深埋高铁隧道富水断层渗透突水灾变机理及防控技术研究

富水断层的地质构造是突水灾变的客观条件,隧道施工是触发突水灾变的直接原因,断层构造的破坏失稳和充填介质渗透失稳,二者相互影响,最终导致突水塌方。为保证隧道顺利贯通,提出TSP、GPR和TEM相结合的预测技术,结合超前钻孔成像,准确勘测富水断层带的地质情况。通过分区疏水帷幕注浆技术,对挖掘范围外部区域进行阻水处理,对挖掘范围内进行固结处理,采用三台阶临时仰拱法开挖作业。对穿越富水断层的隧道结构进行变形监测,最大变形量为21.1mm,小于控制指标,验证了防控措施有效性。

应力-渗流-损伤耦合作用下管道型岩溶隧道突水灾变规律研究

为研究管道型岩溶隧道的突水灾变规律,以毕节市大寨隧道为工程背景,考虑围岩的应力-渗流-损伤耦合作用,采用FLAC 3D对管道型岩溶隧道掘进过程中围岩位移、塑性区、渗透系数以及涌水量变化规律展开数值模拟研究,在此基础上了对比分析了无岩溶管道以及不同岩溶水压对隧道突水灾变特征的影响。数值模拟结果表明:(1)隧道掌子面距岩溶管道4 m以上时,隧道围岩稳定性良好,而隧道开挖一旦全部揭露岩溶管道,则管道内充填岩体会逐渐塑性屈服并发生整体滑移失稳,导致隧道出现突水突泥事故,这与实际工程状况保持一致。(2)管道型岩溶隧道掘进过程中的涌水量大致呈“S型曲线”变化,表现出很强的突发性和较大的体量性;(3)溶洞承压水通过岩溶管道向隧道内发生突水存在一个启动压力,只有超过这个启动压力,隧道才会发生突水突泥事故,且其突水量与岩溶水压呈现出明显的指数递增关系。

承压型隐伏溶洞突水灾变演化过程模型试验

岩溶隧址区强致灾性承压隐伏溶洞较为发育,为研究隧道开挖诱发隔水岩体破裂突水致灾机制,以利川至万州高速公路齐岳山隧道为工程背景,研制了流固耦合相似材料,提出了承压溶洞制备新工艺,自主研发了大型隧道突水灾变演化模拟试验系统。针对隧道开挖方式与溶洞发育尺寸,开展了多种工况下隐伏溶洞突水灾变演化过程模拟试验,研究结果表明:隧道施工过程突水灾害是爆破施工扰动与承压含水溶洞渗透破坏双重作用的结果;受爆破开挖扰动影响,隔水岩体内部裂隙发育密集,重点监测区域累计位移高出人工钻凿开挖27%,应力释放率达23.5%,稳定渗透压力仅为初始压力的36.7%,外加水压加载至40 k Pa约15 min后最先突水;相同水压加载条件下,溶洞尺寸越大对隔水岩体渗流场、位移场、应力场的影响越大,位移释放率越大、渗透压力整体水平越低,最终在应力和渗流作用下优势导水通道形成并扩展率先发生突水;承压型隐伏溶洞突水灾变演化过程经历了群裂隙的萌生扩展、优势导水通道的形成、隔水岩体破裂失稳3个阶段。试验结果对隧道突水机制的研究和灾害防治具有一定的指导意义。

采动影响下底板隐伏陷落柱突水灾变数值分析

为研究采动影响下底板隐伏陷落柱的渗流演化规律及突水灾变特征,以1个隐伏陷落柱工程为背景,考虑流固耦合作用以及围岩渗透系数的动态变化特征,模拟再现隐伏陷落柱随工作面开挖前进的突水灾变过程;在此基础上,研究隐伏陷落柱发育高度以及水压对煤层底板突水的影响。结果表明:当工作面开挖通过陷落柱时,陷落柱与煤层间的导水裂隙通道起始于陷落柱顶部最前方而终于煤层底板距陷落柱中心约20 m的位置;随着工作面的向前推进,煤层底板的涌水量大体呈"S"型曲线分布,其在工作面靠近并通过陷落柱时增大速率最快,而在工作面远离陷落柱中心35 m后逐渐保持稳定;陷落柱距煤底越近,煤层底板涌水量发生快速增长的时间点就越靠前且其增长区间范围也越大,同时煤层底板的涌水量与其距陷落柱的距离呈指数衰减式关系;当工作面推进距离相同时,煤层底板的涌水量与陷落柱水压呈指数递增关系。

