超深基坑岩溶超大突涌水封堵抢险治理技术

在岩溶地区开挖超深基坑,当岩溶埋深较小且地下水较丰富时,基坑易发生底部突水、涌泥、涌砂等险情,严重时可造成基坑坍塌,直接影响周边环境安全。在地质条件复杂、岩溶发育、突涌水量大且险情紧急的情况下,外围帷幕注浆结合内部突涌水点反压封堵的常规封堵抢险方法见效慢、耗时久、成本高,突涌水无法快速封堵,险情无法快速排除。为此结合广州市综合交通枢纽地铁车站35m深基坑底部岩溶发生1000m3/h超大突涌水抢险工程,采用双液浆2层囊袋式内封堵注浆技术,在基坑内对突涌水点直接进行钻孔注浆封堵,利用囊袋保证双液浆可快速凝固,第1层囊袋封堵钻孔和涌水点,第2层囊袋封堵钻孔旁的岩溶孔洞、裂缝等,上下层囊袋互相补充,并对溶洞底进行双液注浆堵漏,防止浆液流失。工程实践表明,治理大涌水量、高水压的基坑岩溶突涌水时,双液浆2层囊袋式内封堵注浆技术具有易操作、直接、快捷、针对性强的特点,可实现快速有效注浆、快速抢险的目的。

岩溶地层地铁车站深基坑渗漏灾害成因分析

[目的]富水岩溶深基坑施工开挖常发生基坑侧壁或底部突涌灾害问题,应针对富水溶洞地层深基坑开挖时的渗流稳定性进行深入研究。[方法]依托佛山地铁3号线中山公园站深基坑开挖工程,对深基坑渗流特性及坑底涌水机理进行深入研究,建立了基坑-土体-溶洞三维数值模型,采用等效渗透系数法对岩溶-地层渗流场进行耦合模拟。[结果及结论]通过仿真模拟分析,获得了不均匀地层中岩溶区富水程度对基坑渗流场及涌水量的影响规律,阐明了基坑底部土体竖向平均水力坡降演变特性,揭示了该地岩溶区基坑底部突涌水机理,研究结果可为富水岩溶地区深基坑工程的设计与施工提供参考。

岩溶隧洞突涌水灾害风险评价研究

受复杂地质条件的影响,岩溶隧洞在施工过程中极易发生突涌水灾害。为准确评估岩溶隧洞突涌水风险等级,将结构方程模型(SEM)与改进的模糊综合评价法(FCEM)相结合,构建岩溶隧洞突涌水风险评价模型。从地形地貌、气象水文、地层因素、地质构造、岩溶水文地质、施工因素6个方面深入研究;利用SEM确定各指标标准化路径系数并求得其权重,运用改进FCEM法对岩溶隧洞突涌水风险等级进行评价;以滇中引水工程昆呈隧洞为应用实例,利用Crystal Ball软件验证模型的有效性。结果表明:昆呈隧洞有90%的几率处于52~73分值区间范围内(Ⅲ级风险),与现场实际情况一致,表明基于SEM-改进FCEM法构建的岩溶隧洞突涌水风险评价模型具有一定的适用性;其中岩溶水文地质、地质构造、气象水文是该隧洞的主要影响因素,施工中应加强对这几方面的监控和量测,避免发生突涌水灾害。研究成果可为类似岩溶隧洞工程提供参考。

