地下水渗流作用下的盾构隧道开挖面安全系数上限分析

利用数值模拟技术对地下水渗流情况下盾构隧道开挖面的渗流场进行模拟,获得了隧道开挖面周边各节点的孔隙水压力。基于极限分析上限定理,利用各节点孔隙水压力计算出隧道开挖面上限破坏机制中的孔隙水压力功率,并将其视为一个外力功率代入虚功率方程中,构建出考虑渗流影响的开挖面安全系数目标函数。通过非线性序列二次规划法对该目标函数进行优化计算,得到开挖面安全系数上限解。利用强度折减法验证了该方法的有效性,并将其用于考虑地下水渗流作用的盾构隧道工程实例分析。研究表明:在考虑地下水渗流的情况下,开挖面安全系数随土体黏聚力、摩擦角、开挖面支护力的增大而增大,随地下水位的升高而减小;开挖面的破坏范围随摩擦角的增大而显著减小,但地下水位线的位置对开挖面的破坏范围影响较小。     

隧道开挖过程中复杂裂隙围岩的固流耦合分析

隧道通过裂隙岩体的含水区段时,人为扰动了裂隙岩体、地下水等构成的复杂地质系统,是造成各种涌水、突水、突泥事故的重要原因。为了研究复杂地质条件下隧道开挖过程中岩体变形、流体运移相互作用过程,探讨其对隧道涌、突水的影响,在上述复杂过程进行理论分析的基础上,根据深埋隧道围岩裂隙发育规模与工程尺度的关系,建立可以同时考虑不同级别裂隙网络的复杂裂隙岩体水力学模型,采用有限元法对复杂裂隙岩体中开挖隧道的固流耦合过程进行了数值模拟,模拟结果体现了主干裂隙在渗流中的强导水作用和网络状裂隙的贮水功能与渗流滞后效应,开挖过程中复杂裂隙岩体渗流场与应力场的耦合作用显著的增加了隧道围岩屈服区。     

非扰动开挖隧道模型的水压力试验研究

 隧道施工地下水问题困扰着隧道工程界多年,关于地下水压力对支护结构的影响认识不一致,为此需要从地下水作用机制研究出发,开展隧道衬砌水压力模型试验研究。模型隧道净空设计参考国内300～350 km/h高速铁路单线标准,模型试验的设计包括围岩模拟、试验流体、参数选择、试验工况、试验仪器选择等,试验工况包括：不同水头高度(1,2和4 m)和不同支护及排水条件(无支护全排和二衬不排水)等。通过在实际岩体中的小比例洞室模拟试验研究,对隧道开挖和支护引起的地下水渗流变化过程、地下水排放方式与水荷载之间的相关关系等取得较明确的定性认识,并以模型试验为基础开展数值模拟分析,为隧道水压力定量研究奠定试验基础。     

复杂地层超大直径盾构隧道掘进面稳定性分析

以世界第一超大直径,具有穿越复合土层,高水压作用等难点的上海长江隧道为工程背景,利用数值模拟对盾构隧道掘进面的渗流效应进行了分析,探讨了地下水渗流效应对掘进面稳定的影响,分析了地下水作用下支护压力与掘进面变形的关系。根据稳定性理论的基本原理,确定了掘进面极限支护压力。极限支护压力的确定为设计和施工中掘进面最小支撑力的确定以及防止掘进面坍塌所需支护提供了依据。通过渗流作用效应的影响比较发现:渗流力构成了总支护力的主要部分,地下水的存在对隧道开挖面稳定产生很不利影响,是不可忽视的。     

对排水型隧道衬砌承受渗流水压问题的一些探讨

结合隧道渗漏试验结果与地下水渗流过程中能量关系的分析,对影响地下水渗流水压的因素进行了探讨;联系工程实际与渗流过程的能量关系,提出了降低排水型隧道衬砌承受渗流水压的"分步折减"的思路.     

隧道开挖问题的水力耦合计算分析

隧道工程中的地下水问题是富水地层中普遍存在的重要问题,地下水流动对隧道围岩稳定性有重要影响。本文利用解析法给出了饱和孔隙介质地层中考虑地下水渗流力作用下的应力。位移表达式;提出了隧道水力耦合数值分析中的耦合计算模型的建立方法并进行数值模拟分析。数值计算结果表明在考虑渗流影响条件下,隧道周边位移最大增加17．0％,最大剪应力最大增加10．3％。在不考虑衬砌条件下,由于渗流引起的渗流力增加了围岩的应力、位移,从围岩-支护结构共同作用原理考虑,进行隧道支护结构设计时是应该考虑渗流效应的。     

