爆破振动下海底隧道涌水量预测研究

爆破振动效应下海底隧道涌水量预测目前仍是一个难题。以青岛地铁1号线瓦屋庄站—贵州路站过海区间海底隧道为工程背景,基于等效连续介质模型,利用镜像法推导考虑损伤区因素的海底隧道涌水量计算公式,通过正演与反演的方式,结合数值模拟计算结果以及实际工程监测结果综合验证公式的正确性并分析损伤区因素对涌水量的影响机制。结果表明：爆破振动产生的挤压作用使得隧道周边围岩孔隙水压力会在短时间内急速上升,到达峰值后随着爆破振动的减弱及消失开始缓慢下降;在损伤区因素影响下,隧道涌水量随着损伤区厚度增加逐渐变大,但不会随着损伤区渗透系数的增加而不断增加;数值模拟计算考虑爆破损伤区与否的隧道涌水量比值为1.4,与文章所推公式计算结果 1.342相比误差仅为4.1%,且计算结果与现场实测结果相比仅少0.53 m3/（d·m）,相对于传统计算公式结果更接近实测结果,说明本文计算公式适用于考虑损伤区因素的隧道涌水量计算,具有较高的工程应用价值。     

厦门海底隧道施工方案优化研究

基于数值模拟方法,对厦门海底隧道施工进行优化分析。在侧压力系数为0.6和0.9情况下,首先针对3种常用施工方法——全断面开挖法、上下台阶法和台阶分部开挖法进行计算分析,通过比较隧道洞周关键点位移及洞周塑性区分布,得到全断面开挖对围岩的扰动较小;然后,通过计算分析不同台阶长度对隧道的稳定性的影响,得到上下台阶开挖台阶步距为10 m左右较为合理的结论,对海底隧道的施工具有一定的指导意义。     

岩体流变情况下隧道合理支护时机的数值模拟

以广梧高速公路牛车顶隧道为工程背景,探讨岩体流变情况下隧道二衬支护时机确定的理论和数值计算方法。对比理论方法预测拱顶下沉时程曲线与现场实测结果,建立数值计算模型,分析隧道围岩应力释放系数对围岩稳定性的影响表明,理论方法预测拱顶下沉时程曲线与现场实测表现出相同的发展规律,并且二者得到的二衬支护时间基本相同,验证了理论方法的正确性。围岩应力随着掌子面推进而不断释放,III级围岩应力释放比较缓慢,空间效应比较明显;当开挖释放应力系数大于或等于60%时,整个围岩的松动区都大于锚喷加固范围,最终确定出二衬的合理支护时机,为工程实践提供参考。     

水底隧道涌水量预测方法的应用分析

讨论了水底隧道涌水的预测计算问题,利用经验法和有限元法对某拟建海底隧道工程方案的涌水量进行了预测计算和对比分析,探讨了竖向和水平走向裂隙发育情况对隧道涌水的影响。结果表明:①与有限元相比,用经验公式计算得到的水底隧道涌水量偏小;②当水底岩层张性裂隙(尤其是竖向裂隙)较发育时,隧道涌水量增长较大;③当隧道临近或穿越断层破碎带时,隧道周边的渗流场具有显著的三维特征;④如果水底隧道上覆地层中没有显著的隔水层,则由于水源无限充足,隧道的涌水量将主要受到水位相对高度和隧道围岩渗透系数的影响,与隧道上覆地层的厚度关系不大。     

FLAC3D在青岛地铁渗流场中的应用

首先,基于考虑衬砌和注浆圈的解析解,利用MATLAB软件编制了计算与自动绘图程序,研究水头、隧道半径、围岩渗透特性与衬砌渗透系数和隧道涌水量、外水压力的相互关系;其次,基于FLAC3D软件平台,通过数值解与理论解的对比,验证了数值模拟方法在隧道渗流场中应用的正确性。在此基础上,结合青岛地铁典型区间隧道,分析了隧道开挖阶段以及运营期的渗流场,并研究了在不同注浆圈厚度以及注浆圈渗透系数下隧道注浆圈的涌水量和外水压力。结果表明,在隧道周围施作注浆圈的方法来减少隧道的涌水量是可行的。注浆圈厚度越大,其渗透系数越小,隧道涌水量就越小,而外水压力变化规律与涌水量恰恰相反。研究成果为地铁隧道衬砌的设计和注浆圈范围的初步确定提供了参考依据。     

