富水岩溶地区隧道涌水预测与施工处置技术研究

针对贵州某隧道施工过程中遭遇一处连通地下暗河的大型溶洞引起隧道内大规模涌水的灾害进行研究,结合水文地质情况对涌水量进行预测和分析后,现场先对岩溶水进行初步释压,后采用水泥砂浆分步回填隧道上伏溶腔以封堵岩溶出水口;进一步采用集水管引排岩溶水的方式对剩余地下水进行二次加强处理,同时将集水管与隧道外侧的泄水洞相连,二者构成一套完整的引排水系统的处治手段。采用堵排相结合的原则有效地达到涌水处置目的,确保了隧道的安全施工,可为类似地层的隧道施工提供有益的借鉴。

基于SVM的富水岩溶区双线盾构隧道下穿既有线临界安全距离研究

双线盾构隧道在极复杂的岩溶地质中下穿既有线施工时,会对地层造成较大扰动,从而增加既有地表沉降过大或坍塌的风险,严重威胁既有线的运营安全。同时,隧道穿越富水岩溶区域时,需要保持一定距离以避免与溶洞相交,确保双线盾构隧道围岩的稳定性。利用FlAC^(3D)软件建立不同工况组合下双线盾构隧道与左侧溶洞的临界安全距离数值模型,分析不同地下水位对既有线沉降和围岩塑性区范围的影响,并采用正交试验和多元线性回归方法建立双线盾构隧道在不同围岩等级、地下水埋深、开挖隧道埋深和溶洞孔径组合下与溶洞的临界安全距离计算公式。此外,还基于SVM模型对正交试验结果进行机器学习,得到可以预测岩溶地区双线盾构隧道临界安全距离的智能预测系统,实现双线盾构隧道下穿既有线临界安全距离的非线性智能预测。结果表明:当地下水位位于既有线以上时,其水位越高,既有线的沉降量越大、围岩塑性区范围越大,地下水对盾构隧道与溶洞的临界安全距离有很大影响,应用SVM模型和多元线性回归方法确定双线盾构隧道与溶洞之间的临界安全距离是行之有效的。

岩溶地层地铁车站深基坑渗漏灾害成因分析

[目的]富水岩溶深基坑施工开挖常发生基坑侧壁或底部突涌灾害问题,应针对富水溶洞地层深基坑开挖时的渗流稳定性进行深入研究。[方法]依托佛山地铁3号线中山公园站深基坑开挖工程,对深基坑渗流特性及坑底涌水机理进行深入研究,建立了基坑-土体-溶洞三维数值模型,采用等效渗透系数法对岩溶-地层渗流场进行耦合模拟。[结果及结论]通过仿真模拟分析,获得了不均匀地层中岩溶区富水程度对基坑渗流场及涌水量的影响规律,阐明了基坑底部土体竖向平均水力坡降演变特性,揭示了该地岩溶区基坑底部突涌水机理,研究结果可为富水岩溶地区深基坑工程的设计与施工提供参考。

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。

湖南省新田县富锶岩溶水矿物饱和指数特征,Sr^(2+)、SO_(4)^(2-)来源及开发潜力

【研究目的】湖南新田县发现大型富锶矿泉水田,然而锶元素来源及锶矿泉开发利用潜力研究相对薄弱,此外探究富锶岩溶水水化学特征及锶元素来源可为岩溶区寻找富锶地下水提供一定的理论支撑。【研究方法】通过开展水文地质调查,富锶地下水水化学指标检测分析,利用PHREEQC软件、水化学计量法、端元法、水文地质参数等揭示富锶岩溶水矿物饱和指数特征,Sr^(2+)、SO_(4)^(2-)来源及富锶地下水开发潜力。【研究结果】方解石在下降泉和机井中均主要处于饱和状态,白云石由下降泉中未饱和状态转为机井中的饱和状态,菱锶矿在机井中出现饱和状态,石膏在下降泉和机井中均为未饱和状态。下降泉中矿物饱和指数随泉水溶解性总固体增加而升高,两者呈较好的正相关关系,但在机井中两者相关性较差。下降泉SO_(4)^(2-)和大气降水SO_(4)^(2-)具有较好的拟合关系,根据Ca^(2+)、Mg^(2+)、Sr^(2+)、HCO_(3)^(-)、SO_(4)^(2-)化学计量关系,机井中SO_(4)^(2-)可能来源于石膏溶解。下降泉中Sr^(2+)主要来源于石灰岩中以类质同像置换钙的锶,机井中Sr^(2+)较大可能来源于含水层中菱锶矿。研究区85.2%水点的地下水符合国家生活饮用水卫生标准,超标水点多为单指标超标。经计算,枯水年富锶地下水天然补给资源量、可开采资源量和地下水资源潜力分别为3.83×10^(7)m^(3)/a、1.05×10^(7)m^(3)/a、7.28×10^(6)m^(3)/a。【结论】新田县富锶地下水中锶主要来源于泥盆系佘田桥组地层含锶矿物(类质同像置换钙的锶和菱锶矿)的溶解,富锶地下水资源量及资源潜力可观,具有较大的开发利用潜力与价值。

