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。     

米仓山隧道涌突水综合预测研究

隧道涌突水是常见的施工灾害之一,严重威胁施工及人员设备安全。如何评价施工中涌突水存在的风险,以及涌突水量的预测对隧道施工建设具有重大意义。依托米仓山隧道工程项目为实例,通过全面的地质调查和地质跟踪,根据岩溶隧道涌水专家评判系统,预测评估可能发生涌突水的类型,进一步筛选评价指标,采用模糊层次分析法fuzzy analytic hierarchy process(FAHP)预测涌突水危险度,最后选取适宜理论公式,定量计算涌水量。该研究对高风险岩溶隧道涌突水预测研究思路与研究方法具有一定的指导意义。     

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。     

岩溶隧道含水裂缝扩展规律研究

为了探索岩溶隧道在施工过程中经常出现由于裂缝引发突水的灾害机理,利用水压致裂原理重点分析研究拉剪破坏突水和压剪破坏突水的力学过程和裂缝扩展过程中缝内水压分布特征和梯度。研究表明突水临界水压受裂缝的走向、所处位置等因素的影响;含水裂缝发生拉剪破坏所需的临界水压力大于其发生压剪破坏所需的临界水压力;在水力劈裂作用下裂缝的生长呈现间断性特征。研究成果对隧道施工过程中突水灾害的防治具有重要的意义。     

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。     

岩溶地区隧道工程地质选线适宜性评价

岩溶地区地质条件极为复杂,在岩溶区进行隧道建设时,由于线路选取不当,常发生涌突水(泥)、涌砂、地表塌陷等岩溶地质灾害,严重威胁隧道施工和运营期的安全。以影响隧道选线的各种地质因素作为定性评价指标,采用权重系数法,通过定性指标定量化来对岩溶区隧道线路选取的合理性进行分析评价,基于此提出线路选取优化措施。同时,以滇中引水工程白虎山隧道地质选线为工程实例,对研究区线路选取的适宜性进行定量评价,并提出优化措施,实践证明,采用权重系数法分析评价结果与隧道施工实际基本相符。     

滇中引水工程昆呈隧洞岩溶水文地质问题研究

通过对昆呈隧洞工程区岩溶发育规律,地下水系统的补给、径流、排泄及岩溶管道系统发育下限研究,昆呈隧洞处于各岩溶水系统强径流区水平径流带中,溶蚀强烈,多为水平岩溶形态,隧洞穿越可溶岩地层所引起的涌水、突水和突泥问题较为突出。针对不同的岩溶灾害类型,结合超前地质预报对隧道涌突水进行注浆堵水加固,满足隧道的安全开挖施工要求。     

侧部承压溶洞与深埋隧道间隔水岩体安全厚度研究

为保证深埋隧道安全通过侧部高压富水溶洞区段,在隧道突水发生机制分析与隔水岩体最小安全厚度划分的基础上,结合突变理论、鲁宾涅特方程及相关工程经验对隧道边墙岩体安全厚度进行研究,导出最小安全厚度计算公式,建立突水判据,分析相关影响因素对隧道边墙隔水岩体最小安全厚度的影响规律。结果表明：隔水岩体最小安全厚度H_min与围岩力学参数弹性模量E、内摩擦角φ呈正相关,与溶洞水压力q_w、岩梁跨度L及隧道埋深h呈负相关;各因素对H_min影响程度由大到小依次为h、φ、E、L与q_w,其中h与φ影响程度相近,E在超过3 GPa的情况下H_min变化趋于平缓,E的影响程度与L相近;结合有限元模拟结果和工程实例分析,验证了H_min理论计算公式及突水判据的准确性与可行性,对相关工程建设具有指导意义。     

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。     

岩溶地质隧洞突水突泥产生机理及防治技术研究

岩溶地质是隧洞施工中经常遭遇的不良地质,很可能引发突水、突泥、坍塌等事件,存在极大的安全隐患。探讨隧洞突水突泥产生的原因,分别采用弹性梁模型和弹性薄板模型(基于摩尔-库伦准则)对岩盘最小厚度进行推导,并在鄂北工程宝林隧洞工程中进行应用。通过对隧洞突水突泥防治技术的研究,提出在不良地质段施工应采取短进尺、强支护、弱爆破、分台阶开挖的方式,当渗水清澈时应加强抽排,当渗出物含有大量泥沙时应及时封堵。     

矿山岩体压裂控制及裂隙渗流与应力关系分析

为开发矿山地热能,在利用矿山开采过程中自然涌出热水的基础上,提出了压裂矿山热岩石,利用裂隙渗流特性用冷水吸收热岩体能量的方法。通过对岩体开裂力学模型的进一步推导,得出岩块稳定开裂的条件;对失稳状态下裂缝压力进行分析,得到垂直裂缝压力和水平裂缝压力;通过实验,明确裂隙渗透率与静应力的关系;建立了三维裂隙在三向应力作用下的渗透系数及渗流量模型,求得岩体应力对渗透系数及渗流量的影响作用。     