隧道突涌水灾害缩尺物理模型试验研究综述

随着我国经济的快速发展,隧道工程建设越来越多地面临着大埋深、高地应力、高地温、高渗透压力等复杂地质环境,运用物理模型试验开展复杂环境下隧道突涌水灾变机理与安全防控研究已成为岩石力学的热点问题。结合近年来国内外针对隧道突涌水灾变缩尺物理模型试验开展的研究工作,重点对该类物理模型的流固耦合相似理论、相似材料研制、渗透压加载方法等内容进行了系统梳理,并对下一步的可能发展方向进行展望。参考部分文献和突水典型案例后,总结了流固耦合相似准则和高地应力下的相似准则、相似材料选用方案及材料配比、试验中的水压加载方案,认为未来关注的重点包括考虑温度场的物理模型试验相似准则的研究和涌水涌泥与突水突泥间渐变过程的研究2个方面。

近陷落柱深埋巷道掘进突水灾变演化规律研究

为研究深埋巷道掘进侧穿通过陷落柱时的突水灾变规律,以东庞井田2903工作面回风顺槽为研究对象,基于围岩应力-损伤-渗流耦合模型,采用FLAC3D软件研究了巷道掘进过程中陷落柱周边岩体位移、塑性区、渗透率以及涌水量的时空演化特征。在此基础上分析了不同陷落柱水压、陷落柱与巷道最小净距对陷落柱突水规律的影响。研究结果表明:近陷落柱深埋巷道侧穿通过陷落柱时,其近陷落柱帮以及顶底板位移会往陷落柱方向大幅扩展,最终导致陷落柱与巷道之间岩体发生整体滑移失稳,引发严重的突水灾害事故;近陷落柱深埋巷道掘进过程中,其突水特征具有滞后性、突发性以及大体量性;陷落柱水压对邻近巷道岩体塑性区扩展与导水裂隙通道形成具有明显的诱导作用,当水压超过临界值时,陷落柱与巷道之间的岩体将被冲出,其涌水量呈现跃迁式增长;陷落柱与巷道最小净距越小,陷落柱向巷道内发生突水的时间节点就越靠前,其涌水量也相对越大。

小净距隧道富水破碎带突水灾变演化规律与防治技术

隧道在开挖的过程中,常遇到突水涌泥等地质灾害,若防治不当,易造成施工机械破坏与人员伤亡。为了探究隧道富水破碎带地下水的运移规律及突水机理,依托武深高速公路小方山隧道,采用可考虑渗流-损伤耦合机制的RFPA软件包,建立非线性渗流突水模型。基于两种不同岩体渗透率工况,分析了渗流作用下隧道断层破碎带突水通道形成的演化过程,揭示了边界条件为定流量时,随着断层破碎带渗透性的提高,其卸压作用逐渐增强,但对地下水流速影响不大的灾变演化规律,最后基于突水灾变演化规律提出了小净距隧道断层破碎带防治突涌水的技术,其结论可为今后的工程提供参考与借鉴。

深部隧(巷)道围岩突水灾变演化试验系统研制及应用

针对深部隧(巷)道突水灾害中导水通道内渗透压力的强隐蔽性难题,基于防突岩体受力状态的理想概化,研制大尺度高压大流量突水灾变物理模拟试验系统。该系统试件尺寸为1 800 mm×300 mm×300 mm,地应力(6MPa)加载由活塞式均布压力伺服加载器实现,可有效解决荷载不均匀、刚度不匹配带来的试验结果畸变问题;高压(2 MPa)突水源由高压氮气罐组和大容量恒压水灌组成,利用气液复合加载的高灵敏特征,可实现灾变后的高水压保持和大流量补给。开发了从相似材料、模型浇筑安装到数据采集等全套试验技术,提出"防水水泥+水性聚氨酯+环氧树脂+辅助止水带"的四位一体边界止水方法,解决相似材料试件边界高压水密封的难题。针对典型致灾构造开展了考虑地质缺陷产状及规模、原岩应力水平及方向性、突水源压力和充填介质特征等多种主控因素的一系列试验,结合多场耦合数值仿真,提出导水通道内渗透压力和水力梯度的时空演化理论模型,初步揭示突涌水通道渐进导通的内在机理。