复杂岩溶高承压水下深埋地铁车站设计及施工方案研究

近十多年来,我国城市轨道交通工程大量建设并投入运营,区间地下隧道与地下车站的顺利建设、安全运营均与地下地质条件密切相关。在各种地质条件中,以复杂岩溶及岩溶水对地下工程的影响最为不利,特别是复杂岩溶发育叠加岩溶高承压水条件下修建地下深埋车站工程最为罕见,难度与风险最大。因此有必要对此类地质条件下地下车站设计方案、施工工艺进行深入的研究与总结。研究结论:赋存于隔水层下的灰岩溶洞和溶隙中的地下水,具有明显的承压性与不均一性,在岩性交界面因溶蚀作用显著增强,往往具有承压管道流特征;复杂岩溶及岩溶承压水条件下地下车站设计采用外截内排、分区实施、设置注浆截水帷幕+坑底处理+减压泄水井的综合设计方案可行有效;根据钻孔情况,采取化学注浆可以显著提高支护桩的成桩率;地下深埋车站的选址应当尽量避开岩溶发育条带与碎屑岩的富水与溶蚀发育交界带,以避免受复杂岩溶及高承压水的不利影响大幅增加工程投资;文中所述的设计方案与施工措施,确保了工程的按期顺利建成,取得了较好的技术、经济和社会效益,其成功的工程勘察设计与施工经验可供其他类似工点参考利用。

深埋岩溶隧道爆破开挖对围岩损伤及渗流特性的影响

深埋岩溶隧道开挖会造成围岩特殊的损伤破坏形式,并且损伤区也会影响围岩渗流场及隧道边界的涌水状况,对深埋岩溶隧道爆破开挖作用下围岩的损伤及渗流特性有重要的研究意义。为了研究爆破开挖对深埋岩溶隧道围岩损伤及渗流的影响规律,基于COMSOL Multiphysics软件建立数值模型并嵌入应力-渗流-损伤耦合方程式进行计算,采用解析法计算了简化条件下岩溶隧道开挖时围岩的应力分布,并与数值计算结果进行比较。结果表明:解析法与数值法计算的围岩应力分布有一致性,爆炸荷载使靠近溶洞侧隧道肩部及脚部区域会产生较大的拉应力;爆破后会在隔水岩柱形成“齿”状损伤区,同时引起肩部及脚部区域流速的增加,其可作为判断溶洞方位的参考依据;溶洞净距减小、洞径及水压增加会引起“齿”延伸倾角及最大涌水位置变化、隧道边界涌水量的增加,可根据“齿”延伸方向判断损伤区检测的合理方位,根据最大涌水位置变化、隧道边界涌水量的变化,合理调整涌水防治措施强度及重点防治部位。研究成果可为溶洞位置判定、隧道损伤区检测以及边界涌水防治措施提供参考。

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。

《岩石力学》课程中深埋圆形横断面隧道围岩应力计算方法的教学设计

文章根据《岩石力学》课程中深埋圆形横断面隧道围岩应力计算方法的教学内容,对深埋隧道围岩塑性区和弹性区内应力及其分布特征进行了推导,给出了易于学生理解和掌握的深埋隧道围岩应力计算方法及其分布特征的教学组织和设计,并分析了影响隧道围岩塑性区的因素。通过对所设计的深埋隧道围岩应力计算方法的教学实践,达到了预期的教学效果。

