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.     

隧道外水压力确定的渗流分析方法及排水方案比较

隧道外水压力是进行隧道衬砌设计的重要因素.目前,外水压力的确定还是采用根据当地的地下水位折算外水压力的折减系数方法.这是一种粗略的折算方法,并不十分恰当.根据隧道周围岩层的水文、地质条件建立模型,采用三维拟连续介质渗流理论,通过数值计算来确定围岩衬砌上的外水压力场.工程实例计算了隧道围岩岩性为均匀的和非均匀的岩层内部的水头场分布,并设计不同的排水方案,通过计算比较了各种排渗方案的排水效果.结果显示,该方法用来确定隧道衬砌外水压力是可行的.     

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。     

高水压富水区隧道限排衬砌注浆圈合理参数研究

海底隧道深埋于海水以下,处于高水压富水区,隧道结构设计时需要考虑外水压力,如果采用"堵水限排"的防排水设计原则,能够以较小的排水量显著降低作用在衬砌上的外水压力,从而使隧道结构设计更加经济。注浆圈合理参数的确定是"堵水限排"的核心问题。基于穿越高水压富水岩溶区的圆梁山隧道工程,通过理论计算和分析,得到了注浆圈参数变化对隧道涌水量和衬砌外水压力的影响规律;提出了隧道排水率的概念,分析了隧道排水率与衬砌外水压力之间的关系。在此基础上提出了确定注浆圈合理参数的方法和程序,给出了圆梁山隧道注浆圈的合理参数值,并在现场得以应用,取得了理想的效果,注浆后实测隧道涌水量与理论计算值基本一致。研究结果表明:衬砌外水压力折减系数取决于隧道排水率,只有当隧道排水系统能够将渗透到衬砌背后的地下水全部排出时,衬砌外水压力才能完全消除;注浆圈的作用不是分担衬砌外水压力,而是通过封堵地下水降低隧道涌水量,从而以较小的排水量可显著降低甚至消除衬砌的外水压力。研究成果对类似高水压富水区以及海底隧道防排水设计具有一定的参考价值和借鉴作用。     

控制排放的隧道防排水技术研究

针对控制排放的隧道防排水技术中一些关键问题,以龙潭隧道和白云隧道为依托,采用模型试验、数值仿真、现场调查等方法进行了系统研究。重点就堵水方式、防水板铺挂形式、外水压力的折减以及抗水压衬砌设计等技术问题进行了研究,提出了可通过注浆堵水圈、初期支护、防排水网格和抗水压衬砌形成综合防排水体系,它可以达到控制排放的目的。     

基于围岩渗透影响范围的隧道外水压力计算方法模型试验研究EI北大核心CSCD

采用大型隧道渗流模拟试验系统,分析围岩渗透系数、初始水头高度、隧道排水率等因素对围岩渗流场分布、隧道背后水压力的综合影响,给出围岩渗透影响范围、隧道背后水压力的计算公式,并采用数值计算软件对其进行验证。研究表明:隧道排水会对隧道周边局部范围内围岩渗流场产生影响(即围岩渗透影响范围);围岩渗透系数、初始水头高度、隧道排水率均会对围岩渗透影响范围产生影响;围岩渗透影响范围分别与围岩渗透系数、隧道排水率呈正相关关系,且渗透系数对于围岩渗透影响范围的影响较大;围岩渗透影响范围与初始水头高度呈线性正相关关系,且围岩渗透影响范围系数仅与排水率、渗透系数有关,而与初始水头高度无关;围岩渗透影响范围系数、排水率和渗透系数三者呈二次曲面关系;同时,得到了隧道背后平均水压力计算公式;围岩渗透影响范围、隧道背后水压力公式计算结果与FLAC数值模拟计算结果吻合良好,证明提出的公式正确、合理。研究方法与成果对高水压地区隧道结构抗水压设计、施工具有一定的参考指导作用。     

