城市隧道在不同防排水型式下的流固耦合分析

鉴于隧道防排水型式在城市矿山法隧道中的重要性,本文以深圳水库下游东部过境高速公路连接工程为背景,在分析现有成果的基础上,基于流-固耦合作用机理,采用FLAC3D有限差分软件对城市矿山法隧道在不同防排水型式下的渗流力学特征进行研究,研究结果表明:城市矿山法隧道在防水板全包-堵水型中,衬砌背后孔隙水压同静水压力基本保持一致;在防水板半包-排水型和防水板全包-排水型中,孔隙水压力以及二衬最大拉应力和最大压应力均产生不同程度的减少。对于不同防排水型式,最大孔隙水压均位于拱底处,最小主应力均位于拱脚处,最大主应力均位于拱底处,水平方向位移最大值位于拱腰处,而竖直方向位移最大值位于拱顶或拱底处。     

渗流作用下黄土含水率变化特征及对隧道工程的影响

富水黄土隧道施工开挖后含水率增加对隧道工程施工影响较大,前人建立了多种以黄土含水率为指标的工程措施判别标准,但对于黄土含水率的变化原因及时空变化特征缺乏系统研究。银西高铁驿马一号隧道不同工况下含水率的变化特征表明,自然渗流状态下隧道洞身黄土含水率平均为25.9%,局部为软塑;施工排水阶段受渗涌水影响,黄土含水率平均上升到31.3%,下拱腰上升到32.2%,引起了隧底软化、掌子面滑塌失稳、围岩稳定性变差等问题;采取地表降水后,黄土含水率下降为25.4%,改善了黄土的物理性质,确保了隧道施工安全与进度;水位恢复后,黄土含水率平均上升到29.4%,拱顶与上拱腰变化较小,下拱腰达到了37.2%。研究认为地下水渗流变化将使得隧道洞身黄土含水率变幅达15%～33%,通过控制地下水渗流作用可以达到隧道安全施工的目的。     

隧道地下水处治的设计理论及方法研究

隧道施工地下水的处治问题一直困扰着隧道工程界,对地下水作用的认识仍未达成共识,为此需要从概念上和方法上对本问题进行深入研究。本文在国内外研究现状分析基础上,开展了隧道施工对地下水渗流变化的影响分析、隧道水压力物理模型试验研究、隧道衬砌水荷载及其相关问题的数值分析,提出针对不同防排水模式的水荷载计算模式、隧道地下水处治的理念和方式。主要创新点如下:明确提出高水压的概念,建立隧道衬砌水压力计算的概念模型,提出针对隧道不同埋深段及地下水发育状况采取不同处理策略的隧道防排水原则,研究成果为高压富水隧道设计提供了理论依据。     

全强风化花岗岩富水地层隧道施工技术

小天都隧道洞身段左线340 m、右线290 m范围内为全强风化花岗岩富水地层,开挖变形大。为在富水地层全强风化花岗岩中控制围岩变形,达到快速安全施工,以小天都隧道为研究对象,采用理论和现场监测等手段对全强风化花岗岩富水地层中的施工技术进行探究。研究结果表明,采用三台阶预留核心土环形开挖并施作超前支护能够有效控制围岩变形、减小隧道拱顶下沉;全强风化花岗岩遇水会显著降低自身强度,采用洞内引排水及洞外井点降水措施可有效降低围岩含水率,进而有效降低其遇水崩塌的危险性,保证施工安全与进度。所得结果可为大断面隧道在类似地质条件下的施工提供参考。     

断层破碎带隧道突水突泥灾变演化模型试验研究

为研究断层破碎带隧道开挖扰动作用下突水、突泥灾变演化过程,建立了三维地质模型试验系统,以江西永莲隧道F2断层突水、突泥灾害为例,通过大量的材料配比及物理力学性能参数测试,研制出适用于流-固耦合模型试验的新型断层及正常围岩相似材料,对隧道突水、突泥灾害进行研究。试验结果有效地揭示了无支护条件下断层破碎带隧道的洞周位移、渗流压力、应力-应变以及突出物质量等特征参数对时效性的响应规律。随着时间的增长,渗流压力整体呈上升趋势,越靠近开挖面其波动范围及幅度越大;突出物质量在发生突水、突泥灾害前出现短时减小后迅速增加;洞周围岩拱顶以竖向位移为主,而拱腰以水平位移为主;在相同相应力状态下,拱腰位置应变比拱顶位置大。将试验灾变特征与现场实际演化过程进行对比分析,两者结果较为吻合。该系统可广泛应用于其他地下工程的模型试验研究,其研究方法及结果对类似工程研究具有一定的指导和借鉴意义。     