CSAMT深埋长大隧道破碎岩体靶向勘察研究

铁路深埋长大隧道因其埋深大、里程长,同时伴随复杂多变的地质问题,致使地质勘察难以查明、查细,特别是对深埋长大隧道破碎岩体空间分布的精准定位一直是工程勘察中的难题。基于CSAMT三维正反演理论,研究建立了针对深埋长大隧道中破碎岩体靶向勘察模式,从而实现“点-线-面”的精准勘察。通过开展基于四面体网格的CSAMT三维正演和有限内存拟牛顿法的三维反演研究,以及二、三维模型分析对比,验证三维CSAMT在铁路隧道勘察中的优势。在滇西地区某深埋长大隧道TBM掘进工区开展三维“点-线-面”靶向勘察试验,结果表明该勘察体系可靠且精度高,精准探明了TBM卡机工区段前方的花岗岩蚀变带影响范围及其空间展布形态,确定了断层破碎带的影响范围及其空间展布形态,有效提高深埋长大隧道勘察精度。布置靶向测线从“点-线-面”进行三维CSAMT勘察这一思路,对深埋长大隧道的勘察工作提供一定的应用参考价值。

深埋厚顶板工作面采场应力演化规律及区域水力压裂卸压技术研究

针对深埋厚砂岩顶板赋存条件下工作面回采过程中采场应力高、两巷变形量大、顶板断裂能量大等强矿压显现问题,采用FLAC数值模拟了130207深埋高应力采场应力演化规律和采场位移演化规律,结果表明,工作面推进至一次见方和二次见方时,会出现高应力集中,集中系数最高可达2.5~4.0;二次见方期间回风巷帮部水平位移可达390 mm,底鼓量可达413 mm。为确保工作面安全回采,制定了区域水力压裂卸压方案,依据关键层理论和组合梁理论计算得出130207工作面关键致灾层位为22.83 m厚粗粒砂岩层和40.23 m厚粗粒砂岩层,依据Hubbert-Willsi非渗透性地层破裂压力计算公式得出起裂压力为13.06 MPa。区域水力压裂后,工作面周期来压步距、来压持续距离明显减小,超前支承压力影响范围及应力集中系数明显降低,工作面日最大能量和日平均能量明显减小,这说明定向区域水力压裂技术效果良好。

秸秆绳不开沟深埋还田机切土刀的设计与试验

为解决北方寒地秸秆直接还田难腐解、还田均匀性差以及影响机械化作业播种质量等问题,提出先将作物秸秆加工成秸秆(草)绳后再应用专用设备将草绳深埋还田的新思路。介绍了秸秆绳不开沟深埋还田机整机结构与工作原理,重点对切土刀的结构参数进行了理论分析与设计,并对切土刀切削土壤进行了有限元动力学分析。以作业深度、作业速度为影响因素,以切削阻力为试验指标,进行仿真模拟试验,获得了两因素对切削阻力的影响规律及回归方程。通过田间试验验证了切土刀设计的合理性,为样机设计和新机型的开发提供参考。

广义章-朱准则在深埋隧道数值分析中的适用性研究

深部岩体隧道的智能建造是当今隧道工程建设的重要发展趋势。为准确模拟深部岩体的三维应力状态,提高深埋隧道数值计算精度,将广义章-朱岩体强度准则引入深埋隧道数值分析中,采用理论分析和数值计算相结合的方法从岩体强度准则的特性、参数以及工程应用3个角度对广义章-朱准则在深埋隧道数值分析中的适用性展开研究。结果表明:1)从准则特性的角度,广义章-朱准则能反映深部岩体的非线性特征以及中间主应力效应,适用于深埋隧道数值分析;2)从参数选取角度,提出了一种广义章-朱准则参数估算方法,有利于提高广义章-朱准则的适用性;3)工程案例表明广义章-朱准则具有较高的计算精度,在深埋条件下采用广义Hoek-Brown准则计算得到的围岩变形误差达到23%~30%,建议采用广义章-朱准则进行深埋隧道数值分析。

