富水断层隧道高位排水工法及其作用效果研究

大相岭隧道富水断层区段极易引起突水、突泥现象,具有很大施工风险,高位排水能够有效降低掌子面前方高水压力积聚程度。基于现场实测和动态流-固耦合数值力学方法,研究不同水位条件下高位排水工法与隧道稳定性之间关系,提出最优高位排水管分布方案。研究得出：大相岭隧道F6断层水压最高达到1.98 MPa,排水后可实现安全施工,衬砌背后水压降低至10 m左右,因此,防涌突水主要集中在掌子面开挖期;拱顶排水管排水量最大,越靠近拱脚的位置排水能力越差,从拱顶到拱脚呈下降趋势,应使拱顶附近排水管密度大于拱脚附近;实际施工中为更快达到均匀降水效果,应先对拱顶部位打设排水管,后对拱脚部位打设排水管;研究了排水管根数、排水量及掌子面挤出变形相互关系,从经济性和疏水加固效果出发,提出了排水管合理布置方法及建议参数,对富水断层隧道掌子面防突与塌方及运营隧道结构设计具有重要参考价值。     

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。     

水底隧道饱水地层衬砌作用荷载研究

与山岭隧道所不同,采用矿山法修建水底隧道,二次衬砌将承受很大外水压力,特别是穿越饱水破碎地层时,具有很大的施工风险。以厦门翔安海底隧道为工程背景,针对F4风化深槽地层,研究不同水位条件下,衬砌荷载与排放流量及排放方式之间相关关系。研究得出：当控制排放量为全排条件流量1/3左右时,可卸掉80%外水压力;从环境和经济角度考虑,可将出现拐点折减系数0.2作为水底隧道限量排放的设计基准值;从支护结构体系组成考虑,对于F4强风化深槽破碎围岩,必须施作注浆圈,才可以保证在水压、土压共同作用下衬砌结构安全,结果显示施作注浆圈能够减少衬砌作用荷载30%～40%,提高安全系数几乎一倍;从主体结构受力特征看,水底隧道最不利受力位置在墙脚和仰拱,因此,无论是防水型还是排水型隧道,均应对仰拱形式及支护参数加强设计。     

深埋隧道外水压力计算的解析-数值法

在高水头富水区，抗水压衬砌设计的关键在于外水压力的计算。深埋隧道排水时，沿轴线方向上流入隧道的水量来自于隧道掌子面的前方，当隧道施工足够长度后，可以认为已施工断面的地下水只从隧道两侧向断面内运动，此时可将三维问题处理为二维。对于深埋隧道，当其断面远小于水头时，可处理为一个点井；隧道全断面排水时，隧道断面线可处理为定流量边界。首先建立隧道排水的水文地质概念模型，采和经验解析法预测隧道的涌水量，然后将涌水量代入隧道围岩渗流的剖面二维模型，模拟隧道排水时围岩渗流场的分布，再采用作用系数的方法计算出隧道衬砌的外水压力。     

盾构隧道实测土压力分布规律及影响因素研究

以大量现场实测土压力为基础,分析了影响盾构隧道衬砌土压力的一些主要因素,总结出不同地层地铁盾构隧道长期稳定土压力的分布规律,并探讨了盾构施工期土压力随时空的变化情况。研究得出,地下水位高低对稳定土压力大小及分布影响较大;作用在管片上的长期土压力大小与地层衬砌刚度系数有关,当地层衬砌刚度系数为1.5时,管片竖向及水平土压力都较小;盾构施工期临时荷载对管片土压力影响不可忽视,无论是黏土地层还是砂土地层,大的注浆压力及注浆率将导致作用在管片上的稳定土压力分布不均;管片土压力可按时空分为4个阶段,拼装阶段、同步注浆阶段、浆液凝固阶段及后期稳定阶段,其中同步注浆阶段管片周边最大土压力为稳定阶段的2～3倍。     

