岩溶隧道涌突水形成机制及岩壁安全厚度研究

为了分析岩溶隧道涌突水形成机制,探讨防涌突水形成所需的最小岩壁安全厚度,基于莫尔-库伦判据探讨了爆破振动对围岩稳定性的影响,以振动加速度为指标推导了损伤区的分布范围;基于断裂力学理论分析了水力劈裂的启动判据,结合强度准则推导了裂隙带的分布范围;同时考虑施工爆破振动作用和高压水力劈裂作用,进一步分析了启动水力劈裂的条件;基于力学理论分析了隧道岩溶段施工过程中涌突水的形成机制,并提出防涌突水所需岩壁最小安全厚度的理论模型和计算公式。研究结果表明:防涌突水所需涌突水岩壁最小安全厚度由爆破严重损伤区、溶洞周边裂隙区、裂隙扩展区、潜在危险区四部分组成,案例的理论计算值与现场实际安全岩壁厚度值接近。研究成果可为中坝等隧道的安全施工提供依据。     

喀斯特地区隧道施工中隧底岩层稳定性评价研究

在穿越岩溶区隧道施工中,隧道底板以下既有溶洞对隧道施工安全及铁路运营有直接的影响,在地质雷达探测基础上分析既有溶洞的影响,评价隧道底板的稳定性是岩溶隧道施工的关键问题之一。论文采用荷载传递线的概念,提出了岩溶隧道底板最小安全厚度的半定量评价方法;采用弹性理论建立了在岩体按抗拉和抗剪强度准则基础上的岩溶隧道底板岩层的最小安全厚度的理论公式,为施工期岩溶隧道底板安全性评价提供了依据。     

压力溶腔对岩溶隧道施工安全影响的数值分析

岩溶地区富水压力溶腔的存在威胁着隧道施工安全。为分析压力溶腔存在对隧道施工安全的影响,以溶腔位于隧道上方的不利工况为例建立了防突层的简化力学模型,并考虑水压力和侧压力的共同影响,采用结构力学方法和变分原理推导了防突层最小安全厚度,分析了防突层高跨比对最小安全厚度取值的影响。结合某岩溶隧道,推算出防突层安全厚度为7.29m,小于溶腔与隧道临空面的实际厚度,判定该隧道施工是安全的。运用有限差分软件FLAC3D建立数值分析模型,分析了压力溶腔存在对防突层竖向位移以及受力的影响,进而判定防突层稳定性。结果表明:当压力溶腔与隧道临空面实际岩层厚度大于防突层最小安全厚度时,不会威胁隧道施工安全,但溶腔存在时防突层竖向位移和竖向应力均有增大趋势,考虑施工扰动因素建议施工中应加强溶腔处位移监测,及时反馈信息,确保施工安全。研究结果可为岩溶隧道施工提供借鉴。     

裂隙溶洞对隧道围岩稳定性的数值分析

为探究不同充水条件下裂隙溶洞对隧道开挖过程中围岩稳定性的影响,利用RFPA渗流版数值软件对不同裂隙溶洞充水条件下隧道开挖过程进行数值分析.研究表明:裂隙溶洞中水压的存在对围岩稳定性的影响显著,水压在3MPa以下时,随着水压的增大,隧道围岩破坏程度越大,破坏速度越快,渗流路径越复杂,发生的突水灾害越严重.水压的存在影响着隧道围岩破坏过程能量演化规律,当裂隙溶洞中存在低水压(0MPa、1MPa)时,围岩破坏释放的能量表现为平缓-激增-平缓-激增的演化规律.当裂隙溶洞存在高水压(3MPa)时,围岩破坏释放的能量表现为平缓-激增的演化规律.研究结果对岩溶地区隧道施工过程中突水、危石垮塌灾害防控具有指导意义.     

