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。     

基于连续介质模型的海底隧道渗流问题分析

 与普通山岭隧道不同,海底隧道的一个显著的特点就是有着无限的水源对海底隧道进行补给。海底隧道开挖引起的地下水渗流带来两方面的问题：一是结构水荷载的确定问题,二是涌水量的预测问题。将围岩看作各向同性连续介质,针对这两方面的问题进行研究。明确孔隙介质中水压力的实质;根据国内外最新研究成果,针对山岭隧道和海底隧道不同的边界条件,对各向同性渗透系数下平面半无限含水空间圆形隧道稳定渗流的涌水量和水压力分布的解析解进行分析;以青岛胶州湾海底隧道为工程背景,采用数值方法比较应力场对渗流场的影响,以及围岩渗透系数、水深、注浆圈渗透系数和注浆圈厚度的改变对围岩孔隙水压力和洞内涌水量的影响。分析结果表明：隧道开挖的成拱效应对围岩孔隙水压力的分布和洞内涌水量的大小影响不大;在不考虑渗流场和应力场耦合作用、水深一定条件下,渗透系数的改变不会影响毛洞孔隙水压力的分布;隧道洞内涌水量随着围岩渗透系数或围岩上覆海水深度的增大呈线性增大;注浆圈渗透系数的减小和注浆圈厚度的增大都可以达到减小隧道洞内涌水量的目的,在实际施工中应该在注浆的经济性和其堵水效果两方面进行综合分析,确定最优化的注浆参数。     

富水地层隧道注浆圈堵水减压效应研究

衬砌水荷载和控制排水量是富水区隧道修建过程中的两个关键问题。采取非线性解析方法实现"堵水限排",研究了注浆圈厚度、渗透系数对衬砌外水压力和排水量的影响。研究表明:富水隧道中的注浆圈起着显著"堵水降压"作用,注浆圈厚度的增加以及渗透系数的减小,都会使衬砌水荷载和控制排水量呈非线性减小。     

海底隧道复合衬砌水压力分布规律及合理注浆加固圈参数研究

 与普通山岭隧道不同,海底隧道深埋于海床之下,地下水的处理是其修建过程中的关键问题,而隧道渗水量控制及衬砌结构水荷载确定又是地下水处理的核心问题。采用“堵水限排”的设计理念,设计海底隧道复合衬砌结构防排水系统,可以实现以较小的排放量明显折减甚至消除作用在支护结构上的外水压力,使海底隧道衬砌结构设计更经济。基于地下水水力学理论,推导海底隧道渗水量和复合衬砌结构外水压力的计算方法,并结合厦门海底隧道工程实践,采用理论分析和数值模拟方法揭示初期支护、二次衬砌以及注浆加固圈等参数的变化对隧道渗水量和衬砌外水压力的影响规律。在此基础上,提出海底隧道复合衬砌合理注浆加固圈参数的确定方法,并在厦门翔安海底隧道穿越F4风化深槽的合理注浆加固圈参数设计中取得成功应用。研究结果可为海底隧道或富水区高水头山岭隧道工程的防排水系统设计提供借鉴和参考。     

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。     

基于流固耦合分析的富水隧道外水压力与限量排放标准研究

隧道衬砌结构外水压力和限量排放标准是岩溶山区隧道工程建设关注的焦点。以某富水隧道为依托,借助FLAC~(3D)软件通过流固耦合数值分析,对富水隧道衬砌结构合理的外水压力取值和限量排放标准进行研究。分析了围岩无注浆条件下隧道外水压力随排水量的变化规律,进而提出了基于结构安全的隧道外水压力取值和地下水排放标准,同时分析了围岩注浆条件下隧道外水压力随注浆圈厚度和地下水排放量的变化规律,提出不同注浆厚度条件下地下水排放标准和合理的注浆圈厚度取值。     

考虑盲管排水和防水板隔水的隧道支护体系分担水荷载解析解

盲管排水和防水板隔水是富水区山岭隧道修建过程中的关键科学问题。研究围岩、注浆圈、盲管、防水板、初期支护以及二次衬砌共同承担水荷载相互作用,推导出基于盲管限量排水和防水板隔水效应的支护体系水荷载非线性解析式。引入盲管"导水系数"的概念,获得盲管和防水板是否正常工作,以及支护体系水荷载相互作用定量化关系,为排水量的"主动控制"提供依据。当盲管排水量增大时,初期支护、注浆圈和围岩承担的水荷载增大,二次衬砌水压力减小。以我国高速铁路祁连山大断面隧道为例,提出防水板隔水条件下,盲管排水量与衬砌外水压力、折减系数关系,实现盲管"主动排水",符合工程支护体系实际情况。提出合理的注浆圈厚度和渗透系数;随着水压力的增加,衬砌结构最不利位置由拱部向仰拱转移;墙脚压剪破坏、仰拱压弯破坏;确定衬砌结构极限承载力。研究成果可为富水隧道设计和施工提供依据。     

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。     

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。     

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.     

