双线大直径输水隧道建设对既有桥梁及桩基的影响分析

为准确分析双线大直径输水隧道下穿对既有桥梁结构的影响,构建桥梁-地层-桩基-盾构隧道高精度数值仿真模型,对桥梁桩基结构及盾构过程进行精细化模拟,结合基于智能算法的土层参数反演模型,获取更接近真实情况的土层参数,以提高数值模拟精度。结果表明:输水隧道盾构开挖引起的地表最大沉降量为15.01 mm,基于反演的地表变形计算结果与实际监测值的误差减少约70%;盾构隧道双线开挖会引起地表二次沉降变形,两条盾构隧道中间区域的地表二次沉降量最大,约占总沉降量的60%,最大二次沉降量为5.06 mm;隧道两侧的桩基受到影响较大,最大位移为10.03 mm,位于桩基顶部,而隧道开挖对桩基内应力分布影响较小,可以认为无影响。

非圆形隧洞衬砌支护下应力与位移的新解法

以往在利用平面弹性复变函数方法进行衬砌支护作用下非圆形隧洞的力学分析时,一般将洞室外域保角映射到象平面的单位圆外域,并认为可以利用同一个映射函数将衬砌截面映射到象平面的圆环域内。当衬砌厚度很薄时,这种方法是可行的,而当衬砌相对较厚时,利用同一映射函数所得到的衬砌截面形状发生严重失真。为解决此问题,本文引入两套映射函数,分别将洞室外域映射到象平面的单位圆的圆外域,衬砌截面映射到圆环域。这种方法可以适应于不同的衬砌厚度,利用这种方式获得的衬砌截面,在衬砌较厚时仍能保证衬砌厚度相对均匀。在求解解析函数过程中不再采用传统的幂级数解法,而是使用边界配点法,将两套映射函数结合,获得了该问题的应力解和位移解。本文以马蹄形隧洞为例,求解结果与ANSYS软件所得数值解吻合很好,分析了衬砌厚度对隧洞应力和位移的影响。根据本文解答可以方便、快捷地进行相近条件下隧道的初步设计。

亭子口灌区一期工程红层地区浅埋输水隧洞支护措施

红层地区浅埋输水隧洞开挖受不良地质条件、施工难度大等因素影响,易发生塌方或冒顶。四川省亭子口灌区一期工程所在区域为川东红层地区,以软岩、较软岩为主,软岩浅埋隧洞施工是工程施工的难点之一。以亭子口灌区一期工程东干渠五通庙隧洞为例,对大管棚和超前小导管方案进行了对比,并通过安全监测和数据分析予以验证。实践证明,超前小导管加固方案可解决因埋深浅而造成洞身坍塌和洞顶地面大变形的危害,为此类浅埋输水隧洞施工提供一定的参考。

TBM盾构管片台柱型定位销设计制备技术研究及工程应用

全断面硬岩隧道掘进(TBM)施工过程中同一断面内的相邻两个衬砌管片之间需要进行连接,若拼接施工存在问题或定位销出现变形,会引起盾构管片的上浮和错台。文章分析了传统定位销存在的缺点及施工方面的不便,设计了一种新型的定位销,对管片模具及预埋方式进行了修改,并对定位销的承载性能进行了研究。研究结果表明,将原来的纺锤形结构改为台柱结构,设置有多圈凸纹,可以有效增大定位销与定位销孔之间的摩擦力,方便施工和便捷安装。控制注塑材料的抗拉强度不低于80 MPa,制备而成的台柱定位销剪切强度达到了420.0 MPa以上,具有很高的力学性能。所制备的定位销在某引水隧洞工程中进行了工程应用,降低了TBM管片的制作难度及定位销的安装难度,取得了良好的工程效果。

复杂地质大型地下洞室开挖与支护技术研究

在复杂地质条件下进行大型地下洞室的开挖与支护,这一直是一项极具挑战性的工程,其中有很多层次的地质变化和结构应对。本文主要研究了在复杂地质背景下应该如何有效应对洞室开挖过程中遇到的各类技术难题,特别是地下岩层特性的复杂性、地下水位波动、软弱地层的稳定性等多方面挑战,同时还注意结合支护技术的选择与实施,保障工程能够进一步提高施工效率。希望通过本文的研究可以为未来类似工程提供有力的技术参考,确保在复杂地质条件下大型地下洞室工程能够快速高效地实施。

