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。

高海拔排水巷断层突水突泥前兆信息演化规律数值模拟

目的:以西藏巨龙铜矿穿破碎带排水巷道施工为工程背景,分析断层突水突泥前兆信息演化规律。方法:通过数值模拟,探究了流固耦合作用下排水巷道施工至破碎带过程中围岩位移、应力、塑性区以及渗流场的变化规律,分析了巷道穿断层破碎带突水突泥前兆信息演化规律。结果:结果表明:巷道掘进至破碎带时,掌子面位移发生突变性增大。同时破碎带发生应力扰动。围岩塑性区向破碎带方向扩展,破碎带内岩体发生塑性变形,与掌子面塑性区贯通。巷道掘进至破碎带时,围岩内渗流场发生明显变化,被揭露的破碎带形成排水口,围岩水压骤然减小,巷道内容易发生突水突泥事故。意义:本文研究结果为巨龙排水巷穿破碎带施工提供了理论参考。

宝林隧洞F31断层的地质特征及其突水突泥机制探讨

断层是隧洞施工突水突泥的主要致灾构造之一。宝林隧洞F31断层位于鄂北片麻岩区,其地表特征与地下特征差异较大,几乎没有明显的断层影响带,地下整体发育规模较大,与国内外其他常规断层致灾构造有明显差异。通过对F31断层地形地貌、地质构造、物质组成、地下水等特征的详细分析研究,得出F31断层经历多期活动,虽然整体规模较大,但突水突泥灾害主要由最后一期活动的平推断层诱发,其物质来源主要为断层泥、软化碎裂岩及断层面附近破碎构造角砾岩。断层整体蓄水量有限,但地下水连通性好、水头高、补给量大,F31断层突水突泥灾害为典型的导水型断层由于隔水层被击穿诱发的间歇性突水突泥灾害,研究成果对相同地质背景下其他工程具有重要的参考价值。

基于区间数理论的岩溶隧道突水突泥灾害危险评估模型研究

为进一步研究岩溶区隧道突泥涌水灾害分析评价的不确定性和模糊性问题,基于区间数理论、模糊综合评价法以及层次分析法建立岩溶隧道突水突泥灾害危险评估新模型,并从地层岩性条件、地质构造条件、不良地质条件、地形地貌条件、隧道与地下水的位置关系和地下水循环运移条件等影响突水突泥灾害的关键因素出发,建立含有6个一级指标、13个二级指标的评价体系,以期统一刻画区间形式的岩溶隧道突水突泥评价指标的确定性和不确定性,为岩溶区隧道突水突泥区间段落灾害预防与整体评价提供更加实用的解决途径。典型案例对比和实例应用结果表明,该模型评估的岩溶区隧道突水突泥危险等级与案例揭示情况较为吻合,其方法的合理性与实用性得到了验证,计算所得的危险等级较为合理。

隧道突水突泥地质灾害成因分析与治理方法研究

由于现有的治理方法掌子面涌水量较多,容易发生灾害,为此研究隧道突水突泥地质灾害成因分析与治理方法。当隧道穿越高压富水断层时,岩体的厚度发生剪切破坏,使得围岩平衡发生变化,当释放地下水所存储的能量后会发生突水问题。当地下水携带有大量泥砂时会形成突泥现象,运用堵截处理的方式将地表水补给进行截断,对地表进行封闭与注浆加固施工。堆砌止浆墙抵御淤泥压力,对隧道破碎带的围岩进行初期支护,通过二次衬砌措施完成施工。测试结果表明,小组4掌子面涌水量为1200 m3/d以下,为4个小组中最少。在施工中不容易发生突水灾害,达到良好的治理效果。

汉泉隧道突水突泥处治措施

结合汉泉隧道施工期间出现的突水突泥情况,在物探、钻探、地表调查的基础上,对隧道发生突水突泥的原因进行分析.采用排水降压、超前管棚、洞周注浆、抗水压衬砌的综合处治措施,储水带破碎围岩得到有效改善和加强,围岩变形和涌水得到有效控制,隧道安全、顺利、快速地通过突水突泥段,可为类似隧道勘察、设计及突水突泥应急处治提供一定的参考.

