TBM豆砾石回填灌浆层性能与密实度对支护效果的影响

双护盾TBM采用预制管片、回填豆砾石和灌浆的方式进行支护施工,豆砾石回填灌浆层的性能和密实度是影响TBM隧洞工作性能的重要指标。以西北某双护盾TBM施工的引水隧洞为工程依托,基于室内试验研究了不同部位豆砾石回填灌浆层的力学性能,并通过数值模拟分析了豆砾石回填灌浆层性能与密实度对支护效果的影响。结果表明:受灌浆密实度不均匀的影响,豆砾石灌浆体的弹性模量和单轴抗压强度存在较大差异;在衬砌与豆砾石不存在脱空状态的条件下,豆砾石回填灌浆层参数取值不同对衬砌受力分布规律影响不大,但衬砌各个部位的应力有所变化;衬砌与豆砾石脱空部位受力状态与不脱空时存在显著差异,在脱空部位管片出现了较为明显的受力情况,部分区域应力超过衬砌混凝土的抗拉强度设计值,衬砌混凝土可能出现裂缝。在隧洞施工中应重点关注衬砌与豆砾石之间结合是否紧密,加强豆砾石回填、灌浆的质量监督。

碳化作用对固化铅污染土强度特性和微观结构的影响

碳化作用是影响水泥固化重金属污染土耐久性的一个重要因素,为探明长期服役过程中碳化作用下固化污染土强度特性的演化规律,人工配制铅污染土,采用水泥固化处理后进行碳化试验,分析碳化作用和压实度对固化土无侧限抗压强度的影响规律,并通过扫描电镜和压汞试验分析碳化作用对微观矿物形态和微观孔隙结构的影响。结果表明:碳化作用下固化铅污染土的无侧限抗压强度降低,15%水泥掺入量的固化土强度降低44%~45%,这是碳化反应产物填充效应增强和土颗粒间胶结作用减弱共同作用的结果;固化土强度与孔隙率具有很好的幂函数关系,揭示了填充作用对固化土强度的影响;碳化作用下固化铅污染土中观察到较多结晶状态良好的碳化反应产物CaCO3,固化土总的孔隙体积减小,小于0.01μm的凝胶孔和0.01~0.1μm的小毛细孔所占比例减少,0.1~10μm的大毛细孔和大于10μm的大孔隙所占比例增加。

不同岩性高压水射流切缝机理研究

硬岩掘进机在高强度岩体中存在掘进速度低、滚刀磨损快等问题,高压水射流可在掌子面切缝以降低岩体完整性,从而提升滚刀破岩性能,探究高压水射流切割岩石机理是研究高压水射流辅助TBM掘进的重要一环。运用高压水射流数控平台分别对砂岩、大理岩和花岗岩进行了高压水射流切割试验,射流压力从150MPa增至300MPa。通过观察岩石表观损伤、测量切缝深度与宽度获得岩石宏观破坏特征,发现在高压水射流作用下砂岩表面主要以笔直切缝为主,大理岩表面产生连续破碎带,花岗岩表面则产生较大破碎坑,但破碎坑数量明显较少。通过破岩碎屑的筛分试验及射流切槽周边荧光裂纹显现分析岩石损伤特征,发现砂岩切缝形成主要以射流的侵蚀作用为主,颗粒间的胶结物被冲刷剥落,高压水射流的冲击作用不明显,切缝横截面处未发现微裂纹。2种强度更高的结晶岩同时受到高压水射流的侵蚀作用与冲击作用影响,大理岩主要发生穿晶破坏形成“长颈漏斗”形切槽,花岗岩则在水楔作用影响下发生更多沿晶破坏,最终形成较大破碎坑。

影响双护盾TBM掘进效率的地质因素及对策研究

针对地质因素影响TBM掘进效率的问题,以兰州市水源地建设工程输水隧洞双护盾TBM施工为背景,采用现场调查、数据统计的方法,分析了岩石单轴抗压强度、岩体完整性、岩石石英含量、地应力、地下水等对TBM施工的影响,并针对各种地质因素提出了TBM施工对策。结果表明:①当岩石单轴抗压强度R_(c)在50~80 MPa时,TBM施工速度最高,日进尺可达30 m以上;当R_(c)低于50 MPa时,施工速度随强度的降低而降低;当R_(c)大于80 MPa时,TBM施工速度随R_(c)的增加而降低。②当岩体完整性系数K_(v)在0.40~0.60时,施工速度最高;当K_(v)大于0.60时,施工速度随着K_(v)的增加而降低;当K_(v)小于0.4时,施工速度随着K_(v)的降低而降低。③岩石的石英含量越低,地应力水平越低,地下水越少,对TBM施工越为有利。研究结果可为类似工程的TBM地质适宜性评价及施工方法提供参考。

