巴东组泥岩大断面隧道开挖面大变形滑塌失稳机制与防治措施研究

隧道穿越富水软弱地层时易发生开挖面滑塌失稳破坏,为此,本文以郑万高铁巴东隧道为工程依托、以巴东组紫红泥岩为研究对象,开展系列室内试验,揭示泥岩遇水软化的力学特征。综合考虑围岩节理发育及施工扰动等因素的影响,基于Hoek-Brown强度准则将室内试验获取的完整岩体的强度参数转化为现场岩体参数,并采用两相单质点流固耦合物质点法(MPM)对隧道开挖面滑塌失稳大变形全过程进行模拟,并结合现场评价超前帷幕注浆预加固措施的有效性。研究结果表明:开挖面滑塌失稳过程可大致分为开挖面隆起变形、开挖面局部失稳及滑塌体加速运动、滑塌体稳定这3个主要阶段。随着开挖面前方滑塌体的加速运动,围岩的渗流场发生明显的变化,渗水形态呈“漏斗状”,水流向开挖面“缺口”汇集;滑塌体稳定后呈锥体状堆积,滑塌体坡脚与开挖面的距离约25 m,与现场滑塌体最终形态较吻合。采取超前帷幕注浆预加固措施后围岩稳定性较好,确保了隧道施工安全顺利推进。流固耦合物质点法可动态再现地下水渗流作用下软弱地层隧道滑塌失稳破坏全过程,可为类似工程研究提供参考。

隧道穿越巨型岩溶弃渣回填体结构沉降监测分析与防控

针对成贵铁路玉京山隧道穿越巨型溶洞与深厚弃渣回填体系统,分析了弃渣回填体中隧道结构的沉降风险,提出了弃渣回填体中隧道基底处理的方案以及线路跨越的优化结构形式,并通过施工期与长期沉降监测分析了相关方案的可靠性。结果表明,在未经加固的情况下,隧道结构在大规模弃渣回填体中可能会发生高达98 mm的工后沉降,难以满足结构安全以及线路长期运营安全的相关标准。为此,提出了隧道开挖范围及两侧的回填体注浆预加固,以及隧道基底回填体钢管桩注浆加固的基底处理方案,并优化设计了“回填体暗挖隧道衬砌结构防护+洞内连续梁跨越”的组合结构形式。施工期以及长期沉降监测表明,回填体与基底的注浆加固处理能够有效填充空隙并黏结弃渣颗粒,控制回填体的分层沉降。隧道基底沉降变化基本在240 d之后趋于稳定,所有测点的沉降值均能够控制在10 mm之内。然而,各断面左、右测点呈现出较为明显的差异沉降,这说明将轨道设置在洞内连续梁桥上的结构方式在本案例中是合理、必要的。

堤坝脉动注浆浆液扩散机制及应用研究

基于脉动注浆泵可输出低频周期性脉冲压力的特点,结合可控性黏土固化浆液,提出了一种可用于堤坝防渗加固的新方法。通过进行原型试验验证了该方法的可行性,考虑钻孔扰动和脉动低频重复压力对地层渗透特性的影响,推导了黏土固化浆液脉动扩散方程,运用多场耦合软件COMSOL探讨了脉动压力下黏土固化浆液扩散的机制,最后将研究成果成功应用于南水北调中线鹤壁段引水渠道边坡帷幕注浆工程。研究结果表明:黏土固化浆液脉动控制注浆技术可显著提高地层连续性和整体性,结石体28 d强度大于2 MPa,渗透系数可降至10^(-5)cm/s左右,浆液在注浆孔附近与土体胶结成块,邻近注浆孔浆脉交错搭接,整体表现为空间立体网状包裹结构的防渗墙体;对数值模拟和现场试验结果进行综合分析,堤坝脉动注浆时间应控制在1 800～2 400 s之间,合理的脉动注浆压力在0.2～2 MPa之间,脉动持续时间宜调至4～8 s,脉动间隔时间宜调至2～6 s,这样有利于保证堤坝脉动注浆工程达到最优的防渗加固效果;工程实践的渠道边坡连续性、整体性得到了改善,注浆止水加固效果显著,检查孔渗透系数降至10^(-5 )cm/s,所取芯样完整,芯样最长可达40 cm。