侧部承压溶洞与深埋隧道间隔水岩体安全厚度研究

为保证深埋隧道安全通过侧部高压富水溶洞区段,在隧道突水发生机制分析与隔水岩体最小安全厚度划分的基础上,结合突变理论、鲁宾涅特方程及相关工程经验对隧道边墙岩体安全厚度进行研究,导出最小安全厚度计算公式,建立突水判据,分析相关影响因素对隧道边墙隔水岩体最小安全厚度的影响规律。结果表明:隔水岩体最小安全厚度H_(min)与围岩力学参数弹性模量E、内摩擦角φ呈正相关,与溶洞水压力q_(w)、岩梁跨度L及隧道埋深h呈负相关;各因素对H_(min)影响程度由大到小依次为h、φ、E、L与q_(w),其中h与φ影响程度相近,E在超过3 GPa的情况下H_(min)变化趋于平缓,E的影响程度与L相近;结合有限元模拟结果和工程实例分析,验证了H_(min)理论计算公式及突水判据的准确性与可行性,对相关工程建设具有指导意义。

深埋隧道微震事件规律及岩爆前兆微震信息研究

以西藏多雄拉隧道作为研究对象,在隧道施工过程中构建微震监测系统,对TBM(Tunnel boring machine)掘进过程中微震信号的规律以及岩爆发生前微震信号的演化过程进行研究。结果表明:(1)微震事件总体上随着掘进进尺速率的增加而增加;(2)TBM开挖过程中围岩应力调整危险区域主要在掌子面前方1D和掌子面后方3D范围内,这与岩爆发生的区域一致;(3)矩震级大于零的微震事件可以作为岩爆预警的信号,同时注意强岩爆发生后次生灾害的防护;(4)能量指数的下降和累计视体积的上升可以作为岩爆发生前的预警信号。

爆破荷载作用下邻近深埋隧道衬砌动力响应数值模拟

为了研究深埋小净距隧道在爆破荷载下的动力响应以及保证隧道的安全和稳定,以三洞分离隧道爆破开挖工程为背景,通过ANSYS/LS-DYNA模拟分析深埋小净距隧道在爆破荷载作用下的衬砌动力响应。分析了隧道同一截面拱顶、拱腰、拱脚不同测点,不同断面的振速和位移。研究结果表明:衬砌内侧(与净空面接触)拱脚首先产生振动,爆破卸载后,衬砌外侧(与岩石接触)振动速度达到峰值。纵断面的振动速度差异较大,水平位移的影响大于垂向位移的影响。最大位移出现在拱顶,其次出现在迎爆侧拱腰处。断面拱脚处测点振动加速度最大,受到的爆轰也最大。

真三轴单面卸荷条件下中间主应力对深埋洞室岩爆影响特征

岩爆灾害已成为国内外深埋洞室建设的重大安全隐患。利用新型真三轴岩爆试验系统,开展了不同中间主应力下“单面侧向卸荷-三向五面受力-竖向持续加载”的室内物理模拟试验,对比分析了不同中间主应力下岩样的弹射破坏过程、破坏形态特征、声发射特性、碎块特征以及弹射动能等变化规律;基于三维离散元理论和多晶建模技术(随机生成Voronoi矿物晶粒),研究了真三轴单面卸荷条件下岩爆“孕育—发生—发展—破坏”全过程及能量演化特征。研究结果表明:不同中间主应力下岩爆弹射破坏过程可概括为颗粒局部弹射、岩石劈裂成板、板折断裂成块及块片全面弹射;其中,岩石劈裂成板是岩爆孕育过程中必然经历的破坏现象。岩样临空面破坏形态具有相似的多元分区破坏特征,即邻近临空面区域产生以张拉破坏为主的劈裂裂缝,远离临空面区域产生以剪切破坏为主的贯穿性斜裂缝。声发射撞击数演化过程可分为相对平稳阶段、快速上升阶段、整体破坏阶段及平静期阶段。随着中间主应力的不断增大,碎块的弹射动能呈增大的变化趋势。岩爆碎块多以粗粒、中粒与细粒碎块为主,且随中间主应力的增加,微粒碎块质量基本不变,细粒、中粒与粗粒碎块质量则呈平稳增加的趋势。利用考虑颗粒矿物成分的晶体尺度精细仿真模型(CSFM)模拟了岩爆“孕育—发生—发展—破坏”全过程,获得了岩样的应力-应变曲线,其变化趋势与室内试验测试结果基本一致且曲线吻合度较好。弹性应变能的演化曲线大致可分为早期增长速率递增阶段、近似线性增长阶段、屈服平台期间增长速率递减阶段及峰后急剧下降阶段。

