有控放气措施下含浅层气地层的一维变形分析

人为控制性放气是杭州地铁工程施工前防治浅层气地质灾害的必要措施。通过对浅层气藏形成中的水气运移过程分析可知,气藏原始包气带内的水压力和吸力沿厚度呈线性分布,孔隙水压力的大小与其相同位置处的静水压力相当;借助储层土体的室内土-水特征曲线并结合现场勘探资料,能够获得气藏初始饱和度分布。在分析有控放气措施下气藏内部水气运移基础上,利用GDS非饱和应力路径三轴系统地研究了气体释放过程中储气砂土的湿化变形,并给出了气体释放引起的含气地层沉降变形的预测方法。结果表明,在经历了形成过程中的自然脱湿后,储集层砂土被进一步压密,而工程放气措施引起的水浸或再吸湿过程中,单由饱和度或吸力减小所引起的砂土湿化变形量很小,可忽略其工程影响;有控放气措施下,由气体释放引起的浅层含气地层沉降沿气藏厚度自上而下依次递减,总沉降量约为气藏总厚度的1‰～5‰。     

含气地层中气体释放对盾构隧道稳定性影响研究

随着地下工程的建设日益增多,部分工程穿越含气地层,含气地层会对隧道的施工产生一定不良的影响。盾构在沼气地层掘进过程中,由于管片气密性不良造成沼气通过管片环缝进入隧道,引起管片的纵向变形。针对这一现象,建立管片环缝单点气体释放条件下的管片变形模型,并用数值模拟方法与理论结果进行对比验证。通过其变形公式,分析不同含气层厚度、不同初始气压条件对管片的变形及管片接缝张开量的影响,探讨管片损坏的地层条件。结果表明,对于含气层较薄（＜1.5 m）、气体压力比较小（＜150 kPa）的地层,隧道气密性不严导致气体泄漏进入隧道会导致管片下沉,但一般不会破坏管片的防水设施。当含气层厚度大或气体压力较大时,气体释放会引起比较大的管片变形,破坏管片的防水能力,导致地下水进入隧道,引起管片的进一步变形;地层扰动大时,地层土体随地下水进入隧道,会造成管片的严重损坏,以至于断裂。     

地铁建设中浅层气危害防治对策研究

杭州地铁1号线在勘察过程中发现很多区段在埋深15～35 m的土层中存在一定压力的浅层气,浅层气的存在不但对勘察的安全实施构成一定的威胁,而且会影响地铁构筑物的正常施工,如果采取的防治措施不当,还会进一步威胁到地铁的后期运营。浅层气问题是杭州地铁1号线建设中遇到的难题之一,但目前国内外在地铁建设中大范围遇到浅层气的实例还比较少,防治浅层气危害的方法和积累的经验都十分有限。在综合分析研究杭州地区浅层气和含气土层工程特性的基础上,考虑杭州地铁工程不同建设阶段的特点,结合在实际工程的经验,以及室内试验和监测结果,提出有针对性的危害防治对策,为地铁工程建设和后期运营的安全提供帮助,也可为类似地区地下工程的建设提供参考。     

饱和砂土地层中隧道结构动力离心模型试验

饱和砂土地层中隧道结构可能会因地震地基液化而发生破坏。通过对可液化地层中地铁隧道结构的地震反应进行动力离心模型试验,研究了饱和松砂地基在地震作用下的反应特性、可液化地层中地铁隧道结构的上浮及变形特性和设置截断墙对限制隧道结构上浮的效果等问题。研究结果表明,地基液化引起的隧道衬砌上的附加变形内力以及隧道上浮量主要受地基液化时土水压力的变化影响。截断墙的设置限制了隧道两侧土体向隧道下方流动的趋势,有效减小了隧道结构的上浮量     

地铁暗挖隧道上覆地层大变形规律分析

地铁隧道施工扰动地层,地层应力释放产生相应变形,并且在不同条件下变形量表现出较大的差异。通过对深圳地铁Ⅰ期工程3A标国老区间隧道横断面地层深部位移的现场实测和回归分析,得出了深圳富水软弱地层中浅埋暗挖法施工地层运动的基本规律。由此提出控制地层大变形的技术措施,在Ⅰ期工程的后期施工中得到充分利用,取得了较好的指导施工效果。     

重叠隧道上覆地层变形规律分析

通过对深圳地铁Ⅰ期工程浅埋暗挖法施工的重叠隧道现场调研,并结合施工中的试验、监测成果对重叠隧道上覆地层（地表、地中）水平、竖向变形和隧道结构变形进行了综合分析,明确了富水含砂软弱地层地铁隧道拱顶沉降大于地表沉降的事实,得到地层变形的三维变化规律和重叠隧道分步开挖的施工时空效应;并实测得到未降水施工条件下隧道结构周边超静孔隙水压力分布及其随开挖变化规律。研究结果对于同类地层条件下地铁隧道设计、施工有一定的借鉴作用。     

