岩溶隧道承压隐伏溶洞突水模型试验与数值分析

为研究不同充填水压条件下隐伏溶洞对隧道围岩稳定性的影响,进而揭示溶洞突水致灾机理,利用自主研发的大型三维流固耦合模型试验系统,针对强充填滞后型溶洞突水孕灾模式开展了试验研究,揭示了承压溶洞突水过程位移、应力及渗压的变化规律,综合模型试验与数值计算各自的优势,开展了不同充填水压下(0.4~1.1 MPa)隧道开挖过程流固耦合数值模拟,对模型试验结果进行补充验证。研究结果表明:溶洞影响范围主要集中于一倍洞径范围内,受溶洞影响普通围岩的应力水平及应力释放量均高于隔水岩体,孔隙水压力消散速度较大,位移变化相对平稳;在隧道开挖阶段,随着溶洞充填水压增大,隔水岩体应力释放率越低,渗透压力整体升高,上升梯度逐渐减小,当溶洞水压高于0.8 MPa时,位移出现明显异常;模型试验水压加载阶段真实再现了隔水岩体破裂突涌水过程,研究结果对于岩溶隧道施工过程突水灾害防控具有指导意义。     

基于Hoek-Brown准则的最小安全岩层厚度模型研究

针对岩石断裂突水的非线性破坏特征,将Hoek-Brown准则等效成Mohr-Coulomb准则,建立基于MohrCoulomb准则和虚功原理的防突岩层安全厚度模型,推导了最小安全岩层厚度计算公式。公式表明,最小安全岩层厚度主要受隧道埋深、溶腔水压和完整岩石试样抗压强度的影响,同时还受岩石结构类型、岩体风化状况、爆破扰动和应力松弛等因素的影响。文章定义了"单调突变水压",用其来表示最小安全岩层厚度随埋深变化曲线单调性突变的临界溶腔水压值,同时定义了"特征水压",用其来表示不同埋深下最小安全岩层厚度相等时的临界水压值。以某隧道为例,研究最小安全岩层厚度随主要参数的变化规律,研究表明溶腔水压小于单调突变水压时,最小安全岩层厚度随埋深的增大而减小,溶腔水压大于单调突变水压时,最小安全岩层厚度随埋深的增大而先增大后减小;当不同埋深下隧道掌子面前方溶腔水压达到特征水压时,最小安全岩层厚度值相等;同时最小安全岩层厚度随岩石试样单轴抗压强度增大而减小。将该模型运用于某铁路隧道中,预测结果可靠。研究成果可以应用于隧道突水灾害的风险评价中,对突水风险管控有一定意义。     

下期内容预告

正下期《岩石力学与工程学报》主要发表下列内容的文章:(1)跨断层隧道围岩渐进性破坏模型试验及数值模拟;(2)矿山岩体破坏突水非达西流模型及数值求解;(3)隧道围岩的复合结构特性及其荷载效应;(4)基于微震监测的岩爆预测机制研究;(5)Rayleigh波作用下圆形隧洞衬砌横向内力的解析解;(6)深长隧道突水地质灾害三维模型试验系统研制及其应用;(7)评价岩石脆性指标对滚刀破岩效率的影响;(8)复合地层中双护盾TBM与围岩相互作用机制三维数值模拟研究。     

下期内容预告EI北大核心CSCD

下期《岩石力学与工程学报》主要发表下列内容的文章:(1)跨断层隧道围岩渐进性破坏模型试验及数值模拟;(2)矿山岩体破坏突水非达西流模型及数值求解;(3)隧道围岩的复合结构特性及其荷载效应;(4)基于微震监测的岩爆预测机制研究;(5)Rayleigh波作用下圆形隧洞衬砌横向内力的解析解;(6)深长隧道突水地质灾害三维模型试验系统研制及其应用;(7)评价岩石脆性指标对滚刀破岩效率的影响;(8)复合地层中双护盾TBM与围岩相互作用机制三维数值模拟研究。     

