条件下隧道突水突泥的致灾机理。结果可供隧道施工参考。     

考虑水力耦合效应的超大直径穿江隧道开挖扰动分析

文章以芜湖超大直径过江隧道穿越长江段为例，采用岩体水力耦合细观力学模型对江底隧道开挖过程进行数值模拟，分析水力耦合效应、岩体内部微裂纹结构特征及支护水压等对开挖响应的影响。结果表明：不考虑水力耦合时，隧道开挖引起的最大水平位移位于隧道两侧，随着与洞周距离的增大而减小，隧道底部隆起值大于顶部沉降值，而考虑水力耦合作用后，隧道两侧边墙与江底地表均产生较大的水平位移，隧道顶部沉降显著增大，底部隆起明显减小，比顶部沉降小1个数量级；随着江水位增大，江水渗流作用对江底地面沉降变形影响效应更加明显；岩体内部初始微裂纹结构特征对隧道开挖引起的江底变形响应影响较大，优先水平发育时，水压力降低区域明显增大，江底地表竖直沉降范围明显扩大，距离开挖隧道较远区域地表也产生较大沉降变形；适宜的支护水压可对隧道开挖引起的变形扰动进行有效控制。研究成果对深化涉水隧道水力耦合研究具有一定参考意义。     

云南某高速公路隧道岩溶发育特点及其灾害治理实例

岩溶隧道施工遭遇岩溶特别是充填(水、黏土)岩溶,极易发生涌突水、涌突泥灾并引发隧道冒顶、地表水源流失等地质灾害及地表生态环境破坏问题,轻则影响工期,重则对洞内施工人员和机械设备造成危害.研究岩溶隧道穿越位置岩溶发育及其充填性质,总结隧道施工岩溶灾害处理经验,无疑对今后西南岩溶隧道施工具有重要的指导意义.以云南某高速公路隧道为例,对季节变动带岩溶发育分布规律、岩溶灾害治理进行了初步探讨.     

基于流-固-损伤全耦合模型的裂隙型岩溶突涌水数值模拟

岩溶地区隧道建设频遇突涌水灾害,裂隙型突涌水勘察与预测难度极大、致灾风险高。为揭示裂隙型岩溶突涌水机理与明确前兆信息,本文基于“流-固-损伤”耦合模型对裂隙型岩溶突涌水致灾机理与临界条件展开研究。通过公式推演与多场耦合数值分析得到以下结论：(1)建立了完整的“流-固-损伤”耦合裂隙型岩溶突涌水致灾机理数学模型,并论证其可行性与合理性;(2)分析了不同溶腔水压工况下,隧道拱顶围岩位移演化规律。结果表明,裂隙型岩溶突涌水与富水溶腔水压高度相关;(3)分析了临界突水条件下围岩特性,提出了“缓慢增长段-快速增长段-位移失控段”的三阶段裂隙型岩溶突涌水围岩位移演化规律。     

岩溶区铁路列车荷载对新建下穿隧道动力响应规律

在岩溶地区,列车振动荷载已成为引起铁路周边地表岩溶塌陷的重要影响因素。为研究新建地铁隧道在岩溶地层中开挖时,列车荷载对隧道、地表及地层的动位移和动应力响应,以贵阳地铁3号线下穿川黔铁路为背景,通过有限元软件建模计算了在最不利围岩和列车动载条件下,隧道拱顶无溶洞、有溶洞和溶洞注浆3种工况的动力响应规律进行对比分析。结果表明：在列车动荷载作用下,溶洞存在及对其注浆加固对地表位移动力响应的影响范围大致为3.3倍洞径以内,有溶洞时地表最大瞬时沉降发生在路基中线与隧道中线交叉处,为2.74 mm,而对其注浆加固后此处的沉降为2.16 mm,减小了21.2%;对溶洞进行注浆加固后隧道支护结构产生了相对更大动力响应,最大瞬时位移和主应力均发生在隧道拱顶,分别为-1.41 mm和-0.36 MPa;地层竖向应力从地表到隧道拱顶衰减最明显的是有溶洞的情况,从-0.076 6 MPa衰减到-0.008 4 MPa,衰减率为89.03%。可见,对铁路与隧道之间的地层溶洞注浆加固后,在保证新建隧道安全的情况下,明显改善降低了列车动载引起的地表瞬时沉降。     

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.     

