岩溶地区隧道围岩临界防突厚度数值分析

依托某隧道工程,基于岩溶地区地质特征建立了岩溶隧道围岩结构概化数值模型,分析充水溶洞位于隧道不同位置、各工况下岩溶隧道防突层破坏过程及规律,提出了不同位置下围岩临界防突层厚度。研究结果表明:岩溶的发育规模、岩层厚度、溶洞位置和岩溶水压均为突水灾害发生的主要影响因素;溶洞位于拱腰时,塑性区最大变形发生在岩溶隧道防突岩层中心,从位移、应力和孔隙水压变化规律可知,溶洞位于隧道拱腰时,对隧道围岩稳定性影响较大;由数值模拟结果可知,各工况下未发生塑性贯通区的位置及临界防突层厚度。研究成果可为岩溶区隧道建设及工程施工中的突涌突水灾害预测提供科学依据。

岩溶隧道掌子面防突厚度理论分析

掌子面岩墙预留厚度是高风险岩溶隧道采用释能降压法施工时的一项重要技术参数。本文基于弹性厚板理论,分析了岩溶隧道掌子面突水机制,推导了边界条件分别为固支和简支两种模式的岩溶隧道掌子面岩墙安全防突厚度及临界水压计算公式。上述计算公式的参数化分析表明,两种模式下掌子面岩墙安全防突厚度随前方岩溶水压力、岩体泊松比的增大而增大;掌子面岩体质量越差,防突厚度愈大。临界水压力随掌子面岩墙厚度增加而增加,掌子面岩体质量越差,临界水压力愈小。掌子面岩墙安全防突厚度的理论分析及算例结果表明,固支边界条件下的计算结果与施工中普遍采用的预留厚度值较为一致,该结论可为类似工程提供参考和借鉴。

岩溶隧道涌突水破坏模式分类及防突厚度研究

在岩溶山区进行隧址选择时,隧道与溶洞之间的防突岩体厚度是重要因素之一。在岩溶隧道修建过程中,若岩墙厚度保留过小,则岩溶水涌出造成安全事故、经济损失和工期延误。目前涌突水破坏分类较为笼统且大多忽略了隧道围岩的岩体结构对防突厚度的影响。本文首先从岩溶隧道围岩的结构类型、溶洞与隧道之间的相对大小和相对位置的角度进行涌突水破坏模式分类研究,再根据破坏模式抽象出梁模型、矩形或圆薄板模型、冲剪切柱模型、翼形裂纹张拉贯通模型、拉剪复合断裂破坏模型、顺层滑移模型等不同的力学模型,最后得出了相应破坏模式下防突厚度计算公式,以便为岩溶区隧道选线提供建议并为隧道修建过程中涌突水灾害预测提供参考。

基于双剪强度理论的岩溶隧道掌子面防突厚度分析

为了解决岩溶隧道在富水溶腔压力作用下的掌子面的防突厚度问题,文章采用双剪强度理论与极限分析上限法,考虑中主应力对掌子面防突厚度的影响,建立了掌子面受力屈服破坏的理论分析模型,对隧道掌子面的极限承载力和防突厚度进行了理论计算,并结合工程实例验证了该理论分析方法的合理性与适用性。

深埋隧道溶洞岩体防突层安全厚度研究

为防治深埋岩溶隧道开挖诱发的围岩突水灾害,文中依托巫镇高速笔架山隧道,在考虑溶洞水压条件下研究了充水溶洞位于隧道不同方位、不同距离以及不同埋深时隧道围岩塑性区变化规律。研究结果表明,溶洞位于隧道底部时洞内水压对岩体支护作用最为显著,但该位置的防突层安全厚度受隧道埋深影响最大;溶洞位于隧道顶部时防突层安全厚度对隧道安全影响最大;防突层安全厚度随着隧道埋深的增大而增加;计算所得最小安全厚度为3.9~13.1m,在任意位置情况下,防突层安全厚度均随隧道埋深增大而增加,该预测模型可为隧道突水灾害防治提供参考。

隧道施工防突岩盘破坏三维力学特征试验研究

隧道施工开挖遇前方存在突水突泥致灾构造时,如隔水/隔泥岩土盘厚度小于最小安全岩土盘厚度时,隔水/隔泥岩土盘在致灾构造中地下水/黏土压力的作用下失稳破坏,致灾构造中地下水或致灾构造中黏土突出形成突水/淤泥灾害。本文采用隧道中最为常见的砂岩和灰岩制作长宽一定、厚度不同的完整和预设裂隙试件,进行集中荷载作用下的破坏试验,探索砂岩和灰岩防突岩盘三维力学特征及最小安全岩盘厚度和水头的联系。结果表明:砂岩岩盘破坏形成的裂纹呈“X”型,灰岩岩盘呈“树枝”型;砂岩岩盘裂纹沿尺寸较大的方向产生,存在原生裂隙时裂纹尖端向大尺寸方向扩展;灰岩岩盘裂纹沿着长对角线产生主裂纹,在裂隙较深处出现次生裂纹,裂纹主要沿一端进行扩展;随着长度的增加,完整砂岩岩盘最大横向应力呈现“驼峰”型曲线,裂隙砂岩盘最大横向应力呈现“山峰”型曲线,完整和裂隙灰岩岩盘最大横向应力呈现“单峰”型曲线,横向应力在某一长度时最大横向应力出现极值;随着厚度的增加,曲线最终呈现“单峰”型曲线,在某一厚度下,抗破坏力最强,砂岩和灰岩板破坏时的水头与厚度均呈幂指数的关系。