松散堆积体隧道围岩变形破坏细观特征研究

隧道穿越复杂松散堆积体地层时,如何确保隧道施工过程的安全是工程人员普遍关心的课题。依托云南省罗打拉隧道,基于Monte Carlo随机原理,结合数字图像处理技术,建立了考虑接触面单元及抗拉强度的堆积体地层隧道开挖细观结构模型,并探讨了隧道开挖引起的堆积体围岩变形、破坏过程以及失稳机制,并在现场进行应用验证。研究结果表明,构建的堆积体地层隧道开挖细观结构模型可有效反映隧道开挖过程中围岩的破坏过程,围岩位移等值线呈波动性与非对称性分布;围岩破坏以剪切破坏为主,局部存在拉裂-剪切复合破坏,且破坏区由边缘块石尖端向深层逐步扩展,形成包裹块石的剪切楔形区及拉剪松动圈,在施工扰动下易发生局部失稳。针对堆积体地层破坏特征,提出了围岩注浆加固措施,地层加固后土石颗粒间胶结良好,开挖轮廓周边形成有效的注浆加固圈,开挖支护过程围岩变形可控,支护结构稳定,效果良好,可为后续类似松散堆积体地层隧道的设计、施工提供新思路。

盾构隧道渣土资源化再利用技术研究及展望

为形成对盾构渣土资源化再利用技术进展、挑战与创新的系统认识,介绍了国内外盾构隧道渣土的分类再利用标准,详细总结了盾构渣土作为盾构施工辅助材料、再生建筑材料、植被复垦材料与工程填筑材料的再利用技术。阐明分析了盾构渣土资源化再利用技术在标准、方法、设备、市场效益等方面仍存在细化、优化、规模化、产业化的挑战,构建了"再利用方式初判—盾构渣土分级处理—渣土再利用可行性评价—再生产品性能与市场效益评估"的盾构渣土资源化再利用的标准化技术流程。重点阐述了盾构渣土在壁后注浆材料、植被复垦基质和免烧建筑材料等方面的再利用新技术,提出了盾构渣土在壁后注浆材料中的分级再利用标准、渣土再生产品性能优化的多目标规划技术、盾构渣土作为植被复垦基质的再利用可行性试验方法、盾构渣土制备免烧空心砖的工艺流程与参数优化等新思路。最后,对我国盾构渣土资源化再利用技术与产业发展趋势进行了展望。

考虑区间分布的幂律流体脉动渗透注浆扩散机制研究

脉动注浆技术虽已得到了一定应用,但脉动压力下浆液的扩散机制研究则远滞后于工程实践。为了进一步推广和完善脉动注浆技术,基于注浆过程中脉动压力持续段流量恒定、压力间隔段流量为零的特点,考虑地层参数的不确定性,建立了脉动压力下幂律流体的渗透扩散模型,得到了脉动压力下幂律流体扩散半径的区间分布方程;设计了一套脉动渗透注浆模拟试验装置,得到了不同施工参数下幂律流体在地层内的分布形态;通过在数值模拟中构造脉动压力周期变化模型与孔隙率随机分布模型,实现了脉动压力下幂律流体渗透注浆浆液扩散过程的模拟。研究结果表明：脉动压力作用下幂律流体在地层内扩散范围并非是一个确定的量值,但基本集中在一定范围内,存在明显的扩散半径上下限;浆液扩散半径上下限受脉动注浆压力、脉动频率等影响明显,且上限差值随脉动注浆压力的增大而增大,浆液离散程度表现的更显著;理论计算、数值模拟与模型试验所得的浆液扩散半径随注浆压力的变化趋势一致,理论与数值计算得到的浆液扩散半径上下限数值误差均在可接受范围内,推导的理论公式和建立的数值模型均能较好的描述幂律流体在脉动压力下的扩散过程及区间分布。研究成果可为脉动渗透注浆理论、数值模拟以及实践工程提供一定的指导意义。

考虑封孔浆体黏度时空变化的止浆机制研究

封孔止浆技术是松软地层注浆防渗加固的重要手段,而封孔浆体自下而上的注入方式及其黏度时变特性导致浆体在止浆段长内黏度呈现出空间分布不均匀。通过流变试验获取封孔浆体流变参数与流型,建立考虑黏度时空变化的宾汉流体同心环状劈裂封孔浆体止浆模型,推导出黏度时空变化的封孔浆体止浆的控制方程,并定量分析封孔浆体的止浆能力,最后将研究成果成功应用于河堤防渗加固注浆工程。研究结果表明,封孔浆体黏度时空变化对浆体封孔止浆能力影响较大,其止浆能力与浆体流变参数、浆体塑性强度、封孔高度等有关;封孔浆体所能承受的极限注浆压力随封孔浆体固化剂掺量的增加或封孔浆体塑性强度的增大而增大,且这种变化随封孔高度的增高而表现的越明显,综合考虑注浆堵管、后续拔管等问题,封孔浆体水固比宜控制在1∶1左右,且黏土含量不宜超过50%,固化剂掺量宜控制在1.2%～1.8%;现场钻孔取样、压水试验均反映注浆后地层连续性和整体性得到了显著提高,已达到设计防渗加固标准,理论计算推导虽与实测结果存在一定误差,但可满足实际工程要求。研究结果有利于封孔浆体止浆技术的进一步推广应用,可为工程实践提供理论指导。

