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。

非饱和条件下隧道掌子面稳定性的上限分析

为了准确分析非饱和条件下隧道掌子面稳定性,采用非饱和土体双应力状态变量抗剪强度准则研究土质和岩质隧道掌子面的稳定性问题,用极限分析上限法构建非饱和隧道掌子面的破坏模式,根据外力功率等于内能耗散率建立功率方程,推导非饱和隧道掌子面围岩压力的解析解,并通过序列二次规划算法得到隧道围岩压力或支护力的最优上限解,并分析不同参数对掌子面破坏的影响。结果表明:饱和与非饱和条件下土质掌子面围岩压力差异较大,其中土体中的基质吸力可以减小掌子面的围岩压力;当基质吸力等于进气值时,围岩压力曲线会发生明显转折;围岩内摩擦角对非饱和土质隧道掌子面的潜在破坏面位置影响较大,且内摩擦角越小,掌子面破坏范围越大。岩体饱和度Sr对岩质隧道围岩稳定性有重要影响,Sr增大时,掌子面所需要的支护力也越大。

基于随机介质理论的浅埋偏压隧道沉降预测

研究目的:在偏压地形中,隧道开挖引起的地层损失可能导致倾斜地表和水平地表的沉降或隆起,造成地层及地面上建筑物发生不均匀沉降,影响建筑物的安全,因此有必要对隧道开挖引起的地表竖向位移进行估算与分析。研究结论:(1)论文基于随机介质理论,推导了浅埋偏压盾构隧道开挖地表沉降公式;(2)通过理论推导修正了地表沉降公式计算所需的断面收敛区域U'-V';(3)计算过程中,为简化计算,采用极坐标改进了倾斜地表和水平地表沉降公式;(4)浅埋偏压条件下,倾斜地层坡度α≥45°时,位移变化速率明显加快;此外,地表竖向位移最大值同开挖单元深度与沉降半径之比呈现出一种线性关系;(5)隧道轴线到斜坡表面的垂直距离d<3.5R时,地表竖向位移变化也会加快,所以隧道修筑应尽量选择在d≥3.5R的位置;(6)该研究成果可为浅埋偏压隧道开挖的地表位移预测提供一种新途径,为地表位移控制提供技术支持。

隧道穿越高压富水断层破碎带过程分析

为分析隧道穿越高压富水断层破碎带过程中围岩与结构稳定性,文章通过建立三维流固耦合数值模型,分析不同工况下掌子面推进至不同位置时,掌子面前方岩体渗流场分布、掌子面凸出变形、塑性区体积、涌水量及注浆加固圈剪切变形,最终确定合理注浆圈厚度,施工过程涌水量监测验证了模型计算的准确性。研究结果表明:隧道掌子面接近断层破碎带时前方岩体渗流场出现积聚现象,可采取超前钻孔达到排水降压的目的;掌子面到达断层破碎带中央时凸出变形最大,此时最为危险,须采取留核心土等方式保证施工安全;注浆加固圈在高压渗流场作用下会产生较大剪切变形,威胁施工与运营安全,可适度增加注浆圈厚度。

隧道富水断层段全断面注浆时的缓冲层厚度研究

基于水力学和弹塑性理论,构建含缓冲层的隧道注浆计算模型,计算隧道支护结构及注浆圈外缘承担的渗水压力及隧道涌水量;研究支护结构、注浆圈及围岩的位移与应力解,利用数值模拟对构建模型的合理性进行验证;以穿越富水断层破碎带的某在建隧道为例,计算并确定其缓冲层厚度。结果表明:增设缓冲层后,支护结构外缘径向应力理论值与模拟值最大误差来自隧道拱顶,为7.3%;涌水量模拟值与理论值较为接近,理论值仅比模拟值小1.4%;随缓冲层厚度增加,支护结构外缘径向应力急剧下降,涌水量缓慢增加,当缓冲层厚度与隧道支护结构外径比值为0.10和0.30时,与无缓冲层时相比,支护结构外缘径向应力分别降低39.63%和118.88%,涌水量分别增加4.70%和14.10%;综合考虑受力与涌水因素,在建隧道缓冲层厚度与支护结构外径比值宜采用0.14。