沪蓉高速柴家湾隧道围岩稳定性分析及支护效果研究

隧道围岩的应力分布及变形特征对保证其长期稳定性具有关键的作用。本文以柴家湾隧道为例进行实态建模,通过采用有限元软件ANSYS对其施工全过程进行了三维弹塑性数值模拟计算。研究结果表明,隧道拱顶和拱脚处应力集中现象明显,局部可能出现拉应力;变形主要集中在拱顶、拱腰部位,衬砌单元所受内力在规定强度范围以内,支护措施合理有效。     

构造应力场中的软岩客运专线双线隧道稳定性研究

以铁道部250 km/h客运专线标准断面双线隧道为对象,依托木寨岭高地应力软岩隧道工程,研究构造应力场条件下隧道变形特性、能量积聚、力学响应及塑性区规律。水平大主应力平行隧道轴线时,高能集中区和塑性区主要集中于边墙,掌子面前方围岩能量密度较小,掌子面挤出变形较大;水平大主应力垂直轴线时,高能集中区和塑性区主要分布在拱顶、仰拱及掌子面,掌子面前方围岩能量密度较大,挤压变形较小。研究表明：掌子面前方待开挖核心土体表现能量-位移正交性,而目前采用简单的挤出变形来判别掌子面稳定性,其合理性值得进一步商榷;规范给出“最大水平主应力与隧道轴线平行或小角度相交设计原则”,并不是对所有高地应力场都适用;锚杆在开挖初期有效促进临时“承载拱”的形成,使“压力拱”偏移至隧道轮廓附近,成为施工初期稳定的关键;锚杆降低边墙深部岩体切向应力峰值,随着掌子面推进,拱效应不断向深部岩体移动,形成动态压力拱。     

隧道开挖爆破震动监测与控制技术探析

针对浅埋隧道埋深较浅,地表和衬砌结构受爆破震动影响较大,容易出现围岩结构失稳问题。依托某一隧道工程为对象,对隧道开挖爆破对隧道结构稳定性进行动力分析,并提出相应的隧道爆破震动控制策略。研究结果表明:浅埋隧道开挖施工过程中,拱顶部分产生最大拉应力,形成拉应力带,拱腰部位产生最大应力,并出现偏压现象,拱腰和拱顶部位产生明显的应力集中现象。隧道洞口段开挖中,以掌子面正上方为中心,震动速度沿隧道纵向地表逐渐下降,掌子面正上方震动速度达到最大,不同爆破孔结构中,掏槽孔爆破产生的震动效应最强。实际工程中,通过采用复式小楔形槽结构形式,利用同段雷管起爆延时分散性,控制爆破震动峰值和爆破效率,对隧道开挖爆破全过程进行震动观测来实现对浅埋隧道震动的控制和改进。     

圆梁山隧道粉细砂充填型溶洞注浆技术探讨

圆梁山隧道穿越毛坝向斜东西两翼及核部，根据隧道开挖揭示，大型、高压、富水充填型溶洞十分发育，水量大，水压高，突水、突泥、涌砂现象十分严重，施工难度极大。以圆梁山隧道2号粉细砂充填型溶洞注浆施工为例，介绍了在高压、富水、粉细砂充填型溶洞注浆施工中，注浆材料、注浆参数以及注浆工艺选择等方面应注意的问题。     

岩溶地区隧道裂隙水突出力学机制研究

岩溶地下水是诱发隧道发生突（涌）水地质灾害的主导因素之一,岩溶裂隙水对隧道围岩的危害越来越成为岩溶地区隧道建设中的热点研究问题之一。基于目前岩溶裂隙水突出机制研究现状,运用岩溶地质学、工程水力学和断裂力学相关理论分析岩溶地区隧道水岩相互作用机制,探讨了水岩相互作用对岩溶地区隧道施工发生突（涌）水的影响,揭示岩溶地区隧道裂隙水突出前后过程的力学机制。研究表明：岩溶隧道裂隙水突出是裂隙岩体在岩溶水及水压的持续作用下受施工外力干扰发生劈裂的结果,岩溶水和水压在裂隙岩体突水破坏过程中的力学作用主要体现在4个方面,即突水蓄势期岩溶水对裂隙岩体的软化溶蚀作用、水压对裂隙岩体的劈裂作用,突水失稳期水流的冲刷扩径作用、水压对突水量的动力控制作用。基于上述分析,以断裂力学、弹塑性力学理论为基础,提出岩溶隧道岩溶裂隙水突出的最小岩石防突厚度概念,推导了其半解析解表达式,并为工程实例所验证,其结果可为高风险岩溶地区隧道突水理论与防治措施提供参考。     