斜入射线弹性节理应力波传播特征的数值模拟

依据弹性波理论,应力波斜入射线弹性节理时会发生波场分解。根据入射、透射及反射各波形的不同到时,运用离散元软件UDEC模拟应力波在含倾斜节理岩体中的传播并计算其透射、反射系数,并分析其波型转换规律。应力波斜入射单节理时,模拟得到的透射、反射系数随节理刚度、入射角度的变化规律,与已有的理论解是吻合的。应力波斜入射一组平行节理时,随着节理间距的增大,其同类波的透射系数Tpp、Tss先增大后减小,最后趋于稳定值;节理条数越多,Tpp、Tss越小。此外,不同条数的节理,透射系数达到最大值的临界节理间距值基本一致,但趋于稳定时的节理间距值随节理条数的增加而逐渐增大。

台山核电站边坡爆破振动监测及数值模拟研究

台山核电站场平一期边坡的稳定性直接关系到电站的顺利建设及核电站运营期间的安全。通过现场爆破振动监测,分析了爆破开挖时边坡的振动速度衰减规律,发现爆区上方马道内侧质点振动速度随高程增加存在放大效应,并且这种放大效应在水平径向比垂直向更为显著;另外,在爆区上方第1级马道内侧,质点垂直向振动速度一般比水平径向振动速度大,平均为其1.5倍左右,而后随着应力波向坡体传播,垂直向速度迅速衰减,而水平径向速度衰减相对较慢,到第3级马道内侧,质点水平径向速度已和垂直向持平或略大。同时,结合三维离散元数值软件(3DEC)进行数值模拟,对边坡在爆破荷载作用下质点振动速度、位移以及塑性区状态进行分析,并与现场监测结果进行比较。结果表明,数值计算值与实测值误差在15%以内;在爆破荷载作用下边坡各级马道外侧顶点产生永久位移,但均较小,且趋于稳定;塑性区仅限于爆区周围,边坡整体是稳定的。

台阶与预裂爆破岩体振动特征的对比研究

基于萨道夫斯基公式,对台山核电站一期工程核岛区台阶爆破和预裂爆破的岩体振动监测数据进行分析,结果表明:在20～200 m的监测范围内,预裂爆破岩体振动速度的K,α值均大于台阶爆破。通过量纲分析,建立了台阶爆破和预裂爆破岩体振动频率与起爆段药量及爆源距的函数关系,并通过回归分析,对比研究两种爆破类型的振动主频,结果表明:主频随最大段药量或爆源距的增大均减小;对于相同的爆源距,预裂爆破产生的振动主频高于台阶爆破,且随着最大段药量的增大两者差距逐渐变小;对于相同的最大段药量,预裂爆破主频随爆源距的衰减比台阶爆破要迅速。

兰州水源地工程超长输水隧洞初始地应力反演研究

兰州水源地工程输水隧洞全长31.29km,沿线地质条件复杂。为准确获得该超长输水隧洞沿线的初始地应力场分布情况,分别采用多元线性回归方法(方法1)和粒子群-神经网络智能反演方法(方法2)开展了初始地应力场研究。结果表明,兰州水源地工程输水隧洞沿线地应力属中等地应力场,以水平构造应力为主,埋深较大时(>380m)逐渐转变为以自重应力场为主;两种方法所得地应力值均与实测值相近,方法2的计算精度较方法1高,但计算量约大4倍,因而大范围地应力估算时方法1具有计算量小、精度足够的优点,而局部范围地应力估算时方法2精度更高、效果更好。

黄河流域梯级水库大坝风险评估与管控的战略思考

梯级水库群的安全是保障黄河长治久安、促进全流域高质量发展的客观要求。针对梯级水库风险格外复杂、难以量化的问题,基于系统风险识别与分析,将梯级水库大坝风险分为自身风险和附加风险,将溃坝风险后果分为直接后果和潜在后果,建立了梯级水库与单个水库大坝风险计算方法的有效衔接。以连溃条件概率量化风险的传递和叠加程度,提出了用于梯级水库大坝风险概率计算和溃坝风险后果评估的相关理念和方法。针对不同梯级水库类别并结合“四预”措施,分别从降低风险概率和减小风险后果层面指明了梯级水库大坝风险管控的方向,可为黄河流域梯级水库群规划、建设和运行管理提供参考。

