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。

基于定向声波扫描的钻孔围岩隐伏溶洞表征与分析方法

复杂地质环境下采用简化的几何体代替真实形态的隐伏溶洞进行数值分析,往往难以反映真实的工程特性,自然形成的溶洞形态在几何方面无明显规律性,导致溶洞形态特征的定量化表征问题一直未被很好的解决,为此,针对复杂地质环境下钻孔围岩隐伏溶洞轮廓的几何形态特征定量化研究中缺少系统性研究问题,提出了基于定向声波扫描的钻孔围岩隐伏溶洞表征与分析方法。首先,在利用钻孔定向声波扫描技术获取基础数据的基础上,构建同一钻孔中不同隐伏溶洞的轮廓坐标化准则。随后,在钻孔围岩隐伏溶洞定量表征方面,分别提出了隐伏溶洞水平方向结构表征方法与垂直方向结构表征方法,实现了隐伏溶洞的全方位定量化表征;在钻孔围岩隐伏溶洞统计分析方面,提出了水平全方位占比指数、远离占比指数和深度占比指数,能够从钻孔角度来统计分析钻孔不同深度、周围不同位置的隐伏溶洞情况。最后,结合实际工程案例进行了综合分析,并与其他方法进行了对比验证,证明了提出的方法能够为岩溶地区地质工程中工程勘察和数值模拟提供更多的定量化数据,是溶洞地区的开发与资源利用技术中的一种全新定量化分析方法,具有广阔的应用前景。

塔河油田良里塔格组迷宫型岩溶洞穴系统发育特征

为了明确塔河油田上奥陶统良里塔格组迷宫型岩溶洞穴系统的样式和结构,利用古地貌恢复、古水系刻画、测井地层对比、构造断裂解析、地震属性刻画等方法,进行了塔河油田11区的古水文地貌恢复、岩溶层组格架构建、岩溶洞穴识别和成因模式分析。结果表明:塔河油田南部加里东运动中期Ⅱ幕古地貌西北高、东南低,发育北北西—南南东向树枝状地表深切沟谷,良里塔格组发育近水平状分布、闭合管道结构及溶蚀强度较高的迷宫型岩溶洞穴系统;良里塔格组岩溶洞穴系统与澳大利亚Judbarra地区Bullita洞穴系统成因相似,属于典型的表生岩溶扩散下渗型迷宫型岩溶洞穴系统;上奥陶统恰尔巴克组泥岩段为隔水层,控制了良里塔格组迷宫型岩溶洞穴系统的侧向溶蚀作用;沟通地表水系的断裂为岩溶水主要下渗溶蚀通道,随着区域基准面下降,岩溶水沿断裂下渗进入中奥陶统,中奥陶统一间房组形成断溶体。塔河油田加里东运动中期Ⅱ幕表生岩溶“双层”迷宫型岩溶洞穴系统的认识对上奥陶统油藏开发具有重要意义。

贵州绥阳麻黄洞壶穴形态特征及其成因分析

对贵州绥阳双河洞洞穴系统中的麻黄洞内发育于白云岩地下河床上的103处壶穴形态特征进行详细测量与统计分析,从统计学角度定量描述壶穴的形态特征及其形成因素。结果显示:麻黄洞壶穴以口大、肚小、底圆的“锅型”壶穴为主,壶穴在平面形态上主要以椭圆形壶穴为主,垂直剖面形态上以浅型和深型壶穴为主,其中A区和C区浅型壶穴占比最高,而B区则以深型壶穴最多;壶穴长、短轴在A区和B区相关性较高,而在C区相关性则较低,说明壶穴长、短轴变化在不同的区域所受的因素并不一样;麻黄洞壶穴主要由季节性水流、节理和裂隙、可溶性基岩、洞道形态、具有侵蚀力的推移质、洞穴的微气候要素及洞穴水的溶蚀作用等多种因素相互耦合而形成。研究结果可为洞穴的发育、演化提供相应的水文证据。

基于遗传算法的溶洞智慧处治决策方法

为了应对多因素影响导致溶洞处理方案决策困难的问题,提出以价值工程为依据的智慧处治决策方法,综合考虑处理方案适应性和施工成本2个评价目标,并基于遗传算法构建多方案最优决策模型。结果表明:在决策过程方面,该决策模型在兼顾决策精度的同时具有较好的收敛性和收敛速度,简化决策过程,节省决策时间;在决策结果方面,相较于方案适应度单目标决策结果,该决策方法通过价值优化,将方案的适应度降低9.05,使得施工成本节省937064.71元,最终方案价值指数提升2.76。与方案成本单目标决策结果相比,该决策方法仅通过增加成本38215.78元,将方案适应度提升3.35,最终方案价值指数提升0.2,其优化成效在一定程度上解决了溶洞处理过程中成本浪费或者处理方案功能过剩的问题。