高水压山岭隧道衬砌水压力分布规律研究

博士学位论文摘要：随着国内铁路路网的完善和发展，需要修建大量深埋长大山岭隧道，在高水压岩溶区修建隧道，这在国内外都是个技术难题，尤其在当今对环保要求较高的条件下，必须改变以往“以排为主、排堵结合”的治水方案，采取“以堵为主、限量排放”的治水方案，在这种背景下，不可避免地遇到高水压问题。因此，研究深埋高地下水位铁路隧道围岩、注浆圈、衬砌背后水荷载的分布规律和高水压的存在对隧道围岩稳定和结构受力的影响具有突出的工程实践应用价值。这些问题已成为当前地下工程（特别是深埋山岭隧道）设计、施工、运营中很关键且无法回避的问题，已经引起各国有识之士的极大关注，是隧道工程研究的前沿和热点问题之一。本文以在建的渝怀线圆梁山深埋特长铁路隧道为工程背景对上述问题进行系统研究。 研究内容与方法如下：（1）在对水工隧道水压力折减系数综合分析的基础上，考虑铁路隧道与水工隧道结构、防排水型式的不同，提出了水压力作用系数的概念。采用室内三维模型试验方法研究均质围岩、裂隙围岩中隧道修建过程中水压力分布变化规律，重点分析衬砌背后和注浆圈外表面水压力及其水压力作用系数与围岩、注浆圈、衬砌的渗透系数、厚度和隧道控制排水量的关系。（2）采用理论分析方法，推导均质围岩中针对铁路隧道防排水型式下注浆圈外表面、衬砌背后水压力理论解析公式，分析衬砌背后水压力与各量之间的关系。通过对地下水渗流场数学模型研究，采用等效连续介质模型用数值方法分析隧道渗流场的分布，对地下水在围岩、注浆圈、衬砌上水压力分布规律及其作用系数进行分析。（3）以圆梁山隧道地质勘测报告为基础，通过分析得出圆梁山隧道的水文地质结构模型、地下水流系统模型、地下水动力模型：特别是对深孔压水和抽水试验成果进行详细分析，得出隧道附近围岩的渗透系数和渗透系数张量，为数值分析和三维室内模型试验围岩渗透系数的取值提供依据；进一步概括得出圆梁山隧道的地下水流数学模型，并将模型试验、理论计算公式、渗流场等效连续介质数值模拟分析得到的水压力分布规律应用于该工程实际。（4）采用数值分析方法研究单线铁路隧道标准衬砌断面形式承受水压力的能力，并结合圆梁山隧道工程对5种不同形状断面进行优化分析。（5）在水压力分布规律研究的基础上，采用数值分析方法分析水压力在衬砌上均匀分布、不均匀分布、局部突水时隧道围岩的稳定性和结构受力特征。 主要研究成果如下：（1）提出水压力作用系数的概念，并采用室内模型试验、理论公式推导、数值分析等方法研究得出注浆圈外表面、衬砌背后水压力分布规律，确定作用在衬砌上水压力荷载的大小；得出水压力作用系数与围岩、注浆圈、衬砌渗透系数、厚度及隧道控制排水量的关系。（2）针对圆梁山隧道工程，给出水压力分布规律模型试验和数值分析结果的工程应用。（3）得出单线铁路隧道标准衬砌断面形式承受水压力的能力值为0．40MPa，经对断面形状进行优化分析得到承受高水压的合理断面形式为蛋形断面或圆形断面，当水压力超过1．5MPa时，采用圆形断面为宜。（4）分析水压力在衬砌上均匀分布、不均匀分布、局部突水时隧道的位移、塑性区、衬砌内力大小和分布特点，运用结构力学上弯矩影响线理论，在突水位置不确定的情况下，提出采用弯矩包络图确定衬砌结构上最大弯矩的方法。     

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。     

考虑注浆圈作用的体外排水隧道渗流场解析研究

体外排水方式在隧道工程中已得到逐步应用,但考虑注浆作用的体外排水隧道渗流场解析理论未见报道,导致理论滞后于工程实践。基于镜像法与渗流力学理论,提出了考虑注浆圈作用的体外排水隧道渗流场理论模型,通过解析退化、数值仿真两种方法共同验证了理论模型及解析公式的正确性,探讨了注浆圈渗透系数与厚度对涌水量、隧道外水压力的影响规律。分析结果表明:注浆圈渗透系数对体外排水隧道渗流场存在显著影响,随注浆渗透系数比值增大,涌水量可得到明显控制,但会引起外水压力的增长;注浆圈厚度影响相对较小,其影响主要在于厚度值越大时能一定程度上加强对底部结构外水压力的控制。提出了兼顾隧道限排要求与隧底水压力控制效果的合理注浆圈参数。研究成果以期为体外排水隧道注浆参数设计及施工实践提供参考。     

考虑注浆圈作用的体外排水隧道渗流场解析研究

体外排水方式在隧道工程中已得到逐步应用,但考虑注浆作用的体外排水隧道渗流场解析理论未见报道,导致理论滞后于工程实践。基于镜像法与渗流力学理论,提出了考虑注浆圈作用的体外排水隧道渗流场理论模型,通过解析退化、数值仿真两种方法共同验证了理论模型及解析公式的正确性,探讨了注浆圈渗透系数与厚度对涌水量、隧道外水压力的影响规律。分析结果表明：注浆圈渗透系数对体外排水隧道渗流场存在显著影响,随注浆渗透系数比值增大,涌水量可得到明显控制,但会引起外水压力的增长;注浆圈厚度影响相对较小,其影响主要在于厚度值越大时能一定程度上加强对底部结构外水压力的控制。提出了兼顾隧道限排要求与隧底水压力控制效果的合理注浆圈参数。研究成果以期为体外排水隧道注浆参数设计及施工实践提供参考。     

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.     

