穿断层破碎带隧道围岩大变形控制双梯度注浆机制

近些年,中国西部大量深埋隧道工程因关键线路控制无法避让一些活动性断裂,常常在跨越断裂带范围内出现围岩大变形破坏现象,例如侵限、偏压、塌方、底鼓等灾害,严重影响隧道工程施工和运营的安全可持续发展。为了控制断层破碎带隧道围岩大变形,隧道工程设计者和建设者采用了多种控制方案,例如超前注浆、多层钢拱架被动支护、锚杆索主动支护等,但是都因断层破碎带围岩强度过低而出现超前注浆诱发围岩拉裂破碎、主动支护锚杆锚固力不足等现象。为解决上述难题,首先,提出一种增强穿断层破碎带隧道围岩强度的双梯度注浆技术,建立双梯度注浆概念模型,构建3种双梯度注浆模式;然后,确定特定工况下注浆材料粒径梯度与注浆压力梯度的适配条件;最后,通过理论分析、物理模型试验和现场试验,探索双梯度注浆机制及其控制效果。研究结果表明:1)随着开挖步序的增加,穿断层破碎带隧道拱肩变形最大,构造应力对围岩稳定性影响较大。2)在双梯度注浆作用下,浆液扩散效果良好,围岩未出现大面积脱落破坏,隧道周围岩体应力分布均匀。3)双梯度注浆形成了坚硬交叉浆脉骨架,达到了应力补偿效果,将围岩变形量从原来的3 100 mm控制到278 mm以内,实现了“零换拱、零侵限、零突涌”的目标。

隧道富水断层破碎带突涌预报与工程对策研究

为解决高原隧道断层破碎带易发突泥冒顶灾害的问题,采用现场调查、地面物探、洞内地震波反射法、瞬变电磁法、超前钻孔等超前地质预报方法,推广洞内物探三维分析,对富水断层破碎带突泥灾害特征、超前地质预报综合成果和工程应对加固措施进行研究。结果表明:三维物探成果能快速精准查明富水破碎带空间形态,成果直观,有效指导风险判识和工程处置措施;对富水断层带预报应充分结合勘察期成果,宏观初判断层分布特性,洞内采用物钻结合、长短结合的方法;首次提出按照“探明破碎带规模形态,查明破碎带物质组分性状,观测地下水特征变化情况”的思路,研判突泥涌水风险;施工处置应按照“探泄结合,先固后进,回堵再泄”的总体原则有序开展。研究成果和手段可为类似突涌灾害超前地质预报和工程应对措施提供参考。

地面定向钻孔预注浆掩护巷道穿断层破碎带技术应用

为了解F2断层发育情况,解决岩巷穿断层期间由于顶、底板及巷道围岩破碎导致的水害、断层破碎带支护问题,在分析矿区地质条件的基础上,通过实施地面L型多分支定向钻孔对巷道穿F2断层周围破碎岩体进行预注浆加固,综合运用理论计算、工程效果监测分析等方法,对巷道掘进期间的围岩塑性圈范围进行了理论分析研究;实测分析了F2断层地面区域治理工程注浆前后地层单位吸水量变化及注浆效果。结果表明,地面定向钻孔高压预注浆有效提升了巷道围岩稳定性,研究成果为类似地层条件下巷道的安全、高效掘进提供了实践经验。