隧道充填型岩溶管道渗透失稳突水机制三维流–固耦合模型试验研究

为研究岩溶地区隧道开挖过程中,充填型岩溶管道受施工扰动和地下水渗流作用发生失稳突水的机制,以湖北省保康—宜昌高速公路尚家湾隧道突涌水段为工程背景,通过大型三维可视化固–液耦合试验平台、水压加载控制系统以及水压环境下有较好相似度的流–固耦合岩石和充填物相似材料的研制,开展深长隧道充填型岩溶管道渗透失稳突水的大比尺三维流–固耦合模型试验,真实再现隧道开挖和水压加载过程中,岩溶管道充填物中裂隙形成→扩展→导水通道贯通→突水的全过程,通过位移、应力和渗压变化规律的分析,揭示充填物渗透失稳突水过程的灾变演化机制。试验结果表明:(1)施工过程中充填型岩溶管道突水是开挖扰动和高地下水位高渗透力作用诱发充填物渗透失稳的结果;(2)充填物受开挖扰动影响比围岩更明显,变形量比围岩大20%~25%,应力释放率比围岩高30%;水压加载阶段,水头高度升高到6.0 m时,充填物位移突增50%,渗压下降速率达0.6k Pa/min,达到失稳临界状态;(3)岩溶管道突水受其发育形态影响比较明显,其弯曲角度较大的部位是阻碍上部水和充填物突出的主要屏障;(4)充填型岩溶管道渗透失稳突水的灾变演化过程经历4个阶段:形成离散的微小裂隙、裂隙连通形成导水通道、在渗流作用下导水通道扩展延伸、导水通道贯通形成突水路径,其中前2个阶段主要受开挖扰动影响,后2个阶段与高水位高水压的渗流作用密切相关。试验成果对突涌水机制的研究和工程中突涌水灾害的防治具有一定的指导意义。     

深长隧道充填型岩溶管道渗透失稳突水机制三维流–固耦合模型试验研究

 为研究岩溶地区隧道开挖过程中充填型岩溶管道受施工扰动和地下水渗流作用发生失稳突水的机制,以湖北省保康至宜昌高速公路尚家湾隧道突涌水段为工程背景,通过大型三维可视化固液耦合试验平台、水压加载控制系统以及水压环境下有较好相似度的流-固耦合岩石和充填物相似材料的研制,开展深长隧道充填型岩溶管道渗透失稳突水的大比尺三维流-固耦合模型试验,真实再现隧道开挖和水压加载过程中,岩溶管道充填物中裂隙形成–扩展–导水通道贯通–突水的全过程,通过位移、应力和渗压变化规律的分析,揭示了充填物渗透失稳突水过程的灾变演化机制。试验结果表明：(1) 施工过程中充填型岩溶管道突水是开挖扰动和高地下水位高渗透力作用诱发充填物渗透失稳的结果;(2) 充填物受开挖扰动影响比围岩更明显,变形量比围岩大20%～25%,应力释放率比围岩高30%;水压加载阶段,水头高度升高到6.0 m时,充填物位移突增50%,渗压下降速率达0.6 kPa/min,达到失稳临界状态;(3) 岩溶管道突水受其发育形态影响比较明显,其弯曲角度较大的部位是阻碍上部水和充填物突出的主要屏障;(4) 充填型岩溶管道渗透失稳突水的灾变演化过程经历四个阶段：形成离散的微小裂隙、裂隙连通形成导水通道、在渗流作用下导水通道扩展延伸、导水通道贯通形成突水路径,其中前两个阶段主要受开挖扰动影响,后两个阶段与高水位高水压的渗流作用密切相关。试验成果对突涌水机制的研究和工程中突涌水灾害的防治具有一定的指导意义。     

钻爆施工条件下岩溶隧道掌子面突水机制及最小安全厚度研究

岩体裂纹的水力劈裂破坏是岩溶隧道突水灾害发生的主要影响因素之一。从断裂力学角度分析了在钻爆施工条件下爆炸应力波对含水裂纹岩体扩展的影响,结果表明爆炸应力波通过增大孔隙水压力影响裂纹扩展模式;通过建立的岩体含水裂纹扩展计算模型,推导了在爆炸应力波作用下裂纹发生压剪扩展破坏时的临界水压力Pc,并被实例所验证。基于理论分析、数值试验及工程实例,得出了岩体含水裂纹压剪扩展破坏突水存在滞后效应,施工人员可利用这一特点,在发生突水灾害前,及时停工并迅速撤离,保证人员与机械设备的安全。最后,通过对岩溶隧道掌子面与高压含水体之间裂隙岩体的防突最小安全厚度的研究,提出"两带"理论,推导了合理反映爆破开挖扰动与水压作用下裂纹岩体最小安全厚度计算公式,并为工程实例所验证,其结果可为高风险岩溶地区隧道突水预测及防治提供理论依据。     

高地应力–高水压下隧道突水模型试验系统的研制及应用

为研究高地应力、高水压下岩溶隧道突水灾害演化过程及破坏特征,研制适用于高地应力、高水压下隧道突水模型试验系统,由地应力加载系统、水压加载系统、多元信息监测系统、主箱体等组成。该系统的主要特点是能同时提供高地应力和高水压,地应力加载系统峰值压力达1 000 kN,长时保压;水压加载系统可提供最大水压值50 MPa,梯度可控。此外,主箱体为整体框架结构,承压强度高、密封性好、可视化;反力架可左右滑动,增大了试验空间;所有部件之间采用高强度螺栓连接,可拓展性强;多元信息监测系统实现对试验数据的实时同步采集。以歇马隧道YK7+400~YK7+445里程段为研究对象,采用自主研制的流固耦合相似材料,设计了高地应力、高水压下隧道掌子面前方溶洞突水模型试验,对试验数据进行了分析、总结,揭示了在此类复杂地质条件下隧道施工围岩应力场、位移场及渗流场的时空变化规律,掌握了隧道突水前兆信息。试验结果表明该系统稳定可靠,该研究方法和结果对同类型地下工程的研究具有指导意义。     

