基于特定环境限制的隧道允许排水量计算与结构优化

隧道允许渗水量对地下水及结构影响较大,为确定其合理值,首先利用反映法将有界含水层用映射原理转化为无界问题,再基于线性系统叠加原理求解控制点水头势函数,进而利用环境限制条件计算渗水量极限值解析解,同时推导初期支护内外壁水头压力表达式,最后基于工程案例对理论公式进行验证并优化设计.研究结果表明:隧道允许渗水量与控制点周围介质渗透系数及水位允许降深的乘积成正比;降低注浆圈与初期支护渗透系数可减少隧道涌水量,但超过一定界限后隧道涌水量对两者渗透系数的敏感性均可忽略;注浆圈半径增大到一定程度后(本实例为6 m),环向盲管工作状态对二次衬砌外壁水压力影响急剧增大,须定期对环向盲管进行检查,避免水压力对防水板及二次衬砌造成较大破坏.     

衬砌水压力荷载影响因素的敏感度分析

基于轴对称解析解,分析了水头高度、衬砌厚度、衬砌渗透性、注浆参数及隧道尺寸等因素对衬砌水压力折减系数的影响。研究结果表明:衬砌与围岩相对渗透性对衬砌水压力折减系数影响最明显,衬砌的渗透性是决定水压力折减系数大小的主要因素。注浆的主要作用就是控制地下水排放流量,水压力"卸载"与否取决于衬砌的渗透性。当衬砌渗透系数足够小时,无论是加大注浆圈厚度,还是降低其渗透系数,都不能起到降低水压力荷载的作用,而当衬砌具有一定透水性时,围岩注浆既能限制地下水排放又能降低衬砌水压力。     

基于流固耦合的水底隧道全断面注浆力学分析

全断面帷幕注浆加固围岩是水底隧道穿越断层破碎带、海底风化槽等高渗透性岩体常采用的辅助工法。帷幕注浆的主要目的是加固围岩,改善围岩的物理力学性质,降低围岩渗透系数。本文在对注浆加固机理及注浆参数选取研究的基础上,采用三维有限差分FLAC3D数值模拟手段,基于流固耦合的力学模型研究注浆加固圈厚度及渗透系数对围岩稳定性、渗流规律、支护结构受力的影响。研究结果表明:水底隧道洞室开挖对初始渗流场的改变程度及范围与注浆圈渗透系数有直接关系,通过有效注浆不但起到限排堵水的作用,还起到降低地下水渗透体积力、约束位移的作用。     

半无限平面双孔平行隧道渗流场解析研究

以镜像法和渗流力学理论为基础,推导了半无限平面双孔近距平行隧道稳定渗流场的解析解,并与数值解进行了对比验证。对2个平行隧道间距,注浆圈和初期支护的渗透系数、厚度等参数对隧道涌水量和初期支护后水压力的影响进行了分析。研究结果表明:随着2个隧道水平间距的增大,隧道的涌水量和衬砌后水压力逐渐增大;当隧道中心水平间距大于隧道半径的20倍时,水平间距的影响几乎可以忽略不计;随着其中一个隧道埋深的逐渐增大,该隧道涌水量和初期支护后水压力逐渐减小,而邻近隧道涌水量和初期支护后水压力先减小后增大;随着隧道注浆圈渗透系数的减小和注浆圈厚度的增大,隧道涌水量和初期支护后水压力均逐渐减小;随着隧道初期支护渗透系数的减小和初期支护厚度的增大,隧道涌水量逐渐减小,初期支护后水压力却逐渐增大。     

邻近水库富水断层破碎带隧道注浆圈参数研究

隧道穿越富水断层破碎带施工风险较大,常采取超前全断面预注浆进行处理.本文依托皖南一工点通过建立渗流数值模型分析了注浆圈不同厚度、渗透系数下隧道周边地下水渗流规律.结果表明:未支护条件下开挖,渗流达到稳定状态后地下水压力呈漏斗状分布;隧道涌水量随着注浆圈厚度增加而减小,注浆圈厚度宜控制在5～8m;减小注浆圈的渗透系数可有...     

