基于压力拱理论的水下隧道合理覆岩厚度研究

建立了水下隧道流固耦合数值模型,通过正交试验优化计算方案,分析土岩复合地层和全断面岩层拱顶竖直方向上围岩压力拱的成拱规律,并据此提出以成拱临界板厚为判据求解水下隧道合理覆岩厚度的思路,建立水下隧道合理覆岩厚度回归模型,并通过BP神经网络模型对回归模型进行评价与校验,结合佛莞城际狮子洋隧道工程,进行了合理覆岩厚度回归模型的应用算例分析。研究表明：土岩复合地层上覆岩层岩性较好时,压力拱高度主要受覆岩厚度影响,上覆岩层岩性较差时,压力拱高度主要受上覆软土厚度影响;压力拱高度随覆岩厚度增加线性增加,达到成拱临界板厚时,逐渐减小随后趋于稳定,上覆岩层岩性越差,成拱临界板厚越大;全断面岩层压力拱高度随覆岩厚度的变化比土岩复合地层平稳。算例分析表明,以成拱临界板厚为判据建立的合理覆岩厚度模型能给出较优的覆岩厚度预测值,可为土岩复合地层水下盾构隧道的设计和施工提供参考。     

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。      

隧道掌子面防突水安全厚度的区间非概率可靠性分析方法

本文对剪切破坏模式下的隧道掌子面防岩溶突水安全厚度进行了研究。首先对不同初始地应力场类别下的地应力特征进行分析,从而为隧道掌子面岩墙抗剪切破坏时剪切面上法向应力的确定方法提供客观合理的依据。隧道开挖会造成围岩应力的重分布,隧道开挖前后的围岩应力状态存在明显不同,本文基于这一特征建立了掌子面岩溶突水剪切破坏模式下的剪切面法向应力计算方法。然后针对工程中相关参数具有的区间不确定性特征,引入区间非概率可靠性分析方法,从而最终建立隧道掌子面岩墙防岩溶突水的安全厚度区间非概率计算方法。最后,通过本文方法计算结果与实际工程结果的对比分析表明了本文方法的适用性和合理性。     

范各庄矿12煤底板突水过程模拟分析

以范各庄煤矿水文地质条件为基础,建立了承压水上采煤的岩体水力学模型,应用岩石破裂过程渗流-应力耦合分析系统(RFPA2D-Flow)模拟分析了范各庄矿12煤层底板开采扰动下,裂隙形成、扩展到突水通道最终贯通形成突水的全过程。通过对损伤区分布、应力场和渗流场的演化分析,揭示了开采扰动及水压驱动下完整泥岩底板由隔水岩层到突水通道的演化过程,对突水通道进行了模拟定位,并对不同水压条件下含水砂岩层对底板突水的影响进行了分析。结果表明:12煤底板突水问题取决于含水砂岩中的水压力,在假设隔水层厚度不变时,水压力与突水系数呈正相关关系,随着水压的增大突水越易发生。该研究为12煤底板突水预测与防治提供了理论依据。      

承压型隐伏溶洞突水灾变演化过程模型试验

岩溶隧址区强致灾性承压隐伏溶洞较为发育,为研究隧道开挖诱发隔水岩体破裂突水致灾机制,以利川至万州高速公路齐岳山隧道为工程背景,研制了流固耦合相似材料,提出了承压溶洞制备新工艺,自主研发了大型隧道突水灾变演化模拟试验系统。针对隧道开挖方式与溶洞发育尺寸,开展了多种工况下隐伏溶洞突水灾变演化过程模拟试验,研究结果表明：隧道施工过程突水灾害是爆破施工扰动与承压含水溶洞渗透破坏双重作用的结果;受爆破开挖扰动影响,隔水岩体内部裂隙发育密集,重点监测区域累计位移高出人工钻凿开挖27%,应力释放率达23.5%,稳定渗透压力仅为初始压力的36.7%,外加水压加载至40 kPa约15 min后最先突水;相同水压加载条件下,溶洞尺寸越大对隔水岩体渗流场、位移场、应力场的影响越大,位移释放率越大、渗透压力整体水平越低,最终在应力和渗流作用下优势导水通道形成并扩展率先发生突水;承压型隐伏溶洞突水灾变演化过程经历了群裂隙的萌生扩展、优势导水通道的形成、隔水岩体破裂失稳3个阶段。试验结果对隧道突水机制的研究和灾害防治具有一定的指导意义。     