深基坑降水地下水渗流三维数值模拟

长江中下游地区第四系松散沉积层深基坑降水一般采用非完整井,且由于深基坑周围连续挡水墙难以深入含水层底板,所以其地下水渗流场变化极其复杂,具有明显的三维非稳定渗流特征。以南京地铁中和村站—元通站区间隧道修复工程深基坑降水为例,基于深基坑降水三维渗流数值模拟的理论与方法,在概化出水文地质模型的基础上,建立了研究区深基坑降水三维渗流数学模型,模拟了在潜水含水层,微承压含水层复合存在、含水层最深底板埋深达56.01m、基坑周围连续挡水墙埋深为44至47m、抽水井井深达40m、抽水井过滤器埋深为26至38m,基坑内地下水位降至埋深达26.00m情况下的地下水复杂流动状态,并据此确定出了最优降水方案。     

渗流场的差分法与防渗结构侧水压力的探讨

为解释常用的防渗体侧水压力计算模型与实测值之间的明显差异,文章提出：“节点间等效渗透系数”、“拓展零渗透节点”、“可变零渗透节点”等概念在分析地下水渗流场中的意义,以解决差分法对地下水渗流潜水面的数值模拟问题;并在模拟工程实例的基础上,对侧水压力实测的模拟结果和对常用防渗模型误差来源的分析;指出常用防渗模型侧水压力的分析误差主要是因该模型未能较准确反映实际流场而造成的;在工程应用中,防渗体侧水压力的确定应根据不同情况予以分别对待。     

复杂地层超大直径盾构隧道掘进面稳定性分析

<正>本文以世界第一超大直径,具有穿越复合土层,高水压作用等难点的上海长江隧道为工程背景,利用数值模拟对盾构隧道掘进面的渗流效应进行了分析,探讨了地下水渗流效应对掘进面稳定的影响,分析了地下水作用下支护压力与掘进面变形的关系。根据稳定性理论的基本原理,确定了掘进面极限支护压力。极限支护压力的确定为设计和施工中掘进面最小支撑力的确定以及防止掘进面坍塌所需支护提供了依据。通过渗流作用效应的影     

考虑流固耦合作用下倾斜隧道的稳定性分析

为研究倾斜隧道在土层渗流作用下的稳定性,依托具体隧道工程为背景,通过数值模拟和现场监测等手段,基于FLAC3D软件模拟研究流固耦合作用下倾斜隧道的稳定性,分析对比有渗流状态下的隧道应力场、位移场变化规律,分析结果可指导隧道的盾构施工。     

石灰岩围岩渗透性演化分析

石灰岩的原生渗透性很小，其良好的渗透性主要由其次生渗透性决定，地下水对石灰岩裂隙的化学改造会使其渗透性发生演化。岩溶隧道开挖和排水后，地下水的渗透与交替速度获得空前的提高，通过低阶水．岩相互作用而达到较高浓度的地下水会被迅速排走并获得低浓度水不断的补给，主径流排水区内的化学改造作用将以低阶快速反应为主，使溶蚀作用可能大大加快并产生具有工程意义的渗透性演化。采用平行板模型和化学动力学中简化的PWP方程建立石灰岩渗透性演化的数学模型，推导出了岩溶隧道排水条件下石灰岩渗透张量的演化方程，给出了渗透性的演化分析，可用于隧道长期涌(排)水量预测、水库长期渗漏量计算、隧道排水对地质环境影响评价以及工程耐久性、使用寿命评估等工程领域。     

公路隧道渗漏水治理工程技术研究

针对南山峁隧道的工程实例,分析了隧道漏水的原因,提出了对地下水进行防、堵、引、排等综合治理的方案,详细地阐述了治理工程的施工,并对治理效果进行了探讨,以供公路隧道漏水治理工程参考。     

The ground reaction curve of underwater tunnels considering seepage forces

When a tunnel is excavated below groundwater table, the groundwater flows into the excavated wall of tunnel and seepage forces are acting on the tunnel wall. Such seepage forces significantly affect the ground reaction curve which is defined as the relationship between internal pressure and radial displacement of tunnel wall. In this paper, seepage forces arising from the ground water flow into a tunnel were estimated quantitatively. Magnitude of seepage forces was estimated based on hydraulic gradient distribution around tunnel. Using these results, the theoretical solutions of ground reaction curve with consideration of seepage forces under steady-state flow were derived. A no-support condition was taken into account. The theoretical solution derived in this study was validated by numerical analysis. The changes in the ground reaction curve according to various ground and groundwater conditions were investigated. Based on the results, the application limit of theoretical solution was suggested.     

