富水裂隙围岩隧道涌水量计算方法与规律分析

富水裂隙区隧道涌水量预测精度较差,涌水问题尚未得到较好的解决。针对此问题,视裂隙围岩及注浆区为非均质各向异性介质,初期支护及二次支护结构为均质各向同性介质,构建了裂隙围岩下隧道涌水简化计算模型,基于地下水力学理论及流体质量守恒定律推导了富水裂隙区隧道涌水量计算公式。通过退化分析及案例工程现场实测数据验证了构建富水裂隙区隧道涌水简化计算模型的合理性及涌水量计算式求解的正确性,最后基于解析解揭示了各特征参数对富水裂隙区隧道涌水的影响规律,探讨了富水裂隙区隧道涌水机制。结果表明:理论计算值与现场实测值最大相对误差为8.1%,验证了构建模型的合理性及公式推导的正确性;隧道涌水量随裂隙最大宽度的增加而增大,受堵水结构的联合制约,两者近似呈线性关系;注浆区厚度与隧道半径比值在2倍以内时,隧道涌水量受注浆区厚度的影响显著;富水裂隙区隧道涌水受裂隙分布规律及支护结构的制约,应重视对裂隙分布的调查。

非线性破坏准则下浅埋隧道的稳定性分析

隧道围岩压力值是浅埋隧道设计计算的重要参数。为进一步提高围岩压力计算结果的可靠性,以传统浅埋隧道坍塌模型为基础,提出了圆弧滑移面破坏模式,同时基于非线性Mohr-Coulomb破坏准则,运用极限分析上限法推导了地震力作用下浅埋隧道围岩压力的计算公式,验证了计算结果的可靠性,并对影响因素进行了探讨。与实际工程和已有成果的对比分析证明了理论公式具有较高的可靠性和准确度。研究还发现:围岩压力受非线性系数和初始粘聚力的影响较为显著,非线性系数越大、初始粘聚力越小,围岩压力越大;随着待定参数K(水平围岩压力与竖向围岩压力的比值)的减小,水平围岩压力减小,竖向围岩压力增大;地震力对围岩压力的影响不容忽视,竖向地震力单独作用对围岩压力的影响最大,水平和竖向地震力共同作用的影响次之,而仅有水平地震力作用的影响最小。随着水平与竖向地震力系数的增大,围岩压力也在增大。分析结果对于大部分的隧道,尤其是易受地震影响的浅埋隧道研究具有较高的参考价值。

考虑底部塑性区的深埋隧洞围岩压力上限解

基于极限分析理论,提出一种适用于软弱围岩的深埋隧道围岩压力的计算方法。考虑隧道底部塑性变形区的影响,构建纺锤形的破坏模型。基于该破坏模型构建围岩速度场,引入侧压系数λ_(1)和底压系数λ_(2),推导围岩压力的理论计算公式。根据计算公式进行编程优化计算,分析不同非线性系数m下,侧压系数λ_(1)、底压系数λ_(2)对围岩压力的影响。研究结果表明:随着内摩擦角减小,“纺锤”上下两端塑性区不断向外延伸;非线性系数m对围岩压力有显著影响,当非线性系数一致时,提高侧压系数λ_(1)可以降低拱顶和隧道底部压力,提高底压系数λ_(2)可以降低拱顶和边墙压力;在岩土体非线性特征明显的地区,计算深埋隧洞围岩压力时应考虑底部塑性区。

基于PSO-SVR算法的悬臂式掘进机工作性能预测

研究目的:悬臂式掘进机作为铣挖法中不可或缺的机械设备,其工作性能常受到围岩特征和机械设备等条件的制约。为预测悬臂式掘进机工作性能,本文以瞬时切割速率ICR作为评价指标,综合考虑围岩因素和机械设备因素,通过不同算法预测ICR,优选出基于粒子群优化的支持向量机算法(PSO-SVR),并据此建立了ICR预测系统,从而快速高效地预测铣挖隧道掘进机工作性能和施工速度。研究结论:(1)利用已开挖的铣挖法隧道数据作为训练样本,通过5种算法预测ICR,其中粒子群优化的支持向量机算法预测精度最佳;(2)通过粒子群优化算法搜寻最优惩罚系数C和核函数系数g,能有效避免陷入局部最优解问题,并显著提高模型预测精度和泛化能力;(3)十折交叉验证结果表明,PSO-SVR算法具有较好的鲁棒性,且鲁棒性高于其他4种算法;(4)依托赣州蓉江隧道工程,PSO-SVR模型可准确预测悬臂式掘进机瞬时切割速率和施工速度,预测精度显著高于经验公式和其他算法,可为铣挖机械设备选型以及铣挖隧道施工速度预测提供参考。