断层与平行隧道空间位置关系对涌水量的影响研究

作为渗流影响边界,断层是制约富水断层区隧道设计及施工的重要影响因素,研究断层对隧道涌水的影响具有重要的理论意义和工程应用价值。为分析断层与隧道空间位置关系对隧道涌水量的影响,将断层视为定水头边界,利用反映法将有界含水层用映射原理转化为无界问题,构建含断层的深埋平行隧道涌水简化计算模型。利用地下水力学理论、达西定律及线性叠加原理推导涌水量及结构承担的渗水压力计算式。忽略断层及平行隧道的干扰,初步验证本文构建模型的合理性及公式推导的正确性。基于理论公式对相关特征参数进行敏感性分析,揭示断层对隧道涌水的影响机理,探讨平行隧道及断层对涌水的影响特征。通过在建鸿图特长隧道检验涌水简化计算模型的适用性及有效性。研究结果表明:断层倾角竖直时,平行隧道与断层的垂直距离最大,渗流稳定时平行隧道涌水量最小;平行隧道水平距离对隧道涌水影响较为复杂,应综合考虑平行隧道与断层的相互干扰;平行隧道涌水量理论值与实测值差异分别为6.8%及10.5%,误差在可接受范围内。研究成果可为富水断层区隧道涌水量的计算及结构设计提供理论参考。

隧道掌子面附近涌水量预测研究

研究目的:针对二维渗流模型分析隧道掌子面附近渗流场的局限性问题,以掌子面所在平面为分界线,利用反映法将有界含水层用映射原理转变为无界问题,分别构建掌子面前后方涌水简化计算模型。基于流体质量守恒定律、达西定律及线性叠加原理推导涌水量计算公式,并与已有解析公式对比以检验公式的适用性,再对相关参数进行敏感性分析,最后通过与现场实测数据对比检验模型构建的合理性及公式推导的正确性。研究结论:(1)增加注浆圈厚度或降低其渗透性均对减小掌子面前后方涌水量有利,但掌子面后方对注浆圈厚度及渗透系数要求高于掌子面前方;(2)掌子面前后方涌水量均随隧道内缘水头高度的增加而线性减小;(3)有注浆设计时,掌子面前后方理论计算与实测误差分别为12.8%与5.1%,无注浆设计时,掌子面前后方理论计算与实测误差分别为10.7%及6.9%;(4)本研究成果可为隧道掌子面附近涌水量预测提供理论指导,为掌子面前后方加固设计提供理论依据。

围岩非均质性对隧道突涌水的影响分析

受开挖扰动或地应力的影响,围岩非均质性是普遍存在的,此时将渗透系数视为定值会降低涌水量预测精度。针对此问题构建考虑围岩非均质时隧道突涌水计算模型,基于渗流平衡微分方程及达西定律,推导了涌水量及结构外水压力计算公式,并利用泰勒公式及级数展开定理对解析公式进行退化验证,在此基础上对公式的适用性进行了分析,最后通过与现场实测数据对比检验了模型及公式推导的正确性。研究表明:降低开挖扰动程度,可减弱隧道围岩渗透系数的变异性,对提高隧道阻水能力有积极作用;考虑开挖扰动对围岩渗透系数的影响时,支护结构外缘水头高度计算误差可由14%降低到6%;考虑地应力对围岩渗透系数影响时,涌水量计算误差可由18.2%降低为10.6%,一定程度上提高了预测精度。

考虑注浆圈与复合衬砌时体外排水方式设计

基于反映法、叠加原理及渗流力学理论构建了是否含注浆圈的两种体外排水简化计算模型,推导了隧道与体外排水洞涌水量的计算公式、隧道二次衬砌外水压力表达式,通过解析退化验证了理论模型及解析公式的正确性与适用性,根据推导公式进行了参数敏感性分析,最后通过数值模拟进一步进行了检验.结果表明:体外排水洞与隧道涌水量均随注浆圈渗透系数的下降而非线性降低,隧道二次衬砌外水压力随注浆圈渗透系数的下降而非线性增大,但其临界值小于常规排水方式;增加初期支护的厚度可达到降低二次衬砌外水压力及隧道涌水量的目的;围岩与注浆圈、注浆圈与初期支护渗透系数合理比值分别为15与100,同时须严格控制二次衬砌渗透系数;排水洞洞径对体外排水洞涌水量影响显著,为保护地下水资源,体外排水洞洞径推荐为0.2 m.

