海底隧道稳定性分析

本文采用有限元极限分析法分析了海底隧道的整体稳定性与存在局部破碎带下的整体稳定性。以某海底隧道为例,计算表明隧道整体是安全的。当存在局部破碎带时,必须做好破碎带的超前注浆堵水加固,以减少其渗水量,并对破碎带进行局部加固;计算还表明,有局部破碎带时,隧道安全度降低,破碎带越宽,堵水圈厚度越小,安全系数越小;隧道倾斜破碎带较垂直破碎带安全系数小。     

高压富水岩溶隧道注浆机理及作用效果分析

高压富水岩溶隧道施工中存在很高的安全风险,常面临涌突水防治、围岩稳定性控制和衬砌高水压处理等技术难题,实施可靠的超前地质预报和有效的注浆是解决上述难题的关键.基于穿越高压富水岩溶区的圆梁山隧道工程,采用综合地质预报技术准确探明了溶洞的形态及其充填物性质;通过理论分析揭示了岩溶隧道的注浆机理;利用数值模拟确定了合理的注浆参数;通过复合注浆形成了可靠的注浆加固圈.监测结果表明:注浆圈起到了加固围岩、稳定工作面、封堵地下水和降低衬砌外水压力的综合作用,隧道施工中工作面稳定,围岩变形不大,堵水效果显著,达到了5m3·m-1·d-1的隧道限量排水控制标准,并实现了小排水量条件下有效降低衬砌外水压力的目的.研究成果对高压富水岩溶隧道建设具有借鉴意义.     

富水流砂层注浆设计及控域注浆技术

隧道开挖过程中富水流砂层易引发涌水涌砂及围岩失稳破坏等地质灾害,注浆技术为有效的治理手段。针对青岛地铁区间隧道富水流砂层注浆堵水加固治理难题,结合帷幕注浆第四强度理论及工程爆破施工影响确定注浆加固圈厚度,设计注浆材料、注浆压力、注浆量等注浆参数;采用控域注浆技术对掌子面前方12m富水流砂层进行注浆堵水加固。由掌子面开挖进行注浆复合岩土体及洞内围岩稳定性监测数据分析可知,富水流砂层注浆堵水加固效果明显,围岩稳定性较好,对类似水害治理设计及施工具有一定借鉴意义。     

隧道断层破碎带超前帷幕注浆加固技术研究

山岭隧道穿越岩性复杂、节理发育的断层破碎带,为维护断层破碎带地段围岩的稳定性,降低隧道施工引起的坍塌失稳风险,常采用超前帷幕注浆对隧道断层破碎带进行加固。根据超前地质钻探探明了断层破碎带的规模,进行了注浆设计,采用数值模拟和现场实测验证了注浆加固效果。工程实践证明,超前帷幕注浆是一种维护围岩稳定、保证隧道施工安全的工程措施。     

水下隧道渗流场分布规律的模型试验研究

水压力是水下隧道设计的关键指标。利用室内模型试验系统,对水下隧道的渗流场进行了研究,得出了隧道在不同排水方式下注浆圈和衬砌背后水压分布规律:衬砌背后各点水压随排水量的增加迅速减小,当排量达一定程度,减小速率变缓,直到水压值接近0;从水平和竖直两个方向来看,土体表面到拱顶,水压呈静水压力分布;注浆圈水压快速减少,说明其对水压力折减效果十分显著。通过改变注浆圈厚度和渗透系数的实验研究,发现在相同排水量条件下,注浆圈厚度越大,衬砌背后和注浆圈边缘水压力越小,注浆圈渗透系数越小,衬砌背后及注浆圈边缘的水压力越大。     

隧道穿越不同厚度断层破碎带稳定性研究

隧道在断层破碎带处施工时容易诱发塌方、大变形以及突泥突水等灾害。以五道岭隧道工程为背景，利用有限元软件对五道岭隧道的不同厚度断层破碎带对隧道围岩位移产生的影响进行分析。研究结果表明：隧道围岩最大竖向位移和水平位移都发生在断层破碎带处；隧道围岩位移值均随着断层破碎带厚度的增大而增大，断层破碎带厚度越小，隧道围岩越稳定。     

跨海峡隧道风化槽围岩衬砌防排水技术研究

 采用钻爆法修建海底隧道必须采取有效措施预防塌方、涌水、突泥等地质灾害,海底隧道钻爆法施工时如何安全穿越断层破碎带是工程设计与施工的技术难点。结合厦门跨海峡隧道围岩的特点,研究钻爆法穿越断层破碎带的注浆加固、防排水技术,提出不同围岩条件下的隧道防排水和注浆设计方案。并根据实验室三轴试验结果得到强风化花岗岩渗透系数以及反演的围岩力学参数,分析风化槽隧道衬砌的外水压力分布特点和量值。研究成果为衬砌结构设计以及国内同类型隧道的衬砌防排水和衬砌支护技术设计提供可靠指导。     

小导管注浆技术在浅埋富水岩溶隧道中的应用

云雾山隧道浅埋段岩溶发育,地下水丰富,围岩受地质构造影响严重.极不利于隧道开挖支护.为了解决施工过程中破碎围岩加固和堵水两大难题,对超前小导管预注浆和系统导管二次注荥技术在该段工程中的应用进行了研究,并深入分析了涌水量数据和围岩内空变形监测数据,对注浆效果进行了评价.研究表明:小导管注浆一方面改变了围岩的力学参数,另一方面利用浆液的固结特性可以实现堵水和加固围岩的工程目标,使隧道在开挖过程中的安全得到保障.     