土石堆积体精细化模型构建及力学特性数值试验

土石堆积体具有较强的非均质性,其力学破坏特性受内部块石的细部特征影响较大。依托罗打拉堆积体隧道,借助数字图像处理与块石随机投放技术实现了对土石堆积体精细化数值模型的构建,采用大型三轴试验验证模型的正确性,并深入探讨土石堆积体力学破坏的特征及规律。研究结果表明:该方法获得的力学参数及应力应变曲线与三轴试验结果差异不大;在加载过程中,剪切破裂面由试样中部及顶部两端块石尖端与土体的交界面沿土石路径向四周发育,直至形成X形或人字形带状分布的剪切塑性区,并趋于贯通至发生剪切破坏。该方法的提出为土石堆积体力学参数的选取提供了一种新思路,可为土石堆积体隧道工程设计、施工等提供有益指导。

新型的水下岩溶注浆黏土水泥复合材料（英文）

本研究利用水泥、黏土、偏铝酸盐及木质素之间良好的协同作用,研制了一种新型水泥复合灌浆材料(CCGM)用于富水岩溶盾构隧道注浆工程,并通过系列室内实验提出了新型水泥复合灌浆材料的形成机理。研究结果表明,在水、水泥、黏土和添加剂的最佳配比(2:1:1:0.024)下,所制得的CCGM 注浆性能最优;与纯水泥浆和黏土水泥浆相比,CCGM 具有较短的凝胶时间、较小的流动度和体积收缩率、较大的初始黏度以及较强的抗水分散性。工程应用表明,该注浆材料在富水岩溶环境下注浆性能优越,并且可以降低工程造价和减小环境污染。

长沙典型地层参数反演及隧道施工工法优化

依托长沙轨道交通6号线烈士公园车站明挖法基坑和暗挖法隧道工程,基于明挖段围护结构的变形监测数据,采用有限差分数值模拟与BP神经网络算法,实现了烈士公园车站地层真实岩土参数的反演,并将反演参数应用于暗挖段大断面隧道工法优化与验证之中.结果表明:反演获得的烈士公园车站场地第四系覆盖层弹性模量为23.0 MPa、泊松比为0.31、黏聚力为37.5 kPa、内摩擦角为26.8°,基岩的弹性模量为2214.2 MPa、泊松比为0.28、黏聚力为470.8 kPa、内摩擦角为33.8°.模拟计算表明:优化后的6导洞施工所产生的拱顶沉降为6.77 mm,地表沉降为8.04 mm,均满足相关规范要求.现场实施效果表明:优化后的6导洞工法施工高效,施工过程中地层变形较为稳定,未对上覆植被环境产生不良影响.

富水岩溶越江盾构隧道注浆材料试验与应用研究

考虑传统材料难以同时满足富水岩溶充填注浆与后续盾构掘进要求,研制一种环保型可控膏状注浆材料(TGM)。通过大样本室内试验,测试TGM材料的主要性能参数及其在岩溶水下浆材的特性,最后将研究成果成功应用于长沙地铁3号线水下岩溶越江盾构隧道注浆工程。研究结果表明:研制的TGM材料具有凝结时间快、屈服应力增长迅速、流动度高、析水率低、结石体收缩率小以及早期强度起效快,后期强度适中等特点;当注浆材料黏土原浆相对密度为1.30,水固比1∶1,添加剂a掺量1%,添加剂b掺量0.15%时,TGM材料的主要性能最优;岩溶水流速低于1 m/s,留存率可达75%以上,岩溶水养护条件下结石体完全压滤后12 h抗压强度可达2MPa,90 d抗压强度8 MPa,渗透系数低至10-7 cm/s,微观结构显示内部呈明显的块团状稳定结构。通过现场注浆应用表明,TGM材料能有效填充水下岩溶,浆液与岩溶充填物胶结紧密,渗透系数降至4.7×10^(-5) cm/s,后续盾构掘进过程无异常突变情况,盾构机姿态可控,注浆与掘进效果达到预期。可以预见,TGM是一种比较理想的水下岩溶越江盾构隧道注浆材料。