矿区水工环地质勘查关键技术研究

随着能源需求量的不断扩大,能源紧缺为社会带来一定危机,为了缓解这一现状,对矿区水工环地质勘查关键技术进行科学研究。通过分析水工环地质勘查技术内容和要求,按照其流程详细阐述了其中的关键技术,包括GPS技术和RTK技术,确保水工环地质勘查技术能够得到更好的应用,解决能源紧缺问题。

断层影响区内隧道涌水的Goodman解析解

隧道在富水地层穿越断层影响带时,往往伴随着突水的风险,给施工和结构安全带来极大隐患,因此有必要对断层影响区域内隧道涌水量进行预测。在Goodman井流假定的基础上,利用镜像叠加原理,推导隧道在断层影响区内开挖引起的地下水头分布的半解析公式,得到隧道涌水量的半解析解;经过对不同工况进行解析计算,并与数值计算的对比,证明所推导的半解析公式具有较好的适用性;通过将该公式应用于多种工况条件,充分探讨隧道和断层位置关系的几何参数对隧道涌水量的影响。研究结果表明:隧道与地下水位线之间的垂直距离对涌水量的影响最大,且当其他参数不变时,涌水量呈现出与该垂直距离近似线性增长的趋势。此外,横断面内隧道中心到断层面与水位面交点的水平距离以及断层倾角也会影响涌水量的大小。当水平距离越小,且断层倾角越大时,隧道涌水量变大,反之则变小。计算与分析结果可为后续隧道涌水量计算与控制提供指导。

深埋隧道开挖引发的应力与位移非线性解

对隧道开挖引发的地层扰动进行应力和位移的快速及准确计算具有重要的理论与工程实际意义.本文基于非线性Hoek-Brown强度准则,求解了隧道开挖后塑性区的应力和位移解析解,并对应力和位移解进行了参数敏感性分析.研究表明:塑性区半径随开挖半径的增大而增大;当m_(i)≤20时,r_(p)/r_(0)随开挖半径的增大呈现非线性增大的演化规律,当m_(i)=25,r_(p)/r_(0)随着开挖半径的增大呈现先增后减趋势;不同m_(i)值时,r_(p)/r_(0)随着GSI增大而非线性增大;剪胀和开挖半径对的影响中,开挖半径对位移的影响更加显著.

基于特定环境限制的隧道允许排水量计算与结构优化

隧道允许渗水量对地下水及结构影响较大,为确定其合理值,首先利用反映法将有界含水层用映射原理转化为无界问题,再基于线性系统叠加原理求解控制点水头势函数,进而利用环境限制条件计算渗水量极限值解析解,同时推导初期支护内外壁水头压力表达式,最后基于工程案例对理论公式进行验证并优化设计。研究结果表明:隧道允许渗水量与控制点周围介质渗透系数及水位允许降深的乘积成正比;降低注浆圈与初期支护渗透系数可减少隧道涌水量,但超过一定界限后隧道涌水量对两者渗透系数的敏感性均可忽略;注浆圈半径增大到一定程度后(本实例为6 m),环向盲管工作状态对二次衬砌外壁水压力影响急剧增大,须定期对环向盲管进行检查,避免水压力对防水板及二次衬砌造成较大破坏。

隧道洞身开挖方法的灰色关联选择及爆破振动分析

隧道开挖是隧道施工的重要环节,开挖方法的选择关系到隧道施工安全及经济效益等。本文结合灰色关联度理论,构建了隧道开挖方法选择的模型,并结合工程实例进行了验证。对爆破开挖引起的振动进行了监测和分析,研究成果为依托工程提供了技术支持,也可为类似隧道提供技术参考。