采用密闭取心和改装静力触探仪勘察第四系有害气体

长江三角洲一些城市的地铁工程勘察过程中发现了具有较高压力的第四系浅层天然气。鉴于第四系浅层天然气对地铁建设工程的危害,针对杭州地铁遇到的第四系有害气体的特点,采用横波地震法确定了有害气体的分布范围;采用密闭取心法查明了有害气体的赋存规律;采用改装型静力触探仪法查明了有害气体的成分、气源层、储气层、埋藏深度和压力。工程勘察结果表明,达到了杭州地铁工程第四系有害气体勘察的目的。      

含浅层气砂土的赋存特征及其非饱和参数预测

从地质成因角度分析了杭州地区浅层气藏的形成过程,探讨了储层土体的原始赋存分带特征,认为规模气藏中位于浅层气富集带内砂土的吸力变化范围不大,初始赋存含水率大致与其残余含水率接近,一般处于残余含水状态。基于VG模型描述的储气砂土-水特征曲线,提出了间接获取储层砂土非饱和参数的工程预测方法。对比试验结果表明：借助VGM模型、Parker模型和乘幂形式的强度公式,能够有效地预测含浅层气砂层的渗水系数、渗气系数和抗剪强度等非饱和参数,可满足地铁工程超前采取防治措施、消除浅层气地质灾害的需要     

基于Mindlin解分析隧道开挖对近邻桩基的影响

预测隧道开挖对邻近桩基产生的附件内力和变形对隧道建设具有重要意义。传统弹性地基梁法忽略了相邻桩-土界面单元的相互作用和桩-土界面的塑性变形,其预测结果与实际有较大出入。基于Mindlin解考虑桩-土界面单元相互作用,假设桩-土界面为理想弹塑性体,根据摩尔-库仑准则得出桩侧土体的极限剪应力和极限土压力,可由本构方程得出隧道开挖引起的桩基附加内力和变形的塑性解。将该方法得到的塑性解与离心试验结果进行对比,验证了该方法的合理性。新方法考虑了桩身相邻桩-土界面单元的相互作用,得到的附加变形较传统地基梁解大。最后,讨论了桩-土界面塑性变形对桩基附加内力及变形的影响,由于不考虑桩-土界面塑性变形,导致桩基附加内力和变形产生较大偏差,并且随着地层损失率增加,偏差增大。     

龙泉山构造区隧道浅层天然气来源定量研究

龙泉山含油气构造带是川西油气区和川中油气区分界构造,地层主要为侏罗系和白垩系红层,属非煤地层,不具生烃能力;但穿越龙泉山构造带的多条隧道,施工中都受到了浅层天然气危害。为查明浅层天然气来源,更准确地预测非煤地层隧道中瓦斯分布特征,为隧道工程服务,文章以成都地铁18号线龙泉山隧道为例,采用现场成分测试、气相色谱、稳定碳同位素、稀有气体同位素和生物标志化合物实验,对龙泉山含油气构造带浅层天然气的来源进行了定量研究。研究表明龙泉山含油气构造带浅层天然气主要成分以CH₄、N₂、CO₂为主,其中CH₄浓度达到57.65%~75.23%;浅层天然气稳定碳同位素实验表明δ¹³C₁、δ¹³C₂和δ¹³C₃的值分别在40‰、26‰和25‰上下;稀有气体同位素实验表明气样源岩年代介于225~249 Ma;生物标志化合物实验表明规则甾烷比值介于0.90~1.07。龙泉山构造带浅层天然气主要来源于下伏三叠系须家河组地层,深部气体主要通过断层及节理裂隙向上运移,在浅部砂岩、节理裂隙发育区和局部构造高点富集,从而对隧道工程形成危害。成都地铁18号线龙泉山隧道横穿龙泉山含油气构造,隧道掌子面瓦斯绝对涌出量达到2.13~4.99 m³/min,浅层天然气的分布受龙泉驿断层、卧龙寺向斜、龙泉山背斜和马鞍山断层控制。龙泉驿断层和马鞍山断层是深部三叠系须家河组天然气向上运移通道,断层破碎带及其伴生、派生节理裂隙发育区以及龙泉山背斜转折端是浅层天然气有利富集区,浅层天然气浓度高,隧道风险大。     

