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。

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。

深长隧道突涌水灾害防突岩盘模型试验研究

为探讨地应力、水压及防突岩盘厚度对掌子面突涌水灾害的影响规律,建立防突岩盘最小安全厚度力学模型,采用相似模型试验方法,开展系列隧道掌子面前方突涌水灾害防突岩盘模型试验。试验成功再现开挖卸荷诱发掌子面前方突涌水灾变全过程,获取不同地应力、防突岩盘厚度组合条件下掌子面突水时的水压力值,分析得出开挖卸荷联合作用下,各因素对突涌水灾害的影响规律。研究表明:随地应力增加,不同防突岩盘厚度下突水时水压展现出相反的变化规律;突水时主要存在沿掌子面中心处的剪切破坏,以及沿掌子面边缘处的渗透突水2种破坏模式,且前者突水时水压明显较后者大。试验结果可为隧道施工期间掌子面前方突涌水灾害风险评估等提供试验基础和数据支撑,也可为类似工程提供参考。

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。