均匀含水岩体结构中隧道外水压力研究

隧道建设中高水压问题日益突出,其关键问题就是准确确定外水压力。以均匀含水岩体中开挖隧道为例,对隧址区地下水渗流场、水压力的计算研究可知,毛洞状态下,隧道开挖后,开挖段周边的水压力迅速降低,岩体渗透性控制水压力的减小程度,渗透性越强,水压力减少越大,反之越小;堵排结合状态下,隧道开挖后,衬砌背后的水压力迅速下降,岩体渗透性影响水压力的减小程度,渗透性越强,水压力减小越小,反之越大。在此基础上,验证了隧道外水压力计算公式。     

岩溶隧道充填型隐伏溶洞涌突水持续时间特征试验研究

为研究岩溶隧道充填型隐伏溶洞涌突水持续时间特征,通过自主设计试验装置开展了不同介质上覆水头高度、介质沉积高度、介质类型和介质颗粒级配特征等条件的涌突水模拟试验,研究结果表明:(1)隐伏溶洞涌突水演化过程可分为四种模式,即渗-涌-突水(砂)模式、涌-突水(砂)模式、突水(砂)模式、渗-突水(砂)模式;(2)颗粒级配和介质...     

危岩体爆破参数敏感度分析及爆破振动安全判据

在爆破开挖施工过程中,产生的爆破地震波会对周边危岩体稳定产生不利影响。为分析爆破参数对倾倒式危岩体稳定性的影响,以白岩山隧道工程为例建立了工程地质模型并进行分析计算,提出了时程分析法的危岩体爆破振动安全判据及基于一维应力波理论的危岩体爆破振动判据的计算方法。分析结果表明：危岩体的动力稳定性安全系数受爆破最大单响药量和爆心距的影响,当危岩体尺寸超过了爆破地震波的波长时,则要考虑爆破振动频率衰减效应和相位差;经过对两种判据方法分析比较,建议白岩山隧道危岩区最大允许振速按照［V］=0.57 cm/s进行控制。研究成果对类似工程优化爆破和危岩区防震减灾具有重要参考价值。     

岩溶隧道突水突泥致灾构造评判方法研究

针对岩溶地区隧道工程建设广泛面临的突水、突泥灾害风险,提出一种集成地质识别、物探解 译和钻探揭露的突水、突泥致灾构造评判方法。结合岩溶发育及其工程地质特征,提出突水、突泥构造 在地质识别、地质雷达法等勘探手段中的典型判据。以重庆石柱至黔江高速公路七曜山隧道为案例,阐 述该评判方法的实施流程及原则。结果表明:岩层倾角及其组合方式、地质构造、地表形态等地质因素 显著影响突水、突泥的发育及发生过程,且上述因素在地质雷达探测及钻探揭露过程中存在明显征兆及 典型判据;岩溶隧道突水、突泥致灾构造评判方法以“地质先行,物钻协作,贯穿全程,动态反馈”为实施 原则,能够有效提高致灾构造的识别准确度。     

基于边坡稳定性的临界损伤质点峰值速度研究

为研究岩体爆破载荷作用下炮孔及边坡潜在滑动面近区的损伤特性,利用有限元强度折减法确定静载下边坡的折减滑动面,并基于此建立边坡的弹塑性本构模型进行数值模拟。将数值模拟结果与经典判据进行比较分析,确定不同损伤速度阈值下对应的爆心距及岩体破碎状态。同时基于边坡爆破数值模拟结果,探究有潜在滑动面的边坡岩体爆破时损伤、爆心距、质点峰值振动速度(v_PP)及岩石动态抗拉强度之间的关系,并分别通过经典判据、最大拉应力准则的v_PP判据和拉应力峰值与v_PP统计关系得到3个v_PP阈值,发现最大拉应力准则的v_PP判据获得的损伤阈值误差最大。此关系在实际工程中可对已有的基于最大拉应力准则的v_PP判据作出修正。     

基于有限差分法的下伏岩溶对桩基承载特性的影响

为探求下伏岩溶对桩基承载特性的影响规律,基于现场静载荷试验,采用FLAC3D有限差分软件对5种溶洞顶板厚度、5种顶板跨度、5种溶洞高度以及3类顶板围岩类别进行正交数值模拟试验。试验结果表明:其他条件一定时,桩基承载力与岩溶顶板厚度、顶板围岩强度成正比,与岩溶顶板跨度成反比,与溶洞高度无直接影响;溶洞等软弱下卧层对上方桩基的最大影响深度为3倍桩径,继续增大顶板厚度对桩基极限承载力的提高效果不大;溶洞尺寸与桩径相仿(L≤2D)时,对桩基承载力影响不大,溶洞尺寸继续增大则极限承载力有较明显下降;岩体强度在11.5 MPa以下时,承载力随岩体强度的增大有较大的提高,岩体强度达到11.5 MPa以后,继续增大岩体强度,其承载力增幅不明显。研究结果可进一步深化、完善现行的岩溶发育区桩基础的设计并指导施工,具有一定的理论意义及工程应用价值。     