地铁隧道过海段复合衬砌参数的敏感性分析

以青岛地铁1号线胶州湾过海隧道为研究背景，选取了影响复合式衬砌外围水压力的9个主要影响因素，在利用Midas有限元数值分析软件的基础上，采用正交试验设计法分析了2种测试水平下这9个因素对水压力折减系数的显著性影响水平。结果表明：影响二次衬砌外围水压力大小的显著性因素为二次衬砌外围半径和围岩渗透系数与二次衬砌渗透系数的比值；影响初期支护外围水压力大小的显著性因素为围岩渗透系数与注浆圈渗透系数的比值、注浆圈厚度、围岩渗透系数与二次衬砌渗透系数的比值及隧道半径。其中，围岩渗透系数与二次衬砌渗透系数的比值对二次衬砌、初期支护的外围水压力均有显著性影响。因此，在海底隧道设计和施工过程中，应重点关注衬砌的渗透性能，注意支护结构的参数设计和选取，以保障海底隧道的顺利开挖及运营安全。     

某隧道断层区段流固耦合分析及涌水处治措施研究

针对泽雅隧道穿越F10断层破碎带区围岩破碎、涌水量大等问题,为保证隧道的正常施工,确保后期运营安全,采用ABAQUS数值分析软件建立是否考虑流固耦合的模型,分析不同工况下衬砌的力学特性,计算显示渗流的存在导致隧道衬砌最大总应力增加52.15%,衬砌最大弯矩增加75.4%。鉴于涌水对隧道力学特性影响较大,进而结合隧道实际情况进行涌水处治措施比选,选取泄水孔结合径向注浆的处治措施,并运用数值分析手段对注浆圈厚度和注浆材料渗透系数进行优化,计算结果显示注浆层厚度为5~7 m时,注浆材料渗透系数为围岩的30~50倍时施工效果较好。该分析结果有效指导了施工,可为类似工程提供参考。     

基于流固耦合的海底隧道注浆圈渗流场影响分析

将存在裂隙的岩体视为等效连续介质,建立海底隧道稳定渗流分析计算模型,并对渗流场相关特性进行探讨;结合青岛胶州湾海底隧道工程计算注浆圈对渗流场影响.结果表明:海底隧道防排水应采取“以堵为主,限量排放”的原则;注浆圈堵水效果与其厚度相关,且注浆圈厚度与其渗透系数成正比.但当围岩渗透系数与注浆加固圈渗透系数之比大于100,且注浆圈厚度不小于10 m时,注浆圈渗透系数、注浆圈厚度对隧道涌水量均影响不大;隧道涌水量和控制排水量之差越大,衬砌外水压力越大;为减少涌水量,可以采用注浆圈封堵地下水渗流通道,衬砌外水压力将显著降低.当处于自由排水阶段时,衬砌不承担水压力,隧道涌水量与控制排水量相等.     

海底隧道全断面注浆渗流场分析

围岩的注浆效果直接影响到海底隧道的施工安全。采用数值计算方法对固定水头的海底隧道在不同注浆圈厚度、注浆圈渗透系数以及排水方式下,隧道的涌水量和衬砌外水压力进行计算与分析。并将数值模拟的结果与轴对称解析解结果进行对比,结果表明:(1)不同的隧道防排水方式对衬砌外压有着明显的影响;(2)注浆圈的径向加固范围对隧道涌水量和衬砌外水压力产生一定的影响,但其效果并不明显;(3)注浆圈的渗透系数对隧道的涌水量和衬砌的外水压力有较大影响。     

基于流固耦合理论下穿库区隧道围岩稳定性分析

以某下穿库区铁路隧道为依托工程,对比分析有无渗流场作用和不同水深条件下,隧道结构应力变化规律以及围岩变形、塑性区和渗流场的变化特性,同时还考虑隧道加固圈厚度和渗透系数对围岩稳定性的影响。研究结果表明:地下水渗流场对围岩变形影响较大,不仅能引起大范围的库底沉降,而且能增大隧道拱顶和拱腰的位移,并且能够减小仰拱的隆起量以及加剧围岩塑性区的范围;隧道的开挖能够对地下水孔隙水压力的分布形成明显的扰动,并且在两拱脚处渗流速度最大,最大塑性区位于横向临时支撑处;注浆加固圈能够改善围岩的受力,隧道最优注浆圈厚度在5m,并且当渗透系数小于围岩渗透系数的1/50时注浆圈加固效果不再明显。     