外水压下隧道围岩与衬砌的随机有限元分析

为探讨在外水压力作用下隧道围岩和衬砌的力学承载特性,以龙潭隧道为依托,进行了随机有限元数值模拟。模拟采用了响应面法和蒙特卡罗模拟的手段,并进行了响应面方程拟合和概率敏感性及相关性的计算分析。分析结果表明,在外水压力的作用下,隧道衬砌的破坏形式以受压破坏为主,提高围岩弹性模量较衬砌弹性模量对改善衬砌承载外水压的力学性能更为有效。并在此基础上指出,外水压下的衬砌设计和隧道施工应考虑下述因素:围岩可以分担外水压力的承载特性、地层结构法的计算模型、注浆具有堵水和加固的双重效果。     

海底隧道复合注浆技术及其工程应用

针对海底隧道不良地质体注浆加固必须同时满足稳定性、致密性和承受高水压作用的特殊要求,提出复合注浆新理念,即通过材料复合和工艺复合在围岩中形成功能型复合结构以实现安全控制和高效堵水。为此,首先建立浆液扩散机制模型,揭示注浆范围与浆脉厚度等空间分布特性及其影响因素;创建复合加固体的壳体力学模型,可对加固体的稳定性进行预测及评价,进而提出宏观力学参数的确定方法;系统分析加固体力学性能的主要影响因素,提出注浆参数的设计方法,由此可对复合注浆实现全过程工艺控制;基于复合注浆体功能型结构特点,创造隧道周边帷幕注浆技术,并首次提出采用堵水率、加固体强度和整体稳定性作为注浆效果的评价指标,较日本青函隧道等采用的全断面注浆方式显著提高了效率和可靠性。最后介绍复合注浆技术在厦门翔安海底隧道F1风化槽强透水地段的应用,达到了预期效果,确保了工程安全,由此形成了海底隧道穿越不良地质体的地层加固技术模式。     

锁脚锚管和仰拱注浆对控制大断面海底隧道位移的有效性分析

 厦门海底隧道两端陆域软弱地段大断面浅埋暗挖施工中，部分断面拱顶下沉偏大。对量测数据进行分析后发现，隧道发生的整体下沉(包括开挖中的各部整体下沉和初期支护全环封闭后的整体下沉)是构成隧道拱顶下沉量偏大的一个重要因素。为控制隧道结构变形过大这一问题，施工中根据经验采用锁脚锚管和仰拱注浆。为探知两种处理措施的实际效果，首先利用设计文件提供及现场试验获取的支护结构及围岩的物理力学参数，对其进行数值模拟。然后通过对数值模拟结果与现场实测数据进行综合分析，得出以下结论：锁脚锚管在控制开挖中隧道发生的整体下沉方面比较有效，可减小拱顶下沉约17%，减小水平收敛约12%；仰拱注浆比较适于控制初期支护封闭后隧道发生的整体下沉，可减小拱顶下沉约18%；另外这两种措施都能在一定程度上减小洞周围岩塑性区范围，并提高支护结构安全性。     

海底隧道衬砌结构设计

 海底隧道围岩水通常具有稳定水位和充足补给,隧道结构受长期的水压力作用,衬砌计算中应首先确定水压力荷载大小,并综合考虑隧道涌水量的大小,由此对衬砌断面的拟定、衬砌类型的选择、衬砌结构安全性进行评价计算。正在建设的厦门翔安海底隧道衬砌结构设计时,通过不同防排水方式下衬砌背后水压力特征的模型试验表明,作用于全封闭衬砌上的水压力是不能折减的;根据陆域和海域不同地段预测全隧道涌水量,由于无法满足运营期间的排水,衬砌结构必须采用全封闭形式或限制排放形式;利用ANSYS有限元软件,根据外水压力大小与围岩压力组合下对不同的隧道衬砌断面进行对比分析计算,以得出结构受力最为经济合理的断面形式;并以此断面按荷载结构模式法进行全封闭衬砌结构计算。计算结果及建设的实际情况表明衬砌受力合理。     

海底隧道修建中的关键问题

结合厦门东通道海底隧道工程，对海底隧道最小岩石覆盖层厚度、水压力设计值的确定，衬砌结构断面优化与防排水方案，穿越海底不良地质段（断层、溶槽）的施工措施及服务隧道设置的必要性问题进行了分析。提出应从围岩稳定性和隧道涌水量的大小综合考虑最小岩石覆盖层厚度；采用限量排放的防排水方案对海底隧道较为适宜；施工中可采用注浆和冻结法穿越海底的不良地质段；设置服务隧道有利于隧道施工和运营管理。     