深埋隧道溶洞岩体防突层安全厚度研究

为防治深埋岩溶隧道开挖诱发的围岩突水灾害,文中依托巫镇高速笔架山隧道,在考虑溶洞水压条件下研究了充水溶洞位于隧道不同方位、不同距离以及不同埋深时隧道围岩塑性区变化规律。研究结果表明,溶洞位于隧道底部时洞内水压对岩体支护作用最为显著,但该位置的防突层安全厚度受隧道埋深影响最大;溶洞位于隧道顶部时防突层安全厚度对隧道安全影响最大;防突层安全厚度随着隧道埋深的增大而增加;计算所得最小安全厚度为3.9～13.1m,在任意位置情况下,防突层安全厚度均随隧道埋深增大而增加,该预测模型可为隧道突水灾害防治提供参考。     

承压水岩溶隧道突水机理细观模拟研究

基于隧道突水的地质模式和流固耦合理论,通过颗粒流数值仿真对突水通道的形成过程、岩溶突水的影响因素进行分析。结果表明,对于不同的地质模式,关键突水通道的位置可能不同,但其形成机制都是在隧道开挖卸载和岩溶水压驱动下,岩层裂纹萌生、扩展、水压跟踪传递,从隔水层变成导水层的演化过程。隧道近距穿越岩溶结构时,保证隔水岩柱的完整性和稳定性是防止承压水溶洞突水和减小灾害损失的关键。结合工程实例分析,验证了颗粒流模拟岩溶突水过程的可行性,研究成果对从微观领域研究隧道突水理论奠定了基础。     

沉管隧道离心模型试验及数值模拟

沉管隧道在开挖及回填过程中基底应力分布特征及其与沉管结构的变形特性分析在隧道工程中占重要地位。通过以港-珠-澳沉管隧道天然地基段某一横断面为研究对象,对整个施工过程进行不同垫层厚度的离心模型试验及有限元计算模拟,揭示沉管隧道天然地基开挖回弹及回填再压缩应力分布及变形特征、沉管结构的应变特征及垫层厚度对其影响,为沉管隧道的施工及地基处理方案设计提供参考。结果表明,开挖卸荷使基底产生拱形分布回弹。回填后基底应力呈马鞍形分布,仅中间部分应力随时间及回淤增加而增大;沉管底板应变呈马鞍形分布,工后应变量变化不大。垫层厚度变薄使基底应力分布匀化效果差,回填再压缩量及工后沉降量变大。     

使用小型围岩试件模拟与再现巷道围岩开挖卸荷过程的试验系统

 为了实现在实验室进行巷道(隧道)开挖卸荷过程的模拟,获得对围岩试件进行开挖卸荷试验的创新性监测方法与成套试验技术,研制了一套可以使用小型围岩试件模拟与再现巷道围岩开挖卸荷路径的试验系统。该系统主要由3个独立的子系统组成：(1) 系统I：SAM–3000型微机控制电液伺服岩石三轴试验系统;(2) 系统II：小型巷道围岩试件加、卸载腔;(3) 系统III：声波–声发射一体化测试系统。通过对3个子系统进行软、硬件集成与调试,获得了小型巷道围岩试件级别(高290 mm,外径200 mm,内径100～150 mm)的开挖卸荷过程的室内模拟与再现。使用小型巷道围岩试件进行了初步的开挖卸荷试验研究,结果表明,所构建的试验系统可以有效地模拟：巷道围岩的开挖卸荷条件;巷道围岩在开挖卸荷条件下的变形规律、应力分布特征和破坏机制等。     

断层破碎带隧道突水突泥模型试验系统研制与应用

为研究吉莲高速永莲隧道扰动作用下突水突泥灾变演化过程及破坏特征,以F2断层破碎带为研究对象,研制大型三维地质模型试验系统,该系统由模型架、地应力加载系统、水压加载系统以及信息监测系统组成,通过材料配比试验及物理力学性能参数测试,研制出适用于流–固耦合模型试验的新型断层围岩及正常围岩相似材料。采用该系统进行模型试验,揭示正常围岩开挖过程中及揭露断层后的隧道围岩渗流压力、应力应变、位移以及涌出物等特征参数的变化规律,模型试验结果与实际工程灾变特征具有较好一致性。试验结果表明该系统稳定可靠,可广泛应用于其它地下工程的模型试验研究,其研究方法及结果对类似工程研究具有一定的指导和借鉴意义。     