岩溶隧道断层面突水灾害的力学机制

为防止岩溶隧道因顶部岩盘发生力学破坏而发生突水突泥灾害,以宜万线五爪观隧道为工程背景,对隧道-岩溶系统进行抽象概化,分析了断层构造突水机理及隧道穿越断层段引发的主要突水模式,进而研究岩溶隧道顶部岩盘力学破坏机制,得到了如下结论:(1)建立了溶腔位于隧道顶部条件下压性断层与张性断层突水力学模型;(2)推导了岩溶隧道断层段岩盘最小安全厚度计算公式;(3)应根据溶腔水压力的变化选择按抗弯强度或抗剪强度计算岩盘最小安全厚度;(4)结合工程实例验证了此岩盘最小安全厚度计算方法的合理性。研究对断层段岩溶隧道的设计和施工提供一定的参考。     

高风险岩溶隧道掌子面突水机制研究

在我国西部强岩溶地区,越来越多的长大深埋隧道潜在突水、突泥的风险,由于隐伏岩溶水体位置、规模以及体量的不确定性,突水模式与类型异常复杂,隧道掌子面的突水风险系数极高。对于隧道开挖后围岩结构完整性较好的掌子面,在特大体量隐伏岩溶水体作用下,当开挖面进入安全厚度内迅速发生破断突水,具备明显的突变特征。针对隧道掌子面发生破断突水的突变特征,采用数值手段探讨了施工条件对突水突变现象的影响。将隧道简化为圆形,建立了掌子面失稳的折叠突变模型,通过对系统势能函数的分析,推导了隧道掌子面发生破断的突水条件和最小安全厚度计算公式,基于系统势能突变控制参数灾变演化路径的分析,提出了掌子面突水的具体防治措施,并结合工程实例验证了其可行性。     

宜万铁路岩溶地质特征及其发育模式

宜万铁路沿线地形、地质条件复杂,是目前已建和在建铁路中岩溶最发育的工程。宜万铁路全线设计隧道159座,其中全线洞身穿越可溶性岩层的隧道由91座。隧道施工中不可避免的遭遇到岩溶的不利影响,造成隧道突水、泥等岩溶灾害的发生,带来了重大安全危害和经济损失,成为亟待解决的重要问题。本文通过对全线岩溶发育特征、地下岩溶形态的分析,依据典型岩溶隧道实例,对隧道与岩溶的位置关系进行了分类,并探讨了宜万线岩溶隧道的主要岩溶灾害,在此基础上将隧道中的岩溶发育特征概化为四种基本模式,为采取定量分析方法分析岩溶隧道突水、突泥及岩层垮塌机理,得到规律性的认识提供支持。     

沁水煤田坪上井田充水因素分析

对延河泉域北部的坪上井田 3号煤层和 15号煤层的充水因素进行了综合分析 ,将该井田和突水严重的山东淄博矿区从区域水文地质条件、隔水岩层厚度、断层导水作用、含水层的富水性诸方面进行对比 ,分析煤层底板突水的可能性。由此得出结论 ,3号煤和 15号煤的开采是比较安全的     

深部开采底板隔水关键层受局部高承压水作用破坏理论分析

大量实测地质资料与防治水实践证实,深部煤层开采底板含水层存在大量的局部高承压水区域,在强开采扰动下极易诱发底板突水灾害。基于“下三带”、“关键层”理论,将局部高承压水与底板隔水关键层简化为圆筒力学模型,分析研究隔水关键层在局部高承压水作用下的屈服破坏机制,得到了隔水关键层发生屈服的4个临界水压值公式;对各临界水压值进行区间划分,分析不同区间隔水关键层的屈服状态,确定了局部高承压水致使隔水关键层屈服破坏两个阶段的水压判据平衡方程,得出了奥陶系顶部岩层作为隔水关键层剩余隔水能力的计算表达式,并反演得到了开采深度上限、下限公式。结合九龙矿深部开采实际,对所建力学模型进行了验证与应用,进而提出了防止局部高承压水致灾的相关措施,对实现深部煤层安全带压开采具有重要的理论指导意义。     

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...     

