Minimum safe thickness of rock plug in karst tunnel according to upper bound theorem

High pressure and water-bearing caverns ahead of a karst tunnel face tend to cause geological disasters, such as water and mud bursts. So, the determination of safe thickness of the reserved rock plug is a key technical problem to be solved for karst tunnel construction. Based on the Hoek-Brown nonlinear failure criterion, the minimum safe thickness of rock plug was investigated in the light of the limit analysis theory. On the basis of the proposed failure mode, the expression of the minimum thickness for rock plug was obtained by means of upper bound theorem in combination with variational principle. The calculation results show the influence of each parameter on safe thickness and reveal the damage range of rock plug. The proposed method is verified by comparing the results with those of the drain cavern of Maluqing Tunnel. The research shows that with the increase of compressive strength and tensile strength as well as constant A of Hoek-Brown criterion, the safe thickness decreases, whereas with the increase of cavern pressure, tunnel diameter, and constant B from Hoek-Brown criterion, the safe thickness increases. Besides, the tensile strength, or constants A and B affect the shear failure angle of rock plug structure, but other parameters do not. In conclusion, the proposed method can predict the minimum safe thickness of rock plug, and is useful for water burst study and prevention measures of tunnels constructed in high-risk karst regions.

基于信息扩散的隧道突水岩层安全厚度概率模型研究

通过虚功原理和莫尔库伦强度准则建立隧道最小安全岩层厚度力学模型,并推导计算公式,从公式看出最小安全岩层厚度受隧道半径、岩石内摩擦角度、掌子面前溶腔水压和黏聚力等因素影响。针对小样本信息不完备特点,基于信息扩散原理建立岩石力学参数(黏聚力、内摩擦角、弹性模量)和最小安全岩层厚度概率估计模型,以宜万铁路5个隧道的样本数据为基础,获取了岩石力学参数和最小安全厚度概率密度分布函数,并且绘制了图形。依据信息扩散原理建立的隧道最小安全岩层厚度概率模型能很好地利用样本数据信息。建立的最小安全岩层厚度概率模型可以应用到岩溶隧道突涌水灾害的风险评价中,对设计和施工有一定参考价值。

隧道掌子面与不利地质结构最小安全净距分析

隧道穿越不利地质结构施工时掌子面极易发生坍塌,故通常对其进行注浆加固,这其中如何确定隧道掌子面与不利地质结构最小安全净距是亟需解决的核心问题。首先基于朗肯土压力理论概化出岩板可能存在的模型,进而分析掌子面的应力状态;结合抗拉和抗剪强度理论,推导出掌子面岩板在不同约束模式下的最小安全净距解析解;最后,以天峨县穿越破碎带的岗岭坡隧道为依托,研究了在破碎带不同高度、宽度以及倾角条件下,掌子面距不利地质结构的最小安全净距的变化规律,验证推导的理论解其可靠性和可行性。结果表明:(1)最小安全净距随破碎带高度和宽度的增加而增大,随着破碎带倾角的增加而减小;(2)台阶法开挖时,最小安全净距随台阶高度增加而增大,减小隧洞直径可以有效减小安全距离。(3)不同方法得到的最小安全岩板净距大小依次为:弹性厚板理论>本文方法(固支)=线性Mohr-Coulomb准则>本文方法(简支)=突变理论。相关研究成果可为隧道穿越破碎带的设计与施工提供理论基础。

椭圆孔口塑性区及其在岩溶隧道工程中的应用

在解答圆形孔口弹塑性问题基础上,采用复变函数方法推导椭圆孔口塑性区半径计算公式。对比分析表明:该公式计算结果与基于摄动法计算结果相近,但参数较少,且能反应轴对称荷载下状态。针对常见中、小尺度隐伏干溶洞,以隧道周围塑性区和溶洞周围塑性区贯通与否作为中间岩柱稳定性判断标准,基于本文计算椭圆孔口塑性区理论建立隧道与不同方位、形态溶洞间岩柱最小安全厚度力学模型;采用FLAC3D进行数值正交试验,通过对计算结果多元回归分析,建立基于数值计算的安全厚度预测公式,为验证力学模型提供参考。以宜万线鲁竹坝隧道和五爪观岩溶隧道为例验证2种方法的可靠性和合理性,为类似工程提供参考。