渗流-应力耦合作用下穿断层破碎带TBM输水隧洞结构安全研究

为分析敞开式隧道掘进机(TBM)穿越断层破碎带深埋长输水隧洞围岩的稳定性及其支护结构的安全性,依托东庄水利枢纽北线输水隧洞工程,采用ABAQUS软件建立隧洞开挖过程渗流-应力耦合三维动态施工仿真模型,研究了隧洞开挖支护过程中断层破碎带处围岩的稳定性和支护结构的受力特性及其变化规律。结果表明:隧洞围岩由于卸载作用其孔隙度最大值较初始状态增大了0.88%,渗透系数最大值较初始状态增大了2.59%;隧洞围岩孔隙水压力随开挖支护过程先下降—再平缓—最后回升至稳定;围岩塑性区出现在沿径向1 m范围内,等效塑性应变极值出现在围岩腰线处;锚杆应力在衬砌进行支护时达到峰值,其最大值为182.90 MPa;衬砌内、外缘均处于受压状态,衬砌环向应力值随开挖支护过程先出现最大值,随后略微减小至稳定,其值在6.66~11.92 MPa范围内;衬砌的变形整体上表现为向内收缩,收缩量从顶拱和底拱处向腰线处逐渐减小,其值在0.67~1.35 mm范围内;随着排水量的增加,围岩最大径缩量逐渐增大,衬砌外水压力折减系数逐渐减小。研究结果可为穿断层破碎带TBM隧洞工程结构设计及其安全施工和运营提供参考依据。

高地应力断层破碎带隧道变形及受力特征研究

针对隧道在穿越高地应力断层破碎带时,易引发围岩大变形、混凝土开裂和拱架变形等破坏问题,依托象君山隧道工程,通过现场试验,分析了断层破碎带及附近不同等级围岩断面开挖引起的隧道变形和受力特征。研究表明:在下台阶开挖前,隧道拱顶沉降和上台阶收敛均达到峰值的70%,断层破碎带处收敛变形呈现明显的“上大下小”现象,而在断层破碎带附近的断面沉降则呈现出明显对称现象;隧道断层破碎带的最大沉降值为73.4mm,在隧道拱顶处,并且观察到喷射混凝土局部开裂和钢架扭曲,在后续施工中建议采用“先柔后刚”的双层初支方案;围岩压力在空间上呈现离散分布,在断层破碎带及其附近断面的围岩压力都是非对称分布,在拱脚和边墙处并未出现较大拉应力区,且拱部受力明显大于拱顶,说明水平构造应力明显;断层破碎带隧道围岩变形和初支受力特征主要是由区域构造应力、最大主应力和岩体综合结构决定,断层破碎带围岩变形和初支受力情况在一定程度上反映了围岩初期变形情况。

强富水区山岭隧道穿越断层破碎带施工技术研究

为降低隧道穿越断层破碎带施工中的涌水突泥风险,该文依托古兜山隧道实体工程,采用“TSP+地质雷达+超前地质钻孔”的地质超前预报技术,探明隧道掌子面前方的地层状况和富水程度,提出富水区隧道穿越断层破碎带施工关键技术。提出隧道洞口明挖法与隧道洞内光面爆破技术及洞内围岩段的双侧壁导坑法、单侧壁导坑法、三台阶七部法的开挖方式;采用S-Ⅴb型隧道衬砌结构型式与全断面帷幕注浆、加强泄水等技术相结合的支护方式,其中的整体承载结构为初期支撑系统和二次模筑衬砌的组合结构。该施工关键技术可有效避免古兜山隧道施工的突水涌泥现象,可指导类似工程的施工。

SH波入射下山体-断层破碎带-隧道相互作用分析

采用一种高精度间接边界积分方程法(IBIEM),开展了山体-断层破碎带-隧道整体模型对地震波的散射作用模拟,考虑了三种影响因素:入射波强度、隧道与断层破碎带间距以及破碎带动力特性,模拟了其对山体表面及隧道地震动力响应的影响。研究结果表明:断层破碎带的存在使得山体-断层破碎带-隧道整体系统内相互作用更加复杂,山体表面位移幅值以及隧道的位移和应力幅值主要呈现放大效应,山体表面断层破裂处破坏异常严重,位移幅值陡增,可达10以上;在衬砌的拱肩、拱脚处的应力集中较为明显,衬砌的顶部和底部应力较小;地震波低频入射时,隧道内外壁应力和位移曲线较平缓,随着入射频率的增大,波的相干效应更加明显,衬砌隧道应力和位移发生空间重分布,出现峰值多段集中现象。