基于三维离散-连续耦合的岩溶隧道突水破坏模式研究

岩溶隧道在修建的过程中难以避免接近溶腔甚至高承压水溶腔,而突水破坏极易引发安全事故甚至对隧道产生不可逆的影响,因此对岩溶隧道突水破坏模式的研究有利于解决相关安全问题,并对选线安全具有一定参照意义。通过三维离散-连续耦合数值技术,对微观离散颗粒物理、力学参数进行标定并验证,模拟水压作用下下伏溶腔与隧道仰拱之间的防突岩体垮塌过程。根据试验结果将防突岩体的破坏模式分为3类:剪切破坏模式、弯折破坏模式和复合破坏模式。弯折破坏模式表现为防突岩体中部和两端拉伸裂缝呈贯通状;剪切破坏模式表现为防突岩体两端裂缝呈剪切态;复合破坏模式则同时具有二者的共同特性。3种破坏模式所引起的裂缝发育规律相似,均可分为初始发育、快速发育和平缓发育3个阶段。初始发育阶段时防突岩体所存在的裂缝数量较少;维持水压力防突岩体的裂缝数量突增并进入快速发育阶段;而后防突岩体中的裂缝产生贯通效果进入平缓发育阶段,最终防突岩体整体垮塌。由此得出结论:突水破坏在岩溶隧道中是一个渐变的过程,但对岩溶隧道总体安全性有不可逆的影响。

穿越复杂岩溶环境的特长隧洞涌突水危险性评价——以滇中引水工程小扑隧洞为例

在复杂岩溶区,涌突水危险性评价是保障隧洞施工安全的重要工作内容之一。以滇中引水工程玉溪红河段小扑隧洞为例,在分析隧洞地质与水文地质条件的基础上,综合考虑岩石的可溶性、地质构造因素、地表汇水条件、地下水化学特征、隧洞埋深与地下水位的关系5个控制性因素,采用岩溶隧洞涌突水危险性评价系统对隧洞的涌突水危险性进行了预测与验证。结果表明:小扑隧洞北段位于鲁纳寺—牛恋村岩溶子系统的径流区。在丰水期,隧洞岩溶涌突水中危险区、高危险区、极高危险区的长度占比分别为15.8%,55.4%,28.8%。小扑隧洞南段位于西河和祭天山—黄营岩溶子系统的补给、径流区。在丰水期,隧洞涌突水中危险区、高危险区、极高危险区的长度占比分别为7.4%,52.7%,39.9%。施工阶段,小扑隧洞北段主洞揭露暗河管道,发生涌突水事故,2#支洞发生突水涌沙事故,与对应的涌突水高-极高危险性结果吻合。涌突水危险性评价结果有效地支撑了隧洞的涌突水灾害防治与安全施工。

基于流-固-损伤全耦合模型的裂隙型岩溶突涌水数值模拟

岩溶地区隧道建设频遇突涌水灾害,裂隙型突涌水勘察与预测难度极大、致灾风险高。为揭示裂隙型岩溶突涌水机理与明确前兆信息,基于流-固-损伤耦合模型对裂隙型岩溶突涌水致灾机理与临界条件展开研究。通过公式推演与多场耦合数值分析得到以下结论:建立了完整的流-固-损伤耦合裂隙型岩溶突涌水致灾机理数学模型,并论证其可行性与合理性;分析了不同溶腔水压工况下,隧道拱顶围岩位移演化规律。结果表明,裂隙型岩溶突涌水与富水溶腔水压高度相关;分析了临界突水条件下围岩特性,提出了缓慢增长段-快速增长段-位移失控段的三阶段裂隙型岩溶突涌水围岩位移演化规律。

Fluid–solid coupling analysis of rock pillar stability for concealed karst cave ahead of a roadway based on catastrophic theory

In order to study the mechanism of water inrush from a concealed, confined karst cave, we established a fluid–solid coupling model of water inrush from a concealed karst cave ahead of a roadway and a strength reduction method in a rock pillar for preventing water inrush based on catastrophic theory. Fluid–solid coupling effects and safety margins in a rock pillar were studied. Analysis shows that rock pillar instability, exerted by disturbance stress and seepage stress, is the process of rock pillar catastrophic destabilization induced by nonlinear extension of plastic zones in the rock pillar. Seepage flow emerges in the rock pillar for preventing water inrush, accompanied by mechanical instability of the rock pillar. Taking the accident of a confined karst cave water-inrush of Qiyi Mine as an example, by studying the safety factor of the rock pillar and the relationship between karst cave water pressure and thickness of the rock pillar,it is proposed that rock pillar thickness with a safety factor equal to 1.5 is regarded as the calculated safety thickness of the rock pillar, which should be equal to the sum of the blasthole depth, blasting disturbance depth and the calculated safety thickness of the rock pillar. The cause of the karst water inrush at Qiyi Mine is that the rock pillar was so small that it did not possess a safety margin. Combining fluid–solid coupling theory, catastrophic theory and strength reduction method to study the nonlinear mechanical response of complicated rock engineering, new avenues for quantitative analysis of rock engineering stability evaluation should be forthcoming.