基于“双行裂隙”模型的两淮矿区高承压厚松散层突水机理

两淮矿区高承压厚松散含水层覆盖下煤炭储量巨大,在提高上限开采过程中常发生松散层突水事故,采用传统"上三带"理论难以合理解释此类事故发生的机理。本文在分析两淮矿区高承压松散层水文工程地质条件的基础上,建立近高承压松散层开采"双行裂隙"模型,采用室内实验、数值模拟、理论分析和工程应用检验等方法,研究"双行裂隙"发育规律,揭示两淮矿区高承压厚松散层突水致灾机理,结果显示:祁东煤矿松散层第四含水层(简称四含)水压与裂采比呈线性关系;在水压作用下,覆岩"上行裂隙"发育高度增大;利用裂隙受力分析推导的基岩风化带原生裂隙扩展渗透深度计算公式,表明高承压松散含水层对风化裂隙产生劈裂作用,是"下行裂隙"形成的主要因素。"双行裂隙"的综合作用使工作面更易发生松散层水突水事故,研究成果为近松散层煤层开采安全煤(岩)柱的合理留设提供科学依据。

巷道断层带瓦斯突出及防护岩柱临界厚度确定

矿井巷道在穿越含瓦斯断层或石门揭煤的掘进过程中,常常遇到岩石(煤)与瓦斯的超前突出。为科学地预留安全岩柱,通过深入分析各种突出影响因素,笔者修正了微元体中有效应力的表达式,从断裂力学的角度分析了岩柱内裂隙面上的应力状态,通过分析裂纹尖端周边的应力场,得出了裂纹尖端应力集中的力学成因,认为岩石(煤)与瓦斯突出是裂纹尖端应力强度因子达到岩体的断裂韧度时裂纹发生失稳扩展从而产生破坏的动力现象,并以此建立了岩柱临界安全厚度的计算模型。实践证明,计算得出的安全岩柱厚度与施工中的实际案例较为吻合。

厚松散层薄基岩下煤柱留设类型转变研究

通过对鲍店煤矿八采区山西组主采3煤顶部基岩及第四系下组2个主要充水含水层富水性特征的分析,确定其转变为防砂煤柱留设是安全可行的。针对采区山西组主采3煤层较大部分存在分叉现象的实际情况,分别计算了3上煤层和3煤层的留设高度;3上煤层与3下煤层属于近距离煤层开采,在重复开采条件下计算了3下煤层留设高度。

断层岩柱瓦斯超前突出机理数值模拟及防护厚度

针对矿井巷道掘进面前方遭遇含瓦斯断层时,安全岩柱内的沉积界面将会遭受气体损伤作用的问题,通过ABAQUS软件的二次开发,基于流-固耦合理论和T-P损伤演化准则的cohesive单元,对豫西大平煤矿21轨道下山一次大型瓦斯突出事故进行数值模拟。计算结果表明：由于受巷道开挖所产生的二次应力与断层带瓦斯压力的共同作用,前方岩柱内两个沉积界面将优先产生损伤软化现象。随着巷道向断层带的推进,气体的侵蚀作用不断加强,沉积界面的损伤急剧增加并向掘进面延伸。当掘进面距离前方断层分别为19,17,15 m时,上层面相应产生6.2,9.7,13.4 m长的损伤裂隙;下层面相应延伸距离较短,仅产生4.1,4.6,4.8 m长的损伤裂隙。与此同时,上层面瓦斯急剧渗透扩展,在掘进面前方1-2 m处开始出现3.5 MPa的孔隙气压升高带。由此可见,界面差异性强的上层面相对较弱的下层面容易损伤,而且损伤后的沉积界面优先产生相应的渗流扩散现象。当损伤沉积界面最终贯通掘进面与断层面之间的岩柱,即裂隙损伤长度达到极限岩柱安全厚度时,瓦斯将突破岩体阻抗并产生冲击地压。

隧道突涌水灾害防突厚度计算方法及适用性评价

将10余种常见的突涌水灾害防突厚度计算方法分类归纳,并与隔水岩体破坏和充填结构失稳两大类突涌水灾害类型对应统一。对于隔水岩体破坏型突涌水,按照力学模型和适用对象的不同将计算公式归类划分为完整岩体型与裂隙岩体型两类,改进了裂隙岩体三区模型的最小安全厚度计算公式,对比了不同工况下各个公式的计算结果,表明适用于完整岩体的三维岩柱剪切模型和适用于裂隙岩体的单裂纹扩展三区模型与工程经验公式一致性较好,具有更好的准确性和适用性。对于充填结构失稳型突涌水,颗粒受力启动适合于作为充填介质渗透失稳开始的标志,流体流态转变可作为失稳发生的临界判别标准。最后,文中对理论分析、数值模拟、模型试验与工程类比等方法的适用条件、判断标准与优缺点做了系统的评价,可为实际工程中监控物理量的选择、临灾状态的识别与灾害预警提供参考。