河南省庇山矿二_1-11091采面带压开采论证及防治水措施

二1-11091采面位于二煤首采区东翼,采面承受的最大水压为0.65MPa,属带压开采工作面。在分析采面充水因素的基础上,发现对采面回采有影响的充水水源为石炭系太原组L7灰岩岩溶裂隙水和寒武系灰岩岩溶裂隙水。经计算,采面回采后的冒落带高度为39.36m,采动破坏带高度为16.35m,而L7灰岩上距二1煤距离仅为10m,存在突水的可能。采面开采安全评价认为,尽管L7灰岩水基本处于采动破坏带内,也有水压,但该含水层在矿区内无充沛的补给水源,因而不会发生大规模的突水事故;寒武系灰岩岩溶裂隙水在各钻场附近的底板突水系数均小于0.06MPa/m,突水危险性相对较小,按照临界突水系数反算底板隔水层承受水压值,均大于现在采面机巷最大水压0.65MPa,所以在回采过程中也不会发生大规模的突水事故。最后对回采期间的排水工程,F59断层的探测工程和下部掘进面的疏放水工程等防治水工程和防治水效果进行了说明。     

山东赵楼煤矿首采1302工作面涌水分析

兖矿集团巨野煤田赵楼煤矿首采1302工作面在2009年5月底发生了一次突水事故,最大涌水量为290m3/h,造成工作面停产5d、处理被压实支架39d的后果。在分析井田地质及水文地质条件的基础上,通过现场水质化验以及观测孔水位等资料的研究,认为该工作面涌水水源为3煤顶板砂岩水,涌水通道为采动裂隙。并提出要采取查清水文地质条件、采前疏放、匀速推进、健全排放水系统等确保安全开采的防治水措施。     

隧道底部隐伏空腔充水对二次衬砌内力影响研究

以某岩溶隧道为工程背景,按弹性阶段相似原则进行模型试验,研究隧道底部隐伏空腔充水情况下的二次衬砌内力特征,以及水压、溶腔和隧道间距的变化对二衬内力的影响规律。试验结果表明:当隧道仰拱底部隐伏空腔充水时,拱肩、边墙和墙脚处轴力为负,拱顶和仰拱底处轴力为正,其中墙脚处负值轴力最大,仰拱底处正值轴力最大;拱肩和仰拱底处弯矩为正,边墙和墙脚处弯矩为负,其中仰拱底处正弯矩最大,墙脚处负弯矩最大。随着溶腔内水压逐渐增大以及充水溶腔与隧道间距离的逐渐减小,特征位置处的轴力和弯矩均有不同程度的增大,对于轴力,拱顶、拱肩和仰拱底处的增量较小,边墙和墙脚处的增量较大;对于弯矩,拱顶、拱肩和边墙处弯矩增量均较小,墙脚和仰拱底处的弯矩增量明显。沿着隧道的轴向,断面越靠近充水溶腔其轴力和弯矩受影响程度就越大。     

隧道大变形机制及处治关键技术模型试验研究

大变形是隧道建设中无法完全避免的灾害之一,发生后若处治不当极有可能出现多次换拱甚至塌方等二次灾害。通过相似模型试验,采用自行设计的隧道模型开挖装置和围岩内部位移监测装置,研究了隧道开挖和埋深增大过程中围岩渐进性破坏过程及位移和应力变化规律,揭露出预防隧道大变形的重点支护部位,并进一步研究了大变形出现后处治过程中衬砌的破坏规律,明确了大变形处治时的支护措施。试验结果表明：（1）隧道产生大变形过程中,拱顶与拱底的变形量大于拱腰与拱脚的变形量,且随着埋深增大,差值逐渐增大;（2）大变形产生后隧道拱顶径向和切向应力值均减小,而拱脚切向应力值大幅上升;（3）更换变形拱架时,更换位置附近衬砌拱顶处可能出现张拉破坏,拱腰处可能出现剪切破坏,因此,大变形处治时需保留两侧衬砌的临时钢支撑,必要时需增设底部横支撑或临时仰拱。该研究结果有助于得到大变形发生时和发生后处治时的防控重点,为大变形的预防及安全处治提供指导和参考。     

偏压软弱围岩隧道开挖顺序比较研究

针对偏压软弱围岩隧道预留核心土法不同开挖顺序造成围岩不同变形量的问题,结合洞头山工程实例,运用现场监控量测结合MIDAS数值模拟的方法,分析比较偏压软弱围岩隧道在不同开挖顺序下各阶段围岩位移变形量。研究表明:开挖顺序的改变能够有效减小隧道各部围岩变形量,且减小程度从大到小的岩体位置依次为浅埋拱腰处、浅埋拱脚处、深埋拱腰处、深埋拱脚与拱顶;拱浅埋侧最大主应力明显减小。因此对于偏压软弱围岩隧道先开挖深埋侧比先开挖浅埋侧更为安全合理。研究成果为隧道信息化施工提供依据,也为洞头山及具有类似地质地形情况的隧道施工提供借鉴与指导。     