高水位隧道堵水限排围岩与支护相互作用分析

为了保护环境并尽可能降低衬砌结构所受的水压力,提出高水位山岭隧道应采取“以堵为主,限量排放”,即“堵水限排”的防排水设计原则。但对于堵水限排情况下衬砌结构的设计,目前尚没有规范可依,这是目前隧道设计施工亟待解决的问题。在隧道力学和渗流力学的基础上进行理论分析,研究渗流应力耦合作用下围岩的力学特性,利用特征曲线法分析了不同排放量下围岩与支护的相互作用,并与数值方法计算结果进行对比。计算结果表明：不同排水量下围岩特性曲线不同,支护阻力也不同,不同排水条件下围岩有效切向应力和有效径向应力的变化很明显,排水对围岩应力以及支护体系受力的影响是不容忽视的。另外,传统隧道设计方法在全排水时完全不考虑水的作用是不安全的。所得结论可为堵水限排衬砌结构设计提供理论依据。     

黏土地层盾构隧道临界注浆压力计算及影响因素分析

合理选择注浆压力是确保盾构隧道壁后注浆效果良好的前提。假定在黏土地层中,壁后注浆先对周围土体产生压密效应,当注浆压力超过一定值以后,浆液开始劈裂土体。为得到最优注浆压力,基于弹塑性理论,推导了考虑浆体无限扩张时的注浆压力上临界值计算式;将接头螺栓的抗剪效应与注浆对管片产生的压力结合起来,推导了考虑螺栓剪切破坏的注浆压力上临界值计算式;基于主、被动土压力公式,提出了保持地层稳定的注浆压力上、下临界值计算式。在此基础上,提出了最优注浆压力计算方法。通过工程实例,分析了土体的弹性模量、黏聚力、内摩擦角、初始地下水压,及隧道埋深对临界注浆压力的影响。结果表明：临界注浆压力与土体弹性模量、黏聚力、内摩擦角、初始地下水压,管片结构性能以及隧道埋深等因素有关;上临界值随着土体弹性模量、黏聚力、内摩擦角、初始地下水压及隧道埋深的增大而增大;下临界值亦随隧道埋深的增大而增大。     

平面P波入射下浅埋平行双洞隧道注浆加固减震机制

地震动作用下小净距隧道双洞之间存在动力放大效应,依托某强震区小净距盾构隧道工程,基于傅里叶贝塞尔级数展开法,给出了平面P波垂直入射下地下半空间弹性介质中圆形双洞复合式衬砌洞室动应力解析解,深入研究了洞室间距、隧道全环注浆加固参数对衬砌动应力集中的影响。研究表明：洞室间距对衬砌的动应力有显著影响,随着洞室之间距离减小,左右洞室衬砌动应力明显放大;2.5倍洞径可以作为双洞洞室动力临界净距,当洞室间距小于2.5倍洞径时,应进行抗减震设计;注浆全环加固隧道周边土体,可以明显降低衬砌动应力,随着注浆加固区土体刚度增加,衬砌动应力幅值减小;结合工程实际,建议注浆加固区厚度取0.5倍的洞室半径值,加固区岩体和围岩剪切波速度之比取1.2。     

粉质黏土地层超大直径泥水盾构隧道地表变形与施工参数相关关系研究

本文以粉质黏土地层超大直径泥水盾构隧道为工程背景,分析了地表变形特征随盾构掘进参数的变化规律。并针对粉质黏土地层隧道施工监测数据进行分析,提出了超大直径泥水盾构下穿建构筑物的施工关键控制参数。研究结果表明:不同施工参数对地表变形的影响存在显著差异,注浆量相对最大,刀盘扭矩和贯入度相对次之,刀盘推力、泥水压力、注浆压力和掘进速度相对最小。注浆量对地表变形的影响随隧道埋深的变化而变化,当隧道埋深小于一倍洞径时,注浆量对地表变形影响相对较大;当隧道埋深大于一倍洞径时,注浆量对地表变形影响相对较小。刀盘推力与泥水压力、注浆压力以及水土压力之间存在较好的相关关系。当泥水压力比水土压力约大0.1 MPa,注浆压力比水土压力约大0.3MPa时,盾构下穿建构筑物造成的地表变形相对较小,盾构地质适应性得以显著优化。相关研究成果可为后续粉质黏土地层超大直径盾构隧道地表变形分析和施工参数优化等提供理论依据和技术支撑。     

