隧道富水断层破碎带突涌预报与工程对策研究

为解决高原隧道断层破碎带易发突泥冒顶灾害的问题,采用现场调查、地面物探、洞内地震波反射法、瞬变电磁法、超前钻孔等超前地质预报方法,推广洞内物探三维分析,对富水断层破碎带突泥灾害特征、超前地质预报综合成果和工程应对加固措施进行研究。结果表明:三维物探成果能快速精准查明富水破碎带空间形态,成果直观,有效指导风险判识和工程处置措施;对富水断层带预报应充分结合勘察期成果,宏观初判断层分布特性,洞内采用物钻结合、长短结合的方法;首次提出按照“探明破碎带规模形态,查明破碎带物质组分性状,观测地下水特征变化情况”的思路,研判突泥涌水风险;施工处置应按照“探泄结合,先固后进,回堵再泄”的总体原则有序开展。研究成果和手段可为类似突涌灾害超前地质预报和工程应对措施提供参考。

护盾式TBM施工下穿河流破碎带稳定性分析及变形控制技术

针对硬岩地铁隧道在TBM(Tunnel Boring Machine)施工过程中穿越破碎带等不良地质体,易导致TBM卡机、冒顶垮落和突涌水等问题,以青岛地铁某区间穿越李村河下破碎带段为工程背景,采用数值模拟、数据统计与现场监测数据验证相结合的研究方法,分析隧道穿越破碎带时的围岩变形规律,优化设计破碎带注浆加固方案。同时,基于施工统计数据确定TBM施工控制参数,最后结合监测数据验证“地面深孔全断面注浆+精细化掘进参数控制”方案的可靠性。应用FLAC~(3D)数值分析软件,研究TBM穿越河下破碎带围岩力学响应,分析围岩稳定性,破碎带区域以外的围岩变形很小,而破碎带以内围岩产生了较大的变形,其中拱顶沉降最大可达11.82 mm,超出施工预警要求。提出破碎带地表深孔注浆加固方案,注浆体驱替破碎带内的地下水使得TBM穿越破碎带时不易产生突涌水等灾害,确定最优注浆加固范围为10.3 m,河流破碎带下注浆选用水泥-水玻璃双液浆,注浆压力为1.5 MPa,水泥浆水灰比为1∶1。根据统计分析得出了TBM穿越河流破碎带时的掘进参数变化规律,结合试掘进监测数据确定了合理的双护盾TBM掘进控制参数。最终监控量测结果表明,最大地表沉降值为3.75 mm,该施工方案有效保障了双护盾TBM穿越大范围河流破碎带区域的施工安全。研究结果可为类似下穿河流的盾构隧道提供理论指导。

基于结构张量的走滑断裂破碎带地震识别——以富满油田超深层碳酸盐岩为例

塔里木盆地超深层奥陶系碳酸盐岩走滑断裂破碎带发现了丰富的油气资源,但由于超深层地震资料分辨率低,难以精准刻画走滑断裂破碎带,制约了走滑断控油气藏的高效评价与目标优选。根据富满油田走滑断裂破碎带的地震响应特征,在构造导向滤波基础上,利用结构张量方法计算特征值和特征向量,通过时窗选取与纵向厚度叠加加强反映沿断裂方向的投影能量,突出走滑断裂破碎带,刻画其边界与强度。结果表明:该方法更清晰地刻画了走滑断裂的分布,可以识别更小规模的走滑断裂;实现了超深层碳酸盐岩走滑断裂破碎带宽度与强度的刻画,可以用来评价走滑断裂破碎带的发育程度;将该方法应用于圈闭评价、井位部署、井轨迹设计、钻井监测等,大幅提高了钻探成功率与单井油气产量。