不同卸荷水平下饱和红砂岩三轴压缩破坏及能量演化特征

为保证水下红砂岩地层隧道的安全施工,避免开挖区突水、失稳等工程事故的发生。以赣州蓉江四路过江隧道工程为依托,对饱和状态下的泥质红砂围岩开展初始卸荷水平为60%、70%、80%和100%(无卸荷)的三轴压缩对比试验,分析不同初始卸荷水平下三轴压缩力学特性变化规律,并结合扫描电镜,对试验后岩样的宏细观破坏特征进行对比分析。基于能量耗散原理,对不同初始卸荷水平下饱和泥质红砂岩试样的能量关系进行拟合,揭示卸荷过程中的破坏特征与能量演化之间的规律。研究结果表明:无卸荷三轴压缩破坏时的峰值偏应力远高于初始卸荷水平为60%、70%、80%时的峰值偏应力,随着初始卸荷水平的提高,饱和泥质红砂岩的峰值偏应力在增加,偏应力增加值在减少,环向变形减小,卸荷所导致的岩样扩容时间会更短,岩样内部的裂隙及黏结颗粒碎屑和表面的破裂纹路增多并发生贯通,且受张拉破坏越明显。在卸荷条件下,三轴压缩达到屈服阶段后,岩样裂隙快速发展,弹性应变能增加缓慢,耗散能急剧增加,破坏阶段时,岩样内部存储的弹性应变能达到存储极限并瞬间释放,产生更多的裂隙。随着初始卸荷水平的提高,峰值偏应力对应的总应变能、弹性应变能及耗散能均呈现先减小后增大的趋势。研究结果可为红砂岩分布地区的水下隧道开挖及建设提供一定的理论参考。

超高水压超大埋深组合工法水下隧道连接段泄水降压研究

为解决组合工法施工水下隧道连接段水压力过高引发的仰拱开裂、轨道隆起等结构病害问题,依托深江铁路珠江口隧道开展研究,考虑连接段设置体外泄水洞泄水降压,推导隧道的渗流量及衬砌外水压解析解,并通过退化检验和数值模拟进行验证,对参数的敏感性开展分析,以揭示体外泄水系统工作机制。结果表明:1)推导的公式计算检验效果良好;随着体外泄水洞半径的增大,隧道的渗流量和衬砌外水压力均减小,对泄水降压有一定作用。2)设置体外泄水洞后,注浆圈内的渗水可以直接排出,缩短了原本的渗流路径,降低了对注浆圈的要求,以达到安全经济的效果。

碳酸盐环境下隧道衬砌混凝土的腐蚀研究及防治措施

依托醴娄高速周家冲隧道工程,研究了强腐蚀地下水环境中HCO3-和游离CO_(2)对混凝土的腐蚀影响,分析了腐蚀机理,制备了抗碳酸盐和碳酸性腐蚀的C40隧道衬砌混凝土,并通过正交试验方法确定了该混凝土的最佳配合比。此外,还提出了隧道衬砌混凝土防腐措施。结果表明:混凝土的最佳配合比为m_(水泥)∶m_(细骨料)∶m_(粗骨料)∶m_(水)∶m_(矿粉)∶m_(硅灰)∶m_(硅藻土)∶m_(Ba)(OH)_(2)∶m_(减水剂)=1∶1.83∶2.43∶0.35∶0.10∶0.062∶0.021∶0.016∶0.012;加强混凝土拌合、运输、泵送、浇筑、养护等施工质量控制,加强防排水措施,均可提高隧道衬砌混凝土的抗碳酸盐和碳酸腐蚀性能。

深大竖井开挖稳定性数值模拟分析

依托芷铜高速椿木山隧道通风竖井工程,针对竖井施工对围岩造成的扰动影响以及初期支护受力情况进行数值模拟分析,探明了竖井开挖中围岩最危险区以及初期支护参数的合理性,并根据分析结果提出相应的加固或处理措施。结果表明:竖井施工对围岩造成的扰动较小,围岩不会出现明显的塑性区,揭示了在开挖并施作初期支护后,围岩具有一定的稳定性;随着开挖深度的加大,岩体最大应力也在增大,在竖井底部达到最大值3.36 MPa,地表沉降曲线呈现出明显的V形特征,中间沉降量大,越远离中部开挖区,沉降量越小;不同性质的围岩过渡区会出现应力突变,在实际操作中应加强围岩过渡区的支护与监测频率。

