某过断层深埋高水头TBM输水隧洞围岩-支护结构响应规律

为了研究过断层深埋高水头敞开式TBM输水隧洞支护结构的响应规律,对不同支护方案下某过断层深埋高水头敞开式TBM隧洞围岩与支护结构的响应规律进行对比分析,选出最合适的支护设计方案。建立TBM隧洞动态开挖-支护精细仿真模型,逐个研究动态开挖-支护中围岩、锚杆、钢拱架、初喷混凝土、二衬的响应规律。结果表明:依次支护管棚、锚杆、钢拱架、固结灌浆、衬砌后,围岩拱顶变形分别降为不支护时的59.4%、32.9%、32.9%、4.1%、3.2%。盾尾离开后各响应突增,增幅逐步减缓且最终趋于稳定,衬砌支护后突降并稳定。锚杆应力分布不均,支护后拱腰处锚杆应力比拱顶增加快,各锚杆应力越靠近洞壁处越大。管棚+锚杆+钢拱架+固结灌浆+初喷+二衬可保证安全,但需固结围岩弹性模量、黏聚力及内摩擦角分别提高1.0、1.0、0.21倍。

高水压TBM隧道管片泄水方案研究

针对某TBM隧道所遇到的大埋深高水头问题,提出了径向注浆堵水、仰拱对称泄水与深孔泄水3种方案,降低管片衬砌所承受的水压力,并借助理论计算与数值模拟手段对3种方案的泄水效果进行了评估,主要结论如下:(1)此种工况下,仅依靠管片与防水密封垫的防护能力不能满足隧道安全性要求;(2)采用径向注浆堵水方案可以有效降低水压。当注浆层厚度大于6 m时满足设计要求。此种方案对围岩的水压力分布没有影响,减小了隧道开挖对围岩应力场的影响,保证了围岩的稳定性;(3)采用仰拱对称泄水方案时,需要在注浆层和管片之间施作一层薄透水层,以便让水能充分汇集到泄水孔位置;(4)采用深孔泄水方案时,每环管片泄水孔数量为6个,并且泄水管超出管片外表面1.2 m时,能够满足管片的泄水要求。此种方案整环管片的降水效果更加均匀,结构安全系数更高。

双护盾TBM引水隧洞高压突涌水处治技术研究

为解决双护盾TBM隧洞施工过程中突涌水问题,以中部引黄工程TBM1标隧洞Z(k)94+563.705处高压突涌水为例,在分析该处突涌水成因的基础上,提出了“疏排地下水+裂隙带压止水+浅层注浆堵水”相结合的掌子面裂隙出水封堵综合处治方案。针对高水压、大范围出水裂隙封堵时,防水板封堵施工效果不佳的情况,提出了“刻槽嵌缝+预埋排水管+填充封堵剂”的裂隙带压止水方案。实践证明,该处治技术取得了较好的效果。

高黎贡山隧道敞开式TBM穿越高压富水软弱破碎蚀变构造带施工技术

为解决敞开式TBM在高压富水软弱破碎蚀变构造带不良地质条件下围岩变形、钻孔困难、支护困难、刀盘被卡、护盾被卡、突涌掩埋设备等工程难题,结合大瑞铁路高黎贡山隧道2台敞开式TBM在滇西南极端复杂地质条件下的施工情况,以PDZK221+481处高压富水软弱破碎蚀变构造带处治为例,从初期支护加固措施、钻孔技术、超前加固措施、侧壁导坑泄水降压措施、TBM卡机脱困技术、不良地质掘进支护措施等关键技术方面进行研究。总结出对于此类不良地质,可采用高位小导洞探测地质、侧壁导坑超前泄水降压、原位超前管棚及注浆加固、盾体区域扩挖释放护盾脱困、掌子面化学注浆加固后清理刀盘周边释放刀盘脱困、初期支护加强等综合处理技术通过,同时提出侧壁导坑断面形式及支护措施、管棚工作室断面及支护措施、超前加固支护措施等。

双护盾TBM施工关键技术

兰州市水源地建设工程为国内首条应用TBM掘进、预制管片衬砌的有压输水隧洞,其中第3标段采用国产首台双护盾TBM,开挖直径5.49 m,采用平行四边形预制管片进行衬砌。在掘进施工中,该设备创造了最高日进尺61.57 m、月进尺1251.8 m的掘进纪录,仅用两年时间完成了长13.456 km隧洞掘进施工。本研究系统阐述了TBM在狭窄场地条件下的组装滑行及掘进、洞内拆卸等关键技术。