基于围岩渗透影响范围的隧道外水压力计算方法模型试验研究

采用大型隧道渗流模拟试验系统,分析围岩渗透系数、初始水头高度、隧道排水率等因素对围岩渗流场分布、隧道背后水压力的综合影响,给出围岩渗透影响范围、隧道背后水压力的计算公式,并采用数值计算软件对其进行验证。研究表明:隧道排水会对隧道周边局部范围内围岩渗流场产生影响(即围岩渗透影响范围);围岩渗透系数、初始水头高度、隧道排水率均会对围岩渗透影响范围产生影响;围岩渗透影响范围分别与围岩渗透系数、隧道排水率呈正相关关系,且渗透系数对于围岩渗透影响范围的影响较大;围岩渗透影响范围与初始水头高度呈线性正相关关系,且围岩渗透影响范围系数仅与排水率、渗透系数有关,而与初始水头高度无关;围岩渗透影响范围系数、排水率和渗透系数三者呈二次曲面关系;同时,得到了隧道背后平均水压力计算公式;围岩渗透影响范围、隧道背后水压力公式计算结果与FLAC数值模拟计算结果吻合良好,证明提出的公式正确、合理。研究方法与成果对高水压地区隧道结构抗水压设计、施工具有一定的参考指导作用。     

深埋隧道衬砌水荷载计算的基本理论

铁路，公路跨越山岭地，越岭隧道方案被大量采用，而深埋隧道的高水压和突，涌水则成为亟待解决的问题。合理设计有外水压力隧道的关键在于：（1）随道围岩渗流场的分析；（2）外水压力作用系数的研究。隧道衬砌的静力计算和围岩压力及水荷载密切相关，在衬砌的设计中，既可以将围岩压力和外水压力分算，也可以考虑二者的耦合作用，进行水－岩合算。根据前人的研究成果，总结和讨论了隧道衬砌水荷载计算中的基本理论。     

水下盾构隧道管片力学特征研究

高水压条件下盾构隧道施工时,渗流场对衬砌管片结构的稳定性有很大影响。以南昌地铁3号线下穿青山湖段工程为研究背景,运用有限差分软件FLAC3D对不同水压情况下盾构隧道围岩及衬砌管片结构进行流固耦合分析,得出围岩孔隙水压力、竖向应力,衬砌管片外水压力、位移的分布规律。结果表明:不同水头压力下隧道开挖后围岩孔隙水压力、竖向应力分布规律大致相同,其数值大小与水头压力呈正相关;隧道开挖后管片拱腰两侧的外水压力较初始值降低幅度较大,在水力坡降的作用下,极易发生涌水;水头压力的大小对管片竖向位移的影响较显著,对水平位移的影响不太明显。     

山岭隧道复合衬砌结构水压力影响因素分析

采用正交试验设计理论对隧道复合衬砌结构水压力影响因素进行了分析,得出影响山岭隧道复合衬砌结构外水压力最重要的因素是隧道排水系统的排水能力,复合衬砌结构外水压力随排水能力的增大呈线性减小趋势;同时给出利于控制复合衬砌结构外水压力的山岭隧道防排水设计建议。     

高压富水区限排隧道围岩与衬砌水压力场研究

以穿越重庆市中梁山高水压岩溶区的石板隧道为例,采用有限元稳态渗流分析方法,对地下水控制排放下隧道衬砌周围与围岩内的水压力场进行了研究,分析了半包防水与全包防水条件下衬砌上的水压力分布规律,以及全包防水条件下注浆与否围岩内的孔隙水压力特征。研究表明:(1)采用全包防水,不但可以改善隧道的防水条件,而且可以缓解仰拱的水压力,这对于隧道衬砌的耐久性是有利的;(2)隧道排水率对隧道衬砌周围的水压力有显著影响,当地下水较丰富时,注浆可使隧道排水率增加、衬砌压力减小;(3)围岩注浆可以减小隧道排水对围岩水压力的影响范围,且孔隙水压力在注浆圈范围内变化梯度很大。     

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。     

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。     

裂隙岩体应力渗流耦合模型在压力隧洞工程中的应用

首先，通过三维有限元方法数值模拟山西万家寨引黄工程高压出水岔管在通水期间围岩和衬砌中的渗流场特征；然后，结合工程通水期间渗压计和多点位移计的监测结果，分析岔管衬砌和围岩内的渗透压力的分布规律及岔管围岩的位移场变化规律。工程实践表明：在围岩弹性模量小于钢筋混凝土弹性模量的情况以及满足围岩的水力劈裂压力大于岔管内压的条件下，岔管钢筋混凝土衬砌方案是切实可行的。研究成果对其他类似工程的设计和施工具有一定的指导作用。     