椿木山特长隧道施工风险评估及精细化施工方案研究

为提高特长隧道的施工效率,降低施工成本,本文依托椿木山特长隧道开展风险评估及精细化施工技术研究。分析了该隧道施工的重难点,结合各种风险源对隧道风险进行评估。基于隧道施工工艺,从人力安排和施工工时多角度分析了“七台套”大机作业的实施成效。并根据多种因素对比各种竖井布置方案的经济效益。结果表明:(1)隧道风险评估仅考虑单一风险忽视作业风险会使得风险出现不可控现象,应从地层、水文及技术水平等多角度分析;(2)与传统钻爆法施工相比,大机作业施工在降低人力成本和提高施工效率方面都具有明显优势;(3)竖井布置方案应在满足正常运营通风条件下选择埋深短、施工方便、经济效益好的方案。本文的研究成果为椿木山隧道施工提供了技术支持,也可为类似隧道提供技术参考,有助于大机作业推广。

高速公路下穿既有铁路桥桥墩基底承载力验算

随着交通建设的飞速发展,越来越多的高速公路下穿铁路桥。而先行建设的铁路,设计和施工时并没有考虑后续高速公路建设及其荷载的影响,高速公路下穿铁路桥会给铁路桥安全带来隐患。文中以某高速公路下穿铁路桥为例,考虑桥墩除承受来自上部铁路桥的行车荷载、风荷载等作用外,还受到新建高速公路路基带来的桥墩基础上覆填土荷载和高速公路行车荷载的综合作用,对不均匀土压力作用下桥墩倾覆稳定性进行分析,对可能出现的不利情况进行预判。

竖井开挖中溜渣井防堵塞研究

竖井开挖中溜渣井堵塞是特长隧道施工迫切需要解决的难题。文中以芷铜(芷江—铜仁)高速公路椿木山特长隧道竖井开挖为例,分析溜渣井堵塞原因,从岩块角度分析溜渣井堵塞产生机制;根据现场爆破块石粒度和爆破参数,采用Swebrec模型对岩体爆破碎片的块度分布进行预测,并与采用Split-Desktop软件对堆石场爆破碎片块度分布的实测结果进行比较,验证采用Swebrec模型进行爆破岩体块度控制的可行性。结果表明,Swebrec模型可有效指导爆破参数选择,通过合理选择不同岩体信息参数下爆破参数控制爆破后岩石块度,避免竖井因块体过大而发生堵塞。

断层与隧道位置关系对突涌水的影响研究

研究目的:为探讨断层与隧道位置关系对涌水的影响机制,构建隧道涌水简化计算模型,推导隧道涌水量及结构外水压力计算表达式,再基于工程案例对隧道涌水简化计算模型的合理性及公式推导的正确性进行检验,同时对特征参数进行敏感性研究,以揭示断层对隧道涌水的影响规律。研究结论:(1)随断层倾角的增加,渗流稳定时隧道涌水量不断减小,支护结构外水压力逐渐增大;(2)案例工程中无断层段二次支护结构水头高度理论值比真实值大4.5%,单一断层段二次支护结构外缘水头高度理论值比真实值大6.7%,组合断层区域,涌水量理论值比真实值小8.3%;(3)本文揭示的断层区隧道突涌水规律可为类似隧道工程防排水体系的实际提供理论指导。