隧道穿越富水断层隔水岩体冲切剪切破坏研究

隧道在修建过程中不可避免会遇到富水断层等不良地质情况,极易引发突水突泥灾害,若能提前预测隔水岩体的最小安全厚度,则能有效避免灾害的发生。首先,以隧道穿越富水断层为背景,提出冲切剪切破坏模式的隔水岩体计算模型,得到最小安全厚度计算公式并进行影响因素分析;然后,采用FLAC3D软件建立三维数值模型,确定最小安全厚度的模拟解,并与理论解进行对比;最后,将计算公式应用于永莲隧道以验证其适用性。结果表明:1)最小安全厚度随断层宽度、隧道半径、水头高度的增大而增大,随断层倾角、隔水岩体内摩擦角及黏聚力的增大而减小;2)模拟解与理论解较为吻合,且模拟得到掌子面附近围岩的移动态势与理论模型假定的破坏体运动方向一致;3)计算公式能较为准确地预测隧道穿越富水断层时的隔水岩体最小安全厚度。

近断层砂化白云岩隧洞突水涌砂演化过程及防突岩盘安全厚度研究

滇中引水工程砂化白云岩隧洞突水涌砂灾害频发,严重制约工程进度并威胁着施工安全。通过施工跟踪、砂化白云岩隧洞突水涌砂案例统计、理论分析等手段,总结富水洞段突水涌砂的成灾条件及灾变特征;基于小扑隧洞典型近断层段的突水涌砂灾害原型,采用FLAC3D模拟突水涌砂过程渗流场、应力场、位移场的演化,确定突水涌砂灾害的防突岩盘安全厚度临界判据,并建立系统、可行的灾害防控体系。研究结果表明:(1)突水涌砂通常发生在断层发育的富水强烈、剧烈砂化洞段;(2)突水涌砂灾变演化过程中,强烈、剧烈砂化白云岩孔隙水压力均存在漏斗效应,剧烈砂化白云岩渗流量变化与强烈砂化白云岩相比存在时滞性,并且剧烈砂化白云岩的渗流量明显比强烈砂化白云岩小;(3)强烈砂化白云岩隧洞开挖至距离断层4 m时,隧洞围岩应力出现突变现象,剧烈砂化白云岩隧洞开挖至距离断层8~9 m时,呈现出明显的拉应力区域;(4)强烈砂化洞段拱顶最大沉降于开挖至距离断层1 m时出现,而剧烈砂化洞段位移场演化无明显规律;(5)确定了富水砂化白云岩隧洞防突岩盘安全厚度临界判据,通过工程实例计算得到的最小安全厚度与实际工程预留接近。结合综合超前地质预报、富水砂化白云岩隧洞突水涌砂演化过程建立的隧洞施工期突水涌砂防控体系,可为富水砂化白云岩地下工程易发频发的突水涌砂灾害防控提供借鉴。

隧道穿越断层破碎带防突水最小安全厚度及其影响因素

隧道在穿越断层破碎带时容易引发突水突泥灾害,隔水岩体的最小安全厚度是避免发生突水突泥灾害的重要保证。综合考虑断层倾角和走向的影响,基于太沙基土压力理论求解断层邻近隧道区域的侧向地应力,建立隧道穿越断层的隔水岩体受力特性分析的计算模型,得到防突水最小安全厚度的计算公式;采用该公式计算祁连山隧道的防突水最小安全厚度,并与实际厚度进行对比,证明了理论解的可靠性和可行性;分析了最小安全厚度的影响因素,结果表明:防突水最小安全厚度随隧道半径、水头高度、断层宽度、断层走向角的增大而增大,随断层倾角的减小而增大,随隔水岩体内摩擦角、黏聚力的增大而减小。

立井揭穿突出煤层安全岩柱最小厚度的确定

针对目前立井揭穿突出煤层安全岩柱厚度仅靠经验确定的情况,从岩石力学角度出发,采用数值模拟计算的方法,对潘三矿深部进风井揭穿11-2突出煤层时预留厚度分别为5m,3m,2m,1.5m的岩柱进行研究,研究结果直观形象地展现了立井掘进过程中不同预留岩柱承受的应力分布状态和塑性破坏程度,从而确定了合理的最小预留岩柱厚度,为现场试验提供了理论指导。