扩建隧道爆破对既有衬砌的影响及安全判据

为了研究扩建隧道爆破振动对邻近既有隧道衬砌的影响,提出合理的安全判据,以二庄科隧道扩建工程为依托,采用现场测试与三维数值模拟相结合的方法,对近距离既有衬砌在爆破荷载作用下的振速峰值和应力进行分析。结果表明:距离爆破开挖面约1.5b范围内(b为建筑限界宽),既有衬砌的爆破振动衰减速率较快,然后逐渐趋于平缓,两侧基本呈对称分布规律;而距离爆破源最近的既有衬砌迎爆侧边墙振速峰值最大约为背爆侧的5.6倍,上拱部和仰拱其次,背爆侧边墙最小,因此迎爆侧更容易发生破坏。数值模拟与现场测试结果具有很好的一致性,也验证了现场测试结果的准确性和数值模拟的合理性。同时建立了基于振速峰值和最大拉应力的安全准则,得出既有衬砌安全振速判据为10.73 cm/s,从而确定单段最大允许装药量应控制在41.05 kg以内,保证了既有隧道的运营安全。     

土石坝坝体灌浆劈裂与水力劈裂的机理研究

从发生机理、变形机理和力学机理方面对土石坝坝体的灌浆劈裂与水力劈裂进行了比较研究。基于断裂力学理论,将灌浆劈裂分为土体挤密、土体拉裂和土体断裂发展三个阶段进行了断裂机理分析,将水力劈裂的土体断裂发展分为浅层裂缝、深层裂缝和穿透型裂缝形成三个过程进行了断裂机理分析,并分别给出了断裂判据。     

土石坝坝体灌浆劈裂与水力劈裂的机理研究

从发生机理、变形机理和力学机理方面对土石坝坝体的灌浆劈裂与水力劈裂进行了比较研究。基于断裂力学理论,将灌浆劈裂分为土体挤密、土体拉裂和土体断裂发展三个阶段进行了断裂机理分析,将水力劈裂的土体断裂发展分为浅层裂缝、深层裂缝和穿透型裂缝形成三个过程进行了断裂机理分析,并分别给出了断裂判据。     

Mechanisms of hydraulic fracturing in cohesive soil

Hydraulic fracturing in the soil core of earth-rockfill dams is a common problem affecting the safety of the dams. Based on fracture tests, a new criterion for hydraulic fracturing in cohesive soil was suggested. Using this criterion, the mechanisms of hydraulic fracturing in cubic soil specimens were investigated. The results indicate that the propagation of the crack in a cubic specimen under water pressure occurs in a mixed mode I-II if the crack face is not perpendicular to any of the principal stresses, and the crack most likely to propagate is the one that is perpendicular to the minor principal stress and propagates in mode I.     

高混凝土坝考虑水表面张力影响的水力劈裂研究

水力劈裂是200m以上高混凝土坝、高碾压混凝土坝需要重点关注的安全隐患。为深入研究高混凝土坝的水力劈裂机理,研发了一种新型混凝土高压水劈裂试件,利用该试件进行了相同条件下水力劈裂及气压劈裂对比试验。研究表明,在静态加压条件下,混凝土发生破坏的水力劈裂水压显著大于气压劈裂的气压,混凝土断裂过程区中水的表面张力对裂缝扩展有抵抗作用。基于试验,提出了水表面张力抵抗劈裂作用的表达式,利用混凝土断裂力学中的裂纹尖端应力强度因子法,构建了考虑水表面张力作用的混凝土水力劈裂模型,该模型计算结果与试验结果吻合良好。应用水表面张力模型分析200m级重力坝水力劈裂影响,可进一步改进考虑高压水劈裂的特高混凝土坝设计。     

阳江抽水蓄能电站高压隧洞段工程地质条件分析

通过分析阳江抽水蓄能电站高压隧洞段的工程地质条件,从隧洞的覆盖层厚度、围岩水力劈裂、围岩渗透稳定性方面进行分析判别,结果高压隧洞段Ⅰ~Ⅱ类围岩满足采用钢筋混凝土衬砌的工程地质条件,但断层和裂隙密集带发育的Ⅲ~Ⅳ类围岩在高水头压力作用下会发生渗透破坏,需专门进行固结灌浆处理。     

岩体水力劈裂的无单元法模拟

基于无单元法模拟水力开裂的优越性,文中结合断裂力学理论进行了应用无单元法模拟水力劈裂的研究。首先探讨了水力作用的施加,其次给出了水力劈裂准则和开裂追踪方法,然后应用修正J积分法计算应力强度因子,编制了水力劈裂模拟的无单元法程序,最后应用该程序对一算例进行了计算。结果表明所介绍的方法和程序合理可行,为岩体水力劈裂模拟提供了可靠的手段。