深埋大理岩三轴压缩渐进破坏裂纹扩展特征

为深入研究深埋大理岩渐进变形破坏过程中的裂纹扩展特征,基于常规三轴室内试验完成数值模拟参数标定,利用PFC3D颗粒流模型对深埋大理岩开展25、50、80 MPa 3种不同围压下的裂纹扩展数值模拟试验,根据大理岩加载过程中微裂纹演化状态参数定义3种特征应力,并据此开展深埋大理岩渐进破坏过程中的宏、细观破坏特征及其对应裂纹扩展特征的规律研究。结果表明:1)室内试验与数值模拟的应力-应变曲线吻合较好,峰值应力相差较小,破坏形式与室内试验一致,故数值模拟参数标定合理。2)依据总裂纹、张拉裂纹和剪切裂纹扩展数量演化曲线斜率变化规律,将深埋大理岩渐进破坏过程划分为弹性压缩阶段、裂纹稳定扩展阶段、裂纹加速扩展阶段和峰后残余阶段4个阶段,并根据裂纹数量定义3个特征应力点。3)随着围压的增加,深埋大理岩达到起裂应力σci时,裂纹从两端开始萌发;加载至损伤应力σcd点时,裂纹向中间扩展;达到峰值应力σc点时,在宏观破坏面附近扩展、增生;加载至峰值点后70%峰值应力点时,最终形成以剪切破坏为主的贯通宏观破坏面。4)随着围压的增加,裂纹出现的范围更广,贯通性减弱,峰值应力σc点处产生的裂纹对宏观破坏产生的影响更为剧烈,峰后残余阶段张拉裂纹发育更明显。5)加载前期,围压的增长对裂纹数量增长促进作用更强;加载后期促进作用减弱;最终裂纹扩展形成的实际宏观破坏角度大约为210°。

基于多元线性回归原理的高海拔深埋隧道地应力反演分析

基于青藏高原东南地区某特长深埋隧道工程,建立了高精度的山体三维有限元模型。在横洞内钻取了岩芯试样,通过室内试验获得了岩石物理力学参数。采用水压致裂法测得该工程区的现今构造应力,测区现今主应力场以南西-北东向挤压为主。地应力数据转换角度后,通过多元线性回归的原理,得到构造应力的回归公式,回归公式和回归系数满足显著性检验。计算得到隧道工程区域的构造应力场,反演计算精度良好,计算结果符合实际隧道工程区域的构造特征。隧道轴线上的主应力分布规律表明:该隧道受到强烈的构造挤压作用,岩体内赋存较大的水平应力,最大水平主应力超过62 MPa。为避让大断层而选择的隧道走向与最大水平主应力小角度相交,这将有利于隧道围岩的稳定。隧道埋深较浅的里程地应力特征为S_(H)>S_(V)、S_(h),埋深较大的里程地应力特征为S_(H)>S_(V)>S_(h)。从应力角度初步统计出该特长深埋隧道的岩爆灾害等级,该特长深埋隧道全线路发生岩爆灾害的概率较大。