基于开挖卸荷效应的地铁隧道施工过程数值分析

 在地铁隧道实际施工过程中,围岩处于加、卸载的复杂变化过程中。隧道的开挖与支护过程是一个多步骤的、且上一步开挖都会对随后的各次开挖产生影响的复杂过程。依据地下工程问题的特点,即“先受力,后开挖,再支护”,描述并模拟地铁隧道开挖卸荷效应下的真实施工过程。对地铁隧道施工中开挖卸荷效应进行详细分析,提出模拟地铁隧道开挖卸荷效应的四阶段模拟方法。以北京地铁8号线二期01标段西清区间隧道为工程背景,对地铁隧道盾构施工真实过程和开挖卸荷效应进行数值模拟与计算。分析开挖面支护力、支护时机、填充注浆以及考虑与不考虑开挖卸荷效应等因素对地铁隧道开挖与支护的影响,获得基于开挖卸荷效应的地铁隧道盾构施工的围岩–支护作用机制。     

砂土中隧道施工引起近接隧道位移的试验研究

新建隧道施工对近接隧道的影响,一直是隧道设计和施工中必须考虑的问题,但现阶段对此还没有一致的认识。为了进一步研究新建隧道施工对近接隧道影响机理,设计了能够模拟隧道分步开挖的室内模型试验装置,并用该试验装置进行了砂土地层中新建隧道施工引起近接水平平行隧道位移的试验研究。试验重点研究了两平行隧道间净距、埋深对既有隧道位移的影响。通过对试验结果分析,得到了既有隧道拱顶和靠近新建隧道一侧拱腰部位的位移发展规律。试验结果分析表明,新建隧道开挖会对既有平行隧道结构产生侧向挤压效应,隧道埋深和净距对既有隧道的位移都有影响,但隧道间净距变化对位移量的影响更大。当隧道间净距大于2倍隧道直径时,新建隧道开挖对既有水平平行隧道位移的影响非常小。研究成果可为砂土地层中近距离平行隧道设计和施工提供参考。     

地下工程流–固耦合试验新技术及其在充填型岩溶管道突水模型试验中的应用

在地质力学模型试验技术的基础上,根据大型交通、水利水电及矿山工程的需要,开展大比尺流–固耦合模型试验技术研究,包括新型流–固耦合相似材料、三维可视化固液耦合试验系统以及多物理场信息监测分析技术。提出了流–固耦合相似材料的配制原则,选择了多种性能耦合较小的调节剂,实现了强度、渗透性、重度等指标的独立调节,大大提高了材料的相似度,保证材料能够在水长期作用下保持稳定的性质,很好地模拟中、低强度的岩体、破碎带及充填物。三维可视化固液耦合试验系统具备了自动化静力加载和数字化水压加载功能,实现了复杂地质条件下有压水体与相似材料的大面积直接作用,为流—固耦合条件下渗流和突涌水过程的模拟提供了可视化的试验场所。光纤技术、电阻元件柔性防水技术和自动化数据采集分析系统,实现了水环境下模型体内部渗压、应变和位移的精确采集和分析。最后,依托湖北省保康至宜昌高速公路尚家湾隧道,开展了充填型岩溶管道失稳突水的大比尺三维模型试验研究,真实再现了工程中的突涌水过程,揭示了充填型岩溶管道突水的灾变特征。流–固耦合试验新技术得到成功应用,为试验的顺利进行提供了技术保证。     

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。     

Triaxial unloading test of rocks and its implication for rock burst

 The behaviour of rock deformation and its failure characteristics under loading and unloading conditions are substantially different. In this paper, triaxial unloading tests have been designed to simulate the unloading process during tunnel excavation in three kinds of rock (granite, migmatitic granite and limestone). The results show that elastic moduli obtained under unloading conditions are generally less than under loading conditions. The strength of the rock samples also decreases with an increasing rate of unloading. This study reveals that rock bursts during tunnelling in a high in-situ stress area could be controlled or reduced by lowering the excavation speed or applying precautionary measures to control the displacement of surrounding rocks. Received: 25 February 1999 · Accepted: 20 June 2000     

大型地下洞室群三维地质力学模型试验中隐蔽开挖模拟系统的研究和设计

对大型地下洞室群三维地质力学模型试验中施工过程模拟的隐蔽开挖问题进行了研究探讨，确定了隐蔽开挖的基本原则，研究设计了隐蔽开挖中的定位系统、开挖系统和内窥系统，介绍了试验中隐蔽开挖的实施过程。通过这一系统的应用，实现了真正意义上的地下洞室群的施工过程试验模拟。