考虑不确定性的TBM施工速度加权随机森林预测模型

TBM施工速度影响因素众多,具有显著的不确定性。对于地质参数的模糊性,采用岩体分级系统RMR、岩石耐磨性CAI和岩石硬度H衡量地质条件;对于施工过程中机械参数的随机性,利用TBM刀盘推力TF与转速RPM等主动控制参数进行分析;同时提出以其他因素停机时间占比来量化人为因素的不确定性。依托兰州水源地建设工程输水隧洞双护盾TBM施工实测数据,建立了考虑不确定性的TBM施工速度预测数据库和加权随机森林算法模型,并与随机森林、支持向量回归、BP神经网络等预测方法进行了对比分析。研究表明,加权随机森林模型中测试集的预测结果均方根误差和决定系数分别为1.59,0.97,预测精度及可靠性均优于其他3种模型。该模型采用不同权重赋值的方法优化超参数,具有高精度、不易过拟合等优点,表现出更好的泛化能力和鲁棒性。

CCS水电站引水竖井不良地质段块体稳定性分析

2号引水竖井布置于CCS水电站压力管道上、下平段之间,埋深超过500 m。依据开挖揭示的地质条件,竖井1 086~1 110 m高程段出露3条陡倾角断层及1条陡倾角侵入岩脉,各结构面之间相互交切,在竖井后续开挖中,易形成不稳定块体。运用UNWEDGE软件分析可能形成不稳定块体的结构面组合,计算其安全系数,并对原设计支护参数进行调整,及时预报,确保竖井围岩稳定。

岩石节理倾角和间距对隧道掘进机破岩特性影响的试验研究

为了研究岩体节理参数(节理间距和节理倾角)对全断面岩石掘进机(TBM)盘形滚刀破岩效果的影响,对实际条件进行简化,在改进的试验装置上进行压头作用下相似材料的变形、破坏试验。采集整个加载过程中压头的侵入深度和荷载数据,并采用相机实时拍摄,获得试件表面破坏的发展过程以及最终破坏形态。试验结果表明,当节理倾角一定时,随着节理间距增大,达到跃进点的贯入荷载值增加,侵入功以及主裂纹扩展能量也都呈增大趋势,当α=0°、90°时,抗侵入系数基本一致,当α=30°、60°时,抗侵入系数逐渐增大。当节理间距一定时,随着角度的增加,跃进点荷载、抗侵入系数、侵入功以及主裂纹扩展能量都呈现先减小后增大趋势,在α=30°时,各值都为最小值。根据试件破坏后形态分析发现,节理的空间特征对裂纹扩展模式有明显的控制作用,对破坏区域的形成也有明显的限制。

层理对爆破振动传播规律的影响

山东海阳核电厂场地层理分布比较明显,在岩基爆破开挖过程中,通过测试爆区后方测爆连线与层理走向不同夹角方向的一系列测点的振动速度值,求出了与层理走向不同夹角方向的爆破振动衰减规律。文中指出当不考虑爆破抵抗线后冲力等其他因素影响时,同一爆源的相同爆源距处,在顺着层理走向测得的爆破振动速度值大于在垂直于层理走向测得的爆破振动速度值,给出了爆破振动衰减指数随测爆连线与层理走向夹角的增大而增大的结论。在进行爆破振动监测时,应该按照场地地质情况,合理布置监测点。当现场情况较为复杂时,沿爆源周边多布置几个监测点是必要的。

深切河谷区地应力场分布规律研究

基于对南水北调西线工程7个坝址区水压致裂法地应力测试结果的统计分析,初步得出深切河谷区最大水平主应力量值随深度呈分段线性关系的结论。分析结果还表明在河谷埋深较浅部位(即应力释放区),最大水平主应力值随深度的增加幅度较小,而在较深部位(即应力集中区),最大水平主应力值随深度的增加幅度较大。此外,利用有限差分程序FLAC3D,对阿达坝址区的地应力场进行反演。研究结果表明:(1)河谷卸荷作用对浅部谷坡的地应力场影响较大,在该区域采用水压致裂法确定地应力场误差可能会比较大;而对河床区域应力场方向的影响较小,采用水压致裂法来确定河床区域的应力场是可行、可靠的;(2)不仅河谷区地应力场存在3个分区即应力释放区、应力集中区和应力平稳区,岸坡地应力场也存在上述3个分区;(3)阿达坝址区河谷底应力集中范围在河床下60～140 m范围内;(4)深切河谷区应力集中区的深度受岩体卸荷强弱程度和地形地貌的差异影响较大。

含一阶和二阶起伏体节理剪切强度的试验研究

利用高强石膏材料浇注含不同一阶和二阶起伏度的岩体节理模拟试件,通过节理在不同一阶和二阶起伏度及法向应力下的常法向荷载剪切试验,对其剪切强度特性进行研究,分析一阶和二阶起伏度及法向应力对剪切强度的影响规律。试验结果表明:含二阶起伏体节理试件的剪切强度-剪切位移曲线有多个峰值剪应力出现,只含一阶起伏体节理的峰值剪应力不明显;节理剪切强度随着一阶和二阶起伏度及法向应力的增大而增大;随着二阶起伏度与一阶起伏度比值的增大,剪切强度先增大后降低。对试验数据进行回归分析,提出能反映一阶和二阶起伏度及法向应力影响的剪切强度经验公式。