考虑损伤效应的二向不等压深埋圆形隧道弹塑性统一解

为了研究二向不等压地应力环境下深埋圆形隧道损伤后的力学响应问题,通过考虑深部围岩的损伤效应,基于统一强度理论建立二向不等压深埋圆形隧道弹塑性解,依托华丽高速东马场隧道验证解的准确性和适用性;研究损伤效应和中间主应力对围岩应力分布和变形的影响,并探讨不同侧压力系数、剪胀系数和支护反力下深埋圆形隧道围岩的损伤程度。研究结果表明:二向不等压深埋圆形隧道开挖后,围岩峰后的损伤效应会加剧隧道的挤压变形,考虑损伤效应的变形计算结果与现场实测结果更接近;中间主应力能提高围岩的承载能力,抑制隧道的挤压变形,不考虑中间主应力会高估隧道的变形潜势;侧压力系数决定围岩损伤区的形状和大小,施工时应根据围岩不同位置的损伤程度对关键变形部位进行注浆加固;剪胀系数越大,围岩的损伤程度越大,损伤区的范围越大;支护反力能抑制围岩的损伤效应,在实际工程中需及时施作支护约束围岩变形,以改善围岩的受力情况。

深埋地铁电梯辅助大客流出站建模与分析

为提高大客流场景深埋地铁乘客出站效率,基于社会力模型开展大客流场景下深埋地铁电梯辅助乘客出站5类场景模拟仿真,深入研究乘客出站效率与电梯数量、电梯运行参数、位置布设和乘客选择电梯出站比例间的关系。研究结果表明:深埋地铁大客流场景下通过电梯辅助可提高乘客出站效率;平均出站时间与电梯数量和电梯额定荷载呈三次多项式关系,与电梯额定运行速度呈幂律关系;电梯数量、额定荷载、额定运行速度单独分别增加大于3部、30人、5 m/s时,乘客的平均出站时间降低速度减慢;与未设置电梯场景相比,10%乘客选择乘坐电梯时,设置4部额定荷载与运行速度分别为15人和1 m/s的电梯时,平均出站时间最大缩短16%。研究结果有助于深埋地铁站客流管控与电梯出入口规划建设的决策。

特长深埋隧道岩爆倾向性预测与影响因素研究

岩爆倾向性预测是深埋硬岩隧道工程施工的难点,以往研究多以隧道施工中现场监测数据为预测基础,但预测结果存在时效性和局限性。从西南地区某特长深埋隧道工程区地应力现场实测数据出发,对区域地应力场进行三维数值反演分析,获取隧道轴向地应力特征,从而对隧道施工中岩爆倾向性等级进行预测,并利用数值模拟手段对岩爆影响因素进行对比分析,其结果可为类似特长深埋隧道工程提供参考。研究结果表明:①实测点附近三向主应力总体趋势为:σ_(H)>σ_(v)>σ_(h),其中最大水平主应力σ_(H)值为10.96~17.07 MPa,方向N9°W~N7°E;②隧道轴向最大水平主应力σ_(H)最大值为23.88 MPa,最小水平主应力σ_(h)较恒定;竖向主应力σ_(v)最大值为46.70 MPa,其量值变化和隧道埋深呈正相关。该隧道具备岩爆发生的基本条件,施工中存在中等、强烈岩爆风险;③侧压系数为0.8时,墙角处岩爆倾向性较大,其他各部位倾向性相同;埋深越大,岩爆倾向性越大,且各部位岩爆倾向性受埋深的影响程度基本一致;围岩弹性模量为40 GPa时,岩爆倾向性最大;围岩内摩擦角大于40°时,隧道断面各部位岩爆倾向性趋于平稳。

某深埋TBM隧洞围岩地质变化区破坏特征与类型判别方法

某深埋TBM隧洞地质变化区开挖过程中岩爆和塌方交替发生,导致工期严重延误,严重威胁现场人员及施工安全。通过现场地质踏勘、微震监测和结构面统计,研究现场工程地质灾害与围岩岩性、地质条件的关系,建立基于岩性、地质及微震活动特征的地质灾害类型判别方法。结果表明,该隧洞破坏类型与围岩岩性有显著相关性,黑云母花岗岩洞段岩爆风险最高,混合花岗岩洞段次之,钾长石花岗岩与黑云母花岗岩围岩蚀变的洞段易发生塌方;岩性变化的交界面位置,破坏规模明显增大;破坏类型还与结构面密度相关,随着结构面密度减小,破坏类型由塌方转变为中等岩爆,进一步等级降低为轻微岩爆;微震特征分析表明,岩爆区域微震活动远大于塌方区域微震活动。当微震活动较低时,围岩破坏以塌方为主;当微震事件数>15,微震释放能>1000 J,围岩破坏以岩爆为主;当微震事件数>20,微震释放能>20000 J时,围岩可能发生中等岩爆。现场应用表明,该方法可准确预测掌子面前方潜在破坏类型,为类似工程灾害交替发生洞段的安全、高效施工提供参考。