护盾式TBM破碎岩体洞段处理措施探讨

目前国内大部分隧洞工程在硬岩中施工多为开敞式TBM,在岩石较为单一的隧洞中施工较为顺利,而在地质较为复杂的地层中施工较为困难,施工工期往往以年为单位进行延误,虽然对设备及施工方案进行了多方的改进,但成效不大。因此在本工程的设计阶段,初步计划采用对护盾式TBM在硬岩中掘进,并对护盾式TBM在软弱破碎岩体洞段中处理措施进行探讨与分析。

知识驱动和数据驱动在TBM智能施工机器学习中的应用

依托引绰济辽工程(YC)和引松供水工程(YS),从理论分析、统计检验等方面系统回顾并总结基于知识驱动方法提取的现场贯入指标FPI和扭矩贯入指标TPI在TBM智能施工机器学习中的应用。从智能预测围岩分类和掘进参数两方面出发,将基于特征参数的预测结果与通过数据驱动获得的结果进行比较。研究结果表明:通过知识驱动获取的参数FPI和TPI可以降低数据维度和噪音,提高预测效率。在围岩分类智能预测方面,知识驱动和数据驱动方法均表现出较好的精度水平;在掘进参数预测方面,知识驱动的预测精度远高于数据驱动。作者认为单独使用FPI和TPI或者将其与数据驱动参数结合,可以丰富TBM领域机器学习的输入参数,获得较好的预测成果。

长期运行引水隧洞开裂衬砌受力影响规律与承载特性

衬砌裂缝是引水隧洞中常见的病害之一,衬砌开裂会对隧洞衬砌承载力和安全性造成不同程度的影响。以长期服役的东江水源工程引水隧洞衬砌为研究对象,通过现场检测确定了全洞段裂缝的产状、分布规律和开裂特征。利用ANSYS软件中的软弱薄层单元,建立了开裂衬砌的三维数值模型,得出贯穿型纵向裂缝的位置变化对衬砌结构安全性的影响,系统分析了衬砌的承载特性。结果表明,衬砌开裂条件下,衬砌结构局部开裂区的安全系数降低最为显著,尤其是拱肩位置的裂缝对结构的危害程度远大于边墙、拱顶裂缝;另外,裂缝的产生会对其他未开裂部位的受力特性及稳定性产生影响。数值模拟结果良好地体现了裂损衬砌对隧洞结构的影响规律,与现场检测结果一致,为长期服役下隧洞结构病害防治提供了参考。

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。

筑坝级配料爆破开采数值仿真与应用

水电工程中堆石坝的长期运行安全与坝体填筑料的质量密切相关,科学、准确预测爆破级配分布是需要解决的关键问题。因此提出了一种适用于工程尺度的水工级配料开采爆破数值仿真方法,并结合重大水电工程应用以验证其有效性。首先,基于爆破块度形成的力学机理,结合相关测试数据,分析确定岩体破碎脱离母岩临界条件下的爆破损伤阈值,建立水工级配料开采岩体爆破破碎的损伤阈值判据;进而基于这一判据,采用图像软件对爆破块度边界进行识别,确定爆破块度的空间分布特征,并定量输出爆破级配分布曲线;最后基于两河口水电站大坝填筑料的爆破开采,采用上述方法分别针对堆石料和过渡料的开采爆破进行数值仿真,并采用现场实测的筛分资料进行对比,结果表明,所提的数值计算方法可以很好地模拟爆破块度的空间分布;进一步分析了不同孔位布置特性对级配料不均匀系数的影响,矩形布孔和梅花形布孔两类形式在形成爆破块度的分布特性上有明显的差异,矩形布孔有利于生成连续-不均匀的爆破级配分布形式。

三维重构反演的土石坝渗漏通道精确识别技术

高密度电法是探测土石坝渗漏的主要方法,但对渗漏范围边缘的识别较为模糊,无法分辨低阻识别成因。为了弥补该局限性,提出一种三维重构反演(3D-reconstructioninversion)的渗漏通道精确识别方法:首先布设多条正交于可能存在渗漏通道的2D平行测线并进行高密度电法反演,将反演图简化处理后置于三维模型剖面中,然后利用多条测线探测的低阻区高程推算出浸润线,综合分析确定渗漏位置。结果表明:该方法可以精确检测渗漏位置,确定导致反演中低阻识别的原因,可更加直观地观测渗漏通道走向,有效减少因正常渗流导致的低阻识别误差。