广东地区某公路岩溶隧道水害分析及其数值模拟研究

结合岩溶区公路隧道的实际情况,研究隧道涌水量计算的关键因素,并通过降水量、降水强度和入渗强度定量分析隧道涌水量。文章根据大宝山的实际情况,采用降水入渗法和地下径流模数法计算隧道两侧洞口段雨季涌水量,针对强降水过程,分析隧道可能出现的最大涌水量。研究结果表明:隧道排水能力理论上可满足降雨的排水要求,但实际排水能力受工程施工材料、工程的不均匀性以及长期的淤堵等因素影响。文章明确了广东地区公路岩溶隧道水害影响因素,考虑临界状态和破坏状态的水压力建立岩溶隧道涌水模拟模型,水压力临界值随隧道衬砌结构厚度的增加逐渐增大。      

水工隧洞钢筋混凝土衬砌外水压力取值方法研究

外水压力是隧洞衬砌承受的主要荷载之一,也是控制其建设与运行或检修过程中衬砌结构安全的关键因素。目前外水压力的取值仍然以经验公式为主,存在很大的局限性和不准确性。首先分析对比了衬砌外水压力的折减系数法、理论解析方法和数值分析方法几种取值方法,然后进行了不同渗透环境和衬砌支护条件下的衬砌外水压力计算。结果表明,随着围岩渗透性和衬砌厚度的增大,衬砌外表面的水压力越大;对于渗流数值计算,模型范围应取距离隧洞中心不小于30倍洞径;考虑渗流场的时间效应,开挖完成10 d后隧洞的渗流场趋于稳定,衬砌支护20 d后衬砌外侧水压力分布趋于稳定。     

富水管道型岩溶隧道衬砌结构力学响应特征研究

对于围岩中存在管道型溶腔的岩溶隧道而言,受地表强降雨及地下水的影响,管道型溶腔内极易积聚高水压力,进而引发衬砌开裂、渗漏水及涌水病害。为了探明管道型溶腔中高水压力对衬砌结构的影响,开展了富水管道型岩溶隧道衬砌结构力学响应模型试验,对不同溶腔位置及不同水头高度影响下的衬砌结构内力特征进行了研究。基于此,建立扩展工况的数值计算模型,进一步探究了不同溶腔直径、溶腔位置及溶腔水头高度对衬砌结构内力的影响。结果表明：当隧道周围存在管道型溶腔时,与溶腔接触位置的衬砌内侧承受较大的正弯矩,为衬砌结构的最不利受力位置;随着溶腔直径和溶腔内水头高度的增加,衬砌内力显著增大;溶腔所在位置影响着衬砌内力的分布,当溶腔位于隧道拱顶时,衬砌结构的抗水压能力最小。研究结果可为管道型岩溶隧道的结构设计及安全施工提供借鉴。     

考虑黏度时变性的水泥浆液盾构壁后注浆扩散规律及管片压力模型的试验研究

对水泥浆液黏度时变性进行了试验研究,证实了工程常用水灰比范围内水泥浆液服从宾汉姆流体特性;不同水灰比浆液黏度均随注浆时间增大而大幅度增加。根据试验结果,考虑注浆过程中水泥浆液黏度随时间的变化,对盾构壁后注浆水泥浆液的扩散规律及因注浆而造成的管片压力进行了推导及分析。计算表明：相同注浆时间条件下,水泥浆液扩散半径及注浆对管片产生的压力值均随注浆压力的增大而增大。考虑浆液黏度时变性后,扩散半径、注浆对管片压力值等均较不考虑浆液时变性时减小,且随注浆压力的增大,浆液黏度变化对管片压力值的影响更加明显。相同注浆压力条件下,浆液扩散半径及对管片产生的压力值均随注浆时间的增长而增加,但注浆前期增长速度较快,而后逐渐减缓。研究成果对于盾构壁后注浆工艺选择及参数设计具有较大的指导意义。     

基于拼缝有效开度的盾构隧道渗流量及衬砌等效渗透系数计算

拼缝渗漏水是盾构隧道最常见的病害表现形式,对衬砌的服役性能有重要影响.在前人研究成果的基础上,提出基于防水密封垫失效的拼缝有效开度假定,进而推导出基于拼缝有效开度的盾构隧道渗流量及衬砌等效渗透系数的实用计算公式.以国内较为通用的常规断面盾构隧道为例,利用上述实用公式估算其渗流量,并与基于块体离散元的数值模拟结果相互验证...     