穿断层破碎带隧道围岩大变形控制双梯度注浆机制

近些年,中国西部大量深埋隧道工程因关键线路控制无法避让一些活动性断裂,常常在跨越断裂带范围内出现围岩大变形破坏现象,例如侵限、偏压、塌方、底鼓等灾害,严重影响隧道工程施工和运营的安全可持续发展。为了控制断层破碎带隧道围岩大变形,隧道工程设计者和建设者采用了多种控制方案,例如超前注浆、多层钢拱架被动支护、锚杆索主动支护等,但是都因断层破碎带围岩强度过低而出现超前注浆诱发围岩拉裂破碎、主动支护锚杆锚固力不足等现象。为解决上述难题,首先,提出一种增强穿断层破碎带隧道围岩强度的双梯度注浆技术,建立双梯度注浆概念模型,构建3种双梯度注浆模式;然后,确定特定工况下注浆材料粒径梯度与注浆压力梯度的适配条件;最后,通过理论分析、物理模型试验和现场试验,探索双梯度注浆机制及其控制效果。研究结果表明:1)随着开挖步序的增加,穿断层破碎带隧道拱肩变形最大,构造应力对围岩稳定性影响较大。2)在双梯度注浆作用下,浆液扩散效果良好,围岩未出现大面积脱落破坏,隧道周围岩体应力分布均匀。3)双梯度注浆形成了坚硬交叉浆脉骨架,达到了应力补偿效果,将围岩变形量从原来的3 100 mm控制到278 mm以内,实现了“零换拱、零侵限、零突涌”的目标。

卷积神经网络在断层破碎带智能判识中的应用

研究目的:断层破碎带是隧道施工中最常见的地质异常体之一,易导致涌水突泥、塌方等地质灾害。为助力解决传统地质预报解译依赖经验多、准确率偏低等问题,本文提出一种基于卷积神经网络(Convolutional NeuralNetwork,CNN)的隧道断层破碎带智能判识算法,以协助专业人员快速有效判识断层破碎带。研究结论:(1)基于地质大背景和标准化预报图片数据集,采用YOLOv5深度学习框架,引入BoTNet模块,并结合自注意力机制,形成断层破碎带智能判识算法(New_YOLOv5),可实现其位置、规模等要素的智能识别;(2)相较于传统的YOLOv5算法,优化后的算法对不良地质体的识别准确性较高,mAP以及mAP_(max)值的增长率分别为13.68%和9.96%,其中最高mAP值可达84.79%;(3)本研究成果在一定程度上可推动隧道断层破碎带的超前预报结果解译水平的进一步提升,实现由“经验为主、质量不一”向“智能判识、快速有效”的技术进步,可为隧道智能化建造提供有利的技术支撑,具有良好的工程应用前景。

地面定向钻孔预注浆掩护巷道穿断层破碎带技术应用

为了解F2断层发育情况,解决岩巷穿断层期间由于顶、底板及巷道围岩破碎导致的水害、断层破碎带支护问题,在分析矿区地质条件的基础上,通过实施地面L型多分支定向钻孔对巷道穿F2断层周围破碎岩体进行预注浆加固,综合运用理论计算、工程效果监测分析等方法,对巷道掘进期间的围岩塑性圈范围进行了理论分析研究;实测分析了F2断层地面区域治理工程注浆前后地层单位吸水量变化及注浆效果。结果表明,地面定向钻孔高压预注浆有效提升了巷道围岩稳定性,研究成果为类似地层条件下巷道的安全、高效掘进提供了实践经验。

运煤巷道富水泥灰岩破碎带注浆技术及数值模拟研究

运煤巷道受富水泥灰岩破碎带的影响,易发生失稳变形,本文以某运煤巷道为工程背景,结合大量隧道注浆加固工程经验,制定出针对富水泥灰岩破碎带巷道的施工注浆方案,并以实际工程参数为依据,结合FLAC3D软件进行数值模拟,对巷道注浆加固效果进行验证,为类似工程问题的设计与施工提供一定的参考依据。

