3D Finite Element Analysis of TBM Water Diversion Tunnel Segment Coupled with Seepage Field

In most studies of tunnel boring machine(TBM)tunnelling, the groundwater pressure was not considered, or was simplified and exerted on the boundary of lining structure. Meanwhile, the leakage, which mainly occurs in the segment joints, was often ignored in the relevant studies of TBM tunnelling. Additionally, the geological models in these studies were simplified to different extents, and mostly were simplified as homogenous bodies. Considering the deficiencies above, a 3D refined model of the surrounding rock of a tunnel is firstly established using NURBS-TIN-BRe P hybrid data structure in this paper. Then the seepage field of the surrounding rock considering the leakage in the segment joints is simulated. Finally, the stability of TBM water diversion tunnel is studied coupled with the seepage simulation, to analyze the stress-strain conditions, the axial force and the bending moment of tunnel segment considering the leakage in the segment joints. The results illustrate that the maximum radial displacement, the minimum principal stress, the maximum principal stress and the axial force of segment lining considering the seepage effect are all larger than those disregarding the seepage effect.

过活断层倒虹吸地面压力管结构型式比较研究

以往对过活断层倒虹吸地面压力管道研究,往往只单独研究钢衬钢筋混凝土管和明钢管两种结构型式,具体哪种管型更为合适尚无比较。采用有限元方法,通过建立地面钢衬钢筋混凝土管和明钢管两种管道有限元模型,对比分析了两种管道型式过活断层倒虹吸在断层蠕滑变形、黏滑变形以及地震作用下的位移和应力。研究结果表明:①钢衬钢筋混凝土管和明钢管管线中布置多个波纹管伸缩节后,均能较好适应断层蠕滑变形;②两种管道结构位于主断层范围的波纹管伸缩节在断层黏滑变形作用下变形均在100 mm以上,设计难度大;③地震作用下,在主断层范围内的钢衬钢筋混凝土管虽然位移大,但地震引起的应力较小,而明钢管在固定支座处的受力情况明显恶化;④综合多种工况的计算结果,钢衬钢筋混凝土管的受力情况比明钢管更优秀,但明钢管具备运行期检修复位的条件,两种管道方案各有优劣,应根据工程具体需求合理选择管道结构型式。

富水环境下引水隧洞二次衬砌防水技术创新

富水隧洞施工过程中的防水施工技术很大程度上决定了隧洞建设项目的效果,如果施工中出现二衬混凝土脱落、裂缝,或者止水带平直度很差,都会导致隧洞渗漏水,为工程运行带来不利影响。本文结合吉林中部城市引松供水工程隧洞施工实例,分析了二次衬砌拱部纵向退管带模注浆工艺、自粘反粘式防水板、新型止水带夹具等新工艺、新技术在解决隧洞二衬裂缝、渗水、漏水、脱空、止水带平直度差等常见工程问题上的作用。

南水北调东线一期北延应急供水工程衬砌施工

在南水北调东线一期工程北延应急供水工程施工中,为增加应急调水输水能力,同时保证渠道输水安全,在基本不增加原设计水位条件下提高了六分干的过流能力。本文简述了工程六分干渠道衬砌段施工流程及施工质量控制措施,总结了施工经验,提出建议对策,为类似项目施工提供借鉴。

浅析平底圆形引水隧洞衬砌混凝土裂缝控制方法

二次衬砌混凝土是引水隧洞除灌浆外最后一道主体工程施工程序,其浇筑质量的好坏对通水后的正常运行关系重大。良好的衬砌质量,可以显著提高工程运行寿命,降低维护成本,有效确保供水效果。对衬砌混凝土质量影响最大的是裂缝,尤其是贯穿渗漏裂缝,其对整个隧洞正常运行的影响通常是致命性的,裂缝发展通常会加速混凝土老化,破坏混凝土内外结构,影响使用寿命,要重点加以研究。裂缝产生的原因是多方面的,需要从设计、施工以及养护等各个环节进行把控。本文结合工程实际,对隧洞衬砌混凝土裂缝控制方法进行介绍,供类似工程借鉴。