顶部隐伏溶洞对隧道围岩变形特征影响分析——以齐岳山高速公路隧道为例

齐岳山高速公路岩溶隧址区强致灾性隐伏溶洞较为发育,为研究隐伏溶洞对隧道围岩位移影响的变化规律,选取围岩等级、隧道埋深2个地质因素,对溶洞大小、溶洞与隧道的距离2个形态因素开展数值试验,讨论支护对围岩位移的影响,分析顶部隐伏溶洞对隧道围岩不同方向变形的影响,系统研究不同因素对顶部溶洞作用效果的影响规律。得到如下研究结果:1)顶部溶洞对围岩变形在垂直方向和水平方向的作用效果是相反的,在垂直方向,顶部溶洞减缓拱顶和拱底的收敛效果;在水平方向,顶部溶洞加剧拱腰的收敛效果,且对拱顶、拱底、拱腰位移变化的影响依次减小。2)随着围岩级别提高、隧道埋深增大、溶洞尺寸增大、溶洞与隧道距离减小,顶部溶洞对隧道围岩变形影响的作用效果增强;在因素设计范围内,各因素对顶部溶洞作用效果的影响差异明显。

桥梁上跨巨型岩溶洞穴的地质特征及失稳模式分析

某高速公路桥梁基础位于巨型岩溶洞穴上部,为论证桥梁方案的可行性,通过综合勘察方法查明了溶洞的形态及地质特征,并分析岩溶洞穴的稳定状态,结果表明,该岩溶洞穴目前处于稳定状态,顶板岩体质量等级为Ⅲ级。分析结果为后续的稳定性评价及桥梁基础设计提供了详实的地质基础资料,可为类似工程提供参考。

贵州省岩风阡铝土矿钻探施工工艺研究

贵州岩风阡铝土矿项目实施中钻遇硅质岩层,在钻进过程中产生的钻屑在钻井液漏失孔段不容易排出,易发生埋钻、卡钻、无芯等现象。通过优化钻孔结构、合理选择钻进参数,采用跟管钻进配合绳索取心工艺,有效解决了穿越溶洞的护壁难题,大大提高了钻遇溶洞成孔率。采用聚合物凝胶护壁堵漏减少了破碎地层掉块卡钻事故的发生。提高了钻进效率,节约了钻探成本。采用长套管穿越溶洞,降低了报废工作量,提高了工作进度。通过一系列技术措施的实施,如期完成了项目施工任务。本文对该矿区的施工经验进行了总结,希望为类似矿区钻探施工起到借鉴作用。

滇西南沧源岩溶洞穴硝洞堆积物来源分析

岩溶洞穴是第四纪时期古人类活动的重要场所。开展岩溶洞穴碎屑沉积物的沉积特征及物质来源分析,对其沉积环境演变历史及古人类活动研究都具有重要意义。本文在了解硝洞洞穴及其周围不同沉积物黏土矿物特征的基础上,结合硝洞洞穴沉积物的粒度和矿物学等特征对其物质来源进行了分析。结果表明:硝洞洞穴沉积物的主要来源为洞穴外地表较高处的沉积物,其通过片流作用被带入洞穴内进行堆积。其次,还同时堆积有少量灰岩不溶性物质及其经历进一步风化成壤作用后形成的物质,总体可能存在4次进一步的风化成壤作用。此外,也有洞壁崩塌的石灰岩角砾和岩块参与堆积,总体存在4次大量灰岩角砾或岩块参与堆积过程,而最近一次的堆积作用,显然受到了人类活动的影响。

桥梁荷载作用下巨型岩溶洞穴顶板稳定性研究

某高速公路桥墩基础完全置于巨型溶腔上部,通过定性、半定量、定量的方法对岩溶洞穴顶板稳定性进行综合分析评价,确定了桥型方案,然后通过地表变形监测,验证稳定性综合评价方法的合理性。

岩溶区土洞对自由场地震动放大效应的影响

岩溶区土洞的发育改变了自由场的地震工程地质条件,从而影响了地表地震动力响应结果。为探讨岩溶区土洞对地震动场地效应的影响,设计并构建典型岩溶区土洞自由场地,利用有限差分法开展了不同地震动输入条件下的含土洞场地的地震反应分析。通过与自由场地震反应分析结果对比可知:(1)土洞的存在阻碍了地震波的传播,从而使得地表中心点峰值加速度显著减小,随着输入地震动峰值增大,土洞的影响范围增大,土洞附近地表峰值加速度呈现出先增大后减小,最后逐渐趋向于自由场;(2)土洞的存在使场地的竖向位移增大,且随输入加速度峰值增大而增大、对水平向峰值位移影响较小;(3)加速度放大系数总体呈现出先增大后减小的趋势,随输入加速度峰值增大而减小;(4)土洞的存在使得反应谱的短周期幅值减小,这种减小幅度受输入地震动峰值的影响不明显。