暗河发育区岩溶隧道突涌水洪峰流量估计

地下暗河是岩溶隧道建设与运营重大的安全风险,暗河发育区岩溶隧道突涌水洪峰估计是岩溶隧道施工抢险与后期处治方案制定的重要基础数据。地下暗河洪峰流量不仅由岩溶区水文地质条件控制,而且还受到暴雨期地表径流补给的影响。本文结合实测数据和统计数据,围绕小流域暴雨资料推求出地表汇流洪峰和地下暗河汇泄流洪峰,提出了一种考虑地表径流补给的暗河发育区岩溶隧道突涌水洪峰估计方法,并结合翠屏隧道的地形地貌、水文地质与实测涌水资料,开展了案例分析计算并比较实测涌水量。表明传统涌水预测方法无法考虑暗河与地表水补给的影响,与实测结果差距很大,本方法能够较好预测岩溶区因地表汇水补给暗河发育区隧道突涌水洪峰,为隧道防洪护堤高度、涵管过水容量设计、洪峰避险时间提供重要支撑,保障隧道施工与运营安全。

复杂岩溶地层地铁车站深基坑涌水灾害的声呐探测及综合治理

[目的]在佛山地区,复杂岩溶地层具有特殊性,其钙质粉砂岩地层及其破碎带极易引发地铁车站基坑涌水灾害。因而有必要采用声呐技术进行探测,并通过综合治理解决涌水问题。[方法]以佛山地铁3号线中山公园站为研究对象,从涌水险情出发,介绍了该站声呐探测方案,并基于探测结果分析了该站深基坑地下水的渗漏特性,判定了渗漏点的空间分布及其涌水灾害类型。结合基坑底部超前钻勘察成果及基坑内涌点分布特征,提出了坑外后退式双液注浆止水帷幕+坑内咬合旋喷桩基坑渗漏联合封堵方案。着重阐述了方案中后退式双液注浆、双管旋喷咬合桩以及MJS(全方位高压喷射)桩等技术的施工要点。对采用综合治理前后的代表性测孔处地下水渗流速度进行对比,以验证治理效果。[结果及结论]声呐探测技术能精准探查岩溶地层深基坑渗漏点的具体位置及其渗流场相关参量。采用后退式双液注浆、双管旋喷咬合桩及MJS桩相结合的联合封堵方案可有效解决复杂岩溶地段深基坑开挖大面积涌水渗漏技术难题。

MODFLOW-CFPv2 模型在岩溶隧道突涌水及对地下水环境影响中的应用: 以云南鹤庆锰矿沟岩溶水系统为例

滇中地区构造复杂、岩溶发育,隧洞突涌水及泉流量衰减是隧洞施工过程中最棘手的问题之一。锰矿沟岩溶水系统岩溶管道化程度高,岩溶裂隙与岩溶管道2种含水介质差异显著。采用MODFLOW-CFPv2双重介质数值模型对锰矿沟岩溶水系统展开数值模拟研究,精细刻画岩溶管道与引水隧洞,进而掌握隧洞施工对地下水流场影响以及泉流量变化的规律。结果表明:(1)MODFLOW-CFPv2模型能够刻画岩溶地区复杂的地质结构,较好地模拟研究区地下水位的动态特征和岩溶泉流量响应特征。(2)在强排工况下隧洞单位长度最大涌水量为164 m^(3)/(d·m),单位长度稳定涌水量为69 m^(3)/(d·m),锰矿沟岩溶泉流量也出现显著下降的趋势,在模拟期内平均泉流量从天然条件下1578 L/s下降至1098 L/s,总体减少了30.4%;峰值泉流量从2133 L/s下降至1375 L/s,减少了35.5%,强排工况施工会对隧洞工程施工和地下水环境造成显著影响;限排工况下隧洞单位长度最大涌水量为39 m^(3)/(d·m),单位长度稳定涌水量为24 m^(3)/(d·m),隧洞单位长度涌水量显著降低,锰矿沟岩溶泉流量的下降趋势也得到了一定程度的改善,模拟期内平均泉流量降低至1284 L/s,减少了18.6%,峰值泉流量降低至1617 L/s,减少了22.1%。采用的MODFLOW-CFPv2双重介质模型具有较精确刻画岩溶区管道、溶洞、裂隙共存的高度非均质岩溶水系统的能力,能够定量评价香炉山隧洞施工对锰矿沟岩溶水系统地下水流场及泉流量的影响,为香炉山隧洞工程的突涌水灾害防治提供参考依据,也为岩溶地区复杂地质条件下地下水研究提供借鉴经验。