岩溶区隧道溶洞的综合预报及治理方案研究

为保证岩溶区隧道施工安全,采用综合地质预报方法对隧道前方不良地质体进行探测。以某岩溶隧道为工程背景,通过地质分析研究了隧址区的岩溶发育特征,利用TGP和地质雷达法对K65+337处的溶洞进行了准确的预报,详细探明了溶洞规模、位置以及含水情况,探测结果与实际揭露相吻合。针对揭露的溶洞特点,提出了采用填堵法和引排水法相结合进行综合治理,通过对治理后围岩的变形监测,验证了治理方案的有效性,为类似溶洞处治提供了参考和借鉴。

隐伏富水溶洞对隧道围岩稳定性影响分析:以云南云盘山隧道为例

为研究岩溶隧道开挖过程中隐伏充水溶洞引起的围岩稳定性问题,依托云南营盘山隧道工程,以溶洞尺寸、水压以及与隧道间净距三种因素为研究对象,结合新型的三维雷达探测技术,并采用PLAXIS 3D进行数值模拟,分析了隧道各监测点位移、应力场的变化规律和影响效应。结果表明:隧道开挖会使应力场发生变化,隧道拱顶、拱腰处的围岩以压应力为主,隧道仰拱下方的围岩以拉应力为主,各部分的应力变化也是导致围岩向隧道内扩张的主要原因;单一变量下,隧道半径为5 m时,位移、应力的变化最大,溶腔内水压增加至500 kN/m^(2)时,位移、应力所受影响最大,溶洞与隧道的净距达到3 m时,位移、应力场变化尤为明显;围岩稳定性对溶洞尺寸、水压以及与隧道间净距的敏感程度存在差异,大小为隧道与溶洞净距>溶腔水压>溶洞尺寸,可为相似工程的安全施工提供参考。

穿越强富水可溶岩与非可溶岩接触带施工技术分析

以竹林湾隧道为案例,从施工的重难点入手,对穿越强富水可溶岩与非可溶岩接触带施工技术进行详细分析。研究表明,在穿越强富水可溶岩与非可溶岩接触带隧道施工时,利用超前地质预报技术,远距离预报采用隧道地震发射波法(TSP法),中距离预报采用地质雷达结合红外探测法,并采用超前探孔验证地质预报探明的岩溶的位置、形态和规模,通过不同超前预报形式的交叉运用,可准确掌握隧道施工前方存在溶洞、溶槽的位置和特点。针对施工中遇到的不同位置分布及特性的岩溶,采取对应的施工处置措施,并对穿越特殊地质强富水可溶岩和非可溶岩接触带施工工艺进行优化,可在保证施工质量的基础上,获得最佳效益。

富水喀斯特隧道穿越大型溶洞施工关键技术研究

随着交通路网覆盖范围逐渐向遍布喀斯特地貌的云、贵等西南地区纵深扩展,势必会遇到大量富水喀斯特隧道穿越大型地下溶洞、溶槽及暗河等不良地质工程。以往采用的注浆封堵工艺工法一方面由于隐蔽工程施工而难以控制施工质量,另一方面也会在一定程度上破坏溶洞地下水径流平衡及周围生态环境。文章以G7611都香高速翠屏隧道穿越大型地下溶洞工程施工为例,系统介绍了溶洞扩挖及支护、溶洞基底清淤及回填等富水喀斯特隧道穿越大型溶洞施工关键技术。

EH4电磁法在太行山隧道勘察中的应用

山西省某高速公路太行山隧道地质情况复杂,地形地貌复杂多样,最大埋深约730 m,一般物探方法难以适应,而EH4大地电磁法系统可以满足该隧道的勘察。文中简述了该方法的原理及特点,结合已知地质条件,成功解译出了该隧道的10处断层位置和2处岩溶发育位置,并分析了它们的富水情况及围岩破碎情况,为隧道围岩划分、划定风化层、富水位置及施工提供了可靠的依据,为类似项目的勘察提供了借鉴。