浅埋暗挖隧道爆破对敏感建筑物的影响及优化

研究目的:随着城市地铁建设快速发展,施工要求愈发严格,目前已有的研究多为数值模拟研究,对装药方式的改变所带来的影响研究较少,浅埋暗挖隧道爆破施工时对敏感建筑物的影响及优化控制问题亟待解决。本文以重庆地铁项目隧道工程为背景,针对施工过程存在需频繁下穿对环境影响极其敏感的重要建(构)筑物进行优化控制研究。利用理论推导计算不同爆破介质的对比分析并经过数值模拟现场实施验证,优化周边眼的单孔装药量,增加半孔的保留率,控制爆破振动速度。研究结论:(1)相比于空气介质,采用水介的偏心不耦合装药对周边眼的超欠挖控制效果更明显;(2)在现场施工时周边眼装药结构应尽可能选择径向不耦合系数≥2的装药结构;(3)在其他装药参数相同情况下,围岩外侧(装药背离侧)爆破区半径随围岩级别减小总体上呈现持续下降或平稳变动的态势,但随围岩内RQD数值的增加则总体趋势不变;(4)数值模拟最大值结果比实际监测最大值高,这是因为模型对地质条件进行了简化,忽略了地震波在岩层节理及裂隙中传播时的能量损耗;(5)经现场实施验证,经优化后的爆破方案可应用于控制浅埋暗挖隧道爆破施工对敏感建筑物的影响领域。

分层土中盾构隧道掌子面极限推力研究

在盾构隧道开挖过程中,掌子面受力十分复杂,盾构机对掌子面的推力对维持掌子面前方土体的稳定起着关键性作用,为此,基于筒仓理论和极限平衡法,改进传统楔形体模型,考虑盾构隧道掌子面处土体分层对掌子面极限推力的影响,建立折线型滑动模型,推导掌子面极限推力的计算公式。依据实际工程建立相应的数值模拟模型,并对计算公式中各参数敏感性进行分析。研究结果表明:考虑掌子面土体分层时极限推力的数值模拟解与由本文所得公式计算的理论解误差很小,验证了本文所述模型和计算方法的可靠性与准确性;掌子面极限推力随隧道埋深和直径增加而增大;分层土中引起极限推力变化的主要土体是上层软弱土;盾构直径越大,土体黏聚力和内摩擦角对极限推力的影响越大,且内摩擦角对极限推力的影响更显著;当盾构直径较小时,土体黏聚力和内摩擦角对极限推力的影响较小。

我国西南山区桥隧搭接结构地震动力响应及其震害灾变特征研究

在我国西部和南部山岭重丘区,面对复杂的地形、地貌条件,高速铁路中的桥隧搭接结构一旦在强震作用下遭受严重破坏,其抢修、加固或再建的难度往往很大,成本和代价高昂。目前,国内外对其在多次地震作用下的灾变行为机制和动力损伤特性的研究开展得很少,相关抗震设计、减震技术和震害评估工作还缺乏必要的理论支撑,亟待完善。为了探究软弱围岩条件下高速铁路桥隧搭接结构的地震灾变行为和动力损伤特性,综合利用相似理论和模型试验等方法,开展了振动台模型试验研究工作。研究结果表明,软弱围岩条件下的桥隧搭接结构中的相互毗邻和连接的多元桥隧结构、基础和附近围岩及边仰坡岩土体,在地震荷载作用下存在显著的近场耦合作用效应和相互依存特性,在不同地震工况下的动力响应、灾变力学行为和损伤破坏特性具有复杂而多变的特点。桥隧搭接结构的连接或结合处为抗震薄弱环节和易损坏部位,尤其隧道洞口扩大段底部和顶部、桥梁基础和附近的围岩及地基,需要采取局部针对性加强构造设计、加固处理和特殊抗震、减震措施,以减轻或避免其在强烈地震下的损伤效应和灾变行为的发生。

严寒地区高铁隧道衬砌挂冰机制及预测预警

为减少长大寒区铁路隧道冬季挂冰巡检的工作量,为人工打冰提供指导,基于隧道挂冰模拟试验,得到隧道挂冰生长发育程度模型,构建隧道衬砌挂冰预测预警系统,通过预测隧道洞内挂冰范围及发育程度为打冰提供指导。冰挂模拟试验表明:隧道内存在结冰、无冰区域的明显划分,划分界限为-5℃;隧道衬砌冰挂生长发育存在最适宜温度区间,当洞内气温高于此温度区间时,由渗水点流出的地下水受其自身热量作用,冰挂的生长受限,当洞内气温低于此温度时,水体在流经混凝土裂缝时,热量迅速散失,导致渗水点被冻结,冰挂无法生长;得到各个渗漏水流量条件下,冰挂生长发育程度模型。基于物联网和智能温度记录仪获得隧道实时温度分布,结合隧道洞内渗漏水病害分布及流量,以隧道挂冰生长发育程度模型为核心,分析得到隧道挂冰区段及挂冰严重程度,为隧道挂冰巡检提出指导。相比于全隧道步行巡检,采用挂冰预测预警系统可以减少1/3的巡检工作量。