侧部承压溶洞与深埋隧道间隔水岩体安全厚度研究

为保证深埋隧道安全通过侧部高压富水溶洞区段,在隧道突水发生机制分析与隔水岩体最小安全厚度划分的基础上,结合突变理论、鲁宾涅特方程及相关工程经验对隧道边墙岩体安全厚度进行研究,导出最小安全厚度计算公式,建立突水判据,分析相关影响因素对隧道边墙隔水岩体最小安全厚度的影响规律。结果表明:隔水岩体最小安全厚度H_(min)与围岩力学参数弹性模量E、内摩擦角φ呈正相关,与溶洞水压力q_(w)、岩梁跨度L及隧道埋深h呈负相关;各因素对H_(min)影响程度由大到小依次为h、φ、E、L与q_(w),其中h与φ影响程度相近,E在超过3 GPa的情况下H_(min)变化趋于平缓,E的影响程度与L相近;结合有限元模拟结果和工程实例分析,验证了H_(min)理论计算公式及突水判据的准确性与可行性,对相关工程建设具有指导意义。

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。

深部开采底板奥灰突水水害防治的实践

针对虎龙沟煤业煤矿开采时底板奥灰水突水危害,提出了钻探揭露、注浆改造的治理方案。根据奥灰水突水特点,以及空洞和裂隙受注介质的特点,设计奥灰含水层为注浆目标层,注浆时首先用比重1.5的稠浆低压充填,再用比重1.2的稀浆高压补充。通过工程应用,发现工作面奥灰平均单位吸水率由0.003L/min.m.m降至0.0009L/min.m.m,突水区域出水量减少74%。

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。

综合超前地质预报技术在格莱村隧道中的应用

随着我国西南地区岩溶隧道建设数量的逐年增加,隧道施工过程中经常遇见坍塌掉块、突水涌泥等病害,给隧道施工造成了较大的困扰。因此,利用地质调查法、地质雷达法、地震波反射法、超前钻探法、综合预报法相结合的综合超前地质预报技术,对格莱村隧道掌子面前方及洞周影响范围内的工程地质特性和水文地质条件进行勘探,以确保岩溶隧道施工安全。结果表明:格莱村隧道综合超前地质预报效果良好,充分发挥了各超前地质预报方法的优势,提高了超前地质预报的精准度,有效预防了坍塌、掉块、突水、突泥等地质灾害的发生,降低了岩溶隧道的施工风险。

复杂地质条件下岩溶台地隧道灾变风险评估:以安平隧道为例

复式向斜岩溶台地地质条件复杂,隧道穿越时,多发生突水涌泥等地质灾害。以安平隧道为例,在隧道线路设计初期,从地质角度出发,分析隧道线路范围内存在的5个主要地质问题及可能发生的地质灾变风险,并逐一对其进行评估和评价;采用宜避不宜扰的地质选线理念,根据评价结果选择路线绕避方案和确定平纵设计指标。研究成果对类似复杂地质条件下的岩溶台地隧道地质选线和路线设计具有一定的借鉴意义。