大型抽水蓄能电站长直型隧洞风尘迁移规律研究

抽水蓄能电站地下洞室群施工存在通风难度大、风尘迁移变化规律无显著特征等难题,采用DPM气固两相流模型,针对地下洞室群中不同坡度的长直型隧洞进行数值试验研究,重点揭示了典型隧洞在不同施工条件下的风尘迁移规律及小粒径沉降粉尘分布特征。研究表明:不同区域粉尘质量浓度随风机风速的增大呈下降趋势,当风速增至21 m/s时开始升高;掌子面附近区域粉尘质量浓度随供风距离的增大呈上升趋势,当供风距离大于25 m时,风机风速不再满足隧洞内通风要求;掌子面附近区域粉尘质量浓度随隧洞坡度的增大呈显著上升趋势,通风管附近出现明显的粉尘空白带;小粒径沉降粉尘分布特征由通风管位置决定,沉降粉尘颗粒最多处位于通风管出口与掌子面之间,粒径分布较广,呈正态分布规律,在通风管出口正后方处急剧下降,并沿隧洞出口方向数量逐渐减少,平均粒径逐渐减小;流出洞外的粉尘颗粒平均粒径偏小。本研究可为抽水蓄能电站地下洞室群整体施工设计提供参考。

敞开式TBM开挖隧洞围岩变形安全评价方法及应用

当TBM开挖隧洞遭遇不良地质条件下的围岩大变形地质灾害时,通常会造成卡机或侵限等风险。开展TBM开挖隧洞围岩变形安全评价工作对降低卡机或侵限等风险具有重要的现实意义。通过分析敞开式TBM开挖隧洞围岩变形特点,建立了敞开式TBM开挖隧洞围岩变形安全评价方法。该方法通过采用三维数值分析和围岩变形现场监测手段,可获得围岩在护盾区间以及出露护盾后的变形,从而实现敞开式TBM开挖隧洞围岩变形安全性判别。在滇中引水工程香炉山隧洞的工程应用表明,所提方法能够有效判别不同支护方案下的围岩变形安全性,从而为敞开式TBM开挖隧洞施工期支护方案实时调整提供依据。

TBM技术在抽水蓄能电站的应用现状与发展趋势

回顾了TBM技术在抽水蓄能电站中的应用现状,通过典型案例分析了TBM技术在抽水蓄能电站的试点应用成果,总结了抽水蓄能电站TBM技术标准化设计经验,包括总体设计原则、主要地下洞室标准化设计等方面,并对面临的挑战提出了对策建议,以推动TBM技术在抽水蓄能电站中的进一步发展和应用。

开挖补偿法防控深部地下岩爆灾害——引汉济渭工程秦岭输水隧洞案例分析

Rockburst disasters occur frequently during deep underground excavation,yet traditional concepts and methods can hardly meet the requirements for support under high geo-stress conditions.Consequently,rockburst control remains challenging in the engineering field.In this study,the mechanism of excavation-induced rockburst was briefly described,and it was proposed to apply the excavation compensation method(ECM)to rockburst control.Moreover,a field test was carried out on the Qinling Water Conveyance Tunnel.The following beneficial findings were obtained:Excavation leads to changes in the engineering stress state of surrounding rock and results in the generation of excess energy DE,which is the fundamental cause of rockburst.The ECM,which aims to offset the deep excavation effect and lower the risk of rockburst,is an active support strategy based on high pre-stress compensation.The new negative Poisson’s ratio(NPR)bolt developed has the mechanical characteristics of high strength,high toughness,and impact resistance,serving as the material basis for the ECM.The field test results reveal that the ECM and the NPR bolt succeed in controlling rockburst disasters effectively.The research results are expected to provide guidance for rockburst support in deep underground projects such as Sichuan-Xizang Railway.

动静复合拉拔作用下锚杆结构的破坏机制研究

为研究锚杆结构在动静复合拉拔作用下的破坏机制,基于锚固剂的弹塑性损伤本构模型和锚固界面黏结滑移模型,引入参数“静力比”和变幅正弦式动荷载模型,建立了锚杆结构的数值计算模型。首先以锚杆加载端的荷载—位移曲线为研究对象,通过室内试验进行了模型验证。然后对不同界面强度的多组锚杆结构在复合拉拔作用下的破坏过程、破坏模式和破坏特征等展开了研究,同时对参数静力比的影响进行了分析。结果表明:(1)受锚固界面强度的影响,锚杆结构主要包括:单一破坏模式(锚固界面滑移脱黏)、三段复合破坏模式(锚固剂斜开裂—水平开裂—界面滑移脱黏)和两段复合破坏模式(锚固剂斜开裂—水平开裂)。(2)锚固界面强度较小时,锚杆沿锚固界面完全脱黏。随着界面强度的增大,锚固剂斜向开裂缝倾角越小,斜向开裂区范围越大,但尚未延伸至锚固界面。(3)静力比在70%以下时,锚杆结构的承载力随静力比的提高而逐渐增加,反之则逐渐降低。锚杆结构的极限位移和动载循环次数均随静力比的提高而逐渐降低。(4)复合拉拔作用下锚杆结构的峰值荷载低于其在静力时的值,且峰后承载力下降更为明显。工程应用中,建议增加锚固界面和锚固剂强度,适当降低静力比,减弱动力冲击荷载的作用。