考虑注浆圈作用的体外排水隧道渗流场解析研究

体外排水方式在隧道工程中已得到逐步应用,但考虑注浆作用的体外排水隧道渗流场解析理论未见报道,导致理论滞后于工程实践。基于镜像法与渗流力学理论,提出了考虑注浆圈作用的体外排水隧道渗流场理论模型,通过解析退化、数值仿真两种方法共同验证了理论模型及解析公式的正确性,探讨了注浆圈渗透系数与厚度对涌水量、隧道外水压力的影响规律。分析结果表明：注浆圈渗透系数对体外排水隧道渗流场存在显著影响,随注浆渗透系数比值增大,涌水量可得到明显控制,但会引起外水压力的增长;注浆圈厚度影响相对较小,其影响主要在于厚度值越大时能一定程度上加强对底部结构外水压力的控制。提出了兼顾隧道限排要求与隧底水压力控制效果的合理注浆圈参数。研究成果以期为体外排水隧道注浆参数设计及施工实践提供参考。     

Potential hazards to a tunnel caused by adjacent reservoir impoundment

A reservoir impoundment located near a tunnel structure negatively affects groundwater seepage to varying degrees. This can result in water inflow, structural collapse, and other engineering hazards during tunnel excavation. In addition, in cold regions, reservoir impoundment and water seepage can exacerbate frost heave damage during tunnel operations. This paper describes a comprehensive case study on the quantitative evaluation of the seepage effects of the proposed Longsheng Reservoir on the adjacent proposed Kouzi village tunnel (located in Ulanchap, Inner Mongolia, North China). An engineering geology survey was conducted to identify the topography and geological features in the tunnel and reservoir area. A geohydrological survey was conducted to identify groundwater runoff patterns and to assess the possible seepage paths. Pumping and injection tests were conducted to characterize the in-situ permeability of the strata. Based on the detailed field information, the seepage field and stress field of the study area were investigated using COMSOL Multiphysics and ABAQUS software. From these numerical simulations, the evolution of the water inflow and the stress/strain field in the shallow buried section of the tunnel could be predicted quantitatively at different construction and operation stages. This study showed that the seepage influence of the Longsheng Reservoir on the Kouzi village tunnel during the excavation and operational stages will be relatively weak. However, structural collapse of the tunnel and water inflow are likely to occur beneath the two gullies. Mitigation measures such as impervious walls and inverted arch structural elements were proposed to address these potential hazards.

     

隧道渗漏水红外辐射特征模型试验及图像处理

 对室外大型混凝土模型墙体注水模拟隧道衬砌渗漏水,利用红外热像仪观测渗漏水的红外辐射特征,获取红外热图像,研究混凝土渗漏水过程中的红外辐射规律,并编写MATLAB图像处理程序提取混凝土渗漏水红外热图像特征。混凝土一般渗漏水试验结果表明：渗漏水热图像呈现高温区域包围低温区域的温度场特征,渗漏水区域边缘温度梯度较大;混凝土渗漏水过程试验结果表明：渗水流量越大,渗漏水区域和基底混凝土的红外辐射温差越大,水域温度越均匀,水域边缘温度场变化越剧烈;试验结果可以为混凝土工程(如地下建筑、隧道等)渗漏水的检测和预警提供指导。针对渗漏水红外图像特征,利用MATLAB编写的程序能够提取热图像中的渗水面积等信息,为隧道渗漏水车载动态检测软件系统开发奠定基础。     

采用Visual Modflow研究机场场区地下水渗流场

针对某机场场区地下水位过高的问题,在分析场区水文地质条件的基础上,使用Visual Modflow软件对跑道中心线处地下水渗流场进行模拟,模拟结果和实测结果吻合较好.并对开挖截水沟后,四种工况下的跑道中心线处地下水位进行了模拟.结果表明,开挖截水沟后地下水位至少可降低到槽底以下3.15 m,完全满足该地区地下水位临界高度的要求;洪水在短期内对场区地下水渗流场影响很小;截水沟开挖后90 d,场区地下水位可满足工程要求,建议在土方施工前3个月进行截水沟的开挖.     

Effect of tunnel advance rate on seepage forces acting on the underwater tunnel face

In this paper, the effect of seepage forces arising from the groundwater flow on the tunnel face stability was studied for underwater tunnels. The groundwater flow equation was solved and the seepage forces acting on the tunnel face were calculated using the upper bound solution in limit analysis. Especially, the effect of tunnel advance rate on the seepage forces and thus on the tunnel face stability was studied. A finite element program to analyze the groundwater flow around a tunnel with the consideration of tunnel advance rate was made. Example problem showed that the seepage force is greatly influenced by the tunnel advance rate in case of less permeable ground. Finally, a rational design methodology for the assessment of support pressures required for maintaining the stability of the tunnel face was suggested for underwater tunnels.