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。     

富水破碎岩体帷幕注浆模型试验研究

利用自主研制的三维注浆模型试验系统,开展富水破碎岩体多孔分序帷幕注浆试验,获得注浆扰动下岩体多物理场演化规律:1被注岩体总压力及孔隙水压力变化强烈,历经急剧增长—峰值波动—渐进衰减—趋于稳定的变化阶段;2破碎岩体内部,浆液在隧洞拱顶和拱底位置发生优势劈裂扩散,同时引起洞周收敛位移;3注浆作用下破碎岩体压缩释水导致渗透性能显著降低,表现为分序注浆试验中超孔隙水压力激发程度逐次大幅提高。帷幕注浆试验结束后,揭露、分析了加固体内部特征,研究破碎岩体加固范围非均匀变化规律,归纳总结松散破碎岩体及泥质软弱岩体对应的渗透–劈裂型及微劈裂型两类注浆加固模式,揭示了劈裂浆脉形成的多重注浆叠加机制。基于以上研究工作,利用扫描电子显微镜(SEM)分析固结岩体微观特征,研究表明浆脉–黏土界面具有三维结构,可划分为渗透型和微劈裂型两种类型,网络状微型浆脉的锚固作用增大了界面粗糙度和强度;界面靠近黏土一侧发育损伤裂纹,推测为固结岩体物理力学条件突变位置,为加固岩体潜在破坏环节。研究成果补充和完善了室内注浆模拟试验方法,探索了多孔分序帷幕注浆试验中浆液扩散规律及注浆加固机理,为类似地质环境下岩体注浆提供了理论支撑与技术指导。     

隧道施工过程大比尺模型试验系统的研制及应用

 为研究隧道不同开挖方法的施工力学过程,研制大比尺三维模型试验系统,该系统最大外部尺寸为5.2 m×4.5 m×2.7 m(宽×高×厚),结构合理,可任意拆卸,组合拼装,自动液压控制系统具有压力高、保压时间长、可进行稳步梯级加载等特点,能够满足各类地下工程的三维和平面地质力学模型试验的要求。在既有地质力学相似材料的基础上,通过大量的不同材料配比及其力学参数测试,获得满足V级软弱围岩的相似材料配比。基于此开展铁路隧道施工过程的大比尺三维地质力学模型试验,真实模拟隧道在开挖和支护过程中不断变化的力学过程。试验结果表明,该系统稳定可靠,可广泛应用于其他地下工程的地质力学模型试验研究,其研究方法技术及所得结果对类似工程研究具有一定的借鉴和指导意义。     

隧道岩溶管道型突涌水动态演化特征及涌水量综合预测

建立了隧道岩溶管道型突涌水模型,进行了突涌水过程中动态演化特征分析,结果表明揭露岩溶管道型突涌水的动态演化无明显的时间效应,但空间特征呈现阶段演化的规律,突涌水区域可分为三种典型流速演化区域:管道内部的近似高速稳定区,隧道与岩溶管道临界面附近的流速升高区以及隧道内部灾害水体的衰减–低速稳定区。基于管道内部区域流速动态衰减规律,提出了基于数值分析法和极限(离散)解析法的涌水量综合预测方法,形成揭露岩溶管道型突涌水的涌水量预测体系,并设计了相应的模型试验,进行了涌水量的实时监测,监测结果验证了涌水量综合预测方法的合理性。     