基于层次分析法的岩溶隧道突水突泥风险评估

为控制岩溶隧道突水突泥风险,通过统计与理论分析相结合的方法,研究了相关工程实例,并基于层次分析法研究了岩溶隧道突水突泥控制因素与因素权值,提出了岩溶隧道突水突泥风险3阶段评估与控制方法。权值分析结果表明,不良地质、超前地质预报、地层岩性、地下水位是突水突泥风险的主控因素;其次为宏观前兆、监控量测、可溶岩与非可溶岩接触带、地形地貌、开挖支护;最后为微观前兆、岩层产状、层面与层间裂隙、围岩级别。3阶段评估包括初步评估、二次评估与动态评估,其中,初步评估是在施工方案制定前,为估计风险,对孕险环境(岩溶水文地质与工程地质条件)的评估;二次评估是在施工前,为评估施工组织设计合理性,综合考虑孕险环境与致险因子(施工因素)而进行的评估;动态评估是在施工期,为了动态评估与控制风险,综合考虑孕险环境、致险因子与风险控制反馈信息的评估。3阶段评估与控制方法可实时、有效、准确地控制岩溶隧道施工风险,实现风险的动态修正与管理。研究成果在翻坝高速鸡公岭隧道取得了成功应用,对类似工程具有一定的借鉴意义。

断层破碎带隧道突水突泥灾变演化模型试验研究

为研究断层破碎带隧道开挖扰动作用下突水、突泥灾变演化过程,建立了三维地质模型试验系统,以江西永莲隧道F2断层突水、突泥灾害为例,通过大量的材料配比及物理力学性能参数测试,研制出适用于流-固耦合模型试验的新型断层及正常围岩相似材料,对隧道突水、突泥灾害进行研究。试验结果有效地揭示了无支护条件下断层破碎带隧道的洞周位移、渗流压力、应力-应变以及突出物质量等特征参数对时效性的响应规律。随着时间的增长,渗流压力整体呈上升趋势,越靠近开挖面其波动范围及幅度越大;突出物质量在发生突水、突泥灾害前出现短时减小后迅速增加;洞周围岩拱顶以竖向位移为主,而拱腰以水平位移为主;在相同相应力状态下,拱腰位置应变比拱顶位置大。将试验灾变特征与现场实际演化过程进行对比分析,两者结果较为吻合。该系统可广泛应用于其他地下工程的模型试验研究,其研究方法及结果对类似工程研究具有一定的指导和借鉴意义。

断层破碎带隧道突水突泥模型试验系统研制与应用

为研究吉莲高速永莲隧道扰动作用下突水突泥灾变演化过程及破坏特征,以F2断层破碎带为研究对象,研制大型三维地质模型试验系统,该系统由模型架、地应力加载系统、水压加载系统以及信息监测系统组成,通过材料配比试验及物理力学性能参数测试,研制出适用于流–固耦合模型试验的新型断层围岩及正常围岩相似材料。采用该系统进行模型试验,揭示正常围岩开挖过程中及揭露断层后的隧道围岩渗流压力、应力应变、位移以及涌出物等特征参数的变化规律,模型试验结果与实际工程灾变特征具有较好一致性。试验结果表明该系统稳定可靠,可广泛应用于其它地下工程的模型试验研究,其研究方法及结果对类似工程研究具有一定的指导和借鉴意义。

尚家湾强岩溶隧道突水突泥伴生灾害源综合分析

通过采用长期预报和短期预报相结合的方式,准确预报尚家湾强岩溶隧道突水突泥伴生灾害源的规模与空间位置,结合超前钻探建立综合超前预报体系。针对发生的3次突水突泥灾害,通过现场踏勘和水文地质分析,查明突水突泥伴生灾害源的来源,揭示尚家湾隧道突涌灾害源的赋存特征、致灾模式及其致灾机理,提出突涌灾害是由压力水、泥砂相结合的伴生灾害源和突涌通道2部分组成,伴生灾害源是内在源动力,突涌通道是灾害源的优势运移路径。同时,建立集内外结合(隧道内部揭露围岩与地表环境)、综合预报、"循环推进,交叉评价"、动态补探、综合治理相结合的伴生灾害源探测及防治技术,提出相应的治理原则、治理方案及后续施工的预防措施。