基于线性密集台阵的2023年甘肃积石山M_(S)6.2地震断层低速带研究

2023年12月18日,甘肃省积石山县发生M_(S)6.2逆冲型地震。该地震发生在祁连活动地块拉脊山北缘断裂带,在断裂两侧曾发生过20余次5级左右中强地震,地震活动频次高,因此研究拉脊山断裂带特征具有重要意义。根据拉脊山断裂走向和此次地震余震分布,在刘集乡布设一条线性密集台阵,利用不同方位的余震事件计算体波的走时延时和放大效应。结果表明,P波和S波分别存在6个采样点(约0.012 s)和15个采样点(约0.03 s)的走时延时,推断出台阵西侧存在一个约150 m宽近似垂直的断层低速带,且该结果与远震P波相似性系数矩阵结果一致。

穿越断层破碎带深埋洞室爆破开挖围岩破坏机理研究进展

我国西部大开发战略正进一步实施,西南高山峡谷地区正在或即将在密集展开一大批大型水电工程.然而受复杂地形条件限制,工程建设中将导流、引水、发电等水工建筑物布置在地下,这就涉及到具有埋深大、地应力高典型特征的地下洞室群开挖工程,并且相当一部分地下洞室群不可避免地穿越断层破碎带.本文总结了近年来工程师和学者重点关注的围岩变形破坏成因以及降低围岩变形破坏发生风险和保障深埋洞室施工安全的方法与技术.诸多研究从理论上阐明了爆破-瞬态卸荷力学作用过程,明确了爆炸应力波和地应力瞬态-卸荷应力波产生机理;从爆破-瞬态卸荷反复扰动激发应力波传播规律、应力波与含断层破碎带岩体的相互作用、含断层破碎带岩体强度特征等方面深入研究爆破-瞬态卸荷反复扰动下穿越断层破碎带深埋洞室变形破坏机理.并结合现场试验、数值模拟和室内试验的方法研究提出了爆破-瞬态卸荷扰动作用下围岩破坏预报及其控制措施.最后提出了关于爆破-瞬态卸荷扰动对含断层破碎带岩体复杂相互作用及控制技术的深入研究方向.

考虑断层破碎带影响的隧道结构地震反应研究

为研究跨断层隧道在渗流-地震耦合作用下的动力响应,以宣绩铁路周湾村隧道穿越富水断层为背景,基于Biot固结动力方程,采用有限差分软件FLAC 3D进行多场耦合数值计算。本文主要分析了断层破碎带宽度对隧道衬砌特征点加速度、孔压、位移及应力响应规律的影响。研究结果表明,对隧道结构不同位置而言,加速度响应规律一致,均为正常段加速度<破碎带加速度<交界面加速度。耦合场作用下,地层与破碎带交界处围岩位移及应力均发生突变。随着断层宽度的增加,应力及位移突变范围有所增大,孔隙水压力峰值也进一步扩大。此时隧道受压区增大,衬砌结构易发生局部破坏。通过加设注浆层的方式,可有效减少耦合场作用引起的拱圈应力分布不均现象。

基于断层带监测的自进式超前管棚可行性研究

依托宜遂高速公路严田隧道断层破碎带段,对严田隧道拱顶沉降和水平收敛进行监测,通过分析现场监测数据,验证严田隧道断层破碎带区域施作的自进式超前管棚可行性。研究结果表明:自进式超前管棚支护可显著控制隧道穿越断层破碎带时的围岩变形,减小发生塌方等灾害的可能性;自进式超前管棚充分发挥了稳固掌子面和加固地层的作用,大幅缩短工期,节省成本,结合缩短进尺等措施进一步保证了施工安全。