裂隙岩体小净距超大断面隧道围岩非连续变形分析

由于现有隧道规范不足与设计、施工经验匮乏,裂隙岩体中小净距超大断面隧道的围岩稳定性分析与中夹岩柱变形破坏特征及其支护方案优化仍是大型隧道工程建设中遇到的棘手难题。以济南市东南二环绕城高速大岭超大断面隧道为工程依托,通过对掌子面岩体结构信息的精细化描述,获取各评定指标分布概型,并应用Monte Carlo法生成符合围岩等级评价指标分布概型的大量随机数,通过归纳统计获得隶属各围岩亚级分级的概率分布,由此对岩体质量进行了稳健评估。此外,用改进的非连续变形分析(DDARF)法对大岭隧道浅埋小净距段围岩的变形破坏规律及裂隙演化过程进行了数值模拟;以裂隙扩展破碎区贯通与否作为中夹岩柱稳定性的评定依据,分别针对无锚、有锚支护条件下的围岩稳定性状况及变形特征进行了对比分析。结果表明:无锚支护条件下,隧道后行洞开挖对先行洞的裂隙扩展及变形有一定影响,但不明显;而锚杆支护则可显著约束围岩尤其是中夹岩柱的裂隙扩展及贯通,锚杆支护条件下二次扰动后先行洞围岩的裂隙扩展情况、变形破坏特征与单洞开挖无异,且系统锚杆支护与中夹岩柱水平加长锚杆支护对裂隙演化的控制效应无较大区别。研究结果对裂隙岩体中小净距超大断面隧道围岩的支护方案优化有实际指导意义。     

隧道突水突泥致灾构造分类、地质判识、孕灾模式与典型案例分析

致灾构造是突水突泥灾害发生的内在条件和控制因素,突水突泥致灾构造兼具蓄积地下水的自然属性与突水突泥致灾性的社会属性,是地质条件与地下工程活动相互作用的综合体。通过221例突水突泥灾害案例统计分析,将突水突泥致灾构造划分为3类11型,即岩溶类(溶蚀裂隙型、溶洞溶腔型、管道及地下暗河型),断层类(富水断层型、导水断层型、阻水断层型),其他成因类(侵入接触型、层间裂隙型、不整合接触型、差异风化型、特殊条件型),研究不同类型致灾构造的结构特征、赋存规律和地质判识方法,并开展典型案例分析。统计分析表明,岩溶类致灾构造突水突泥数量居首(约占48%,105例),断层类次之(约占29%,65例),最后为其他成因类(约占23%,51例)。提出4种典型的隧道突水突泥孕灾模式,即直接揭露型、渐进破坏型、渗透失稳型和间歇破坏型。研究成果为突水突泥灾害的致灾机制与灾害控制研究奠定了基础,对隧道安全施工具有借鉴和指导意义。     

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。     

地下水封石油洞库施工期安全风险评估研究

地下水封石油洞库建设具有投资大、无成熟设计施工规范、不确定因素多等特点,建设过程中存在着一定安全风险,开展地下水封石油洞库施工期安全风险评估研究具有重要意义。针对地下水封石油洞库施工期安全风险,从洞库稳定性与水封性两个方面,开展了洞库施工期安全风险评估研究,结合中国首座大型地下水封石油洞库工程对研究结论进行了验证。研究中,开展了地下水封石油洞库风险因子识别,进行了风险因子重要性和引发功能失效概率调查;采用模糊数学方法获得了风险因子模糊权重集和模糊评价集,得到了风险因子影响程度排序;总结了某地下水封石油洞库建设中典型稳定性和水封性风险事故,分析了事故发生原因,并与上文所得风险因子影响程度进行了对比验证。研究结果不但为提高地下水封石油洞库风险管理水平提供支撑,而且还可丰富地下工程安全风险评估研究内容。     

基于跨孔电阻率CT的地铁盾构区间孤石探测方法及物理模型试验研究

跨孔电阻率CT方法在地铁盾构区间孤石探测方面具有一定优势,但仍然存在孤石定位精度低、小尺寸孤石难以识别等工程实际难题。首先,提出了电阻率CT不等式约束反演成像方法和偏导数矩阵的并行解析快速求解方法,从施加先验信息约束和提高反演精度两个方面共同改善了电阻率CT反演的多解性与成像效果。在此基础上,通过大量常规观测模式的成像效果对比试验,提出了一种组合式观测模式,可以综合多种常规观测模式的探测优势并增加采集的数据量,从而提高对异常体的识别能力。针对影响探测效果的两个因素——孔距和电极间距进行了数值模拟试验研究,获得了在组合式观测模式下的有效孔距范围和合理的电极间距参数,并进一步检验了对小粒径孤石的识别效果。在此基础上,提出了地面物探普查与电阻率CT详查相结合的孤石探测方案。最后,开展了物理模型试验研究进行验证,探测结果与实际情况比较一致,具有较好的应用前景。