泄水式管片衬砌壁后水压力分布特性模型试验研究

 基于研制的泄水式管片衬砌–围岩泄流装置,采用室内试验方法对某铁路隧道装配式泄水式管片衬砌在高水压条件下衬砌壁后水压力分布规律进行研究,重点探讨单纯限排、堵水限排等不同泄水方案下衬砌壁后外水压力分布规律。分析排泄流量、泄水孔密度、注浆与否对隧道衬砌壁后水压力的影响,揭示隧道衬砌壁后整体和各位置处外水压力折减系数、外水压力大小等与衬砌泄水孔泄流量之间的二次曲线关系。研究结果可为高水压山岭隧道衬砌的设计提供参考。     

Hydro-mechanical interaction analysis of high pressure hydraulic tunnel

The reinforced concrete lining of hydraulic tunnel cracks under high internal water pressure and the high pressure water will leak off from the crack surface, which is a typical hydro-mechanical interaction problem. Unfortunately, the analytical and numerical methods used in current engineering practice for simulating the hydro-mechanical interaction of the lining and surrounding rock do not adequately account for the effects of the cracking of lining as well as the conditional cooperation between them. When lining cracks under high internal water pressure, the tensile strain of concrete and reinforcement presents to be nonuniformity and the lining would detach from the surrounding rock in a certain condition. In this paper, the nonuniformity coefficients of reinforcement strain and concrete strain are introduced to compute the secondary permeability of cracked lining and a water-filled joint (WFJ) element is developed to simulate the conditional cooperation between the reinforced concrete lining and surrounding rock. Thus an equivalent coupling method is adopted to calculate the hydro-mechanical interaction in hydraulic tunnel. The results show that the reinforcement stress obtained by the new method and the observed data match well. The phenomenon that the reinforcement stress stays at a lower value in the reinforced concrete tunnel with high internal water pressure is verified.     

层状复合地层条件下管片衬砌结构力学特征模型试验研究

针对武汉长江隧道承受高水压和局部区段穿越软硬程度差异极大的层状复合地层的特点,采用盾构隧道–地层复合体模拟试验系统和旋转式水压装置共同作用,完成了在不同水土压力场作用下对层状复合地层和单一地层两种不同地层条件下的管片衬砌结构力学特征相似模型试验,并根据试验结果分析了层状复合地层对盾构隧道管片衬砌结构的力学特征的影响。研究表明,随着水压力加大,管片衬砌结构的平均轴力明显增大而最大正负弯矩略有增长或基本不变;处于坚硬岩层包围区域的管片体结构局部弯矩明显减小;小范围的硬岩层对管片衬砌结构整环最大内力影响不大。该研究为武汉长江隧道的管片衬砌结构设计提供有价值的参考。     

风火山多年冻土隧道信息化施工

针对多年冻土隧道的特点 ,青藏铁路风火山隧道施工中建立了完整的信息化管理体系。信息采集除一般隧道常有项目外 ,重点对隧道掌子面岩面温度、环境温度、围岩温度、衬砌冻胀力、衬砌背后水压力及锚杆轴力等进行监测 ,并及时反馈信息。施工中根据掌子面岩面温度及环境温度的信息 ,及时调控通风温度 ,保证掌子面的稳定及混凝土的施工质量 ;根据围岩温度、衬砌背后水压、衬砌冻胀力变化的信息可以判断防水保温系统的效果 ;根据衬砌冻胀力、锚杆轴力变化的信息可以判断支护系统的力学效应     

三峡永久船闸混凝土边坡极端不利外水压力分析

三峡永久船闸采用直立岩坡贴壁式薄衬砌边墙,墙后外水压力水是边墙稳定的重要荷载。船闸闸室水位变动频繁,当闸室水位突降,由室内渗出的外水即构成作用在边墙上的外水压力。考虑了墙内排水体系的作用,对非恒定渗流问题进行了多工况分析,给出极端最大外水压力值。