岩石弹塑性应力-渗流-损伤耦合模型研究(Ⅱ):参数反演及数值模拟

海底隧道或近海富水区隧道围岩长期处于地下水环境中,围岩稳定性受渗流场的影响较为明显,由于渗流场作用使得应力场、损伤场发生变化,而围岩应力场、损伤场的变化又对渗流场产生反作用,三场耦合效应十分显著。针对耦合模型中参数多、确定难度大的问题,进行耦合模型中损伤参数的反演。采用基于岩石弹塑性应力-渗流-损伤耦合模型所编制的计算程序和智能位移反分析程序,对大连地铁海事大学试验线路过河段隧道施工过程中的围岩稳定性进行数值计算。根据现场监测位移采用耦合模型进行损伤参数反演,其中耦合计算中采用应力场与渗流场分别迭代求解的间接耦合方法进行有限元计算,利用反演的参数对隧道围岩应力场、渗流场、损伤场分布规律及衬砌结构的受力特征进行了分析。研究结果表明:利用位移反分析法得到的围岩力学参数进行类似地质条件的隧道围岩数值分析是可行的,进而可以预测围岩的变形破坏模式,判断围岩的稳定性。与此同时,通过数值计算可知,地下水的渗流作用对近海隧道的围岩变形有一定的影响,增加了围岩的应力、位移,从围岩-支护结构共同作用原理考虑,进行隧道支护结构设计是应该考虑三场耦合效应的,计算结果可以指导隧道防排水施工质量的改进与提高,为近海富水区隧道开挖设计提供一定的理论参考。     

基于优势面理论的隧道控水与模拟分析

利用优势面理论对断层导水进行分析,并结合降雨渗流的条件进行了数值模拟。探讨了特定条件下围岩中渗流场的分布规律,模拟了改变围岩注浆圈的厚度和渗透系数的大小对涌水量的影响。结果表明,改变注浆圈的厚度对涌水量影响小,注浆圈渗透系数影响很大,而且在断层处产生汇水作用,控制注浆圈渗透系数在10-8 m/s以下可以有效地防水。该控水理论可以为隧道水害的预测与治理提供新思路。     

考虑累积损伤效应的围岩变形特性研究

隧道爆破开挖诱发的动力扰动作用范围往往远大于其开挖进尺,同一部位围岩受到循环爆破开挖的多次扰动普遍存在累积损伤。对乌东德水电站左岸导流洞爆破开挖过程中的爆破振动和围岩变形监测进行了监测和数值分析,基于累积损伤理论,通过引入损伤判据及损伤变量,考虑计算中产生的不同程度的损伤区域的岩体参数劣化,并将劣化后的参数引入相应损伤单元进行后续开挖爆破数值模拟计算,从而对岩体爆破开挖累积损伤效应进行模拟。通过比较乌东德水电站导流洞的实测数据以及数值模拟计算结果发现,考虑累积损伤的计算结果无论是爆破振动速度还是围岩变形均更接近于实测值。对爆破开挖的分析模拟中应考虑围岩的多次循环爆破累积损伤效应。     

大型地下洞室考虑开挖卸荷效应的位移反分析

基于现场监测资料的位移反分析是地下工程动态监控、信息化施工的重要组成部分。以乌江彭水水电站大型地下厂房（开挖跨度为30 m,高度为78.5 m）为例,从围岩实测位移出发,建立了基于均匀设计－神经网络－遗传算法的围岩力学参数的系统反分析方法,反演考虑开挖卸荷效应的围岩力学参数。根据数值分析结果形成训练样本,利用BP人工神经网络映射围岩的变形与力学参数的关系,同时针对传统人工神经网络存在初始权值难以确定的问题,应用遗传算法优化神经网络的初始权值;利用现场监测的增量变形反演了围岩的力学参数;最后利用反演出的参数,进行地下厂房开挖预测分析。结果表明,预测位移与现场监测位移较为接近,进行统计检验结果为优,说明该参数反演方法是正确合理的。     

龙滩地下洞室群围岩稳定性分析

大型地下洞室群的开挖和支护结构与围岩的稳定性密切相关,龙滩地下洞室群是布置在陡倾角层状结构岩体的巨型地下结构。应用FLAC3D方法,研究龙滩地下洞室群在开挖和支护过程中围岩的变形特征以及支护结构的受力特点,并将位移计算结果和现场监测结果进行比较,结果表明：数值计算的结果与监测结果规律基本一致,但数值计算位移的量值比监测结果略大。由此可知,采用本计算方法模拟急倾斜岩体内开挖大型地下洞室群具有较强的可靠性。     

岩溶隧道涌突水破坏模式分类及防突厚度研究

在岩溶山区进行隧址选择时,隧道与溶洞之间的防突岩体厚度是重要因素之一.在岩溶隧道修建过程中,若岩墙厚度保留过小,则岩溶水涌出造成安全事故、经济损失和工期延误.目前涌突水破坏分类较为笼统且大多忽略了隧道围岩的岩体结构对防突厚度的影响.本文首先从岩溶隧道围岩的结构类型、溶洞与隧道之间的相对大小和相对位置的角度进行涌突水破坏...     