节理裂隙发育诱导的隧道围岩不稳定块体的预测

围岩中节理裂隙发育形成的不稳定结构体是诱发冒顶和塌方的原因之一,为了预测围岩中的不稳定块体,首先通过块体棱矢量与结构面法向量点乘所得到的矢量判别矩阵判断块体的运动形式,然后根据不同形式块体的受力方式,给出相应的稳定性系数计算方法,最后以江玉高速公路马章岭隧道为依托,利用块体理论预测潜在的不稳定块体.研究结果表明:在不同节理裂隙组合下,块体可分为不可动块体、脱离岩体运动块体、沿单面滑动块体、沿双面滑动块体.所提的块体理论可有效地预测出不稳定块体的存在,实现节理裂隙发育工况下的围岩稳定性分析.另外,研究结果可为类似工程冒顶塌方的预测提供借鉴.

草籽岗隧道监控量测及超前地质预报研究

草籽岗隧道最大埋深为130m,采用双向六车道一级公路标准,设计速度为80km/h,采用左右洞分离的形式,为分离式长隧道。为了确保隧道的施工安全,文章对该隧道施工期间的监控量测和超前地质预报开展研究,确定了隧道前方的地质情况,并结合监控量测,及时掌握了隧道开挖引起的拱顶沉降和周边位移,推断了围岩的稳定程度,可为项目的顺利实施提供技术支持。

栏杆村大桥工程地质特征及设计方案研究

栏杆村大桥是江玉高速上一座桥隧相连的桥梁,地质条件复杂。文章在考虑地形地貌、工程地质、水文地质和周边的环境的基础上,对桥梁设计方案进行了研究,选定了桥型、桥位及桥梁参数,并提出了施工工艺和参数,研究成果可为江玉高速项目提供技术支持,也可为类似工程提供参考。

南磜隧道工程地质条件及评价建议

南磜隧道是丰顺至五华高速公路上一条分离式隧道,工程地质和水文地质条件复杂。为了确保隧道施工和今后运营安全,文章从地形地貌、地质构造、地层岩性及涌水预测等方面对工程地质和水文地质进行了分析,梳理了工程地质特征,划分了隧道各里程的围岩级别,评价了工程地质情况。该研究成果对于支护结构设计和开挖方法选择具有较好的理论意义和应用价值,可为类似工程提供参考。

基于能量考虑危害性与可能性的岩爆评价指标

针对现有岩爆评价指标未能全面反映岩爆特征的问题,以冈底斯造山带花岗岩为研究对象,进行了不同速率条件下的单轴循环加卸载试验,揭示了岩石在加卸载过程中的响应机理及能量分配和演化,进而建立了弹性能演化的显示表达,基于该表达提出了能同时反映危害性和可能性的岩爆危险性评价指标,利用最小损失函数法确定了相应判据.结果表明:在整个加载过程中,弹性能U^(e)变化和总输入能U^(o)的变化规律一致,Ue/U^(o)的演化可以用指数函数表示,且在压密阶段之后U^(e)为主要的能量占比;将弹性能同最大主应力与单轴抗压强度(UCS)比值的乘积作为岩爆危险性评价指标,应用于隧道岩爆等级评估,并与实际岩爆情况进行对比,证明了其合理性.

基于保角映射的断层影响区内隧道涌水量预测

建立了断层影响区内衬砌隧道渗流模型.在该模型中,断层被视为地下水补给边界,以隧道涌水量作为衡量依据将隧道横断面内倾斜断层等效为竖向断层.利用镜像叠加原理将有限边界渗流问题转化为半无限空间渗流模型,再通过保角坐标变换和极坐标联立求解渗流微分方程,推导富水断层影响区内地下水头半解析公式,得到了隧道涌水量计算公式.经过退化验算、数值模拟及现场实测数据对比,验证了公式的正确性.在此基础上,探讨了地层与衬砌的相对渗透系数(KS/KL)、隧道与水位线的距离(h)、隧道与断层的距离(L)对涌水量的影响:KS/KL对涌水量的影响最显著;其次为h,h也会影响L的作用效果,h越大,L的影响程度也越大.施工过程中应加强注意衬砌防水措施的施作,隧道线路的选择应尽可能考虑埋深设计,避免高水头压力.