高速铁路隧道岩溶突水发生机理研究

针对高速铁路隧道经过岩溶发育段频频发生突水、突泥的现状,以油坊坪隧道岩溶突水为研究背景,对其突水机理展开了理论及数值计算研究,建立了油坊坪隧道岩溶突水的两类力学模型,对两类模型的力学失稳机理展开了理论推导,将理论推导结果应用于油坊坪隧道岩溶突水现场,理论计算结果与隧道现场突水情况相一致。通过快速拉格朗日Flac3D程序对岩溶突水的机理及相关规律进行了数值分析计算,计算结果表明,隧道未开挖时,隧道的左拱顶沿岩溶管道方向渗流矢量强烈,表明左拱顶附近将是地下水的重要渗流通道;隧道开挖后,岩溶通道彻底打开,岩溶管道渗流朝管道临空面,隧道环向渗流矢量均朝隧道中心;对岩溶管道进行注浆处治并施加衬砌后,孔隙水压力发生明显降低,岩溶通道的一定范围外的左下侧、右侧易沿矢量集中位置形成渗流通道,可以将该范围视为需注浆加固处治区域。     

岩溶区地下工程裂隙渗流突水数值模拟研究

随着岩溶区地下工程的大量建设,岩溶裂隙突水频发并逐渐成为制约地下空间建设发展的瓶颈问题.采用简化的裂隙非饱和渗流计算方法,通过多场耦合分析数值模拟软件COMSOL Multiphysics研究了裂隙岩体的非饱和渗流特征及裂隙对渗流的影响.通过对复杂的溶洞-裂隙系统进行科学简化,建立了一种岩溶区地下工程裂隙导通突水模型,并采用此模型开展了裂隙渗流突水数值计算.结果表明:裂隙对岩体渗流产生显著影响并会造成渗流强烈的各向异性;地下水大都将沿着优势渗流通道运移,而较少渗流到其他阻渗性强区域,因而形成相对集中的突水点.研究结果可为岩裂隙渗流和连通提供思路,为岩溶区裂隙突水理论和防治提供参考.     

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.     

隧道充填岩溶管道滑移失稳突水机制

为探究隧道充填岩溶管道滑移失稳突水机制,将岩溶管道视为"塞子",建立岩溶管道滑移失稳突水的地质模型和力学传递模型,推导出充填岩溶管道失稳判据及安全系数计算公式,并通过算例分析岩溶管道倾角和含水体水位对岩溶管道安全性的影响。研究结果表明:弱透水或不透水的充填岩溶管道在突水过程中的作用类似"塞子",具有较强阻水性能,此时突水模式为岩溶管道的充填物滑移失稳突水;隧道开挖过程中,作用在岩溶管道的下滑力和抗滑力达到临界条件时,管道发生滑移失稳,最终导致突水的发生;充填岩溶管道的安全系数随着含水体水位增大而不断降低,管道倾角对安全系数的影响比水位的影响小;地下水对岩溶管道安全性的影响很大,其中渗透压力、静水压力和扬压力对管道安全性的影响较大,是触发管道发生滑移失稳、引发突水的关键因素。     

改进GAP法盾构隧道开挖地表沉降预测

针对盾构隧道开挖引起的地表沉降问题,基于GAP法模型的基本原理,通过对该模型的改进,借助FLAC2D进行数值分析,对盾构隧道的地表沉降规律进行了研究.得出了同一盾构直径随着隧道埋深增加的情况下,地表最大沉降值逐渐减小、地表沉降槽逐渐变宽的规律,且隧道埋深和地表最大沉降值存在某种线性关系.该成果对盾构隧道开挖引起的地表沉降分析具有一定的参考价值和指导意义.     