象山港海底某公路隧道最小岩石覆盖厚度及选线方案优化研究

通过对国内外海峡海底隧道的调研分析,归纳得到三种确定最小岩石覆盖厚度的方法——挪威经验公式法、日本最小涌水量预测法以及国内顶水采煤经验法。利用上述三种方法,对象山港海底某公路隧道的最小岩石覆盖层厚度进行工程类比。综合考虑三种方法的分析结果,结合隧道地质条件,获得最优的岩石覆盖厚度。结合隧道海底的地形及地质条件,选择一个剖面作为控制剖面,根据隧道的设计坡度分别得到隧道底板线的位置及各个剖面在设计坡度下的岩石覆盖厚度,并与工程类比厚度比较。根据分析比较结果,调整隧道底板线部分段的坡度,使得隧道在满足安全的条件下,得到最短的隧道线路,从而决定隧道的最优选线方案。     

小三峡岩溶隧道围岩防突层安全厚度有限元分析

针对小三峡隧道岩溶发育的工程地质特征,采用有限元方法建立典型隧道断面数值计算模型,分析充水溶洞位于隧道不同方位、不同距离时隧道围岩位移和塑性区变化规律,并结合围岩的位移变化情况和塑性区分布情况作为评价隧道围岩突水的判据,得出防止隧道围岩突水的岩层最小安全厚度。研究结果表明:在岩溶水压力作用下,当洞径比一定时,随着溶洞逐渐远离隧道,溶洞对隧道的影响在逐渐减弱;当间径比一定时,溶洞直径越大对隧道的影响越明显;同时根据围岩的位移和塑性区计算结果得到了隧道围岩最小防突厚度。研究成果可为小三峡隧道安全施工提供技术支撑。      

翔安海底公路隧道陆域段变形控制措施研究

翔安隧道是我国第一条大跨公路海底隧道,其两端陆域段位于富水的强风化岩层中,地质条件极为复杂。隧道施工期间,部分断面发生了较大变形,超过了预留变形量,给二次衬砌的施工造成了影响,而且过大的变形有时还会导致隧道围岩失稳,应寻求一套合理的变形控制措施。基于现场监测数据和施工记录,并结合数值方法,对隧道施工过程中所采取的工程措施的作用效果进行了研究。结果表明,增设锁脚锚管、加强临时支护及管井降水等工程措施都可以在一定程度上减小隧道支护结构的变形,但在地质条件较差的富水强风化岩层中修建大跨公路隧道时,将两种或多种工程措施的组合起来使用效果更佳。例如,在采用降水（连续墙）＋加强临时支护＋锁脚锚管的组合方案后,隧道的拱顶下沉减小了46 %～60 %,水平收敛也减小了约30 %。这些措施可为今后类似工程提供一定的参考。     

三维快速拉格朗日法在安全顶板厚度研究中的应用

为了合理选择厦门海底隧道的最小顶板厚度。在厦门海底隧道轴线的地质部面图上，选取了6个典型剖面，在不同的剖面及同一剖面的隧道的不同深度，应用三维快速拉格朗日法，分两个步骤：第1步，在较大的深度范围内初选隧道的顶板厚度：第2步，在第1步初选结果的基础上，在较小的深度范围内，进一步选择。通过对开挖后的应力分布、洞周位移、塑性区等的分析，最后得出厦门隧道的最小顶板厚度。同时，得到一些对后续施工和其他工程有一定指导意义的有益结论。     

深埋特长隧道的突涌水危险性评价研究

为评价隧道突涌水风险,确保施工安全,本文结合工程实例,利用层次分析法和模糊理论构建了隧道突涌水危险性评价模型,并利用P×C分级法确定隧道突涌水危险性等级。实例检验表明:该模型的权值求解方法具操作简单、准确性高等优点,能有效通过一致性检验,且隶属度求解过程有效综合了定性分析与定量评价,保证了分析结果的准确性;同时,该评价模型可定量评价隧道突涌水的危险性等级,且判别结果与现场实测值的判别结果具较好的一致性,验证了该评价模型的可靠性和准确性,为隧道突涌水危险性评估提供了一种有效途径。      