基于瞬变电磁的岩溶发育及富水分区特征研究

针对川南煤田观文煤矿的岩溶水害问题,采用瞬变电磁技术探测了矿区地层视电阻率,结合矿井地质资料确定了地层物性特征,分析了矿区岩溶发育情况和富水性特征,并对富水性进行了分区,判定了矿井充水水源。结果表明:观文煤矿水文地质条件复杂,岩溶发育分布广泛;共有富水异常体37个,其中岩溶溶洞异常数共20个,占54.1%;矿区岩溶富水性在平面和剖面上都具有显著分区特征,基本表现为下部强上部弱,北部强南部弱,西部强东部弱;西北端发育一条暗河,且与断层造成的破碎带相连,形成大面积的强富水区;长兴组灰岩岩溶—裂隙弱含水层和茅口组灰岩岩溶—裂隙含水层分别是未来矿井顶板和底板充水的主要水源。研究成果可以为矿井防治水工作提供依据。

黄河流域长孝岩溶水系统水文地质特征及蓄水模式分析

基于在黄河流域长孝岩溶水系统开展的1∶5万水文地质调查工作,系统总结了该水文地质单元的边界条件、含水岩组分布及富水性空间分布特征,分析了区内地下水补给、径流、排泄条件与地下水动态变化特征,探讨了黄河长孝单元与周边地下水的相互作用。黄河向北侧补给孔隙水,向南侧补给孔隙水及岩溶水,其中对孔隙水侧渗补给带范围至王营村—庞道口—太平庄—姚河门村一带,对岩溶水补给主要发生在望口山村至柳河圈村一带、孝里镇胜利村附近。圈定了以朱砂洞组为含水岩组的双泉镇段店村裂隙岩溶水富水地段、以三山子组马家沟群为含水岩组的归德孝里马集裂隙岩溶水富水地段,分析其富水机理,总结了层间岩溶断层阻水型及单斜断裂型两种基岩蓄水构造模式,可为该区域找水定井提供参考。

葛泉矿北翼奥陶系灰岩水文地质特征分析

为保持矿井可持续发展,了解下组煤资源特征,对影响下组煤开采的最强潜在充水水源的奥陶系灰岩含水层进行了研究。本次研究奥灰顶界面下100 m的水文地质情况,通过钻探、抽水试验、采样化验等手段,查明奥陶系灰岩含水层具有明显的不均一性和垂直分带性,奥灰含水层岩溶发育形态一般,局部良好,富水性为中等强,水质类型以HCO 3-Ca、HCO 3-Ca·Mg型为主,为将来下组煤资源的开采提供水文地质依据。

侧部高压富水溶腔与隧道间岩柱安全厚度的研究

岩溶区隧道周围不可避免地存在一些中小规模的隐伏溶洞,由于隧道的开挖、卸荷改变了隧道与溶洞间岩柱的应力状态,溶洞中的高压岩溶水进一步恶化了其稳定性,造成隧道突水、突泥等岩溶灾害的发生,带来了重大安全危害和经济损失,成为岩溶地区隧道施工中亟待解决的重要问题。除施工扰动、高水压作用外,隧道与溶洞间岩柱厚度不足是引起这一工程问题的主要因素,建立隧道与溶洞间岩柱安全厚度预测模型具有重要的理论意义和重大的工程实用价值。针对常见的中、小尺度的侧部高压富水溶腔,综合考虑安全厚度的影响因素,以隧道周围的塑性区和溶洞周围的高渗透带的贯通与否作为中间岩柱稳定的判断标准,建立了中间岩柱安全厚度力学预测模型,在此基础上分析了各因素对最小安全厚度的影响规律。以忠垫高速公路岩溶隧道为例,利用最小安全厚度预测公式判断中间岩柱的稳定性,其结果同基于现场量测判断的结果一致,从而说明上述方法具有一定的可行性。

基于云模型的富水岩溶隧道涌水风险评价

为适应风险因素不确定性、随机性及动态反馈性等特点,建立新型富水岩溶隧道涌水风险评价体系,提出1种基于云模型的模糊综合评价方法。选取5个1级指标、29个2级指标构建评价指标体系;综合层次分析、熵权与加权平均计算法合理分配各指标权重;利用云生成算法计算出云数字特征参数并生成足够数量的云滴;将方法应用于贵州省某隧道涌水风险评价。结果表明:隧道综合云模型云滴大部分处于“中度风险”与“高度风险”之间,与实际开挖及地质雷达分析结果一致。所提出的基于云模型的模糊综合评价法对富水岩溶隧道涌水风险评估提供良好的实践参考,为日后隧道质量控制和寿命评估提供参考。