严重不良地质隧洞局部调线综合探测技术的应用

综合探测技术能有效探明隧洞周边断层破碎带、软弱夹层、含水构造等不良地质体信息,可为隧洞局部改线提供重要依据。因此,在解决狮子山输水隧洞DLII38+372—DLII38+420段出现围岩渗透破坏、塌方、突泥涌水等难以处置的工程问题中,采用TRT6000、TGS、瞬变电磁法等探测技术对隧洞线路局部调整提供了支撑。隧洞掌子面前方超前综合地质探测结果表明,地震波法和电法探测结果与超前钻探结果吻合性较好,隧洞掌子面前方节理裂隙发育,岩体破碎,开挖时易出现股状流水或涌泥,说明隧洞局部调线是必要的;隧洞左、右边墙综合探测预报表明,隧洞左侧低阻异常区往内侧延伸大于10 m,变形、塌方、涌水突泥风险高,右侧30 m深度内钻孔基本无水,地下水活动弱,地质条件相对稍好,线路可往右侧调整。该探测结果可为输水隧洞线路调整提供详细的地质参考,同时也可为类似工程问题提供案例参考。

长期服役长隧洞衬砌裂缝分布规律与仿真分析

【目的】由于已建输调水隧洞工程均埋于地下,盲运时间较长,随着服役时间的增长,隧洞衬砌产生裂缝病害,严重影响运行安全,因此研究衬砌裂缝发生的规律极为重要。【方法】对某运行20 a的隧洞素混凝土衬砌裂缝进行现状调查和现场检测,基于现场检测数据分析,揭示该素混凝土衬砌病害发生的部位、类型、裂纹密集程度等规律,并进行初步成因分析。为进一步揭示该隧洞裂缝病害的成因和主控因素,基于Flac3D软件,开展典型洞段衬砌结构的三维数值仿真分析,得到了初始地应力、衬砌厚度、外水压力等对衬砌工作性态的影响,揭示了裂缝密集程度的主控因素。【结果】结果显示:(1)裂缝是该素混凝土隧洞衬砌中最为广泛的病害;(2)单位隧洞长度下的裂缝密集程度从高到低,依次为Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ类围岩洞段;(3)衬砌厚度、地应力、外水压力是影响单位隧洞长度下的裂缝密集程度不同的主要因素。【结论】数值模拟计算结果反映了衬砌裂缝密度差异的原因与现场检测结果一致。研究结果为水工隧洞建设与长效运维提供了参考。

适应南水北调渠道衬砌板修复的围堰箱主尺寸研究

南水北调渠道修复是针对衬砌板结构发生破坏时,在不中断渠道输水条件下,通过钢制围堰箱单元拼组形成围堰干地修复条件。钢制围堰箱的主尺寸与工厂制造能力、运输和吊装能力以及围堰方案合理性等密切相关。通过对筛选出的18个围堰箱主尺寸方案,从适应南水北调渠道修复的围堰合理性和经济性角度对方案进行评价,最终确定围堰箱最佳主尺寸为3.9 m×2.6 m×1.5 m。良好的围堰箱主尺寸设计有利于提高围堰的适用范围和工作效率。

珠江三角洲水资源配置工程深埋引水隧洞衬砌外水压力分析

依托广东省珠江三角洲水资源输水干线工程,针对LG04^(#)~LG03^(#)盾构区间引水隧洞衬砌外水压的渗透压力最大变化速率波动因素开展分析,阐述了衬砌厚度的变化与隧洞外水压力的响应机制,结果表明:在水头高度较小时,隧洞开挖对整个山体渗流场影响不大,其渗透压力变化较小,随着水头高度的增加,渗流场对隧洞的影响范围随之增大。在地下水头固定的条件下,随着衬砌厚度的增大,衬砌可承受的外水压力逐渐增大。同时,地下水头越大,衬砌厚度的增加对衬砌所能承受的外水压力影响更加显著。增加衬砌厚度是抵抗衬砌外水压力的有效手段,衬砌厚度的增加有助于增强衬砌抵御外水压力和围岩压力的能力,堵水能力也相应增强。根据理论分析结果,在隧道施工过程中采用厚度0.55 m的后张法C50W12F50现浇后张无粘结预应力混凝土内衬结构,工程应用后衬砌外水压力的速率波动得到较好控制。