深圳市某地铁车站深基坑底部涌水治理技术探析

在灰岩富水岩溶区、褶皱破碎断裂带进行地铁车站深基坑施工,要面临许多施工不确定,尤其是深大基坑开挖至邻近垫层标高坑底涌水是工程施工中的重大事故隐患,迅速、精准查找出涌水通道和涌水原因是处置解决问题的首要任务。以深圳某地铁车站深基坑开挖过程中涌水为背景,全面、系统分析了形成涌水的原因,针对深基坑底部水力劈裂型涌水具体工况,采取了行之有效的应对措施,使得涌水得以治理,保证了基坑后续施工正常进行。

Energy analysis of rock plug thickness in karst tunnels based on non-associated flow rule and nonlinear failure criterion

The geological hazards, such as water inrush and mud outburst, are easily induced by the high water pressure caverns ahead of a karst tunnel face. Therefore, it is a pivotal issue to determine the reserved thickness of rock plug during the construction of tunnels. The limit analysis principle is employed to analyze the safe thickness from the point of energy dissipation, and the nonlinear and non-associated characteristics of geotechnical materials are both considered. On the basis of a plane failure pattern of rock plug, the expressions of detaching curve and rock plug thickness are derived. The effect of each parameter on the safe thickness of rock plug is discussed in detail, which interprets the corresponding failure scope of rock plug. The obtained results indicate that the thickness of rock plug is highly influenced by the nonlinear dilatancy coefficient and the nonlinear coefficient. The proposed method is validated by a comparison of the calculated results with those of the engineering project of the "526 karst cavern" of Yunwushan tunnel. This proposed method can provide reference basis for the design and excavation of karst tunnels in the future.

基于集对分析模型的岩溶区浅埋穿河隧道突涌水危险性评价

在岩溶区修建隧道常会面临突涌水等地质灾害,尤其是对于浅埋穿河隧道的建设,更是极具挑战性的一项工作。由于隧址区存在断层破碎带、岩体风化程度高、节理裂隙发育等,使得河水入侵隧道的可能性大幅增加。为了有效评价岩溶区浅埋隧道下穿河段突涌水发生的危险性,本研究根据隧址区地质条件及隧道特征,选取了地层岩性、修正的岩层倾角、可溶岩与非可溶岩接触带、围岩等级、断层带宽度、断层性质、裂隙发育程度、地表水流量、地表汇水面积、隧道埋深、施工干扰程度共11个影响突涌水的关键因素作为评价指标,建立了岩溶区浅埋穿河隧道突涌水危险性评价体系。首先,采用层次分析法构造判断矩阵确定评价指标的权重,利用集对分析法计算各评价指标的联系度,进而确定评价样本的综合联系度;其次,运用最大隶属度原则识别突涌水风险等级;最后,根据危险性等级与涌水量之间的对应关系,可初步预测突涌水量范围。针对跃龙门隧道下穿高川河浅埋段的突涌水风险,采用集对分析模型进行分析,计算结果显示,危险性评价预测的突涌水量范围为3000~10000 m3/d,现场开挖实际涌水量为7000 m3/d。即危险性评价结果与现场实际情况基本一致,验证了该评价体系与方法的合理性及可行性,为岩溶区浅埋隧道下穿河段突涌水风险评估提供了有效支撑。

底板岩溶水害治理效果综合评价模型及应用

注浆是解决煤矿底板岩溶突水问题的重要手段,而客观评价注浆效果对煤矿岩溶水害防治具有十分重要的意义。以注浆评价效果为研究目标,结合具体注浆工程,从钻探质量、注浆过程以及效果检验等3个方面,选取了套管质量、固管质量、钻井液质量、平面轨迹偏差、钻孔跟层率、注浆终孔压力、注浆结束泵量、注浆结束稳定时间、注浆材料、浆液性能、压水试验吸水率、P-Q-T动态曲线、岩屑录井和单位吸浆量等14个评价指标。采用模糊数学方法,构建了多指标、多层次注浆效果综合评价模型,通过层次分析法和灰色关联度法确定权重和隶属度。依据评价模型结构,设计、编制了注浆效果综合评价模型程序,应用于顾北南一1煤采区和潘二矿西四采区注浆工程实际,对所选孔组注浆效果进行验证,结果与实际相符。