TBM高内压输水隧洞双层衬砌结构力学性能对比研究

TBM技术以其掘进速度快、成洞质量好、安全性高等优势,越来越多地应用在输水隧洞工程中。为充分利用深层地下空间,TBM输水隧洞一般埋深较大,内水压力高。为保证输水隧洞在高内水压情况下的结构安全,本文针对TBM输水隧洞分离式双层衬砌结构和叠合式双层衬砌结构分别建立了较为精细的二维有限元模型,进行了不同围岩条件下的计算分析,并得出以下结论:在高内压情况下,叠合式双层衬砌结构受力相对复杂,且受地质条件及施工因素的影响较大,而分离式双层衬砌结构传力路径清晰,不同地质条件下均具有较为稳定的力学性能,故对于TBM高内压输水隧洞,本文推荐采用分离式双层衬砌结构。

高内水压作用下围岩-叠合式衬砌承载机理力学分析

为探究圆形水工隧洞衬砌结构中围岩-叠合式衬砌联合承载的力学机理,针对珠江三角洲水资源配置工程“外衬管片-自密实混凝土填充层(SCC)-内衬钢管”三层叠合的衬砌结构形式,采用平面弹性复变函数理论的幂级数解法,从应力函数层面着手,基于围岩-衬砌相互作用关系以及应力边界条件建立了相应的力学模型,推导求解了在开挖荷载和内水压共同作用下围岩和各层衬砌域内任意点的应力分量,揭示了叠合式衬砌结构承载时的荷载传递机理和规律。然后通过边界应力结果以及与数值结果的比对,验证了提出方法的正确性;最后通过参数分析,着重讨论了高内水压对输水隧洞围岩和三层衬砌径向正应力和环向正应力的影响。结果表明:围岩-衬砌联合承载时,围岩和三层衬砌的径向正应力和环向正应力结果均符合余弦分布,而剪应力符合正弦分布;随着输水隧洞内水压增加,三层衬砌和围岩在径向上更趋于压缩,而环向正应力趋向于拉应力并增大。研究成果可为该类型衬砌防护工程的设计和施工提供理论依据。

高水压地层盾构隧道管片内力计算方法分析

即使盾构法已成为国内外地下工程中重要的掘进工法,但由于地层岩土体的复杂性质,盾构隧道计算方法的适用性仍需探讨。以深江铁路珠江口隧道为研究对象,对比常用的修正惯用法和多铰圆环法对应的管片受荷内力受荷结果特征差异,并分析不同水压力环境对管片轴力、弯矩的影响及发展过程。结果表明:不同计算结果差异较大,修正惯用法计算结果普遍高于多铰圆环法;随着水压的增加,管片结构所受轴力增大,同时弯矩也有一定提高,但相对而言增长幅度小于轴力;而不同计算模型的结果对高水压荷载的响应存在差异;多铰圆环法的轴力对于高水压环境更为敏感;随着外环境水压的增加,管片受力以整体受压为主,同时拱脚处出现较大负弯矩,拱肩处的负弯矩区范围也减少。相关研究成果可为高水压地层盾构隧道管片设计提供参考。

大尺寸水工隧洞衬砌物理模型试验系统研制与应用

根据水工隧洞衬砌受力特点,研制出一种新型的大尺寸水工隧洞衬砌模型试验系统。该系统主要由压力筒体、加载系统、测量系统、封水结构组成,其中压力筒体由厚22 mm的Q245R钢板制作,尺寸为?3000 mm×L4000 mm,外水压力试验时采用橡胶囊柔性加载方式或衬砌与压力筒体间高压水体直接加载方式,内水压力试验时在隧洞内腔直接采用高压水体加载,动力源由自主设计的伺服控制高压水泵与稳压筒体组成,测量系统由常规检测仪器组合实现,封水结构则由端头涂刷防水胶与双圈橡胶条实施。该模型试验系统在高外水压力、高内水压力作用下的水工隧洞衬砌试验结果表明,所研制的试验系统能满足水工隧洞多种不同边界模型试验要求。