原岩应力与煤层底板隔水层阻水能力的关系

介绍了水力压裂应力测量的原理和现场测量结果,论述了煤层底板隔水层带的阻水机理和承压水沿煤层上升的机理,以及原岩应力、水压与裂隙扩展的关系。指出对于厚底板隔水层,原岩应力起着阻止底板承压水上升和突出的作用,对于薄底板隔水层,原岩应力起着破坏底板、导致承压水突出的作用。      

煤层底板隔水层阻抗高压水侵入机理及其控制因素

通过专门设计的物理模型,模拟了不同水文地质与工程地质性质的阻水岩层对其底板高压水侵入过程的阻抗能力,以及不同水压条件下高压水侵入导升过程中的水头损耗。得出了高压水在侵入导升带内的水头损耗分布特点及数量特征;研究了高压水在其上覆阻水岩层中的侵入高度及其最终驻点的残余水头压力;重新评价和改进了突水系数的计算方法。结果表明:隔水层的原始导高带对含水层水头具有较大的消减作用,作用于有效隔水层的实际水头压力远小于含水层的水头压力。      

软弱下卧层上持力岩层的端阻力特征值取值

在分析岩体特征和岩体力学强度的基础上,从基于岩石抗拉强度的冲切破坏模式出发,建立起软弱下卧层上岩体的冲切安全指标和冲切端阻值系数数学模型,再利用岩石的力学性质经验数据,计算出沉积岩的拉压系数、冲切安全指标、端阻值系数,并对各自的特征进行了分析,认为以单轴饱和抗压强度为端阻力特征值取值指标,对于软弱下卧层上抗压强度大、拉...     

基于条分法原理的充填型岩溶蓄水构造突水突泥最小安全厚度

首次将条分法引入到充填型岩溶蓄水构造突水、突泥研究当中,基于边坡稳定性分析的条分法原理,对隧道-岩溶充填物-岩溶管道系统进行了抽象概化,建立了充填型岩溶蓄水构造充填物条分解析计算模型。假设充填物在滑动面上各处均达到极限平衡状态,且在滑动面上的破坏服从Mohr-Coulomb破坏准则,通过力的平衡条件推导了充填型岩溶蓄水构造突水突泥的最小安全厚度计算公式,形成了一种求解充填型岩溶蓄水构造突水、突泥最小安全厚度的工程实用解析方法。该方法为岩溶隧道突水、突泥计算提供了一种新思路,计算结果与数值计算吻合性较好且符合实际工程情况,具有一定的理论研究与工程应用价值。     

煤层顶板次生离层水体透水机理及防治技术

为了研究以煤层顶板弱富水含水层为直接充水水源的顶板透水机理,并探索防治方法,以宁夏宁东煤田红柳煤矿1121工作面开采期间发生的4次大规模透水为切入点,通过理论分析、数值模拟并结合井下钻探等工程技术手段,得出该工作面透水是由煤层开采后顶板岩移形成的次生离层水体引发,提出了煤层顶板覆岩中隔水关键层是造成次生离层水体透水的必要条件;研究了隔水关键层位置、尺寸及其水理性质对次生离层水体周期性透水的控制作用;确定了临界隔水关键层厚度为18 m,并提出了次生离层水体致灾前疏放的最佳时机为次生离层水体形成且周期垮落前,最佳位置垂向上为煤层A主隔水关键层顶板,平面上位于下顺槽距煤帮1/6~1/3工作面斜长范围。      

江坪河水电站溢洪洞围岩稳定性仿真分析

以江坪河水电站溢洪洞进口段为工程背景,基于大型有限元分析软件ANSYS,模拟地质地形,包括不同岩层、断层条件,采用弹塑性有限元模型和Drucker-Prager屈服准则,对溢洪洞施工全过程进行非线性数值仿真计算分析,得到了不同岩层围岩的应力和位移分布规律。通过对位移、应力场,特别是拉应力大小、深度的分析,以及塑性区和点安全系数分布等的综合分析,对溢洪洞进口段在开挖未支护和开挖后及时支护两种工况下的稳定性进行了评价。计算结果表明,隧洞进口段围岩开挖未支护时,洞顶下沉位移大,有大面积塑性区和超过岩体抗拉深度的区域,稳定性差。及时支护后,洞顶塑性区和超过岩体抗拉深度的区域减小,稳定性明显提高,但CK2强风化层支护区的点安全系数略大于1.0,且内部仍有小于1.0的区域。因此,建议CK2强风化层加强支护,最好采取钢拱架强支护措施,其结果为设计和施工提供了重要参考。