断层破碎带突水突泥演化特征试验研究

为了研究富水断层破碎带隧道突水突泥灾害演化机制,自行研制了一套可考虑质量迁移及地应力状态的大型室内突水突泥试验系统。利用该装置开展了不同水压加载方式、不同破碎带介质参数等条件的断层破碎带突水突泥灾害演化过程模拟试验。结果表明:(1)断层破碎带突水突泥灾害演化是渗流-侵蚀强耦合过程,在水压作用下,破碎带介质中的细颗粒首先发生迁移,导致充填介质孔隙结构增加,进而加速细颗粒流失,促使涌水率不断增长,随着细颗粒不断迁移流失,水流流态由层流转换为紊流,最终诱发突水突泥灾害;(2)破碎带介质初始孔隙率和施加水压越大越易诱发突水突泥,介质渗流演化特征越明显,渗流场参量如渗透率、孔隙率、雷诺数增加越快,且渗流场参量演化曲线出现突增现象;(3)梯度水压加载模式下断层破碎带介质较恒定水压加载条件下突水突泥演化特征更明显,介质发生突水突泥的临界水压更小。在此基础上,基于涌水率-时间(Q-t)、水力梯度-涌水率(i-Q)关系的流态转换分析和基于渗透率-水力梯度(k-i)关系的渗透性演化特征,建立了断层破碎带渗透演化特征概化模型。该研究结果对于断层破碎带突水突泥灾害演化机制与防治措施具有一定的理论指导价值。

长大隧道施工过程中突水突泥灾害预测预报技术研究

在岩溶地区深埋长大隧道的施工过程中,由于深层岩溶发育的复杂性,造成施工过程中突水突泥灾害频繁发生,对工程造成很大影响,所以进行施工地质预测预报是必要的,这项工作主要包括预测和预报两个阶段。预测主要是根据岩溶水文地质与工程地质的基础理论,对岩溶洞穴管道集中发育地段进行判定,确定突水突泥灾害的危险地段,预报工作是在危险地段应用地质探测方法对施工掌子面前方的岩溶洞穴管道分布状况进行探测,在这方面主要方法有水平钻探和物探手段,探地雷达作为近年来发展起来的一种物探方法,由于其探测过程的连续性和定向性,在中短距离的探测预报中具有突出的优势。文章探讨了岩溶形成条件综合判识、水平钻探与探地雷达相结合进行岩溶隧道突水突泥灾害超前预测预报的方法。

隧道施工突水突泥形成过程及受断层倾角影响研究

隧道穿越富水断层区段极易发生突水突泥现象,是隧道施工中面临的一类严重的工程灾害问题。为了探究突水突泥形成过程和其受断层倾角的影响,避免隧道施工穿越富水断层区段时发生严重的突水突泥工程灾害,文章利用离散元方法,通过颗粒体与流体耦合,模拟了富水断层在不同倾角时,隧道开挖所引起的突水突泥全过程。模拟过程中对隧道周围岩体的裂隙发育、隧道内的突水量和突泥量进行追踪和统计,分析了突水突泥通道的形成过程,揭示了断层倾角对隧道突水突泥的影响。结果表明,富水断层倾角越小,隧道与断层的垂直距离越小,越易发生突水突泥破坏,且突水突泥越易集中在掌子面底部位置。该研究结果可为富水断层区域隧道开挖的方案设计及突水突泥事故的预测和防治提供参考。

隧道突水突泥灾害的模糊预测和控制措施

为了预测突水突泥灾害发生的可能性和规模,针对隧道施工中突水突泥灾害的影响因素较多,且各因素相互关联,具有很强的模糊性,提出了利用模糊综合评判方法来评判隧道的突水突泥风险,实例证明其结果与实际情况具有较好的一致性。并针对隧道的突水突泥灾害提出了有针对性的控制措施。这对于制定合理的超前地质预报措施、拟定有效的防灾方案、保障隧道安全施工,均有非常重要的意义。

沪昆客专小高山隧道突水突泥及致灾原因探析

研究目的:针对小高山隧道施工期间发生的岩溶突水突泥地质灾害问题,在钻探、物探、地表调查基础上采取岩溶管道间水力分析法、岩溶洼地分析法、水痕调查法等综合分析方法,查明岩溶管道发育的规律及岩溶管道发生突水突泥的最大涌突水量,为泄水洞设置提供依据;同时对岩溶突水突泥发生的原因及对策进行探析。研究结论:(1)该隧道突水突泥为岩溶管道型,其致灾原因与周期降雨量、岩溶管道的冲淤循环、隧道施工造成岩溶管道壅堵、隧道衬砌及结构形式存在天然"硬伤"、隧底与岩溶管道间存在薄弱"隔水板"有关;(2)岩溶管道最大突水突泥量为108 288 m^3/h,泄水洞的设置起到泄水减压作用,确保结构稳定、运营安全;(3)对小高山隧道突水突泥致灾原因的分析,为岩溶隧道勘察、设计及突水突泥应急处理提供参考依据。