高内压作用下叠合式衬砌结构承载机理原型试验研究

本文针对“外衬管片-自密实混凝土填充层(SCC)-内衬钢管”三层叠合式输水隧洞衬砌结构的承载性能及破坏机理,开展了结构在内外载联合作用下的原型试验。试验以分布式光纤感测技术作为主要测量手段,获得了加载过程中SCC层的裂缝扩展情况、接缝张开变形、螺栓应力与内衬钢管环向应变的发展历程。试验结果表明:在无内压工况下,结构整体呈弹性工作状态;在内压变化工况下,当内压低于0.6 MPa时,结构整体保持弹性,三层衬砌共同承担内压;当内压达到0.6 MPa时,SCC层开裂,内压快速向外衬管片转移,结构整体进入弹塑性阶段;随着内压继续增大,管片接缝螺栓在内压为0.965 MPa时屈服,外衬逐渐失去分担内压能力,结构体系进入破坏阶段,内水压力主要由内衬钢管承担。试验研究成果可为实际工程设计提供指导和参考。

岩溶隧道拱顶局部水压作用下衬砌受力特征研究

岩溶地区岩体裂隙发育、溶蚀管道众多。在暴雨条件下受地表水补给影响,在役隧道顶部溶洞内水位快速升高,导致衬砌结构发生失稳破坏,严重影响行车安全。针对依托工程的地质条件,采用理论分析方法建立了圆形衬砌断面的顶部局部高水压与围岩压力联合作用下的内力计算模型,基于Mathematica编程进行了不同水压力大小和不同水压力作用面积下隧道衬砌结构的受力计算分析。结果表明:随着拱顶水压力值或水压作用面积的增大,位移/弯矩零点角度的大小均呈非线性变化,位移零点变化比弯矩零点变化明显,位移零点均非线性增大,弯矩零点则减小;拱顶和边墙的位移值均呈线性增大,拱顶增幅大于边墙增幅;负弯矩出现在拱顶和仰拱处,正弯矩出现在边墙处,其中拱顶弯矩增幅最大,边墙和仰拱处弯矩增幅几乎一致。

全防水复合衬砌隧洞结构设计

本文介绍了一种有压输水隧洞复合衬砌结构与高密度聚乙烯(HDPE)自粘胶膜防水卷材结合技术,即:采用自粘型防水卷材作为主要防水层,配以混凝土自防水的复合衬砌防水体系。该技术适用于具有防水要求的双层衬砌结构输水隧洞。采用这种双层衬砌防水技术,可以将防水层从以往的径向防渗增强为径向、轴向、环向防渗,解决了输水隧洞因为外衬或内衬局部渗水而导致衬砌间窜水的现象,增加了结构耐久性。这种结构便于运行期间进行检修、排查渗漏点。该技术已成功地在北京市南水北调配套工程东干渠工程中大规模应用。

全孔一次高压注(HSC)浆技术研究与应用

在大伙房输水隧洞工程施工中成功拓展的"全孔一次高压注(HSC)浆技术",从工艺上吸纳了"常规分段注(水泥)浆技术"和非常规的"纯压式全孔一次高压注浆技术"的优点,采用了HSC特种注浆材料,是一种新的超前预注浆技术,施工效率高,可控性、可灌性优异,注浆效果显著,具有明显的经济性。

岩石围岩盾构钢筋混凝土内衬高内压输水隧洞受力简化分析方法

长距离输水工程在穿越城市群时,往往需要深埋以规避地表及浅层地下的各类建(构)筑物。这种情况下盾构隧洞成为极具优势的选择方案。当这种深埋隧洞的围岩具有较好承载能力时,可以采用钢混凝土内衬与盾构组成复合衬砌,与围岩一起共同承担管道内的高内水压力。而这种隧道结构的内衬往往会发生开裂,进而改变其受力特征,此时内衬、盾构管片与围岩如何共同受力成为了工程设计的重点和难点,对此目前还没有成熟的计算方法和规程。针对钢筋混凝土受内水压开裂后的受力变形特点,提出了钢筋混凝土内衬开裂后刚度减少的等效刚度计算方法,计算在内水压力作用下复合衬砌与围岩共同作用的受力特点。结果表明:当围岩弹性模量达到2 GPa时,这种结构可以具有较好的承载能力;当围岩弹性模量达到5 GPa时,可以承担1 MPa以上的内水压力,围岩具有较好的利用价值。研究结果为盾构钢筋混凝土内衬高压输水隧洞联合受力提供了简化的计算方法。