高压引水隧洞衬砌的透水设计研究

国内大都采用荷载结构法及限裂设计的方法对水工高压隧洞的衬砌进行不透水设计。而实践证明,不透水设计并不适合于高压引水隧洞,它将导致过高的配筋量。目前,国内水工高压隧洞结构透水设计尚无适用的规范可循,因此,有必要寻求一种合理、安全的透水设计方法。针对水工高压隧洞,基于体力理论,提出一种对衬砌结构进行透水设计的有限元计算方法,并将其应用于某水电站工程。该方法可模拟隧洞的施工过程和运营检修工况,考虑渗流场和应力场的直接耦合作用,根据内力值计算衬砌裂缝的开展宽度以及相应的配筋量等。通过对比分析,说明在衬砌透水设计中隧洞满水状态为对其进行配筋的控制工况,且结果更符合工程实际,并能大大节省配筋量。     

正削式隧道门围岩和衬砌应力计算及设计方法研究

对无明显墙式结构的正削式隧道门,现行规范没有现成的设计方法及结构检算模式。采用三维有限元数值分析方法,针对两种在洞口段的不同施工方法（明挖工法和暗挖工法）,对隧道门洞口段的力学特性及设计方法进行了研究。研究结果表明：洞口段长度取42 m进行整体设计比较合理;在洞口28 m范围内的浅埋段,拱顶围岩压力随着埋深的增大而逐渐增加,且暗挖工法产生的围岩压力最大,铁路规范计算结果次之,明挖工法产生的压力最小;采用明挖工法施工时,在纵向上,洞口段42 m范围内衬砌拱顶表现出纵梁弯曲特征,部分仰拱处于弯拉状态,内力呈空间效应,均需要对横、纵向内力进行结构检算;采用暗挖工法施工时,只需进行横向内力检算即可。在成洞条件允许的情况下,建议使用暗挖工法进行隧道洞口段施工,可有效改善隧道洞口段结构受力。     

Loads on Sprayed Waterproof Tunnel Linings in Jointed Hard Rock: A Study Based on Norwegian Cases

A composite tunnel lining system based on a sprayed waterproofing membrane combined with sprayed concrete is currently being considered for future Norwegian rail and road tunnels. Possible loading of the tunnel linings caused by water pressure is being investigated. This tunnel lining system consists of a waterproof membrane which, during application on the sprayed concrete lining, bonds mechanically to the sprayed concrete on either side. Hence, a continuous, sealing, and non-draining structure from the rock mass to the interior tunnel surface is formed in the walls and crown. Experiences from some successful recent projects with this lining system in Europe are reviewed. However, these experiences are not directly comparable to the Scandinavian hard rock tunnel lining approach, which utilizes a relatively thin sprayed and irregular concrete layer for permanent lining. When considering the sprayed membrane and sprayed concrete composite lining concept, introducing a partially sealing and undrained element in the lining, the experiences with the traditionally used lining systems in Norway need to be reconsidered and fully understood. A review of several hard rock tunnels with adverse conditions, in which the tunnel lining has been subject to load monitoring, shows that only very small loads in the tunnel linings occur. Recent investigations with in situ water pressure testing, including two sites with the composite sprayed membrane in a partially drained waterproof tunnel lining, are discussed. In a case with a cavern located in a hydraulically saturated rock mass subjected to approximately 8 bar hydrostatic pressure, a negative pressure gradient towards the tunnel lining has been measured. The investigation results from the Norwegian test sites indicate that no significant loading of the tunnel lining takes place in a hydraulically saturated rock when applying this composite waterproof tunnel lining in parts of the tunnel perimeter.     

岩溶地区土洞地基灌浆处理过程研究

[摘 要] 灌浆是岩溶土洞地基处理的一种常用方法,灌浆压力对灌浆施工的有效性有着至关重要 的作用。针对岩溶地区土洞地基所处地质环境的复杂性,为了科学合理地确定其灌浆施工过程中的灌 浆压力,本文通过传统理论力学分析方法以及数值模拟方法对灌浆过程中灌浆压力变化及其引起的整 个地基应力应变场的变化进行了分析与研究,同时与施工现场监测结果进行了对比研究。研究结果表 明:在灌浆施工过程中,合理适当的灌浆压力既能确保浆液充分填充土洞,又不会破坏原土体结构;通过 对原土体抬升位移的监测,能准确预测与控制施工时的灌浆压力;理论分析与数值模拟结果和现场情况 吻合较好,为灌浆工艺施工提供了可靠的理论依据与指导。