工程活动诱发的围岩结构变化对隧道突涌水的影响分析

随着深大交通、水利水电隧道(洞)的大量建设及地下矿产的不断延深开采,隧道突水灾害问题愈加严重。工程活动作为诱发突水的必要条件,其导致的围岩结构变化将对围岩力学、水力学性质及隧道附近渗流场产生重要影响。从工程扰动诱发的围岩损伤及其导致的渗透性演化入手,利用理论解析法研究了隧道围岩结构变化对涌水量及水压力分布的影响。结果表明:损伤区厚度对隧道涌水量和孔隙水压力分布具有较大影响,损伤区范围越大,发生突水的危险性越大;损伤区渗透系数对隧道涌水量的影响阈值约为2个数量级,之后其对涌水量的影响较弱;注浆圈厚度越大、渗透系数越低,隧道涌水量越小,但并不是注浆圈厚度越大、渗透性越低,涌水量的控制效果就越好,而是存在一个最优效果的设计值。     

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。     

厦门翔安海底隧道防排水技术初步应用经验

厦门翔安隧道陆域段多为回填土、砂土和强风化岩土地段,地下水发育,渗水量大。其浅滩段富水砂层和海域段4个风化深槽均直接与海水连通。翔安隧道地下水和海水总水头为50～70m,拱顶最大静水压力为0.65MPa,防水问题十分突出。综合考虑地质条件、水头高度、涌水量、地下水对结构的腐蚀情况以及结构形式等因素,翔安隧道采用复合式衬砌,按"以堵为主,限量排放,多道防水,刚柔结合"的永久防排水原则,设计采用"全封闭"与局部"限量排导"相结合的防排水方案,主隧道在全、强风化、断层破碎带等渗水量较大的地段采用全封闭方案;在I,II级围岩等渗水量小的地段采用限量排导方案,允许少量渗水限量排放。服务隧道为近似圆形的小断面,全部采用全封闭衬砌方案。通过注浆堵水,加强结构的自防水功能,严格控制防水施工质量等措施构建防水体系,现场施工初步实践经验表明,翔安隧道防排水系统的设计和施工效果比较好,可供类似工程参考。     

不考虑开挖扰动影响的隧道涌水量预测模型试验研究

 采用大型施工及运营期矿山法隧道渗流模型试验系统,在不同的注浆圈和初衬渗透系数下,不考虑隧道开挖的扰动影响进行涌水量预测,并以Visual-modflow软件进行数值建模分析,结果表明：两者涌水量结果和规律基本吻合,随注浆圈或初衬的渗透系数减小,其试验平均涌水量值均呈非线性下降,各工况单次试验测试值的离散性也逐渐减小,而降低注浆圈渗透系数对涌水量的影响更为明显;改变注浆圈渗透系数,各工况连续采集涌水量结果呈先减小后增大至逐渐平衡的趋势,而改变初衬渗透系数则呈现涌水量逐渐减小直至平衡的趋势;非扰动开挖使地下水向隧道内汇集,隧道周围水力坡度明显增大,等水位线分布密集,掌子面附近等水位线沿隧道开挖方向凹陷;完善的防水体系(初衬及注浆圈)对保持地下水稳定起到显著作用,可有效减弱局部水力联系,减小渗流影响范围,地下水降幅也明显减小。研究方法及成果对类似工程设计和施工具有一定的指导作用。     

隧道排水系统非对称堵塞对衬砌外水压力的影响

基于目前未见对隧道排水系统非对称堵塞后的衬砌外水压力的变化规律的研究,以重庆中梁山某隧道为研究背景,建立了隧道及其排水系统的简化模型,通过模拟不同长度的排水系统非对称堵塞,研究了隧道衬砌结构受到的水压力的变化规律,并且在隧道工程中进行了现场模拟排水系统堵塞的试验,试验结果与数值模拟可相互印证。研究结果表明:(1) 隧道排水系统单侧堵塞后,堵塞侧二次衬砌背后的水压力在短时间内将上升,然后逐渐下降至稳定,但高于排水系统正常时的水压;(2) 隧道排水系统非对称堵塞长度不断增加时,堵塞侧二次衬砌背后受到的外水压力峰值和稳定值也不断增加;(3) 隧道排水系统非对称堵塞长度不断增加时,注浆加固圈承受的最大水压力绝对值不断在增加,但注浆加固圈分担水压力的能力将逐渐减小。