基于局部粗粒化离散元的冰水堆积体隧道围岩破坏特征与加固措施研究

以川藏铁路拉林段藏噶隧道穿越冰水堆积体段为工程背景,基于数字图像技术与离散元方法,在识别冰水堆积体的工程地质特征的基础上,提出一种考虑块石真实形态特征的冰水堆积体局部粗粒化模拟方法,并通过数值计算探讨隧道开挖引起的冰水堆积体围岩破坏特征以及细观破坏机制,最终提出相应的预加固措施。研究结果表明,冰水堆积体隧道围岩在开挖后沿全环渐进式破坏,具体表现为"初始松动区形成-剪切破裂面发育-松动区扩展-剪切破裂面延伸"的动态循环过程,松动区内的颗粒接触劣化证明了土体间的剪切破裂的发育扩展。此外,力链结构特征的演化规律揭示了强力链结构由环状退化为链状,最终导致块石骨架失效、围岩松动破坏这一细观机制。工程应用结果表明,提出的"全断面帷幕注浆+超前管棚+小导管"的预加固措施可显著抑制冰水堆积体隧道围岩破裂面与松动区的发育,有效控制围岩开挖稳定,钻孔取芯与隧道变形监测均满足工程需求。

非均质软弱围岩隧道注浆加固圈分布特性

基于随机分布理论和流-固耦合理论,考虑注浆过程中围岩物性参数的动态变化和浆液黏度时变性,推导了流-固耦合作用下非均质软弱围岩的浆液扩散方程,并运用多场耦合软件COMSOL Multiphysics建立了小导管注浆浆液在非均质软弱围岩中的扩散模型,系统研究了注浆参数与小导管布设等对浆液扩散与注浆加固圈形成的影响。研究结果表明:浆液在非均质软弱围岩内以类椭圆形向四周扩散,扩散形态随注浆压力、注浆时间与围岩参数等动态变化而不断变化,最终趋于稳定;在注浆过程中,增大注浆压力和延长注浆时间在一定程度上可提高浆液的渗透能力并改善围岩的渗透性,而适当的增大小导管布设长度或减小导管布设角度有利于注浆加固圈的形成;为达到最优注浆效果,洞头山隧道小导管预注浆加固压力宜设为1 MPa,注浆时间宜控制在400 s,小导管布设角度不宜小于30°,布设长度应大于2.5 m;经现场监测验证,隧道围岩28 d抗压强度提高至2 MPa,围岩渗透系数降至10-5 cm·s-1,后续台阶法施工开挖拱顶沉降均小于3 cm,围岩整体性和连续性得了显著提高。

强降雨作用下高速铁路隧道仰拱隆起原因分析及整治

近年来,降雨引发的铁路隧道仰拱隆起病害时有发生,严重影响隧道运营安全。文章以某高铁隧道仰拱隆起病害案例为依托,综合降雨作用、地形地质条件、防排水系统实际效果等多因素对病害原因进行探讨,采用数值模拟方法重现病害的发生,进而探究病害发生时隧道结构应力场、渗流场的特征规律,并结合病害情况提出针对性整治措施。研究结果表明:(1)复杂地质条件导致的地层富水连通性、难以预测的高强度集中降雨、防排水系统部分失效是病害发生的主要原因,而上述因素导致的隧道外水压力过高是病害发生的直接原因;(2)基于FLAC3D软件提出一种水压力引发的隆起病害反演方法,重现了案例隧道病害的发生,可为同类病害原因分析提供新思路;(3)基于病害情况,采取了"施作降压孔+隧底注浆锚固+增设泄水洞+地表处理"的综合整治措施。现场实施效果证明了整治方案的有效性,可供类似的病害隧道参考。

泥水盾构弃渣在同步注浆材料中的再利用研究

为了解决泥水盾构的弃渣处理过程会显著增加施工成本,且极易造成环境污染的常见问题,依托杭州望江路过江大直径泥水盾构隧道工程,考虑掘进线路处于黏土地层,提出了弃渣取代同步注浆原材料再利用方案.探讨了弃渣取代膨润土原材料的可行性,通过均匀设计试验测试了浆液性能,并结合目标规划(goalprogramming,GP)模型实现了浆液配比优化.研究结果表明:经初步处理后的泥水盾构弃渣可取代膨润土材料,最优配比下同步注浆浆液的流动度为23.1 cm,2 h析水率为2.2%,28 d结石体收缩率为5.8%,初凝时间为649 min,结石体28 d抗压强度可达2.65 MPa,均能满足杭州现场同步注浆性能要求,且该技术的经济和环境效益显著.

岩溶区隧道暗河溶厅综合整治方案及施工技术

为确保成贵铁路玉京山隧道建设及运营安全,综合考虑溶洞及暗河发育特征,对暗河溶洞系统的整体稳定性进行评价分析,提出"暗河改道—溶洞回填—洞壁防护"的综合整治方案,并将加固材料配比优化试验、防护结构内力监测等分析结果反馈应用至整治过程中。现场施工实践表明:上述整治方案可指导玉京山隧道安全、高效地穿越巨型暗河溶洞,可为类似岩溶地区隧道设计及施工提供经验借鉴。