秸秆深埋配施硫酸铝对西辽河平原地区苏打盐碱土水盐运移的影响

为探索秸秆深埋和硫酸铝改良剂配施交互作用对苏打盐碱地水盐运移的影响,在通辽市科尔沁左翼中旗开展覆膜滴灌下不同硫酸铝用量与秸秆深埋的田间试验,以甜菜为指示作物,常规处理为对照(CK),在有无秸秆深埋(A、B)的条件下分别设置4水平硫酸铝添加量(30、60、90、120 g/m^(2)),揭示硫酸铝用量、秸秆深埋与土壤含水率、盐分的相关关系,提出覆膜滴灌及秸秆深埋下适宜的硫酸铝用量。结果显示,未添加秸秆处理中B3处理0~50 cm土体平均含水率最高(23.8%),比CK高8.2%,且平均含盐量最低(1.69 g/kg),比CK低12.6%;添加秸秆处理中A3处理0~50 cm土体平均含水率最高(26.6%),比B3处理高2.8%,平均含盐量也最低(1.57 g/kg),比B3处理低19%,且平均积盐率最低,比B3处理降低7.6%;A3处理在10~20和20~30 cm处土壤含水率均显著高于B3处理(P<0.05),在0~10和20~30 cm处土壤含盐量较B3处理显著降低(P<0.05);A3处理0~30 cm各土层均有脱盐趋势,达到显著水平(P<0.05),平均脱盐率11.5%;硫酸铝和秸秆深埋交互作用与土壤含水率呈极显著正相关(0.808),与土壤含盐量呈显著负相关(-0.564)。秸秆深埋和硫酸铝改良剂综合作用可有效降低土壤pH值0.53~0.94,缓解土壤碱化度20.5%~21.9%。覆膜滴灌及秸秆深埋下硫酸铝用量在72~104 g/m^(2)为适宜当地的推荐用量。研究结果可为西辽河平原地区盐碱土壤改良提供理论依据。

深埋四孔小净距隧道围岩压力的计算方法

随着工程建设的不断发展,隧道开挖孔洞数量增多的同时,多孔洞隧道相应围岩压力计算理论并不完善.针对四孔小净距隧道,以普氏理论为基础,参考已有研究中的荷载计算模型,结合四孔隧道位置特征,将深埋四孔小净距隧道计算荷载简化,综合考虑隧道开挖顺序与中岩柱所发挥作用,提出深埋条件下的围岩压力计算方法,利用该方法,结合余姚市某四孔公路隧道进行计算,并分析隧道间净距、隧道开挖跨度与中岩柱承载能力对围岩压力的影响规律.结果表明:隧道净距会影响隧道围岩压力附加承载拱的形成,净距越大各隧道偏压程度越弱,且两中洞间净距的变化对隧道整体围岩压力的影响较大;当隧道间净距不变时,增大隧道开挖跨度,隧道洞室所承载围岩压力逐渐增大,且内侧竖向围岩压力变化均强于外侧;围岩承载能力越强,相同中土柱厚度条件下隧道开挖相互影响越小,其分担来自隧道上方附加平衡拱内松散围岩压力的效果越好,隧道支护结构所承受围岩压力越小;四孔小净距隧道中洞间距的变化对隧道整体围岩压力的影响较大,隧道偏压特性随间距的增大而逐渐减小.