基于尖点突变理论和爆破累积损伤模型的岩溶基坑防突厚度研究

循环爆破动荷载作用下,针对岩溶基坑侧壁涌突水的安全隐患,需确定合理的防突厚度。首先,根据基坑侧壁涌突水的力学特征,建立防突层失稳破坏的圆锥台力学模型,采用尖点突变理论及能量判别方法,得到防突层势函数及分叉点集方程,推导岩溶基坑防突厚度的表达式。然后,在爆破开挖中,从岩体疲劳损伤的角度引入爆破累积损伤模型,并得到循环爆破的累积损伤值,同时对防突层的弹性模量进行修正,形成考虑循环爆破次数的岩溶基坑防突厚度的计算方法。最后,以大连地铁5号线梭鱼湾南站为工程依托,对其防突厚度进行计算,并对主要影响因素进行参数敏感性分析,提出具体的防涌突施工措施。研究结果表明:引入爆破累积疲劳损伤变量,得到了不同爆破次数下岩溶基坑的防突厚度,其随着岩层弹性模量E、泊松比μ、压力扩散角θ、钢支撑轴力F1的减小而增大,而与岩溶水压力F3、岩溶区半径R2、爆破次数n呈现正相关的变化趋势;在各影响因素的敏感性分析中,岩溶区半径R2和岩溶水压力F3对防突厚度的影响最为显著,敏感性因子分别为0.869,0.722。该方法及结论对于岩溶区爆破开挖下岩质基坑的设计与安全施工有较好的借鉴价值。

前伏不同角度富水溶洞下节理隧道最小防突层厚度研究

为研究前伏不同角度富水溶洞下节理隧道最小防突层厚度,基于断裂力学和弹性力学理论,分析节理裂隙在开挖扰动和岩溶水压共同作用下的扩展起裂机理,建立隧道围岩节理翼裂纹扩展模型,将防突层厚度分为扰动带厚度和节理带厚度,提出含节理隧道掌子面最小防突层厚度计算方法;根据算例分析不同方位溶洞下节理长度、节理倾角、掌子面开挖大小等参数对最小防突层厚度的影响规律。结果表明:掌子面最小防突层厚度随溶洞方位角增大先增大后减小,在方位角为30°时出现峰值;防突层厚度受节理几何特征影响明显,防突层厚度随节理长度增大而增大,防突层厚度随节理倾角增大先增大,在达到峰值厚度后开始减小;溶洞方位角超过25°时,开挖半径对最小防突层厚度影响显著。该结论对岩溶地区的节理隧道开挖安全施工具有参考意义。

岩溶隧道突水突泥防突评判方法及其工程应用

为实现对岩溶隧道安全性的快速评价,采用统计与理论分析相结合的方法,针对岩溶隧道突水突泥灾害的灾害源和防突结构,选取水动力条件、不良地质、防突厚度及围岩特征这4个方面因素,建立一种适用于工程现场的突水突泥快速判识方法即岩溶隧道突水突泥防突评判方法(PSAM法),构建突水突泥防突评判影响因素指标体系,即以防突厚度、水压力特征、不良地质、岩体质量和完整性为主要影响因素,围岩节理状态、水源补给条件、水力连通性、岩石强度为次要影响因素,岩层走向与倾角、地应力、岩体透水性特征为修正因素,提出各影响因素的分类方法和等级划分体系,形成适用于工程现场快速查询与评判的影响因素分级与评分表,阐述防突评判实施流程。将该评判方法应用于宜万(湖北宜昌—重庆万县)铁路野三关隧道"602溶腔"大型突水突泥灾害工程。研究结果表明:该评判方法克服了现有突水突泥风险评价不能描述防突结构围岩特征及厚度影响作用的不足以及传统最小安全厚度计算方法针对孕险环境和围岩特征等重要影响因素考虑不全面的欠缺;工程应用结果验证了该评判方法的科学性和实用性。

富水断层破碎带隧道防突岩盘厚度计算与模型试验验证

针对现有富水断层破碎带力学模型及隧道防突岩盘厚度计算公式考虑因素不全、计算误差大等问题,基于Janssen理论,引入隧道轴线与断层破碎带面水平夹角、断层倾角及地下水埋深等参数,推导隧道穿越富水断层破碎带的防突岩盘厚度修正公式并进行模型试验验证,揭示破碎带分布范围、断层破碎带倾向倾角、水压等因素对隧道防突岩盘厚度的影响规律。结果表明:基于Janssen理论,引入隧道轴线与断层破碎带面水平夹角、断层倾角、地下水埋深等参数,推导出断层破碎带相对于防突岩盘内倾和外倾2种工况下的隧道防突岩盘厚度计算公式具有良好的适用性;隧道防突岩盘厚度随断层破碎带分布范围、水压、隧道断面及埋深的增大而增大,随断层破碎带倾角、普通围岩强度及隧道轴线和断层破碎带交角的增大而减小。研究成果可为类似隧道工程防突安全计算提供理论参考。