单自由面爆破振动特征的炮孔堵塞长度效应

单自由面爆破条件下作用在岩体上的最有效破坏力小,而阻碍岩体破坏的作用力很大,使炮孔堵塞长度对爆破振动有较大影响。因此,研究单自由面爆破振动特征的炮孔堵塞长度效应有重要意义。进行了小规模的不同堵塞长度的单自由面爆破试验,并模拟了其爆破过程。研究表明,近距范围内爆破振动速度迅速衰减,中远距离爆破振动速度衰减趋缓;随着堵塞长度的增加,场地系数K不断增加,衰减指数α总体呈上升趋势;数值模拟振动速度值与实测值误差在15%以内;爆破后不同堵塞长度模型的堵塞物底部空腔半径基本相等,约为装药半径的3倍;试验最优堵塞长度为15～20 cm,相同条件下无堵塞爆破对孔口有效应力场影响较大、对孔底有效应力场影响较小。

厄瓜多尔CCS水电站TBM法施工引水隧洞工程地质条件及问题初步研究

TBM法隧洞施工具有快速、高效、安全和环保的技术特点,但TBM施工地质适应性差,往往由于工程地质条件原因影响TBM的掘进效率,在TBM施工之前非常有必要对工程地质条件进行研究。以厄瓜多尔CCS水电站引水隧洞为例,分析岩石单轴抗压强度、岩石耐磨性和岩体的完整性等指标,得出该隧洞的地质条件适合TBM施工的结论。并根据工程区域的工程地质条件,分析施工可能遇到的工程地质问题,主要包括岩爆、断层破碎带塌方、软岩大变形、涌水、高地温及有害气体5个方面,并针对性地提出在各种不良地质条件下的预防措施和施工对策。

含软弱夹层顺层岩体爆破效应模拟试验研究

以某石灰石矿采场黏土质夹层物为软弱夹层原料嵌入预制水泥砂浆体制作含软弱夹层的顺层岩体台阶爆破模型,进行了不同爆破条件下含软弱夹层顺层岩体的爆破模型试验。试验结果表明:爆破后将软弱夹层空间展布分为4个区域:爆腔区、压密区、影响区和无扰动区,其中爆腔区、压密区和影响区构成了模型的层裂区;压密区密度随爆源距离的增加呈先增大后减小的规律,最后减小至爆破前密度。模型的层裂范围随软弱夹层含水率、最小抵抗线、爆破药量的增加而增加,随软弱夹层厚度的增加出现先增大后减小的规律。不同药包位置的试验证明,改变炮孔的装药位置可以降低或克服含软弱夹层的岩体的层裂作用。

CCS水电站引水隧洞TBM断层带卡机脱困技术

厄瓜多尔CCS水电站引水隧洞采用大直径双护盾TBM施工,开挖洞径9.11 m,在掘进至桩号K16+127.0 m时,由于断层破碎带围岩塌方掩埋及堵塞刀盘造成卡机事故。在分析地震法物探成果和钻孔岩芯的基础上,确定断层破碎带及影响带宽度约70 m,围岩稳定性差,以Ⅳ类为主,局部Ⅴ类。拆除刀盘后方16.26 m处管片的上半部分后,沿洞壁两侧开挖旁洞,至刀盘后沿引水隧洞轴线进行导洞顶拱扩挖直至通过断层破碎带,导洞开挖前采用超前锚杆、固结灌浆等超前支护措施,开挖后采用钢拱架、系统锚杆、挂网喷射混凝土支护措施;支护完成的导洞防止了TBM掘进时的洞顶塌方,TBM在断层破碎带内掘进时,每环掘进前均对掌子面前方围岩进行固结灌浆以防掌子面围岩塌方;采用以上技术措施后,TBM成功脱困并穿过了断层破碎带。

地层加固对盾构隧道下穿城际铁路影响的三维数值模拟

以无锡轨道交通二号线东林广场站-上马墩站盾构隧道工程穿越沪宁城际铁路交叉段为对象,采用FLAC3D数值方法分析有无地层加固措施时,地铁盾构隧道的修建对上覆城际高铁路基隆沉的影响,以及对盾构隧道管片受力的影响,论证钢筋混凝土承台、钻孔灌注桩和CFG桩联合加固地层的效果。计算表明:地层加固措施能有效控制路基的最大沉降量和最大不均匀沉降量,保证城际铁路的正常运行;地基加固措施能显著减小盾构管片的轴力和弯矩,提高盾构隧道的安全性和耐久性。