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。

基于三维数值模拟对岩溶区桩基注浆效果的研究

为了研究改良膨胀性注浆材料的注浆效果,通过室内试验采集浆液结石体物理力学参数,应用有限元软件Midas GTS NX在CATIA所构筑的三维溶洞模型的基础上,结合修正莫尔-库仑模型及弹性本构关系,分析了桩基础下土层的应力与变形在空洞及改良前后不同浆液填充状态下的变化规律,以此为标准对注浆效果进行对比分析。研究表明:对桩基础下溶洞进行注浆充填加固可有效保障桩基础及桩基础下溶洞的稳定性,避免工程事故的发生,相比于普通水泥浆液,改良膨胀性注浆材料的整体强度明显改善,变形与应力均有所减小,结构更均匀,更密实。同时也表明,通过数值模拟分析确定溶洞的注浆效果具有一定的可行性和指导意义,可为工程的设计与施工提供参考。

基于岩溶三维地质模型的桩基承载力特性研究

本文依托中铁十九局集团有限公司岑大公路YTHJ4标桥梁桩基项目,通过Civil 3D软件建立了三维地质模型;并介绍了桩基作用下溶洞两种不同的破坏模式;然后采用基于FLAC 3D数值分析软件的单因子变量法分析了不同溶洞顶板厚度、顶板跨度、洞高、溶洞中心偏离桩轴线距离等对嵌岩桩承载力特性(极限承载力、极限侧摩阻力、桩土相对滑移距离等)的影响。研究结果表明:溶洞顶板是影响桩基极限承载力的主要因素;溶洞极限状态下的破坏模式强烈依赖于溶洞顶板厚度、顶板跨度和岩体力学性质;当溶洞顶板厚度达到三倍的桩径时,桩侧摩阻力可完全发挥;溶洞顶板跨度和偏心距离对桩基承载力特性的影响存在一个稳定点。这些研究结论为岩溶地区的嵌岩桩设计提供了一定的参考依据,进一步丰富了岩溶地区桩基设计理念。

在役岩溶隧道衬砌水压分布及预警控制标准研究

随着强降雨天气的频发,在役岩溶隧道衬砌开裂、渗漏水及失稳破坏事故日益增多。地表降雨补给下衬砌背后积聚高水压力是岩溶隧道发生水压灾害的主要原因,对在役岩溶隧道开展监测预警是避免灾害发生的重要手段。以郑万线岩溶隧道为依托,开展了相似模型试验及渗流数值模拟,研究了不同岩溶形态下衬砌背后水压分布规律及衬砌隆起位移,制定了岩溶隧道运营监测预警控制标准。结果表明:当地表降雨补给超过隧道排水能力时,衬砌背后将形成“地表补给+洞内排水”的动水压力,仰拱底部极易积聚高水压力;地层中存在岩溶管腔和溶蚀裂隙带时,地表降雨将会导致衬砌水压局部增高,衬砌承受偏压荷载,并使仰拱受力进一步劣化;以隧道仰拱中心水压力和隆起位移作为控制基准,将岩溶隧道运营监测预警等级划分正常运营、临时补修、限速整治和封闭整治。研究成果可为岩溶隧道的结构设计优化及监测预警提供借鉴。

断溶体油藏井洞垂向窜流试井解释模型

断溶体油气藏储层类型多样,非均质性极强,常规多重孔隙介质模型以及简单溶洞等势体模型难以广泛应用。文中针对断溶体油藏复杂的地质特征,考虑大溶洞向井筒的垂向窜流以及小尺度缝洞储集体分别向井筒和大溶洞的径向供给作用,建立了双层双重孔隙介质井洞垂向窜流试井解释模型;利用Laplace变换方法获得井底压力解,绘制井底压力典型曲线并划分流动段,对窜流通道传导率、大溶洞半径、裂缝传导系数比等参数进行了敏感性分析。结果表明:窜流通道传导率主要影响早期窜流“下凹”特征,数值过大或过小均会导致早期窜流“下凹”特征减弱甚至消失;大溶洞半径与大溶洞储容比也主要影响早期窜流“下凹”特征,数值越大,“下凹”特征越明显;裂缝系统传导系数比和裂缝储容比主要影响中、晚期的窜流“下凹”特征。该研究结果对复杂断溶体油藏储集体参数评价具有重要意义。