基于变质量突水模型的隧道开挖安全厚度研究

突水突泥是隧道穿越岩溶、风化花岗岩等软弱地层常面临的地质灾害之一。在隧道开挖过程 中，预留必要的安全厚度是保障岩土体不被高水压击穿，遏制突水突泥灾害的重要措施。为了确定合适 的安全厚度，首先基于溶质运移和多孔介质渗流理论，导出可以考虑软弱地层颗粒物迁移的多场耦合突 水突泥理论模型；其次依托实际隧道工程，采用 Ｃｏｍｓｏｌ多场耦合系统开展不同安全厚度下的隧道渗流 侵蚀特性数值研究。通过分析地层孔隙率、渗透率、涌水及涌泥量发展规律，评定发生潜在突水突泥灾 害风险，进而确定合理的安全厚度。结果表明:防突厚度小于 4ｍ时，短时间内掌子面前方颗粒即发生 显著流失，极易形成突水通道，涌水涌泥量大大超过开挖设计的标准。当防突厚度大于 5ｍ，地层围岩 孔隙率、渗流通道得到有效遏制，掌子面的涌水涌泥均得到有效控制。从安全、经济、技术角度分析，防 突厚度建议取 4ｍ～5ｍ。     

武汉地铁隧道与隐伏溶洞的安全距离研究

武汉地区溶洞存在埋深较浅、溶洞高度较小、地下水“高水头”等特征。基于这些特征,利用MIDAS GTS进行数值正交试验,分析了武汉地铁27号线围岩水平、侧压力系数、溶腔跨度、溶腔高跨比、渗透系数等对隧道与溶洞安全距离的影响规律和显著性。研究结果表明:隐伏溶洞位于隧道下方、侧方或上方工况条件下,围岩水平、溶腔跨度均会对隧道与溶洞的安全距离有显著影响,而渗透系数对其并无显著影响;侧压力系数只在隐伏溶洞位于隧道下方时有显著影响;溶腔高跨比只在隐伏溶洞位于隧道侧方时有显著影响。结合试验结果的非线性多元回归分析,分别建立溶洞在隧道下方、侧方、上方时的隧道与溶洞安全距离预测模型;通过工程实例的检验与应用,该分析方法可靠合理,可为类似工程提供借鉴和参考。     

富水地区深埋大孔径水工隧道衬砌外渗流特征研究

富水地区水工隧道衬砌外水压力的评估对隧道施工安全十分重要。以某调水工程为例,采用数值模拟软件,对其水力学特性进行数值模拟。结果表明：(1)隧道开挖后至衬砌施做前,为隧道突水的高风险期,进行初期喷射混凝土施工能够有效降低突水风险;(2)隧道在运行期地下水位显著回升,本文案例工程中,水位回升12.5m,因此防水衬砌和灌浆圈的可靠施做,才能有效保证隧道运行期的安全;(3)灌浆圈存在最优厚度,本文灌浆圈最优厚度为3.3m,该厚度下灌浆圈厚度既不过大,又可降低外部水压力。研究结果可为水工隧洞施工提供参考。     

TSP与TRT技术在隧道施工地质预报中的应用

岩溶地区隧道工程施工经常遇到溶洞、突水、突泥、坍塌等地质灾害威胁,因此,在施工中辅之以地质预报是十分必要的。介绍了TSP技术（隧道弹性地震波反射技术）与TRT技术（隧道层析扫描成像技术）的工作原理,并将两种技术应用于三峡翻坝公路鸡公岭隧道岩溶裂隙水的施工地质预报实践中。通过工程实际应用,两种预报技术均能够基本查明岩溶裂隙水的发育规模、发育位置,为后续的施工提供安全指导。     

彭水水电站汛期机组出力提升研究

为更好发挥彭水水电站效益并保障机组安全稳定运行，在现有机组流道尺寸不变的前提下，利用理论分析、CFD数值模拟技术和水轮机模型试验等方法，分析了彭水水电站在汛期低水头下提高机组出力和部分负荷运行稳定性的可行性方案。结果表明：通过对水轮机转轮、活动导叶等关键过流部件进行优化改造，机组发额定出力对应的最小水头可以由原来的67 m优化到63 m,能够提高汛期机组发电调峰能力，并减少电站弃水；机组安全稳定运行的水头范围由原来的52.0～81.6 m优化为44.0～81.6 m,优化后的水头变幅H_max/H_min高达1.855,同时水轮机在全水头、45%～100%预想出力范围内均能稳定运行。     