渗流-应力耦合作用下穿断层破碎带TBM输水隧洞结构安全研究

为分析敞开式隧道掘进机(TBM)穿越断层破碎带深埋长输水隧洞围岩的稳定性及其支护结构的安全性,依托东庄水利枢纽北线输水隧洞工程,采用ABAQUS软件建立隧洞开挖过程渗流-应力耦合三维动态施工仿真模型,研究了隧洞开挖支护过程中断层破碎带处围岩的稳定性和支护结构的受力特性及其变化规律。结果表明:隧洞围岩由于卸载作用其孔隙度最大值较初始状态增大了0.88%,渗透系数最大值较初始状态增大了2.59%;隧洞围岩孔隙水压力随开挖支护过程先下降—再平缓—最后回升至稳定;围岩塑性区出现在沿径向1 m范围内,等效塑性应变极值出现在围岩腰线处;锚杆应力在衬砌进行支护时达到峰值,其最大值为182.90 MPa;衬砌内、外缘均处于受压状态,衬砌环向应力值随开挖支护过程先出现最大值,随后略微减小至稳定,其值在6.66~11.92 MPa范围内;衬砌的变形整体上表现为向内收缩,收缩量从顶拱和底拱处向腰线处逐渐减小,其值在0.67~1.35 mm范围内;随着排水量的增加,围岩最大径缩量逐渐增大,衬砌外水压力折减系数逐渐减小。研究结果可为穿断层破碎带TBM隧洞工程结构设计及其安全施工和运营提供参考依据。

高地应力断层破碎带隧道变形及受力特征研究

针对隧道在穿越高地应力断层破碎带时,易引发围岩大变形、混凝土开裂和拱架变形等破坏问题,依托象君山隧道工程,通过现场试验,分析了断层破碎带及附近不同等级围岩断面开挖引起的隧道变形和受力特征。研究表明:在下台阶开挖前,隧道拱顶沉降和上台阶收敛均达到峰值的70%,断层破碎带处收敛变形呈现明显的“上大下小”现象,而在断层破碎带附近的断面沉降则呈现出明显对称现象;隧道断层破碎带的最大沉降值为73.4mm,在隧道拱顶处,并且观察到喷射混凝土局部开裂和钢架扭曲,在后续施工中建议采用“先柔后刚”的双层初支方案;围岩压力在空间上呈现离散分布,在断层破碎带及其附近断面的围岩压力都是非对称分布,在拱脚和边墙处并未出现较大拉应力区,且拱部受力明显大于拱顶,说明水平构造应力明显;断层破碎带隧道围岩变形和初支受力特征主要是由区域构造应力、最大主应力和岩体综合结构决定,断层破碎带围岩变形和初支受力情况在一定程度上反映了围岩初期变形情况。

断层破碎带隧道结构破坏离散元数值试验

为研究次生断裂的形成原因、隧道结构破坏特征及其机理。以福宜高速公路梁王山隧道为依托,采用MatDEM离散元结合现场测试的方法,模拟断层运动和隧道破坏。结果表明:受主断层两侧地层相向运动影响,在离FW4断层出口远端软弱地层产生了次生断裂,隧道开挖后围岩次生裂隙扩展并发生不均匀破坏,表现为拱顶开裂,边墙强烈内挤和纵向裂缝等;低刚度裂缝能吸收变形产生明显变形阻断作用,但却容易引起对向侧部围岩的进一步应力集中,加剧隧道的不均匀破坏;为避免受次生断裂影响下穿越断层破碎带隧道发生破坏,应对次生裂缝或节理进行注浆加固,减少新生裂缝数量,削弱附近围岩的应力-变形集中,降低隧道施工风险。

强富水区山岭隧道穿越断层破碎带施工技术研究

为降低隧道穿越断层破碎带施工中的涌水突泥风险,该文依托古兜山隧道实体工程,采用“TSP+地质雷达+超前地质钻孔”的地质超前预报技术,探明隧道掌子面前方的地层状况和富水程度,提出富水区隧道穿越断层破碎带施工关键技术。提出隧道洞口明挖法与隧道洞内光面爆破技术及洞内围岩段的双侧壁导坑法、单侧壁导坑法、三台阶七部法的开挖方式;采用S-Ⅴb型隧道衬砌结构型式与全断面帷幕注浆、加强泄水等技术相结合的支护方式,其中的整体承载结构为初期支撑系统和二次模筑衬砌的组合结构。该施工关键技术可有效避免古兜山隧道施工的突水涌泥现象,可指导类似工程的施工。