高铁海底隧道矿山-盾构对接段渗流应力耦合特征研究

矿山法与盾构法水下对接施工是海底隧道修建的关键技术难题,明确渗流-应力耦合特征是隧道对接段建设和运营安全的重要保障。采用有限元软件对现场对接施工方案进行三维数值模拟,基于数值模拟结果,分析了隧道不同施工区段的渗流特征、位移变形和应力变化规律,揭示了隧道矿山-盾构对接段施工对围岩扰动的渗流-应力耦合机制。结果表明:隧道开挖后,围岩中的孔隙水向隧道洞周及开挖面汇集并不断补给,导致孔隙水压力减小,并形成降水漏斗,隧道洞周渗流速度增加,在开挖阶段涌水量较大;受水力梯度影响,拱底处孔隙水压力最大,施工可通过设置排水措施,进行引排泄压;隧道断面开挖时,位移变形产生突变,受开挖面排水泄压影响,在隧道断面开挖前,拱底处产生竖向位移沉降;相较于盾构法,矿山法施工的扰动程度更大,在不同施工段落区段,采用矿山法施工的开挖断面主应力分布一致。研究可为海底隧道矿山法与盾构法水下对接工程安全性评价提供参考。

岩石平面应变状态辨识特征与精度控制

水工隧洞等地下工程围岩可视为处于平面应变状态,为了认识岩石平面应变状态辨识特征,开展了系列离散元岩石力学试验。首先,阐述岩石平面应变试验的意义及问题;然后,通过实验室单轴结果标定一类花岗岩参数,从“数据”和“损伤”两方面分析了岩石平面应变状态的辨识特征;最后,探索了岩石平面应变试验侧限装置的精度控制阈值。结果表明:(1)通过分析平面应变压缩下岩样轴向应力、侧限墙应力、裂纹发育趋势,给出了3个特征数据点,揭示了岩石从损伤到破裂的阶段性变化过程;(2)平面应变压缩过程中的3个特征点界定了试样裂纹发育的演化规律;裂纹从零星分散发育到局部化发育,然后开始深化连通直到试样破裂;(3)建议岩石平面应变试验的侧限装置的位移允许值取单轴峰值点对应的单向侧应变,在该阈值控制下获得的“半平面应变状态”的特征点与“完全平面应变状态”的特征点基本吻合。

地下隧洞突水突泥演化过程模拟分析方法

在富水、高压、不良地质条件下,如何评估施工过程中的突水突泥破坏风险等级,是地下隧洞施工设计的难题。正确分析地下隧洞开挖应力与渗流耦合互馈作用,是合理模拟地下隧洞施工开挖突水突泥演化过程的关键。首先,根据开挖荷载释放过程中的围岩损伤演化机理,提出了根据不同变形阶段围岩损伤特性计算相应围岩损伤系数的方法,并分析其对渗透系数的影响。然后,根据围岩破坏特性和突水破坏机理,提出了围岩临界突水系数的计算方法,并根据围岩损伤破坏和渗透破坏程度,将突水突泥破坏划分成4个风险等级,为地下隧洞施工开挖突水突泥破坏风险评估提供了依据。最后,根据渗流变化与应力损伤互馈耦合作用原理,提出了变损伤刚度、开挖荷载加权分级以及渗流荷载迭代施加的耦合计算方法,模拟了地下隧洞施工开挖突水突泥演化发展过程。将该方法运用于工程实际,证明了所提理论和分析方法的合理性,为地下隧洞开挖突水突泥演化判别提供了一个可行的分析思路。

基于贝叶斯分类算法的隧道开挖安全风险概率评价

隧道开挖安全风险因子的早期识别及风险评估,对隧道后期施工及安全管理具有重要的指导意义。在收集研究区8条隧道相关资料的基础上确定影响因子,同时结合同类型隧道开挖遇到的主流问题进行分析,采用专家打分法确定了各安全风险因子的权重比例,确定了6个一级安全风险因子和20个二级安全风险因子,并对各一级因子权重进行归一化处理,进而得到各安全风险因子条件概率表和先验概率表,最后利用GeNie2.3软件进行风险评价。研究表明,线路涉及的隧道工程总体安全风险水平为Ⅲ级,各安全风险因子中敏感性较高的为地震(B3)、塌方(B6)及开挖方式的合理性(B15),并在此基础上提出了应对措施。