杭州地铁储气砂土的渗气性试验研究

浅层气地质灾害对工程的影响日益受到重视,认清储气土层的气渗透特性是采取积极有效工程措施防治灾害影响的基础。以杭州地铁所遇的储气砂为研究对象,利用自制的渗气性量测装置对其进行了系统的试验研究。结果表明：地铁工程所遇的浅层气储气砂层属渗透性极好储层,渗透率达2 960×10-3 ?m2;砂土中气渗透规律符合达西定律;饱和度较低时,含水率的增加对砂土的渗气性影响很小;随着饱和度的增加,气渗透性逐渐减弱,在饱和度大于80 %后,渗气系数急剧减小直至完全不透气;饱和度的变化相对于干密度对储气砂土的渗气性影响更为显著。     

盾构近距离下穿引起已建地铁隧道纵向变形理论研究

盾构下穿会引起邻近已建隧道附加应力的变化,使已建隧道产生变形,对已建隧道的结构和运营安全造成一定的影响。基于明德林（Mindlin）解,经数值积分可以计算出盾构产生的刀盘附加推力q、盾壳摩擦力f及同步注浆附加压力p作用下所引起的已建隧道轴线处的附加应力。同时,利用镜像法算出在土体损失作用下已建隧道轴线处的附加应力,再将已建隧道视为温克勒（Winkler）地基梁,应用Winkler地基梁理论即可算出上述4个参数作用下已建隧道的变形,根据盾构穿越的不同工况,将上述参数作用下的变形进行叠加得到已建隧道总变形。通过杭州4号线盾构隧道下穿1号线隧道的工程实例将理论计算结果与实测结果对比分析,证明了该方法的有效性。     

隧道斜交穿越地裂缝的模型试验研究

西安地区由北向南间隔分布有十多条近东西走向的地裂缝,建设中的多条地铁线路与地裂缝呈斜交状态。为了揭示地铁隧道斜交穿越地裂缝时受地裂缝活动而产生的力学性状变化,采用50:1几何相似比尺的物理模型试验仪,在合理模拟围岩地层、衬砌结构、应力条件、地裂缝与洞轴线交角及其错动位移基础上,开展了斜交地裂缝活动条件下隧道衬砌结构与围岩相互作用的物理模型试验研究,并与正交地裂缝活动下的测试结果进行了对比分析。表明斜交地裂缝活动对地铁隧道的影响范围更大,各变形缝均有明显的沉降差发展;邻近斜交地裂缝的衬砌结构易处于“悬臂梁”受力状态,衬砌结构不均匀沉降使其产生旋转位移,围岩土压力变化使衬砌结构内力产生显著变化;随着地裂缝错动位移的发展,上盘内拱顶和下盘拱顶、拱底出现围岩作用的加强,而上盘拱底出现围岩作用的松弛。与隧道正交穿越地裂缝的情况比较,斜交穿越地裂缝时围岩土压力和衬砌结构内力变化更大,易出现拉裂破坏。     

黄土地层盾构隧道受力监测与荷载作用模式的反演分析

为探明黄土地层中地铁盾构隧道管片衬砌结构与周围土体的相互作用关系,以西安地铁2号线穿越老黄土地层盾构隧道为研究对象,对实际作用于管片衬砌结构的水压力、土压力及主体结构内力（轴力、弯矩）进行现场动态跟踪测试,分析施工过程中盾构机动态掘进及后期稳定后的土-水压力对管片结构受力的影响。结合利用管片内力的现场实测值,采用正交试验设计分析方法,定义优化分析函数,反演分析黄土地层中盾构隧道管片衬砌结构设计荷载的合理计算参数。通过对比分析表明,运用优化后的设计参数得出的计算内力值与实测值在量值与分布上均较为接近,证实了分析方法的可行性、合理性,其成果可供类似工程设计参考。     

杭州湾浅层储气砂土应力路径试验研究

利用GDS非饱和三轴试验系统开展了杭州湾储气砂土主动压缩、被动压缩、主动伸长与被动伸长等4种应力路径试验研究,以论证应力路径对非饱和砂土的变形性状与强度特性影响。结果表明,在卸荷应力路径被动压缩与被动伸长下非饱和砂土的应力-应变曲线呈明显的应变软化性状,而加荷应力路径主动压缩与主动伸长则分别表现为轻度应变软化及显著应变硬化变形特征;非饱和砂土的强度参数在卸荷与加荷应力路径中也存在差异,前者的有效凝聚力高于后者,而内摩擦角则相反;但其表观凝聚力与基质吸力关系在不同应力路径下均可用乘幂函数 有效描述,而试验参数a、b值不同,公式 可合理地用于表述非饱和砂土的强度特性。