深埋长大隧道突水突泥风险后果评价模型研究

根据对影响深埋长大隧道突水突泥风险后果的主要方面的分析,得到深埋长大隧道突水突泥风险后果综合评价模型参评指标并构建出评价指标体系;基于改进灰色关联度的权重确定方法或层次分析法,通过专家调查和分析数据确定参评各级指标的权重系数值,并建立评判标准。在此基础上,基于三角白化权函数的灰色评估建立白化权函数,利用灰色聚类理论通过综合聚类系数矩阵得到模糊隶属度矩阵,再利用模糊评价方法评估深埋长大隧道突水突泥风险后果程度,完成深埋长大隧道突水突泥风险后果综合评价模型的构造。最后,结合象山隧道工程实例,对该隧道突水突泥风险后果进行综合评价,结果与象山隧道实际突水突泥情况一致,证明了该评价模型的有效性和可行性。

复杂岩溶隧道突水突泥防灾报警系统设计

2006年1月21日,宜万铁路马鹿箐隧道突发大规模突水突泥,造成了重大经济损失和人员伤亡,从而引起了部各级领导的高度重视。宜万铁路是在建的地质条件最为复杂的线路之一,隧道工程多发育岩溶,具有突发性突水突泥的可能,修建风险大。为了进一步规避施工风险,减少施工过程发生突水突泥造成经济损失和人员伤亡,设计中根据隧道工程地质、水文地质,以及隧道工程特征,对岩溶隧道进行了风险等级划分,并针对Ⅰ级风险隧道进行突水突泥防灾报警系统设计(系统包括预测预报、注浆堵水、安全逃生三个方面),该设计在国内外尚属首次,设计成果在宜万铁路进行了应用,并取得了一定的成效。

贵南高铁朝阳隧道出口平导6.10突水突泥事件分析

2018年6月10日,朝阳隧道出口平导发生岩溶突水突泥,持续时间约1 h,突水突泥总量约1.6×10^(6) m^(3)。为完善施工掘进方案及排水方案,需分析突水突泥产生原因,评价后续施工带来的突水突泥风险,计算隧道涌水量。文章分析了隧道位置的地形地貌、工程地质、水文地质条件,阐述了发生突水突泥的平导掌子面超前地质预报实施情况及突水突泥发生过程,补充调查了灾害影响范围的工程地质、水文地质条件,完成了长达1年的平导涌水量-降雨量关系动态观测。平导突水突泥掌子面前方有水头高达84 m的巨型溶腔及管道系统,施工开挖揭穿溶腔底部后,填充于整个岩溶水系统的有压水流携带泥砂快速涌入平导并以较大动能冲出洞外,导致了6.10突水突泥事件的发生。隧道出口段岩溶水系统接受降雨入渗补给且径流通畅,洞内涌水对应的汇水面积为6.423 km^(2),计算极端暴雨后平导最大涌水量5×10^(4)m^(3)·h^(-1)。突水突泥发生后山体内的静储量已得到充分释放,地下水位已降至平导底板高程,后续施工中再遭遇突水突泥的风险低。

岩溶隧道突水突泥预报综合评估

基于层次分析法建立岩溶隧道突水突泥预报综合评估的模型,分析发生突水突泥的地质因素、综合预报方法及预报解译因素,通过对它们之间联系的剖析,研究各项预报解译因素在评估突水突泥中的影响权值,根据不同预报解译因素的评价,结合其在整个评估体系的影响权值,得到被评估段落的突水突泥的综合评估结论。研究表明,基于层次分析法的评估可以灵活系统的根据综合预报的各项解译因素,综合评估岩溶段落突水突泥发生的可能性,可灵活应用于动态实时综合预报评估。

突水突泥隧道段落围岩压力及整治措施

深埋隧道在施工过程中经常会遇到突水突泥段落,具有突发性、软弱性等特点,围岩压力对采取的加固措施、衬砌参数、预留清淤长度等有较大影响,但对其荷载大小的研究较少。通过资料调研分析确定了突水突泥段落围岩参数范围,并按跨度对我国不同时速单双线断面大小进行划分;通过普氏理论、太沙基理论以及谢家烋理论对突水突泥段落围岩压力进行计算,确定了不同跨度隧道对应的围岩压力,为隧道突水突泥整治提供参考,具有一定的指导意义。