岩溶隧道承压隐伏溶洞突水模型试验与数值分析

为研究不同充填水压条件下隐伏溶洞对隧道围岩稳定性的影响,进而揭示溶洞突水致灾机理,利用自主研发的大型三维流固耦合模型试验系统,针对强充填滞后型溶洞突水孕灾模式开展了试验研究,揭示了承压溶洞突水过程位移、应力及渗压的变化规律,综合模型试验与数值计算各自的优势,开展了不同充填水压下(0.4~1.1 MPa)隧道开挖过程流固耦合数值模拟,对模型试验结果进行补充验证。研究结果表明:溶洞影响范围主要集中于一倍洞径范围内,受溶洞影响普通围岩的应力水平及应力释放量均高于隔水岩体,孔隙水压力消散速度较大,位移变化相对平稳;在隧道开挖阶段,随着溶洞充填水压增大,隔水岩体应力释放率越低,渗透压力整体升高,上升梯度逐渐减小,当溶洞水压高于0.8 MPa时,位移出现明显异常;模型试验水压加载阶段真实再现了隔水岩体破裂突涌水过程,研究结果对于岩溶隧道施工过程突水灾害防控具有指导意义。     

地下工程流–固耦合试验新技术及其在充填型岩溶管道突水模型试验中的应用

在地质力学模型试验技术的基础上,根据大型交通、水利水电及矿山工程的需要,开展大比尺流–固耦合模型试验技术研究,包括新型流–固耦合相似材料、三维可视化固液耦合试验系统以及多物理场信息监测分析技术。提出了流–固耦合相似材料的配制原则,选择了多种性能耦合较小的调节剂,实现了强度、渗透性、重度等指标的独立调节,大大提高了材料的相似度,保证材料能够在水长期作用下保持稳定的性质,很好地模拟中、低强度的岩体、破碎带及充填物。三维可视化固液耦合试验系统具备了自动化静力加载和数字化水压加载功能,实现了复杂地质条件下有压水体与相似材料的大面积直接作用,为流—固耦合条件下渗流和突涌水过程的模拟提供了可视化的试验场所。光纤技术、电阻元件柔性防水技术和自动化数据采集分析系统,实现了水环境下模型体内部渗压、应变和位移的精确采集和分析。最后,依托湖北省保康至宜昌高速公路尚家湾隧道,开展了充填型岩溶管道失稳突水的大比尺三维模型试验研究,真实再现了工程中的突涌水过程,揭示了充填型岩溶管道突水的灾变特征。流–固耦合试验新技术得到成功应用,为试验的顺利进行提供了技术保证。     

基于可拓理论和层次分析法的洞口仰坡稳定性评价

洞口仰坡是一种特殊而又普遍存在的边坡,其稳定性一直是岩土工程研究的重要内容。基于物元可拓理论和层次分析法,考虑了边坡稳定性的主要影响因素,建立了洞口仰坡稳定性的物元理论模型,对边坡稳定性评价结果进行了可靠性分析。以某隧道洞口仰坡工程为实例进行了稳定性评价,预测的结果与实际检测结果一致。研究结果对类似的工程具有一定的参考价值。     

考虑剪切的常规态近场动力学模型及岩体裂隙扩展演化规律研究

岩体中复杂的裂隙结构严重影响了工程岩体的稳定性及破坏形态,开展其对裂隙岩体损伤破坏模式影响的研究具有重要的理论意义和工程价值。本文基于常规态型近场动力学(OSB-PD)理论构建了考虑剪切变形的改进型OSB-PD模型,并基于构建的考虑剪切变形的OSB-PD模型开展了裂隙岩体在单轴压缩条件下的裂纹扩展演化规律研究;提出了一种新的岩石非均质性模拟方法,重点研究了岩石的非均质性对不同预制裂隙角度下岩石裂纹扩展行为的影响。结果表明,预制裂隙角度对于含裂隙岩石裂纹扩展具有较大影响,且岩石的非均质性将大幅度地提升裂纹扩展速度。     

隧道裂隙岩体结构信息解译与危石垮塌空间展布规律研究

裂隙岩体地下工程不同于有着比较明确数学模型的结构工程,作为一种非均质、非连续性介质,其最为凸显的特性即是岩体结构的不确定性,尤其是与开挖历程有密切关联的裂隙岩体隧道工程,所建数学模型分析结果均与工程实际出入较大。为此,充分考虑岩体裂隙的几何形态与展布特征,基于岩体智能分析多元解译系统实现岩体结构信息的自适应提取,耦合超前地质预报实现了断层影响区隧道裂隙网络模型多尺度精细构建;基于3DEC优化模型,开展隧道遭遇断层条件下其影响区内块体垮塌空间展布规律研究,对不同开挖循环内垮塌块体的形状、体积、数量等进行系统分析与数理统计;同时针对不同连通率、DFN密度与节理间距等敏感地质参数,通过108组仿真模拟,揭示不同岩体裂隙组合条件下隧道危石群的空间形态演化规律与响应特征。研究结果为裂隙岩体区域隧道及地下工程修建过程中危石垮塌灾害预测、临灾判识与防控治理提供了科学依据,具有重要理论意义和工程应用价值。     

基于数码图像的掌子面岩体结构量化表征方法及工程应用

 以隧道掌子面立体数码摄像为基础,针对隧道开挖、支护两道工序,构建隧道掌子面岩体结构量化表征体系,实现隧道轴向岩体结构及径向岩体结构表征的有效整合。针对具体工程,基于控制点测量、掌子面图像对采集、结构面提取、CAD模型再现四道工序,提出了基于数码摄像的二维掌子面裂隙模型构建方法。以测线法为手段,考虑多条测线的全断面布设方法,以单测线RBI指标为基础,以玫瑰花方位角表征测线位置、玫瑰花半径表征对应方位岩体结构RBI量化值,建立了隧道掌子面岩体结构玫瑰花表征体系,实现了隧道径向岩体结构差异性可视化分析。同时,提出了掌子面结岩体结构综合量化指标(Z-RBI),建立了岩体结构六色分类方法,实现了掌子面岩体结构量化及结构类型划分的可视化集成。最后,采用数理方法,以序列掌子面Z-RBI值为基础,初步构建了隧道轴向岩体完整性预测方法,并进行了工程验证。