SH波入射下山体-断层破碎带-隧道相互作用分析

采用一种高精度间接边界积分方程法(IBIEM),开展了山体-断层破碎带-隧道整体模型对地震波的散射作用模拟,考虑了三种影响因素:入射波强度、隧道与断层破碎带间距以及破碎带动力特性,模拟了其对山体表面及隧道地震动力响应的影响。研究结果表明:断层破碎带的存在使得山体-断层破碎带-隧道整体系统内相互作用更加复杂,山体表面位移幅值以及隧道的位移和应力幅值主要呈现放大效应,山体表面断层破裂处破坏异常严重,位移幅值陡增,可达10以上;在衬砌的拱肩、拱脚处的应力集中较为明显,衬砌的顶部和底部应力较小;地震波低频入射时,隧道内外壁应力和位移曲线较平缓,随着入射频率的增大,波的相干效应更加明显,衬砌隧道应力和位移发生空间重分布,出现峰值多段集中现象。

隧道软弱破碎带TBM卡机脱困技术研究

某隧道遭受软弱破碎带不良地质的影响,TBM掘进时出现围岩自稳能力差、易坍塌、积渣堆积等问题,致使护盾抱死或刀盘被卡。为实现TBM脱困,提出了从TBM护盾上方进行小导洞施工新技术,对掌子面前方不良地质进行长距离水平加固以及刀盘、盾体周边积渣清理的方法,使得TBM顺利推进;提出在长大断层破碎带条件下,采用上断面开挖和TBM掘进的半断面法施工技术解决TBM频繁卡机、隧道坍塌的风险的新方法。结果表明:小导洞施工技术具备降低卡机风险、可实现TBM前方围岩水平超前加固、缩短工期、节约成本、施工安全的优点;半断面法施工技术相较于传统的迂回导坑法超前处理断层破碎带工作量小,节约成本,能避免TBM卡机与隧道坍塌风险,施工安全与质量得以保证。

超前注浆在巷道掘进过断层破碎带围岩控制中应用

为确保双柳煤矿5301回风巷安全高效掘进通过BF36断层,以及断层影响范围内巷道围岩稳定,提出采用“超前注浆+锚网索梁”组合方式控制围岩。通过超前注浆提高断层破碎带围岩整体稳定性,并为巷道掘进创造良好条件;采用锚网索梁方式为围岩提供较大的支护作用力,确保围岩稳定。工程应用后,回风巷在断层破碎带内掘进期间未出现漏顶、冒顶、片帮等问题,在断层影响范围内,巷道顶底板、巷帮变形量分别为52、53mm,围岩变形量整体较小,使回风巷安全掘进及围岩变形得到了有效控制。

穿越断层破碎带深埋洞室爆破开挖围岩破坏机理研究进展

我国西部大开发战略正进一步实施,西南高山峡谷地区正在或即将在密集展开一大批大型水电工程.然而受复杂地形条件限制,工程建设中将导流、引水、发电等水工建筑物布置在地下,这就涉及到具有埋深大、地应力高典型特征的地下洞室群开挖工程,并且相当一部分地下洞室群不可避免地穿越断层破碎带.本文总结了近年来工程师和学者重点关注的围岩变形破坏成因以及降低围岩变形破坏发生风险和保障深埋洞室施工安全的方法与技术.诸多研究从理论上阐明了爆破-瞬态卸荷力学作用过程,明确了爆炸应力波和地应力瞬态-卸荷应力波产生机理;从爆破-瞬态卸荷反复扰动激发应力波传播规律、应力波与含断层破碎带岩体的相互作用、含断层破碎带岩体强度特征等方面深入研究爆破-瞬态卸荷反复扰动下穿越断层破碎带深埋洞室变形破坏机理.并结合现场试验、数值模拟和室内试验的方法研究提出了爆破-瞬态卸荷扰动作用下围岩破坏预报及其控制措施.最后提出了关于爆破-瞬态卸荷扰动对含断层破碎带岩体复杂相互作用及控制技术的深入研究方向.