风化砂岩公路隧道渗流-应力耦合数值模拟

以江西省宜春市宜遂高速公路风化砂岩高且隧道工程为例,利用有限元分析软件Midas/GTS三维模拟了高且隧道的施工和开挖过程,将所得结果与现场监测数据进行比较,研究了渗流-应力耦合对隧道稳定性的影响,比较了耦合与非耦合条件下隧道稳定性的变化。结果表明,在渗流-应力作用下,隧道稳定性受到明显影响,渗流主要发生在隧道仰拱和边墙处,各施工阶段断面孔隙水压力在拱底处最大,在拱顶处最小;对比非耦合条件,在耦合条件下隧道拱顶、拱底和水平收敛值均有所增加,孔隙水压力对不同岩性的隧道拱顶沉降有很大影响。     

隔水边界附近围岩渗透性变化时隧道涌水的渗流模型

根据各向同性岩石中隔水边界与水平方向的夹角,在岩石渗透性随深度呈负指数衰减条件下,分两种情况给出了二维稳定流隧道涌水量的解析解和数值解.分别对隔水边界距离和隧道埋深对隧道涌水强度的影响,以及岩体中上下水位的巨大差异进行了理论分析.此法可用于预测隧道涌水量,并给出了算例及关系曲线.     

多溶洞地层桩端极限承载力下限有限元法分析

为计算多溶洞地层桩基的极限承载力,通过MatLab平台编制了用于分析多溶洞地层桩端极限承载力下限的有限元法计算程序。采用平面应变模型,并假定材料符合Mohr-Coulomb准则和塑性关联流动法则。定义无量纲参数N来衡量各参数对桩端极限承载力的影响。根据桩与溶洞间的相对位置关系,详细探讨了6种工况下桩端极限承载力的变化规律,并分析了嵌岩深度h_r、上覆土层自重q_s和溶洞直径D的影响程度。分析结果表明:桩端极限承载力随h_r的增大而增大,随D的增大而减小,而q_s的影响基本可忽略不计。此外,还对不同工况下桩端的极限破坏模式进行了分析。最后,通过考虑无溶洞、有溶洞下的2种桩基算例,验证了本文方法的正确性。     

岩溶隧道帷幕注浆止水技术及施工——以宜(昌)万(州)铁路金子山隧道为例

强岩溶区隧道施工中,隧道周边一定范围内的岩溶地下水在隧道施工中将导致隧道岩体工程地质和水文地质条件发生变化,造成围岩强度降低,渗透水压力增加,并可能造成隧道的突然涌水和突泥事故,帷幕注浆是隧道等地下工程施工中防渗止水的有效技术。以在建宜昌-万州铁路金子山隧道为依托工程,在介绍隧道帷幕注浆目的、注浆止水的机理基础上讨论了金子山隧道帷幕注浆止水施工工艺和注浆施工方案,详尽介绍了帷幕注浆的施工组织、机械设备和人员的配备,并就帷幕注浆中注浆量的推算和止浆墙的安全厚度进行了重点探讨,金子山隧道帷幕注浆的成功经验可为同类工程的施工提供技术资料和经验借鉴。     

深埋隧洞开挖过程中突水与突泥的机理研究

突水与突泥是隧洞施工过程中常遇的重要工程灾害之一,本文利用离散元法,采用颗粒流PFC3D软件,结合流体动力学数值模拟的有限体积法,建立了由裂隙岩体及断层组成的围岩隧洞突、涌水三维数值模型,模拟隧洞突水、突泥的全过程;探讨了集中水源 （断层） 水压力、岩体裂隙性状等对隧洞突水、突泥的影响。据此提出了工程突水、突泥预防中两个重要的概念：突水临界水压力和前方临界突水距离。并提出了隧洞突水、突泥的发生机理,认为突水发生的前提是存在集中的高压水源。水源压力的大小、开挖面至集中水源的距离、岩体强度、岩体裂隙性状是影响突水的主要因素。