应用综合勘查方法分析平朔安太堡三号井工矿突水原因

平朔公司安太堡三号井工矿2007年3月在首采工作面辅运顺槽掘进时,迎头冒顶突水,初期突水量达6000～8000m^3/d,将1289．16m标高以下淹没。在分析研究区地层、构造及水文地质条件的基础上,对沙沟河道进行了渗漏观测,对地表排污水、沟水和井下突水点的水质进行了分析化验,有针对性的布置了6条物探线,最后进行了钻孔验证,综合分析认为突水水源主要为大沙沟河道的侧向补给,突水通道为NW向的强风化带。提出了加大井下排水,地表对大沙沟河进行土工膜防渗处理的综合治理措施。     

岩溶地区地下水位变动带隧道涌水问题的思考

通过鸡冠山隧道涌水实例及广泛收集岩溶地区隧道涌水案例,总结出岩溶地区隧道季节变动带涌水具有反应时间快、水量大、泥沙重的特点,并综合分析地下水季节变动带隧道的水文地质特征,将其划分为一般山岭隧道及向斜构造地下水位变动带两种类型,且对两种类型涌水机理进行了阐述。岩溶地区隧道前期勘察应重点划分隧道岩溶地下水系统及地下水动力分带,查明岩溶发育特征与规律;施工期和运行期应结合岩溶揭露情况和涌水情况开展针对性的补充勘察,做好降雨、涌水过程和涌水压力监测,判断和预测最大外水压力和涌水量。针对涌水问题,提出封堵和排泄两种处理思路:施工开挖揭露的岩溶现象不可盲目封堵,需尽可能维持原通道的通畅,针对可能涌水的隧道衬砌设计不可仅考虑围岩结构,应充分考虑外水压力,做好围岩固结灌浆;常规隧道“环形排水系统+中心沟”排水系统可靠性差,针对大流量涌水,多采用泄水洞排水。      

基于断裂错动引起地铁隧道的变形响应研究

以西安地铁隧道穿越骊山山前断裂为研究原型,分析了该断裂的活动特征,并基于近场区地震危险性分析结果,对断裂黏滑活动可能产生的地表最大垂直位错量进行了预测;运用数值模拟方法,研究了断裂错动造成地层与隧道的变形响应特征,并对分段隧道结构受损的临界位错量值进行了分析验证;计算了断裂活动的影响范围,确定了地铁隧道穿越断裂带的主要设防区域。研究结果表明,随着断裂位错量的增大,上盘地层的沉降响应表现较明显,上下盘地层的差异沉降区域集中在断裂带附近,并呈"倒三角"形状逐渐向两侧扩展;当断裂位错量大于20cm时,上下盘远离断裂带的地铁隧道差异沉降尤为严重;当上盘沉降量达到50cm时,相邻分段隧道产生拉张、位错破坏;基于隧道拱顶处地层的竖向位移变化特征,得到地铁隧道穿越该断裂带的最小纵向设防长度为上盘40m、下盘15m,经对比验证,数值模拟计算结果与现场勘察结论一致;最后提出了相应的设防建议措施。     

义煤集团西部四矿奥灰水防治技术研究

2006年曹窑东井27080工作面突然发生大型奥灰滞后突水,最大涌水量达到1693m^3／h,通过矿井水文地质条件分析,曹窑东井及相邻西部四矿大部分区域已处于“突水危险区”。为避免奥灰突水灾害再次发生,提出了“以防为主”的预防奥灰突水的技术手段和方法步骤,以探索深部煤炭开采的防治水工作。     

新峰一矿构造控水作用与治理措施探讨

新峰一矿突水频繁,矿井安全受水害威胁严重,防治工程量大、难度高。通过对矿井构造应力展布规律、矿井边界及矿井内断层导水性等水文地质因素的分析,确定了该矿井突水类型。指出石炭系灰岩裂隙水和寒武系灰岩裂隙水是矿井的主要充水含水层,断裂构造是主要导水通道。地质构造对突水的控制在该矿主要体现在对突水点分布、富水带的划分以及隔水层阻水能力等方面。在对影响该区地质构造机理进行综合分析的基础上,根据矿区构造控水的特点,提出了采取物探和钻探相结合、进行放水试验、帷幕注浆和排供结合的治理措施。