地铁隧道穿越厚碎裂岩层的支护优化分析

青岛地铁3号线汇泉广场站—中山公园站区间穿越厚碎裂岩层地质,其岩体节理裂隙较为发育,导致围岩自稳能力较差,以及施工风险较大。结合现场地质条件和施工环境,提出了4种隧道支护结构加固方案;通过数值模拟分析了各加固方案的地表沉降、初期支护结构主应力及围岩塑性区发展情况;基于灰色关联定量分析了各加固方案对5项评价指标的综合支护效果。结果表明:全断面WSS超前帷幕注浆对地层沉降和围岩塑性区发展控制效果最好,超前小导管支护对抑制围岩塑性区发展较明显;碎裂岩层隧道的综合加固效果为:全断面WSS超前帷幕注浆>超前小导管支护>增大拱顶锚杆长度、增设拱肩及拱脚锚杆>提高初期支护刚度。     

围岩快速分级和松动圈测试应用研究

吉图珲客运专线小盘岭1#~3#隧道施工,遇到碳化泥质板岩地层,由于其岩质软、节理发育、岩体破碎,围岩稳定性极差,多次发生塌方、换拱等问题。为保证隧道安全快速施工,现场采用非金属声波测试技术对围岩进行施工期快速分级和松动圈厚度确定,为隧道动态设计和信息化施工提供有力保障。(1)声波测试结果分析表明,该隧道碳化泥质板岩松动圈厚度范围在4.90~6.16 m之间;左拱腰、拱顶和右拱腰位置松动圈厚度均值分别为5.91 m、5.35 m和5.19 m。(2)围岩饱和单轴抗压强度为20.6 MPa,属于软质岩;松动圈内围岩波速平均值为1.29 km/s;松动圈外围岩波速平均值为2.06 km/s。综合判定小盘岭隧道弱~强风化碳化泥质板岩围岩等级为Ⅴ级,与现场调查结果基本一致。基于测试结果对隧道支护锚杆和注浆长度进行优化,工程实践表明优化后的锚杆支护和注浆加固效果明显。     

水底隧道复合式衬砌水压力影响因素分析

富水量较大的水底隧道,隧道防排水系统对于控制隧道涌水量和衬砌外水压力十分重要。采用数值计算方法,研究固定水头下水底隧道不同注浆参数、衬砌渗透系数及隧道控制排水量对衬砌水荷载的影响,并与轴对称解析解结果进行对比验证。研究结论:(1)渗透系数增加和注浆圈厚度减小都致使衬砌外水压力的增加;(2)初衬渗透性的变化对初衬外水压力的影响十分显著;(3)数值解与解析解的结果相差不大,非圆形隧道截面可利用等效半径求解衬砌外水压力和隧道涌水量的解析解,并用于隧道防排水的初步设计;(4)隧道注浆圈参数和初衬渗透系数一定时,增大控制排水量有利于减小二衬背后外水压力。     

各向异性渗流深埋隧洞衬砌外水压力解析研究

基于渗流力学基本理论，进行各向异性深埋隧洞渗流场解析研究。由稳定渗流场基本微分方程结合深埋隧道渗流场边界条件，利用坐标变换法将地层从各向异性转换为等效各向同性，运用保角变换将渗流方程转化为Laplace方程；将围岩渗流区域进行分区计算，得到围岩的渗流量计算公式；考虑衬砌为各向同性渗流，根据围岩与衬砌分界面上的渗流量相等得到衬砌外水压力的解析表达式，在此基础上考虑注浆圈及其对衬砌外水压分布的作用，得到了带注浆圈隧道衬砌水头和渗流量的解析解；通过与各向同性解析解和数值算例的计算结果对比，验证了公式的正确性。分析围岩水平与竖向渗透系数、注浆圈参数、衬砌参数、作用水头高度和隧道半径等因素对衬砌外水压力的影响，并考虑了各向异性渗流情况下衬砌外水压力与隧道渗流量的关系曲线。     

暗挖地铁车站穿越软弱地层注浆设计优化研究

基于多孔介质流固耦合原理,考虑岩土体压缩性、孔隙率、渗透率以及体积应变等因素,研究富水断层破碎带地层注浆加固前后,围岩与加固圈的塑性区分布、拱顶沉降以及渗水量的变化规律。研究发现,变形量和渗水量随着注浆加固圈厚度增加而减少,当加固圈厚度达到一定值后减少量趋缓,据此确定地铁车站注浆加固圈的合理厚度为5～6 m。研究成果成功应用于青岛地铁某暗挖车站注浆工程中,通过对比现场实测数据,验证了注浆设计以及数值模拟的可靠性。     