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。

岩溶地区隧道裂隙水突出力学机制研究

岩溶地下水是诱发隧道发生突(涌)水地质灾害的主导因素之一,岩溶裂隙水对隧道围岩的危害越来越成为岩溶地区隧道建设中的热点研究问题之一。基于目前岩溶裂隙水突出机制研究现状,运用岩溶地质学、工程水力学和断裂力学相关理论分析岩溶地区隧道水岩相互作用机制,探讨了水岩相互作用对岩溶地区隧道施工发生突(涌)水的影响,揭示岩溶地区隧道裂隙水突出前后过程的力学机制。研究表明:岩溶隧道裂隙水突出是裂隙岩体在岩溶水及水压的持续作用下受施工外力干扰发生劈裂的结果,岩溶水和水压在裂隙岩体突水破坏过程中的力学作用主要体现在4个方面,即突水蓄势期岩溶水对裂隙岩体的软化溶蚀作用、水压对裂隙岩体的劈裂作用,突水失稳期水流的冲刷扩径作用、水压对突水量的动力控制作用。基于上述分析,以断裂力学、弹塑性力学理论为基础,提出岩溶隧道岩溶裂隙水突出的最小岩石防突厚度概念,推导了其半解析解表达式,并为工程实例所验证,其结果可为高风险岩溶地区隧道突水理论与防治措施提供参考。

外载扰动诱发灾害发生的突变机理及其非线性动力特征

基于突水灾害类型和突水灾变模式的系统分析,提出防突关键体概念,建立防突关键层与关键块的力学模型,外力扰动则简化为平面应力波,建立防突关键层失稳与动荷载诱发岩块失稳突水的突变模型,并基于系统能量的平衡分析获得局部突变的分岔集,导出了突水(泥)的失稳判据,发现不但取决于防突结构的几何尺寸、材料性质、水压等因素,还与外荷载的强度和频率有很大关系。基于动载动力特性的数值分析,研究了不同动载振幅、频率对最小防突关键体厚度的影响,进而提出"小进尺、弱爆破"等预防突水灾害的防治措施。

岩溶地区隧道突涌水机理的研究进展

突涌水是岩溶地区隧道施工过程中最常见的地质灾害,具有强复杂性和破坏性,已成为隧道建设中面临的主要挑战之一。以岩溶地区隧道突涌水发生机理为基础,对突涌水灾害类型进行了分类,总结了裂隙型、断层型、溶洞溶腔型灾害类型下,岩溶隧道突涌水的发生条件、演变规律和灾变力学分析模型;分析总结了三种典型灾害类型下岩溶隧道突涌水最小岩盘防突厚度计算公式及时适用范围,提出岩盘防突厚度是判断岩溶隧道突涌水发生的重要指标。对目前岩溶隧道突涌水机理进行了展望,认为突涌水力学分析模型应进一步准确表征围岩实际受力状态和工程地质条件。论文综述成果为深入研究岩溶地区隧道突涌水灾害发生机理,了解突涌水致灾机理研究难点和今后的发展方向提供了参考。

富水高压隧道掌子面涌突水稳定性研究

富水地层隧道掌子面在水力作用下,易发生失稳,造成安全事故,因此确保隧道掌子面稳定性是保障正常施工的关键。本文以豹狸岗隧道修建过程中遇到的富水裂隙密集带为背景展开研究,采用流固耦合理论结合数值分析方法,建立模型研究掌子面失稳模式;基于突水突泥地层掌子面稳定性分析力学模型,模拟掌子面渗透破坏以及失稳过程,提出掌子面稳定性评价方法,确定了保障掌子面稳定的极限防突体厚度(掌子面与断层破碎带之间的距离),以此来判别掌子面掘进至断层破碎带附近的加固时机。

深大断层破碎带隧道突水突泥机理研究

以邻近高家湾断层破碎带隧道施工为工程背景,采用理论分析、数值模拟等手段研究深大富水断层破碎带隧道掌子面防突岩体剪切失稳机理,并对防突安全厚度进行分析。研究结果表明:断层破碎带隧道突水突泥本质是施工扰动下断层破碎带围岩应力场和渗流场发生改变,在水力耦合作用下,掌子面防突厚度不足造成剪切失稳;断层带水压,掌子面涌水量、水平向位移及塑性区等失稳评价指标在隧道向断层破碎带开挖过程中均表现出明显的“稳定—发展—失稳”阶段特征,与实际施工中突水突泥发展历程基本一致。综合各失稳评价指标,确定该隧道临界防突安全厚度为0.95倍隧道等效直径;相比于断层破碎带宽度,埋深对深大富水断层破碎带隧道防突安全影响更显著,并且随着隧道埋深的增大,断层破碎带宽度对防突安全的影响也逐渐增强。