人工岛填筑对紧邻高架桥桩基受力影响与填筑方案研究

深中通道工程东人工岛在广深沿江高速高架桥下方填筑施工,为了解其施工对紧邻高架桥的影响并选取合理的填筑方案,对采用不同分层填筑厚度、顺序、方向的填筑方案进行有限元分析比选;对最终采用的填筑方案中桩基水平位移、固结沉降进行监测,并对固结沉降简化计算方法进行研究。结果表明:填筑方案的选取应以桩基水平位移为主控项目;对于锁口钢管桩+内支撑保护形式的桩基,采用先围护内填筑较先围护外填筑的桩基水平位移小,横桥向交替填土较顺桥向交替填土的桩基水平位移小,分层填筑厚度0.5 m较1.0 m的桩基水平位移小,钢板桩+内支撑保护形式桩基也有类似规律;先内后外、横桥向分层交替填土、控制填筑厚度的填筑方案为最优方案。监测结果显示:该填筑方案可有效控制桩基水平位移,实现了既定控制目标;提出的固结沉降简化计算方法可用于可行性研究阶段中类似土层固结沉降的初步估算。

软弱地层桥隧相连隧道洞口滑塌综合处治技术研究

为解决软弱地层桥隧相连隧道洞口滑塌的问题,以湖南省官新高速公路向家隧道为工程实例,分析了滑塌的原因和危害,结合规范和数值模拟、现场监测技术,采用工程类比法,通过对该隧道洞口滑塌处治技术进行综合研究,结果表明:①采用陡坡比削坡卸载+明洞结构、明暗交界处设置桩式套拱结构、抗滑桩顶部设置10 m空桩和较宽的锁口、人工挖孔滑裂面以上松散土体采用Ф42袖阀管注浆加固、仰坡之间设置较宽的反压缓冲平台、洞口设置抗滑桩和端墙式洞门等关键技术通过滑塌段,可以确保施工安全和后期桥梁运营安全;②建立了有限元数值模型,仿真分析了设计方案可行性,在施工过程中现场监测数据验证了方案的合理可行性;③设计施工案例,可供同类隧道参考。

曲线段大直径盾构掘进引发管片上浮影响

为研究曲线段大直径盾构隧道在上软下硬地层对管片上浮的影响,针对曲线段盾构隧道施工开挖面支护力、管片上浮的施工风险因素进行研究,采用极限平衡法研究开挖面支护力稳定性的影响,对开挖产生的不规则类棱台型土体进行横向竖向受力分析,建立静力平衡方程,求解开挖面处于极限平衡时的极限支护力.进一步研究开挖面支护力、曲线段大直径盾构隧道在上软下硬地层掘进对管片上浮的影响,并且分析影响管片上浮的地质以及盾构掘进姿态等因素,提出相应盾构管片上浮综合控制措施.结果表明:当破裂角φ_(1)=29.0°,φ_(2)=25.5°时,极限支护力T=128.5 k Pa.应合理控制盾构掘进姿态,保证合理的支护力,防止在上软下硬地层大直径盾构盾尾注浆滞后以及浆液硬化滞后,隧道产生偏离曲线掘进轴线的上下摆动,造成管片上浮;对于上浮比较严重的区域,可以采用双液注浆法,阻止管片上浮;对于已经产生管片上浮的区域,可以采取“上压下放”的方式增加隧道的配重或采用抗拔装置施加外力来抵抗地下水上浮量.

酸蚀环境花岗岩残积土饱和含水率的时变特征试验

为了明晰饱和含水率变异性与斜坡稳定的相关性,重点开展花岗岩残积土的饱和含水率受酸影响的特征试验,通过直剪试验测试在竖向受载和酸化时长双因素影响下的饱和含水率变化规律及其特征值,并以电镜扫描获知的结构特征推断其变异内因。研究结果表明:①竖向压力σ=300 kPa时为线性与非线性关系转折点,且在同一竖向压力作用下,酸化时长与饱和含水率呈正相关;②在酸化时长30 d、pH=4时,矿物颗粒表层离子与酸液中离子交换效能最高,因此pH=4是影响饱和含水率的酸度特征值;且在pH>4酸蚀下的饱和试样水化学反应接近完全时存在峰值饱和含水率;③微观结构反映了酸蚀作用下饱和含水率变化主要与其胶结类型有关,总结了不同酸度及时间下产生的胶结类型模式。