引汉济渭秦岭输水隧洞衬砌受力特性及开裂成因分析研究

隧洞衬砌结构稳定性分析是工程施工期和运行期的重要研究课题,尤其在施工期对保证洞室稳定发挥着非常重要的作用。本文基于引汉济渭秦岭输水隧洞二衬裂缝段的地层地质和承受荷载情况,采用有限元模型模拟分析了地下隧洞工程不同围岩类型典型断面的衬砌强度,并进行了裂缝检算。结果显示,隧洞衬砌总体处于受压状态,结构承载力安全系数均大于1.35,截面最大裂缝宽度小于0.3mm。断面衬砌结构内轮廓圆顺,受力合理,墙角出现应力集中现象。同时,结合长期的裂缝收敛变形监测,认为洞室变形已趋于稳定,衬砌开裂原因为特殊的地质条件和复杂的地下水环境,据此提出了裂缝处理的设计建议,以保证洞室的整体安全稳定。此研究成果对同类工程具有参考指导价值。

TBM法隧道仰拱同步现浇施工技术与装备研制

为解决现浇仰拱衬砌阻断物料运输通道难以与TBM掘进同步实施的工程难题,通过分析与比选提出带承台平面仰拱设计方案,研制由爬坡轨、U型主梁、分段支撑、步进移位、仰拱模板等系统构成的TBM法隧道仰拱同步现浇衬砌台车,开发由轨道轨枕拆除、隧底清渣、钢筋绑扎、仰拱浇筑、仰拱养护、轨道安装等工序组成的仰拱同步现浇施工工艺。在滇中引水香炉山隧洞得到成功应用。仰拱现浇衬砌不影响TBM正常施工,单仓24 m现浇仰拱作业循环时间44 h,施工进度可达200 m/月,实现了仰拱现浇与TBM掘进的同步高效作业。

狮子山隧洞主支洞交汇段二次衬砌施工技术探讨

为进一步研究隧洞主支洞交汇段的施工难题,文章以滇中引水工程狮子山隧洞2号支洞主支洞交汇段边顶拱二次衬砌整体浇筑为例,针对主支洞交汇段存在衬砌结构不对称、体型不规则、一次浇筑方量大和施工干扰因素多的特点,提出一种满足交汇段施工安全、保证衬砌施工质量,能最大程度上减少对主洞正常施工造成干扰的施工方法。研究结果可为狮子山隧洞主支洞交汇段和类似工程的设计和施工提供借鉴参考。

南水北调中线(驻马店段)环境岩土工程问题研究

以南水北调中线驻马店段为研究背景,采用现场调查、工程地质测绘以及钻探手段,查明输水管线沿线地层主要为第四系全新统上段冲湖积层、全新统下段冲湖积层和上更新统冲湖积层。结合设计要求,进一步查明项目施工和运行过程中可能存在地震效应、边坡稳定性、施工排水、水土流失以及泥沙冲刷与淤积等关键技术问题,提出了相应的处理建议。研究可为南水北调中线工程施工和运行过程中可能发生的环境岩土工程问题提供数据支撑。

南水北调中线水源地周边农村地区碳排放及影响要素分析

农村地区因其规模较大且生活方式、产业发展模式较为粗放,碳排放居高不下,南水北调中线水源地周边区域因其特殊的水源需求,生态保护要求更为严格,应严格控制其碳排放,为明确其碳排放量及其影响要素,将农村地区碳排放来源分为4大类31小类。选取2005—2020年数据,借鉴KAYA恒等式对碳排放量进行测算,并利用对数平均权重Divisia指数和LMDI分解法对碳排放影响因素量化分析,研究发现南水北调中线水源地周边农村地区碳排放量总体呈增长趋势,增长速度较为稳定,地区农业发展水平、农村能源结构、农村消费结构碳排放逐年增加,是碳排放主要影响因素,碳排放强度整体呈现出先降后增趋势,对碳排放影响较小,农村能源效率、农业产业结构与碳排放成反比,对村庄碳排放有一定抑制作用。为提高区域生态环境保护能力,保护南水北调中线水源地水生态安全,提出降低碳排放策略,加强区域生态环境保护,确保丹江口水库水质安全,实现“一江清水永续北送”,为中国双碳目标实现提供支撑。

