隧道衬砌渗漏水病害模型试验系统的研制及应用

随着我国隧道通车里程与运营时间的不断增长,越来越多的隧道进入病害高发期,地下水是导致隧道病害最为严重的因素之一,容易诱发衬砌发生渗漏水等病害,为研究隧道衬砌渗漏水病害发生机制,研制了三维地质力学模型试验系统,开展了不同埋深条件下隧道衬砌渗漏水病害模型试验研究。该系统由可拓展模型试验台架、地应力模拟加载装置、地下水模拟加载装置、多场信息实时监测装置和衬砌渗漏水实时量测装置等组成,利用油压千斤顶和多功能加载水泵,采用分级加载方式可对隧道不同埋深进行模拟。将该系统应用于隧道衬砌渗漏水病害模型试验研究,通过对渗漏水量、渗压和位移等信息进行分析,揭示了不同埋深条件下穿越交叉断层隧道衬砌渗漏水病害的演化规律,并对堵排结合治理方案进行了初步研究,验证了排水对降低衬砌渗漏水量的积极作用,试验结果与运营期开元隧道衬砌渗漏水病害工程实例吻合良好,证明该系统稳定可靠,其研究方法及结果可为相关工程提供一定的参考。     

隧道衬砌渗漏水病害模型试验系统的研制及应用

随着我国隧道通车里程与运营时间的不断增长,越来越多的隧道进入病害高发期,地下水是导致隧道病害最为严重的因素之一,容易诱发衬砌发生渗漏水等病害,为研究隧道衬砌渗漏水病害发生机理,本文研制了三维地质力学模型试验系统,开展了不同埋深条件下隧道衬砌渗漏水病害模型试验研究。该系统由可拓展模型试验台架、地应力模拟加载装置、地下水模拟加载装置、多场信息实时监测装置和衬砌渗漏水实时量测装置等组成,利用油压千斤顶和多功能加载水泵,采用分级加载方式可对隧道不同埋深进行模拟。将该系统应用于隧道衬砌渗漏水模型试验研究,通过对渗漏水量、渗压和位移等信息进行分析,揭示了不同埋深条件下穿越交叉断层隧道衬砌渗漏水病害的演化规律,并对堵排结合治理方案进行了初步研究,验证了排水对降低衬砌渗漏水量的积极作用,试验结果与运营期开元隧道衬砌渗漏水病害工程实例吻合良好,证明该系统稳定可靠,其研究方法及结果可为相关工程提供一定的参考。     

隧道衬砌渗漏水病害模型试验系统的研制及应用

随着我国隧道通车里程与运营时间的不断增长,越来越多的隧道进入病害高发期,地下水是导致隧道病害最为严重的因素之一,容易诱发衬砌发生渗漏水等病害,为研究隧道衬砌渗漏水病害发生机理,本文研制了三维地质力学模型试验系统,开展了不同埋深条件下隧道衬砌渗漏水病害模型试验研究。该系统由可拓展模型试验台架、地应力模拟加载装置、地下水模拟加载装置、多场信息实时监测装置和衬砌渗漏水实时量测装置等组成,利用油压千斤顶和多功能加载水泵,采用分级加载方式可对隧道不同埋深进行模拟。将该系统应用于隧道衬砌渗漏水模型试验研究,通过对渗漏水量、渗压和位移等信息进行分析,揭示了不同埋深条件下穿越交叉断层隧道衬砌渗漏水病害的演化规律,并对堵排结合治理方案进行了初步研究,验证了排水对降低衬砌渗漏水量的积极作用,试验结果与运营期开元隧道衬砌渗漏水病害工程实例吻合良好,证明该系统稳定可靠,其研究方法及结果可为相关工程提供一定的参考。     

地下水环境平衡的理念在高水压隧道设计中的应用

将维持地下水环境平衡的设计理念应用于高水压隧道的设计中。对设计中防排水参数和抗水压衬砌计算方法进行了探讨。以梨树湾隧道为实例介绍了具体设计方法。该隧道施工结果表明：应用地下水环境平衡的理念设计高水压隧道,对于保护环境、降低隧道造价、加快施工速度都是合理、安全和有效的。     

四川某水电站引水隧洞混凝土腐蚀原因分析及防治建议

对四川某水电站引水隧洞衬砌混凝土产生腐蚀变质的原因进行了分析，指出环境水对混凝土的硫酸盐及碳酸水侵蚀是最根本和直接的因素。在水电站勘察设计阶段，未对地质环境尤其是水文地质及地下水化学性质进行评价，故而在工程设计方案中，对混凝土的主要原材料水泥的标号及成份要求未考虑环境水对混凝土的侵蚀问题，文章对此提出了相应的防治建议。     