基于水-岩相互作用的富水断层破碎带隧道突涌灾害演化特征

为研究开挖卸荷和水力荷载耦合作用下富水断层破碎带隧道突涌灾害演化特征,以沈白高铁西谷隧道工程为依托,考虑不同富水破碎带构造形式及地下水赋存特征,开展隧道突涌灾害演化过程研究。基于水-岩相互作用原理,建立三维离散元粘合块体-裂隙流耦合模型,明确不同地质构造特征下的隧道突涌灾害模式,分析破碎岩体裂隙扩展和地下水渗流的时空演化规律。研究结果有:引入黏合块体模型和裂隙流组合模型,建立了富水断层破碎带水岩相互作用力学模型,再现了富水破碎带隧道突涌灾害演化过程。不同富水破碎带构造形式引起的突涌灾变模式差异显著,且具有不同的触发条件和表现形式。断层破碎带倾角为45°时,破碎岩体沿掌子面下部溜塌涌入隧道,倾角为90°时,围岩向掌子面挤出,倾角为-45°时,表现为拱顶围岩垮塌。富水破碎带突涌灾害程度随着水头增大而加剧,其中倾角为-45°时,突涌灾害程度受水头高度的影响最显著,倾角为90°时,水头高度影响相对较弱,但突涌灾害程度最严重。

富水区隧道穿越断层破碎带施工应急预案研究

为降低富水区公路隧道穿越断层破碎带施工中涌水、塌方等突发事件的危害,保证施工人员的安全,该文依托古兜山隧道实体工程,建立富水区隧道施工中突发事件应急预案体系。对富水区公路隧道穿越断层破碎带施工过程中可能的突发事件进行分类,建立富水区隧道突发事件应急预案。研究表明,富水区隧道施工过程中发生涌水事故时,应及时疏通横通道,布设抽水泵将涌水抽出洞外,减少洞内水流量;出现坍塌事件时,应当及时处理伤亡人员,并及时运走废土;发生爆炸事故时,应迅速灭火及时疏散工作人员,救治伤员,清理现场,避免造成二次伤害;发生大型机械设备故障情况后,要及时处理伤亡人员,并尽快判断其位置和损伤范围,及时开展救援,转移机械设备,抢修故障机械。

某深埋TBM隧道断层破碎带卡机原因分析及治理方案

文章针对某深埋TBM隧洞穿越断层破碎带时刀盘卡机问题,分析了3次TBM卡机的主要原因,提出了超前地质预报和治理方案的综合防治方法。结果表明,断层破碎带岩体条件、结构面特征以及地下水是导致卡机的主要原因。采用超前地质预报获取隧道围岩地质条件,确定塌方区域及范围,采用固结灌浆等手段提高围岩稳定性,保证TBM顺利通过不良地质段,结果表明该方法能够有效提高围岩稳定性,提高TBM卡机处理效率。研究成果能够为相近工程TBM通过断层破碎带提供参考。

超前注浆在巷道掘进过断层破碎带围岩控制中应用

为确保双柳煤矿5301回风巷安全高效掘进通过BF36断层,以及断层影响范围内巷道围岩稳定,提出采用“超前注浆+锚网索梁”组合方式控制围岩。通过超前注浆提高断层破碎带围岩整体稳定性,并为巷道掘进创造良好条件;采用锚网索梁方式为围岩提供较大的支护作用力,确保围岩稳定。工程应用后,回风巷在断层破碎带内掘进期间未出现漏顶、冒顶、片帮等问题,在断层影响范围内,巷道顶底板、巷帮变形量分别为52、53mm,围岩变形量整体较小,使回风巷安全掘进及围岩变形得到了有效控制。