基于Fluent软件小型非连通型溶洞注浆数值模拟及裂隙数量影响

[目的]溶洞的注浆处理是地铁隧道工程中的难点,施工时溶洞的不恰当处理极易引发事故,因此有必要对小型溶洞裂隙数量和注浆压强之间的关系进行研究。[方法]针对需注浆填充的城市小型非连通型溶洞(体积不大于8 m 3)的裂隙数量不确定问题,采用Fluent数值模拟软件中的多相流Mixture模型进行不同裂隙数量的溶洞注浆数值模拟,计算模拟注浆时,测试区的注浆压强随时间的变化情况,并与实际工程溶洞注浆压强数据进行对比分析。[结果及结论]对于体积不大于8 m 3的小型非连通型溶洞,其模拟注浆时测试区的注浆压强与裂隙数量呈平方反比关系,注浆压强随着裂隙数量的增加而降低;当裂隙面积达到0.048 m 2时,注浆压强不再降低;注浆压强随着裂隙位置的增高而降低。在实际工程中,可通过对比同类型体积不超过8 m 3小型非连通溶洞之间的注浆压强数据,判断溶洞的相对裂隙数量,调整与优化后续的注浆方案。

隧道岩溶施工处置技术研究

岩溶隧道处置技术一直是工程界的重点及难点问题,结合某高速铁路贵州区段施工状况,将隧道岩溶分为串珠型或管道型的线状溶洞、洞穴型溶洞及洞厅型溶洞,根据其不同的填充性质提出了不同的施工处置措施。并具体结合丫口寨隧道、斗磨隧道、大独山隧道,对典型岩溶,包括无充填型溶洞群、暗河、富水填充型岩溶、过水通道型岩溶及黏土填充型岩溶的处置措施进行分析,主要结论为,针对岩溶隧道,应综合考虑岩溶类型和特征,因地制宜进行设计、施工。

地下溶洞形态分析与可视化

我国是世界上喀斯特地貌面积分布最广泛的国家之一,岩溶类型繁杂,发育较齐全,占国土面积的1/3。岩溶地区存在的主要地质问题有溶洞、断层和软弱地质带等,其具有隐蔽性、突发性和反复性等特点,已成为南方岩溶地区城市工程建设开拓中面临的主要问题。随着激光扫描设备的不断进步和发展,三维激光扫描技术能在封闭式、环境复杂的空间进行自动化测量,具有操作简单、扫描速度快、高分辨率和高精度等特点,可极大地节约测量时间与成本,现已逐渐适应了更广泛的工程应用领域。使用钻孔式三维激光扫描仪获取地下溶洞空间的三维点云数据,针对精度要求较高的复杂空间结构,可能需要布设多个测站进行不同角度扫描获得全局信息。然后,利用深度学习强大的特征学习能力进行点云配准,通过构建数字化模型,客观真实地反映洞内空间形态特征,这将为设计人员提供更精确的岩溶空间信息,制定安全预防措施计划,确保工程施工有序推进。

塔北地区多期走滑断裂地球物理响应特征及精细识别

通过对野外地质露头考察、无人机扫描、探地雷达探测、岩心观察、成像测井资料综合分析,建立塔北地区走滑断裂地质模式。根据塔北地区不同地层特点,分析多期走滑断裂与不同时期地层组合关系。针对不同的地层岩相背景下的走滑断裂特征,分析对应的地球物理响应特征,为小断距、小位移的走滑断裂识别提供依据。结果表明:加里东中晚期,在挤压应力作用下区域走滑断裂形成,发育X型共轭断裂和单剪切断裂,其中NNE向走滑断裂为左旋,NNW向走滑断裂为右旋;由于挤压应力差异分布,沿主干断裂方向寒武系膏盐岩滑脱面形成线性压扭隆起和平移错断的特点,结合膏盐岩层强地震反射特征,主干断裂可识别性强;中上奥陶统走滑断裂走向与古地貌趋势具有一致性;由于北部表层岩溶暴露期长,研究区形成大量的残丘、暗河、古水系,破坏了浅层断裂特征,而南部斜坡区暴露时间短,岩溶缝洞体主要沿断裂发育,断控岩溶缝洞体与基岩波阻抗存在较大差异,增强了断裂的可识别特征;海西期NNW方向、喜山期NNE方向发育单剪切走滑断裂,主要沿加里东中期断裂继承性发育,碎屑岩地层不整合面断距特征明显,平面上表现为雁列特征,剖面可见负花状构造。