"接触问题"引起的隧道病害分析

衬砌裂损是隧道病害中常见的问题，也是严重威胁结构安全的一个重要因素。除了温度变化、水害、衬砌本身的强度和厚度不足以及混凝土耐久性降低外，隧道围岩压力变化是衬砌产生裂损直至破坏的主要原因。文章针对铁路运营隧道病害的检测结果，对衬砌背后空洞进行平面弹塑性计算分析，得出不同位置、不同大小的空洞以及空洞群对结构各截面安全系数影响的系统认识，明确提出衬砌结构与围岩结合的不紧密性是恶化衬砌受力条件、造成围岩进一步松动、进而造成衬砌裂损的一个重要原因。文章还对直墙式及曲墙武衬砌所受到的不同影响进行了比较分析。认为曲墙武衬砌拱部结构能较好地将内力传递给边墙，由边墙部分承受较大的水平抗力，优化了整体结构的受力，从而降低背后空洞对衬砌结构的影响。通过对计算结果的系统分析和研究，合理解释了实际检测中的问题。     

新疆康萨依水库坝址区水文地质问题

康萨依坝址区地下水对普通水泥具硫酸盐型强腐蚀,本文分析了地下水中腐蚀性介质(SO2-4)的来源,预测了水库蓄水后地下水化学成份的变化,并对各水工建筑物区地下水的腐蚀性进行评价。     

若羌河水库地下水强腐蚀性原因分析

地下水腐蚀性会影响混凝土结构的耐久性、可靠性,在工程建设中必须引起足够的重视。以新疆若羌河水库为例,该水库坝址区工程地质和水文地质条件勘察结果显示,若羌河的河床地表水对混凝土均无腐蚀性,但基岩裂隙水对混凝土具强腐蚀性。通过对基岩裂隙水产生强腐蚀性的原因、腐蚀性与岩性接触带的关系进行分析,明确了地下水强腐蚀性的根本原因。针对地下水腐蚀性会影响混凝土结构的耐久性、可靠性和建筑物安全性的情况,建议根据地下水的腐蚀性对钢筋混凝土结构采取相应的防腐措施。     

隧道工程因素对地下水环境影响研究

隧道对地下水环境影响科学评价一直是隧道工程界难以回避又备受困扰的技术难题之一,掌握工程因素对地下水资源流失量及水位变化的影响规律是开展地下水环境影响评价的理论基础。以350 km/h高速铁路双线隧道V级围岩“半包”防水复合式衬砌为计算原型,通过隧道瞬态渗流模型分析了地下水资源流失量及水位变化随时间的变化规律。进一步研究了工程因素中水位埋深、施工方法、施工时间、喷射混凝土厚度、喷射混凝土抗渗性能、喷射混凝土开裂渗漏、地层注浆加固方式、地层注浆加固范围、注浆体抗渗性能及隔断墙对地下水资源流失量及水位变化的影响规律。根据工程因素的影响规律,探讨了施工期及运营期地下水环境保护的控制方法和技术措施。     

隧道围岩中黄铁矿的氧化对隧道混凝土衬砌耐久性的影响研究

当隧道工程施工遇到含黄铁矿的地层时，黄铁矿氧化形成的酸性环境以及其引发的一系列化学反应会对隧道混凝土衬砌的耐久性带来不利的影响。利用黄铁矿氧化形成酸性环境水的一系列化学反应和机理，并对隧道混凝土衬砌在酸性环境水条件下的侵蚀过程进行了实验室浸泡试验和理论分析，运用化学热力学对酸性环境下混凝土中不同硅酸盐矿物和铝酸盐矿物侵蚀反应的吉布斯自由能的变化△Gγ^φ和反应的平衡常数lgKT。计算结果表明铝酸盐抗H^ 离子侵蚀的能力比硅酸盐差；在酸性水中，高钙硅比、高碱性的是水化矿物一般比低钙硅比、低碱性的水化矿物稳定性差。研究结果结合具体的隧道工点调查，可以为穿越含黄铁矿地层的隧道混凝土病害整治和预防提出了针对性很强的工程措施。     