水下隧道渗流场解析解及其应用

 以复变函数和地下水水力学理论为基础,推导由围岩、注浆圈、衬砌混凝土组成的水下隧道渗流场解析解。以厦门海底隧道F4风化囊地段为工程背景,研究影响围岩、注浆圈、衬砌的渗流参数对衬砌外水压力和渗流量的影响。研究结果表明,注浆圈和初期支护施工效果对衬砌后水压力和渗流量的影响很大,应重视注浆圈和初期支护的施工。当排水系统堵塞,渗流量减小时,初期支护和二次衬砌的外水压力会重新分配。结合理论计算和现场实测水压力结果,提出在堵水限排情况下,初期支护水压力可降至静水压力的1/3。     

双连拱隧道偏压段管棚效应分析

 在海床复杂的地质条件下，海底双连拱隧道与陆地连接的浅埋软岩段容易形成偏压，从而影响围岩的稳定性。采用三维弹塑性有限差分法对双连拱隧道进口偏压段管棚的预支护作用进行分析，并分析了不同管棚参数下的计算结果。研究的主要内容包括：(1) 计算了隧道在有管棚支护和无管棚支护条件下的拱顶下沉和塑性区分布；(2) 给出了管棚设计参数和优化参数下不同的变形和弯矩变化；(3) 分析了拱顶下沉和水平收敛的FEM计算结果和实际测量结果。 计算结果表明，管棚支护和注浆加固围岩能有效减小隧道周围由偏压引起的塑性区，软岩中双连拱隧道偏压段采用管棚支护是很必要的；偏压通常会使连拱隧道侧洞的应力状态不同从而造成围岩变形的不同，为了更有效地控制围岩变形在管棚支护的设计中应该采用不均衡设计；数值计算结果与实测结果的一致性进一步说明了管棚优化设计的合理性。     

隧道透水性衬砌环渗透系数合理取值与工程措施探讨

应用地下深埋隧道渗流场和考虑渗透体积力的弹塑性解,结合某工程实例分析衬砌与围岩渗透系数不同比值对隧道渗流场、渗漏流量、塑性区、位移和衬砌围岩压力等影响规律,探讨透水性衬砌的可行性和合理渗透系数取值。实例分析表明,当衬砌为不透水材料时,洞周围岩中孔隙水压、塑性区、塑性区边缘的位移和衬砌承受的围岩压力均最大;若稍增加衬砌渗透性,则孔隙水压、塑性区、塑性区边缘的位移和衬砌承受的围岩压力迅速减小;随衬砌渗透系数与围岩渗透系数比值的逐渐增大,趋于稳定值。分析结果进一步表明,采用透水性衬砌是可行的,且当衬砌渗透系数与围岩渗透系数比值等于或大于1.0时较为合理。最后,针对洞周环境要求的渗流量以及钢筋混凝土衬砌的耐久性问题提出衬砌环的设计思想,并探讨具体工程措施,以便工程设计参考。     

基于地层加固的海底隧道极限顶板厚度确定方法

海底隧道顶板厚度直接关系到海底隧道工程的经济性和安全性,如何在地层加固条件下确定顶板厚度是海底隧道穿越不良地质体施工的关键问题之一。针对该问题,文章首先对国内外典型海底隧道突水事故进行分析,进一步阐明“极限顶板厚度”的物理意义,结合合理注浆加固参数与顶板厚度相互制约的特点提出极限顶板厚度确定方法,其核心为合理注浆加固参数和塑性区范围的确定方法;进而建立考虑渗流作用和超前加固的海底隧道围岩力学分析模型,基于对塑性区发展模式的分析,对海底隧道围岩进行弹塑性解析,在此基础上对加固参数的敏感性进行分析,以围岩位移最小和渗水量最低为目标,基于分层排序法提出海底隧道超前加固参数多目标优化方法,从而可确定最优极限顶板厚度值。将该方法应用于青岛胶州湾海底隧道工程,验证其合理性和可行性,可为海底隧道的规划选线和安全施工提供理论依据。     

厦门翔安海底隧道风化槽围岩渗透破坏及岩体流变试验研究

厦门翔安海底隧道需穿越多处海底风化槽,该地段围岩为破碎、风化的花岗岩,渗透性强、水压高、自稳性差、施工风险大,其物理力学特性研究对设计和施工方案制定意义重大。本文对风化槽围岩的渗透破坏和流变试验进行研究。渗透稳定性评价结果表明,在全水头作用下,F1、F4风化槽强风化带岩体渗透稳定性较好,但隧道开挖将引起地层变形,围岩渗透稳定性改变,施工中需进行评估监测并采取必要措施。三轴试验结果表明,风化槽强风化花岗岩强度低、变形大、弹性模量低,在应力达到峰值后,有明显的塑性流动。三轴流变试验结果表明,风化槽强风化花岗岩变形具有明显的粘性时效特征,对围岩开挖后的掌子面稳定性和长期变形稳定性都不利,在设计和施工中应引起注意;采用非线性蠕变模型对其流变特性进行拟合,效果良好,由此建立相应的流变力学模型。研究成果为本工程风化槽围岩注浆加固和支护结构设计提供可靠依据。