流-固耦合模型试验用的新型相似材料研制及应用

为研究隧道突水、突泥过程中断层及围岩各物理场变化规律,根据地质力学模型试验相似原理,通过大量多组别配比试验,研制出适用于流-固耦合模型试验的新型断层及围岩相似材料。其中,断层相似材料以砂为粗骨料,滑石粉为细骨料,石膏、膨润土作为胶结剂,液态石蜡作为调节剂;围岩相似材料以砂为粗骨料,重晶石粉、滑石粉为细骨料,白水泥及乳胶作为胶结剂。通过大量室内试验,对比分析原岩及相似材料变形特征及强度破坏特性,重点对单轴抗压强度、渗透系数、重度、泊松比、弹性模量等重要变形及水理特性参量进行调控,系统研究不同配比对材料参数的影响规律。试验结果表明：该材料力学参数变化范围广、性能稳定、操作工艺简单,可用来模拟不同渗透系数的低、中等强度岩体材料。将该相似材料应用于吉莲高速公路永莲隧道断层突水、突泥三维地质力学模型试验中,力学性能及水理特性均达到试验要求,能够有效地模拟突水、突泥的发展演变过程,真实反映断层灾变过程中各物理场响应规律。     

基于原位双环、试坑浸水试验和数值模拟反演的Q3黄土饱和渗透系数对比研究

为准确获取原状Q3黄土的竖向和水平饱和渗透系数,进行了原位、室内试验测试以及数值模拟反演,并应用大型试坑浸水试验检验了所获饱和渗透系数的可靠性。进行了不同内径尺寸的原位双环入渗试验,获取了竖向饱和渗透系数,并应用室内试验测试了竖向和水平饱和渗透系数以及持水曲线;应用COMSOL软件对双环入渗试验进行数值模拟,检验了所测饱和渗透系数的可靠性,利用正交试验获得了最优的竖向和水平饱和渗透系数取值,并利用反演结果对试坑进行数值模拟,将其水分入渗情况与实测值对比。研究结果表明：在现场进行双环入渗试验时选取较大内径的双环获得的竖向饱和渗透系数更为合理。针对双环入渗试验,数值模拟反演所得最优饱和渗透系数在竖向上接近于原位试验所得竖向饱和渗透系数、水平向上接近室内所测水平向饱和渗透系数,竖向饱和渗透系数比水平向饱和渗透系数更加显著地影响水分入渗过程。通过对大型试坑水分入渗情况的验证,检验了反演所得最优饱和渗透系数的可靠性。     

Effect of an incremental change in external water pressure on tunnel lining: a case study from the Tongxi karst tunnel

Tunnel water inrush disaster is a serious problem in karst tunnel construction and occurs extensively in southwestern China. To prevent water inrush, hydraulic lining has been utilized extensively in karst tunnel construction. The failure of the hydraulic lining in the Tongxi tunnel is an example of a typical failure case that has yet to be fully analyzed. In this paper, the failure of the waterproof liner was studied by theoretical and numerical methods. By field investigation, the failure of the tunnel lining was attributed to a high hydraulic pressure head converging in the large karst caves behind the lining. The corresponding mechanical model can be simplified as a “karst cave water pressure” model. The key to the mechanical model was to determine the water pressure of the karst caves produced by the lining. The variation in water pressure was directly related to the cave’ reservoir volume, catchment flow and catchment time. Thus, volume calculation formulas for two types of karst caves (strike and oblique caves) in the studied tunnel were constructed based on the engineering geological conditions. Considering the precipitation, the flow rate in the karst caves was regarded as nearly constant during the catchment period. Hence, reservoir volumes during different periods can be calculated and converted to the stress boundary conditions of the lining. Then, the mechanical response of the tunnel under different water levels was calculated by numerical simulation. Combining the field investigation and monitoring data, the tunnel lining failure was mainly believed to be triggered by hydraulic fracturing failure due to a high-pressure head. Finally, prevention measures were proposed based on the results of this study.

     

岩溶隧道涌突水灾害危险性评价指标体系及量化取值方法

深入分析了岩溶隧道施工过程中涌突水灾害的超前预测预报及风险评价体系的研究现状,提出了国内外关于岩溶隧道涌突水灾害的超前预测预报尚处于探索性研究阶段、如何提高预测预报的精度成为长大深埋隧道施工中涌突水灾害防治最为迫切、最为关键的问题。采用理论分析与实例统计相结合的方法,查明了岩溶隧道涌突水灾害的孕灾环境与主要致灾因子,选取“岩石可溶性、地质构造条件、地表汇水强度、地下水循环交替强度、隧道与地下水位的相对位置关系”5个评价因子,建立了岩溶隧道涌突水灾害危险性预测评价指标体系,并采用定性与定量化相结合的方法,重点对评价指标的量化取值方法进行了研究。