关埠引水工程内水压力作用下隧洞管片受力与接缝变形研究

利用有限元软件建立关埠引水工程隧洞管片三维数值模型,系统分析了管片应力、接缝变形及螺栓应力在不同工况下的变化规律。结果表明:内水压力会显著影响隧洞衬砌管片的力学性能,随着内水压力的增大,管片应力、接缝变形及螺栓应力也随之增大,盾构隧洞衬砌管片最大拉应力为3.263 MPa,最大压应力为6.612 MPa、管片接缝变形最大为0.28 mm,TBM隧洞衬砌管片最大拉应力为0.192 MPa,最大压应力为2.952 MPa、管片接缝变形最大为0.08 mm,连接螺栓的应力变化与接缝变形能相互吻合,接缝变形越大,螺栓应力也越大,最大值为604.01 MPa。研究结果可为输水隧洞衬砌结构的设计与分析提供参考。

南水北调东线后续利用黄河输水方案研究

南水北调东线一期工程于2013年11月15日全线正式通水运行。山东省作为东线一期工程受水区,虽然每年的净供水量在逐年增加,但与规划的山东省净供水量相比,仍有较大差距,工程调水能力未得到完全发挥。2015年淮委会同海委根据水利部的统一部署和安排,共同编制完成了《南水北调东线后续工程规划总体方案》,提出东线二、三期合并实施建设方案。重点研究利用黄河输水方案的线路布局,分析该方案的影响和优缺点,论证方案的技术经济可行性,提出结论和建议。

南水北调中线水源区浮游植物与水质研究

2003～2005年对南水北调中线水源区水体浮游植物的调查结果表明，该水域共有浮游植物96种及变种，隶属于8门63属，其中种类最多的藻类植物依次是硅藻、绿藻和蓝藻．藻类的细胞密度表现出夏季最高、冬季最低的明显季节变化．运用Margalef和Menkinick多样性指数对该水域的水质进行评价，结果显示，水体为寡污型，基本处于中营养状态．

特征线法及其变体在水轮机及引水系统非线性建模中的对比研究

建立引水系统的水力变化模型是水电机组非线性建模和仿真中的重要内容,同时水力因素对水轮机调节系统过渡过程的影响也是研究机组和电网稳定性时需要系统性考虑的主要问题。本文提出了一种改进的特征线法,针对水轮机及引水系统建立了包含基本特征线法的联合非线性模型,以及包含可选水击模型的模块化非线性模型,以开展特征线法及其变体的对比研究,为今后水轮机调节系统的大小波动仿真提供一定的理论指导。在此基础上,以国内某大型水电站机组孤网运行模式为例,在频率和负载的大、小扰动作用下,研究了刚性和弹性水击、特征线法及其变体模型的仿真结果,分析了各模型计算的瞬时水头的差别,得出了不同模型参数的调节规律和影响效果。结果表明,在大小波动条件下不同引水系统模型对于机组水头变化趋势的描述基本一致,仅在局部极值附近的计算结果有所差别,且在大波动条件下较为明显,但可通过调整具体的模型参数减小这种差别。

软弱围岩中的新型双层复合衬砌的受力特性研究及渗水风险分析

某输水隧洞位于河床的软弱砂岩中,其双层复合预应力衬砌结构形式新颖,受力条件复杂。为了解这种新型双层复合预应力衬砌的工作性态和受力特性,分别采用现场1∶1仿真模型试验方法、三维非线性有限元数值分析方法,并将数值分析结果与仿真试验进行对比分析。有限元分析按照仿真模型试验中管片拼装、分层填土、内衬浇筑、内衬预应力张拉以及内衬充水加压的实际过程模拟,计算中考虑衬砌与土体的耦合效应,通过外衬变形反分析调整土体计算参数,采用基于直接约束的接触迭代算法模拟管片与管片之间、内衬与外衬之间的多重接触与传力。研究结果显示,无论是结构变形、缝隙开度还是结构应力,有限元分析与仿真试验规律一致,数值接近,两种方法相互验证了这种具有多重复杂接触边界的非连续变形柔性结构的受力特性,明确了内、外衬的传力机制;在此基础上,进一步分析高压内水外渗对结构安全性的影响以及预防措施,其研究成果可供类似工程参考。

南水北调东线工程泵站的设计选型

根据南水北调东线工程的现状、特点和要求,从耐久可靠性、安全稳定性、安装维修方便性和经济适用性等方面分析了泵房与机组的功能和型式。