侵蚀影响下水泥土的力学性质试验研究

港珠澳大桥拱北隧道地处沿海地区,其地下水与海水相连,隧道基底采用粉体喷射搅拌法和高压喷射注浆法等方法进行加固,加固产生的水泥土在海水侵蚀性离子作用下其强度和稳定性会发生变化,从而对工程安全产生影响。根据上述两种施工工艺,制作内部含侵蚀物质和不含侵蚀物质的两种水泥土试块,配制多种不同浓度的单组分的化学溶液来模拟海水侵蚀环境,将制备的水泥土试块置于侵蚀溶液中进行预定时间的短时（≤28 d）浸泡,通过无侧限抗压试验、电镜扫描以及离子色谱测定,分别得到了单组分侵蚀溶液短时浸泡下水泥土试块无侧限抗压强度、微观结构随侵蚀溶液浓度和侵蚀时间的变化规律,以及侵蚀环境中离子浓度随侵蚀时间的变化规律。基于海水化学成分,配制多种不同浓度的双组分的化学溶液来模拟海水侵蚀环境,将制备的内部含侵蚀物质的淤泥质土水泥土试块置于侵蚀溶液中进行预定时间的长时（≥90 d）浸泡,通过无侧限抗压试验得到了双组分侵蚀溶液长时浸泡下水泥土试块无侧限抗压强度变化规律。试验结果可为临时性及长期性水泥土工程的设计及安全维护提供一定参考依据。     

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。     

高地温隧洞支护结构受力特性

高地温问题严重制约了地下工程的施工和安全运营,结合新疆某水电站引水洞存在的高岩温问题展开研究。根据地质资料设置了6种地温边界,研究隧洞围岩及支护结构在开挖、施做喷层、施做衬砌和过水等工况下的受力及变形特性,并与不考虑温度场时的分析结果进行了对比分析。研究表明:高温对隧洞稳定性有显著的影响,高温下锚杆轴力约为不考虑温度场时的294倍,衬砌环向拉应力约为不考虑温度影响时的2.13倍;保温层作用显著,若不考虑保温层的影响,锚杆轴力和衬砌拉应力会更大;过水对衬砌受力影响较大,过水后衬砌环向拉应力迅速增大为过水前的2.65倍。研究结果为类似工程的设计与施工提供借鉴。      

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.

     

南京玄武湖水底交通隧道工程与环境效应分析

南京玄武湖隧道,既在城市中心,又在水下,是脆弱环境下典型的地质工程。影响水下隧道施工的不权有环境工程地质条件,还有城市环境约束因素;另外,隧道施工会对城市环境产生不良影响。作者对上述问题作了具体分析,并用系统工程的思想对隧道出口及施工方案的选择进行了初步评价。     

盾构法隧道衬砌施工阶段受力特性的三维有限元模拟

拼装衬砌是盾构隧道主要承重结构,其受力性能的好坏直接影响到隧道安全,因此,正确分析拼装衬砌的受力特征,对于衬砌的合理设计非常重要。而且,施工阶段作用在盾构衬砌的荷载与使用阶段相比存在很大差异。通过运用可以考虑接触问题的三维有限元对连续模型及通、错缝拼装的隧道衬砌在施工阶段的受力性能进行了分析,得出衬砌的应力变形规律,为盾构隧道衬砌的设计提供有益的参考。     

多重防腐锚杆抗腐蚀性试验研究

针对地下工程中锚杆防腐性能存在的不足,介绍了多重防腐锚杆的构造和防腐机制。通过模拟不同的腐蚀环境,进行双重和多重防腐锚杆的抗腐蚀性试验研究,观察腐蚀后锚杆的表观变化并测试其抗拔力,分析比较两者锚筋与水泥砂浆之间的粘结强度与滑移位移的关系。分析结果表明：多重防腐锚杆由于在水泥浆中设置了套管,在不同腐蚀环境中其拉拔力始终高于双重防腐锚杆,且随时间更加明显;硫酸盐的结晶作用和腐蚀因子间的牵制效应会使防腐锚杆拉拔力有短暂的提高;多重防腐锚杆产生相同滑移位移对应的粘结强度更大,粘结强度超过极值后的残余强度高于双重防腐锚杆。以上成果能够用于地下结构中防腐锚杆的设计和后期服役期间的耐久性分析,为实际工程中防腐锚杆的抗腐蚀性能研究提供了宝贵的基础资料。     

洞室和围岩温度对泄洪洞衬砌混凝土温度和温度应力影响研究

以溪洛渡无压泄洪洞为研究对象,采用三维有限单元方法对不同洞室环境温度和围岩温度情况下的施工过程进行仿真模拟,通过比较底板、边墙和顶拱不同衬砌部位的最高温度、最大内表温差、最低温度、早期和冬季最大拉应力等,对洞室环境温度和围岩温度的变化对泄洪洞衬砌混凝土温度和温度应力,以及温度裂缝发生、发展与控制的影响进行分析。结果表明,洞室气温和围岩温度对衬砌混凝土的温度场和应力场均有明显的影响。在冬季施工衬砌混凝土更容易产生早期裂缝,夏季施工时既要防止早期裂缝,也要注意防止冬季裂缝。围岩温度低时,衬砌围岩侧混凝土拉应力明显增大,但对表面和中心的应力影响很小,因而对温度裂缝的发生影响很小。研究成果为隧洞工程衬砌混凝土的设计和施工提供有价值的参考。     

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。     

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。