隧道穿越软弱断层破碎带坍塌机理与变形控制措施研究

软弱断层破碎带岩体强度低,围岩自稳性差,地质条件复杂,隧道穿越软弱断层破碎带时易发生大变形、塌方等地质灾害。通过现场勘测,分析隧道穿越软弱断层破碎带坍塌机理,并提出注浆加固和设置临时钢支撑的围岩变形控制措施。现场监测结果表明,采用注浆加固和设置临时钢支撑的围岩变形控制措施后,隧道拱顶最大沉降为19.2mm,拱腰最大收敛为13.5mm,同时监测断面围岩应力和钢拱架应力基本稳定,可知变形控制措施可有效提高围岩稳定性。

考虑断层破碎带影响的隧道结构地震反应研究

为研究跨断层隧道在渗流-地震耦合作用下的动力响应,以宣绩铁路周湾村隧道穿越富水断层为背景,基于Biot固结动力方程,采用有限差分软件FLAC 3D进行多场耦合数值计算。本文主要分析了断层破碎带宽度对隧道衬砌特征点加速度、孔压、位移及应力响应规律的影响。研究结果表明,对隧道结构不同位置而言,加速度响应规律一致,均为正常段加速度<破碎带加速度<交界面加速度。耦合场作用下,地层与破碎带交界处围岩位移及应力均发生突变。随着断层宽度的增加,应力及位移突变范围有所增大,孔隙水压力峰值也进一步扩大。此时隧道受压区增大,衬砌结构易发生局部破坏。通过加设注浆层的方式,可有效减少耦合场作用引起的拱圈应力分布不均现象。

基于水-岩相互作用的富水断层破碎带隧道突涌灾害演化特征

为研究开挖卸荷和水力荷载耦合作用下富水断层破碎带隧道突涌灾害演化特征,以沈白高铁西谷隧道工程为依托,考虑不同富水破碎带构造形式及地下水赋存特征,开展隧道突涌灾害演化过程研究。基于水-岩相互作用原理,建立三维离散元粘合块体-裂隙流耦合模型,明确不同地质构造特征下的隧道突涌灾害模式,分析破碎岩体裂隙扩展和地下水渗流的时空演化规律。研究结果有:引入黏合块体模型和裂隙流组合模型,建立了富水断层破碎带水岩相互作用力学模型,再现了富水破碎带隧道突涌灾害演化过程。不同富水破碎带构造形式引起的突涌灾变模式差异显著,且具有不同的触发条件和表现形式。断层破碎带倾角为45°时,破碎岩体沿掌子面下部溜塌涌入隧道,倾角为90°时,围岩向掌子面挤出,倾角为-45°时,表现为拱顶围岩垮塌。富水破碎带突涌灾害程度随着水头增大而加剧,其中倾角为-45°时,突涌灾害程度受水头高度的影响最显著,倾角为90°时,水头高度影响相对较弱,但突涌灾害程度最严重。

穿越富水破碎带隧道开挖变形监测及控制研究

隧道施工有时需要穿越破碎带,特别是当破碎带较宽较陡又含丰富的地下水时,成为一项极大的技术挑战,开挖后可能产生较大的变形,威胁围岩稳定性及作业人员安全。针对某公路隧道穿越富水破碎带的工程实际,利用Abaqus软件采用数值模拟方法,构建了隧道与富水破碎带的三维模型,模拟了注浆前后围岩的变形行为,包括拱顶沉降、拱底隆起及拱腰水平位移等。为了验证注浆对围岩变形控制的有效性,通过现场监测数据与数值模拟结果进行了对比。结果表明,注浆处理显著减少了围岩的水平和竖向位移,使围岩变形更加缓和,有效提升了围岩的稳定性。

富水区隧道穿越断层破碎带施工应急预案研究

为降低富水区公路隧道穿越断层破碎带施工中涌水、塌方等突发事件的危害,保证施工人员的安全,该文依托古兜山隧道实体工程,建立富水区隧道施工中突发事件应急预案体系。对富水区公路隧道穿越断层破碎带施工过程中可能的突发事件进行分类,建立富水区隧道突发事件应急预案。研究表明,富水区隧道施工过程中发生涌水事故时,应及时疏通横通道,布设抽水泵将涌水抽出洞外,减少洞内水流量;出现坍塌事件时,应当及时处理伤亡人员,并及时运走废土;发生爆炸事故时,应迅速灭火及时疏散工作人员,救治伤员,清理现场,避免造成二次伤害;发生大型机械设备故障情况后,要及时处理伤亡人员,并尽快判断其位置和损伤范围,及时开展救援,转移机械设备,抢修故障机械。