天荒坪抽水蓄能电站高压隧洞充水试验实测资料分析

分析天荒坪抽水蓄能电站上游高压隧洞观测仪器在充排水试验过程中所记录的实测资料,讨论高压隧洞围岩承载、衬砌构造配筋、衬砌与围岩之间缝隙随内水压力增加而增加等隧洞渗透体积力理论概念,期望通过实测资料来进一步理解和说明高压隧洞渗透体积力理论,以便更好地指导设计。

透水理论在阿尔塔什水电站发电洞混凝土衬砌设计中的应用

通过建立透水衬砌理论数值计算模型,以体积力的形式将内水压力施加于整个模型,分析混凝土衬砌和围岩的变形情况,根据衬砌应力按照规范进行限裂配筋。利用这种方法可以较好地反映内水外渗后衬砌和围岩的实际受力应力应变情况。将这种计算方法应用于阿尔塔什水电站发电洞混凝土衬砌设计中,结果表明:发电洞混凝土衬砌配筋量要远小于面力配筋量,并从而得出了一些有意义的结论,可为这类隧洞设计提供借鉴思路。

琼州海峡隧道盾构管片内力分析及截面设计

针对琼州海峡大埋深和高水压海底隧道管片设计问题,采用有限元数值方法模拟了混凝土管片的内力分布特性.研究表明,管片的最大轴力和弯矩随着隧道的埋深和直径的增加而增加,而随着土层泊松比的增加而减小.管片的最大弯矩位于隧道的顶板和底板处,最大轴力位于隧道两侧的直墙部位.基于有限元计算的管片内力分布与组合以及混凝土结构设计规范,实现了混凝土管片的截面设计.研究结果表明:琼州海峡海底盾构隧道管片不同于一般的地铁盾构管片,弯矩和轴力非常大,需进行双排配筋.

透水理论在新疆某高压隧洞混凝土衬砌结构设计中的应用

鉴于在高水头作用下,采用面力理论设计高压混凝土衬砌结构时存在衬砌厚度过大、含筋率超标严重的问题,以体积力的形式将内水压力施加于混凝土衬砌和围岩,通过建立透水衬砌理论数值计算模型,分析混凝土衬砌的应力应变关系,并按照规范进行限裂配筋。将该方法应用于新疆某水电站发电洞衬砌设计中,并与面力理论的计算结果进行对比,发现采用透水衬砌理论设计高压隧洞的混凝土的配筋量明显减小,降低了工程投入成本。

高压输水隧洞帷幕体防渗性能的数值模拟

为研究高压输水隧洞帷幕体防渗性能,建立基于渗流场、化学场及帷幕体微观结构等多物理场耦合的数值模型,采用FEM数值法求解并结合工程监测数据对模型进行验证。结果表明:帷幕体在高水头30 a长期侵蚀与溶解作用下,内部Ca^(2+)不断析出,帷幕体溶蚀程度最深处孔隙率较初始孔隙率增加29.38%,渗透系数增大1.95倍,抗渗性和耐久持续衰减;帷幕体溶蚀具有时空变异特性,帷幕体与高压岔管接触部位溶蚀面积最大,其次为底部,顶部几乎未发生溶蚀现象。研究结果可为监测高压输水隧洞帷幕体防渗性能变化及定制专项防渗方案提供参考。

钢筋钢纤维混凝土内衬受内水压计算模型

盾构隧洞复合衬砌承受高内水压力时,内衬型式的选择是设计难点,纤维混凝土具有较好的抗拉性能及开裂后承载能力,目前还没有被广泛应用于输水隧道内衬设计中,相关的计算方法研究较少。文章推导了假定开裂模式下的内衬受内水压力的三阶段计算模型:弹性阶段,内衬的受力可按弹性力学的公式进行计算;应力调整阶段,内衬径向变形持续增加,内水压力变化较小;继续承载阶段,内衬继续承载,此时内衬可视作开裂部分与未开裂部分串联组成的弹簧单元组进行计算。将该模型与有限元进行了比较,结果较为一致。利用该模型对输水隧洞进行了分析,结果表明,钢筋钢纤维混凝土内衬承载效果较好,可以作为输水隧洞内衬设计的一种选择。