公路隧道充填型岩溶管道突水灾变机理及演化过程数值分析

为研究公路隧道充填型岩溶管道突水灾变机理及其演化过程,针对地质缺陷型岩溶突水构造,建立充填型岩溶管道3种力学失稳模型,对所建立的失稳模型进行力学解析推导,得到相应的失稳判据。以富安省和庆和省之间1号公路的DEO CA隧道发生岩溶突水为典型工程背景,对其突水灾变演化过程展开计算分析,采用真实破裂过程分析程序RFPA和快速拉格朗日Flac3D程序分别对岩溶管道突水灾变的微、宏观演化过程实施数值仿真分析。研究结果表明:岩溶管道充填体的安全系数K=0.46,说明充填体将发生滑移失稳并导致岩溶突水,解析计算结果与现场突水实际相吻合。数值计算结果较好地反映了岩溶管道突水的全过程演化机制。     

阳灵隧道充填溶洞综合预报及突泥事故治理

突水突泥灾害是岩溶隧道施工中经常面对的严峻挑战.综合采用地震方法和电磁方法对阳灵隧道F_1断裂带开展了超前地质预报,准确地预报了充填溶洞的位置和规模.突泥事故治理过程中,首先采取稳定塌落体、封堵下泄口和加固已有支护等措施控制灾情;然后利用三台阶法和双层钢拱架支护通过了溶洞影响段;最后,采用地质雷达探测了溶洞规模和充填情况,并对围岩和支护结构的受力变形状况进行监测.结果表明,综合超前地质预报是探测隧道不良地质体的有效途径,"控制灾情,谨慎开挖,事后监控,确保安全"是突泥事故治理的合理原则.     

岩溶区盾构隧道开挖的稳定性分析

盾构隧道穿越溶洞密布的复杂环境时,不可避免的引起岩溶开挖区应力场突变,严重时造成溶洞坍塌、隧道突水突泥等工程灾害.采用有限元模拟方法,基于岩层破坏机理,分别针对溶洞数量不同及排列方式不同这两种重要因素,从隧道开挖引起的位移场、应力场和塑性区域三个方面分析岩溶隧道开挖所引起的围岩变化规律.结果表明:溶洞的存在使得隧道围岩最大主应力显著提高,围岩竖向位移随溶洞个数增加而增大,围岩周围土体的应力场、位移场、塑性区域均随着洞-隧之间不同的排列方式而呈现不同的变化规律.分析结果可为岩溶地区盾构隧道设计、施工以及运营提供理论及工程指导.     

富水岩溶隧道掌子面安全岩柱厚度研究

富水岩溶隧道施工时掌子面前方的安全岩柱对保障隧道的安全施工至关重要。为了计算出较为合理的隧道掌子面安全岩柱厚度,以华丽高速营盘山隧道为依托,基于塑性区贯通准则及位移突变准则,建立三维流固耦合数值模型,分别对不同埋深、溶洞内水压力及开挖方法下的掌子面安全岩柱厚度进行了研究,并给出掌子面安全岩柱厚度的区间。结果表明：隧道安全岩柱厚度随隧道埋深及掌子面前方溶洞内水压增加而增大;隧道一次开挖洞径越小,支护越及时,安全岩柱厚度越小;最小安全岩柱厚度区间随隧道埋深增加而增大,但随掌子面前方溶洞内水压增大而减小。采用CRD法开挖时,掌子面安全岩柱厚度及安全岩柱厚度区间均最小,对岩溶隧道掌子面的稳定性也最好。     

隧道前方溶洞对盾构机掘进影响分析

城市岩溶地质对盾构施工易造成盾构机陷落、故障,溶洞坍塌;针对盾构掘进前方隧道范围内溶洞对施工影响这一问题,依托大连地铁5号线后后区间工程,基于理论分析和MIDAS GTS数值模拟试验,以地表沉降、洞周变形、塑性区作为分析指标,选取溶洞尺寸、溶洞充填情况作为分析工况,盾构掘进至溶洞距离作为变量,结合溶洞预处理后与处理前对比分析。研究结果表明：不同溶洞尺寸和不同填充物对洞顶上方和地表竖向变形影响不大;当掘进施工靠近溶洞时,洞腰水平变形和靠近掘进面的临空面纵向变形呈现非线性增长且与溶洞大小相关;掘进面与溶洞之间塑性区贯通距离与溶洞大小呈近线性关系,理论计算结果与数值模拟结果较为一致;处理后的溶洞变形得到有效控制,数值模拟结果与实测数据接近。研究结果为岩溶识别处理和施工提供参考。     