裂隙岩体注浆技术在长春地铁中的应用

地铁隧道建设中地下岩体裂隙形成的涌水通道致使地下水渗入隧道洞室,危害地铁运营安全。结合长春地铁2号线解放大路站—平阳街站区间隧道渗水情况,采用先深后浅,最后重点部位强化注浆方式综合治理围岩裂隙涌水获得了良好的治理效果,有效地根治了地铁隧道初期支护背后围岩裂隙涌水的问题,以期该技术为地铁隧道初支背后注浆提供借鉴。     

海底隧道预注浆加固效果检查与评价

以青岛胶州湾海底隧道断层F4-4第一循环预注浆为背景,针对海底不良地质段隧道预注浆效果进行研究。为了合理地检查及评价海底隧道预注浆效果,首先采用公式法和数值法对断层F4-4处的3个断面进行隧道开挖涌水量计算;然后通过布置注浆检验孔,对涌水量进行实地测量;最后,分别将无注浆情况下和注浆情况下用公式法、数值法计算涌水量和实测涌水量进行比较。得出:(1)剖面1和剖面3用公式法的计算结果大于数值法的计算结果,剖面2相反;(2)随着注浆圈厚度的增加隧道开挖涌水量减小,当注浆圈厚度大于5 m后,涌水量的变化趋于平缓;(3)在相同注浆圈厚度的情况下,随着注浆圈渗透系数的减小,隧道开挖涌水量也相应的减小,当注浆圈渗透系数小于一定值时,隧道开挖涌水量的减少并不明显;(4)在断层F4-4开始阶段,用3种方法所得涌水量值相近,同时说明本循环注浆达到设计预期目标。     

隧道富水断层段全断面注浆时的缓冲层厚度研究

基于水力学和弹塑性理论,构建含缓冲层的隧道注浆计算模型,计算隧道支护结构及注浆圈外缘承担的渗水压力及隧道涌水量;研究支护结构、注浆圈及围岩的位移与应力解,利用数值模拟对构建模型的合理性进行验证;以穿越富水断层破碎带的某在建隧道为例,计算并确定其缓冲层厚度。结果表明:增设缓冲层后,支护结构外缘径向应力理论值与模拟值最大误差来自隧道拱顶,为7.3%;涌水量模拟值与理论值较为接近,理论值仅比模拟值小1.4%;随缓冲层厚度增加,支护结构外缘径向应力急剧下降,涌水量缓慢增加,当缓冲层厚度与隧道支护结构外径比值为0.10和0.30时,与无缓冲层时相比,支护结构外缘径向应力分别降低39.63%和118.88%,涌水量分别增加4.70%和14.10%;综合考虑受力与涌水因素,在建隧道缓冲层厚度与支护结构外径比值宜采用0.14。     

不同倾角层状围岩隧道开挖松动圈的范围与分布

层状围岩隧道在施工扰动下极易出现拱部严重超挖、掉块、离层、弯折、坍塌等工程问题,快速准确地确定围岩松动圈的范围和分布规律,对选择合理的支护设计参数以及消除安全隐患十分重要。以延安安塞经志丹至吴起高速公路大梁峁隧道为工程依托,采用离散元软件UDEC对岩层倾角分别为0°,15°,30°,45°,60°,75°和90°的层状围岩隧道开挖过程进行数值模拟,分析围岩松动圈的范围及分布规律。结果表明:岩层倾角为0°(水平)时,围岩松动圈范围最大,且出现在隧道拱顶处,松动圈范围为1.6～2.6 m;岩层倾角为0°和90°时,围岩松动圈沿隧道轴线对称分布;岩层倾角为30°,45°,60°,75°时,围岩松动圈呈不对称分布,且存在偏压现象。     

硬岩地层中扁平大跨隧道拱盖法施工优化分析

以青岛地铁1号线人民广场站—衡山路站区间站前折返线为例,采用三维数值模拟方法分析了初期支护拱盖法分步开挖过程中地面沉降、拱顶沉降、初期支护受力和围岩应变的变化规律,进一步分析硬岩地层中扁平大跨隧道施工二次衬砌拱盖法优化为初期支护拱盖法的可行性,并通过现场监测结果加以验证。研究结果表明:硬岩地层中扁平大跨隧道采用初期支护拱盖法施工地面沉降、拱顶沉降、初期支护和围岩的应变满足规范要求,二次初砌拱盖法优化为初期支护拱盖法切实可行;拆撑是初期支护拱盖法开挖工序中的重要阶段,确定合理的拆撑长度是该工法成功应用的关键。