信湖煤矿F1断层带水文地质特征分析

本文基于矿井钻探资料、地震资料及室内和现场测试成果等,对信湖煤矿F1断层带岩性特征、水理性质、含导水性等水文地质特征进行研究,研究结果表明:1. F1断层为张扭性断层,形成时代早,落差大,切割地层多;2. 断层带岩性以泥岩、粉砂岩为主,砂泥比约0.66~0.687,岩石破碎,裂隙发育,岩石矿物成分主要为高岭石等粘土矿物,遇水后易崩解,富水性差,导水性差;3. F1断层带渗透系数0.0159~0.0661 m/d,透水率(Lu) 0.1788,断层带岩体渗透性等级为微透水。

采煤工作面过断层破碎带的治理技术实践

在煤矿井工开采中,需在矿井下布置采煤工作面,采煤工作面遇断层破碎带区域往往顶板比较破碎,对煤矿开采工作造成影响,且会因顶板坍塌引发安全事故,对采煤工作人员生命安全造成危害。针对采煤工作面顶板围岩控制的问题,研究选取大同煤矿22103采煤工作面,围绕采煤工作面过断层破碎带治理技术进行分析探讨,基于注浆加固技术机理与新型注浆材料的性能,实现对采煤工作面顶板围岩的有效控制,使采煤工作面能够安全快速通过断层破碎带,为煤矿开采工作合理、规范地开展提供科学依据与参考。

过断层碎裂带联合支护技术的应用研究

为了提升某矿6134大倾角工作面过断层作业的安全性,决定在井下采用物探+注浆加固+卧底留顶过断层的联合综采作业技术。在井下采用了马丽散做注浆料提高破碎围岩的强度,采用了卧底留顶过断层法,提高了过断层稳定性。通过实际应用效果分析,新的综采技术方案能够有效保证过断层回采的安全性,为其他矿类似过断层回采提供了一定的借鉴。

基于界面单元的正断层破碎带对煤矿采动响应的影响分析

为更准确地反映断层的特性,以典型煤矿为例,采用数值计算方法,结合地层中断层带的实际特征,建立断层带和断层面共同存在的断层地质模型,研究了正断层条件下,断层面和断层破碎带对煤矿工作面开采的影响。研究表明:断层面的刚度越小,模型平衡需要计算的时步越多。断层带厚度为给定条件下,当接触面参数不同时,随着工作面的推进,距离断层面越近时,断层面影响逐渐增加;随着接触面刚度的增加,工作面前方的应力峰值有升高的趋势,无接触面时的应力峰值最高。给定接触面刚度条件下,随着断层带厚度的增加,工作面前方的应力呈现升高的趋势。工作面顶板的垂直位移随着断层带厚度的增加有一定程度的增加。断层带厚度给定时,不同接触面参数下随着距离煤层的垂直距离的增加,高位岩层的断层两侧的位移差较低位岩层的位移差大,计算结果显示,两盘单独的滑移量也是高位岩层较大。给定的接触面参数下,不同断层带厚度下,随着工作面的推进断层两盘的位移差不断增加,在一定垂直距离范围内,岩层层位高的点比层位低的点滑移量要大。随着断层带厚度的增加,断层两盘的滑移量呈现增加的趋势。该研究对断层影响下的煤炭开采具有一定的指导作用。

基于数值模拟的断层破碎带隧道注浆方案优选分析

断层破碎带会引发隧道突水突泥等地质灾害,在造成人员伤亡的同时,还会造成经济损失和工期延误。为解决断层破碎带在隧道施工过程中的突涌水问题,以大凉山1号隧道断层破碎带为工程背景,根据工程地质条件与水文地质特性将隧道划分为不同的风险等级,并提出采用纯水泥浆或水泥-水玻璃双浆注浆材料对不同风险等级的隧道段分别采用开挖后周边注浆、周边深孔预注浆、全断面深孔预注浆的注浆措施。此外,采用COMSOL软件建立注浆后的数值模型,以研究隧道应力及注浆后的渗流变化规律。研究结果显示,注浆有效缓解了应力集中现象,同时也减少了渗流集中现象,从而降低了施工过程中隧道突涌水的发生率。