深埋隧道穿越富水破碎带围岩突水机理

基于隧道穿越处于复杂应力场与渗流场环境的富水破碎带时存在发生重大突水事故的安全隐患,通过对破碎岩体的渗流特点进行研究,建立孔隙颗粒介质流失的渗流模型;基于连续介质力学和变质量动力学理论,推导饱和破碎岩体变质量渗流-变形耦合理论模型;以福建漳州梁山隧道L7富水破碎带为工程背景,分析围岩的渗流场、应力场与位移场分布特性,并总结隧道断层破碎带的突水塌陷机理。研究结果表明:断层破碎带突水实质上是围岩的力学平衡和地下水的渗流平衡因施工扰动发生急剧变化,引起围岩应力重分布及地下水能量释放;隧道施工揭露断层后,岩体颗粒随孔隙空间的流体发生迁移形成新的渗流通道,导致地下水在水头压力作用下向工程临空面涌出,形成漏斗形的渗水区域;随着渗流作用时间的延长,地下水和岩土体逐渐流失,隧道上方的破碎岩体发生严重的滑移变形,形成椭圆形塌陷区域,与现场实际塌陷破坏规律基本吻合。本文提出的渗流-变形耦合模型对理解破碎岩体渗流力学机制和深埋隧道突水灾害的预防设计具有参考价值。     

隧道前方溶洞对盾构机掘进影响分析——以大连地铁5号线后后区间工程为例

城市岩溶地质对盾构施工易造成盾构机陷落、故障,溶洞坍塌;针对隧道前方的溶洞对盾构施工影响这一问题,依托大连地铁5号线后后区间工程,基于理论分析和MIDAS GTS数值模拟试验。以地表沉降、洞周变形、塑性区作为分析指标,选取溶洞尺寸、溶洞充填情况、溶洞处理前后对比作为分析工况和盾构掘进至溶洞距离作为变量,分析溶洞对盾构掘进的影响。研究结果表明:当掘进施工靠近溶洞时,洞腰水平变形和靠近掘进面的临空面纵向变形呈现非线性增长且与溶洞大小相关;掘进面与溶洞之间塑性区贯通距离与溶洞大小呈近线性关系,理论计算结果与数值模拟结果较为一致;处理后的溶洞变形得到有效控制,数值模拟结果与实测数据接近。研究结果可为岩溶识别处理和施工提供参考。     

地铁施工考虑流固耦合效应对地表沉降影响

为探索城市浅埋隧道在流固耦合作用下产生的地表沉降,基于流固耦合分析理论,以某城市地铁隧道为例,运用有限差分软件FLAC-3D建模计算,对比分析了考虑流固耦合效应与否的地表沉降量,并与实际检测值比较;绘制出竖向位移等值线;并在流固耦合作用下,研究了不同地下水位高度的隧道施工对地表沉降的影响.结果表明:流固耦合作用下,地表沉降值与实测值基本吻合;隧道开挖周围区域等值线密集;地下水位高度对隧道施工的地表沉降量影响较大.     

隧道穿越大型充填型溶洞的工程地质勘察技术研究

研究目的：通过总结宜万铁路马鹿箐隧道PDK255＋978大型充填型溶洞的综合勘察,介绍隧道穿越大型充填型溶洞时各种勘察方法的综合应用,查清充填溶洞的工程地质及水文地质条件,以便确定充填溶洞的处理方案。研究结论：通过EH-4确定岩溶异常的发育范围及空间形态,深孔钻探验证岩溶异常的形式及溶洞内充水、充泥情况,并确定溶洞内充水、充泥数量以及水压力大小,通过地下水化学分析确定突水来源及地下水补给来源,通过水文观测确定了地下水的补给量,为宜万铁路马鹿箐隧道PDK255＋978大型充填溶洞的处理提出了分级泄水的处理方案。