大断面富水岩溶隧道二次衬砌受力特征研究

基于重庆双碑隧道现场测试并采用FLAC^(3D)进行数值模拟,研究富水岩溶地层大断面隧道二次衬砌力学行为。现场测试表明:二衬在混凝土硬化前逐步受力,二次衬砌轴力始终为压力,拱顶承受正弯矩,拱腰边墙承受负弯矩,安全系数拱顶大于边墙;当衬砌背后存在外水压时,外水压对衬砌的环箍效应明显。数值模拟表明:轴力、弯矩随水压增加呈线性增长,轴力下半断面测点不仅数值上高于上半断面而且增长速度也明显高于上半断面,弯矩增长速度拱脚>仰拱>上半断面;当隧道排水能力足够时,排导式衬砌结构基本不承担外水压力,一旦排水能力下降,在外水压力作用下结构的承载能力较弱,拱脚及仰拱为危险区域,极可能产生结构压裂、突水等滞后型危害。

岩溶富水隧道超前地质预报技术——以宜(昌)万(州)铁路金子山隧道为例

岩溶富水隧道施工中对隧道掌子面前方一定范围内的地质情况进行超前探测和预测预报是保证隧道施工安全的关键技术。在宜万铁路金子山隧道岩溶富水区施工中,引进了TSP203隧道地质超前预报系统、红外线测水仪等先进仪器进行多途径超前地质预报。针对当前物理探测存在的多解性的特点,在施工实践中逐渐形成了以中长超前物探和超前水平地质钻探验证为主,辅以短距离地质素描超前分析和施工前超长炮孔加密确认的“多阶段、多手段、多层次”的“综合立体式超前预报技术”。以此技术为依托对强岩溶区富水隧道施工进行超前地质预测、预报,成功地穿越了金子山隧道进口工区岩溶富水带。

岩溶富水区深埋水沟排水隧道注浆圈参数研究

为合理确定深埋水沟排水方式下隧道注浆圈特征参数,以某岩溶富水区隧道工程为依托,采用FLAC3D软件建立流固耦合计算模型,针对其注浆圈参数进行合理探讨,研究注浆圈厚度、注浆圈渗透性对隧道涌水量、衬砌水压力、结构安全性的影响规律。研究结果表明:增加注浆圈厚度或降低注浆圈渗透性可降低衬砌水压、控制涌水量、保障结构安全,但并不代表实际工程中注浆参数需要追求最值,而应兼顾安全性和经济性,选取相对合理的注浆参数;结合模拟计算结果与同类工程案例,建议依托工程注浆圈厚度以5~6 m、渗透性比值以注浆前的1/50(渗透系数为2×10-6cm/s)为宜,并应结合实际进行技术经济对比,合理确定现场注浆参数。

富水岩溶地层隧道仰拱隆起原因分析及控制研究

贵州DJ隧道在穿越富水岩溶地层时出现仰拱隆起及开裂渗水,危及隧道结构及运营阶段行车安全,采用雷达探测以及现场情况调查对其进行病害原因分析,进而提出相应的整改措施,同时采用现场监测技术对仰拱拆换后受力情况及隧道外侧水压进行实时监测。结果表明:隧底水压过大、围岩遇水软化以及围岩溶洞是造成该隧道仰拱隆起的主要原因;采用“注浆钢花管+仰拱拆换+排水沟加宽+设置泄水孔+增设排水系统”的整治措施能有效治理仰拱病害;仰拱进行整治后二衬钢筋混凝土的接触应压力及钢筋应力远小于安全允许值,隧道外侧水压较小,且在运营荷载作用下结构受力稳定,说明仰拱整治方案合理有效。

岩溶隧道帷幕注浆止水技术及施工——以宜(昌)万(州)铁路金子山隧道为例

强岩溶区隧道施工中,隧道周边一定范围内的岩溶地下水在隧道施工中将导致隧道岩体工程地质和水文地质条件发生变化,造成围岩强度降低,渗透水压力增加,并可能造成隧道的突然涌水和突泥事故,帷幕注浆是隧道等地下工程施工中防渗止水的有效技术。以在建宜昌-万州铁路金子山隧道为依托工程,在介绍隧道帷幕注浆目的、注浆止水的机理基础上讨论了金子山隧道帷幕注浆止水施工工艺和注浆施工方案,详尽介绍了帷幕注浆的施工组织、机械设备和人员的配备,并就帷幕注浆中注浆量的推算和止浆墙的安全厚度进行了重点探讨,金子山隧道帷幕注浆的成功经验可为同类工程的施工提供技术资料和经验借鉴。