地下水渗流分区的地温特征及隧道热害规避应用

基于热传递微分方程讨论了水流导热影响下地温特征与深度的关系,获得地温、地温梯度与深度关系的解析表达;对渗流影响下的地温特征类型进行分析,提出了通过最小二乘法拟合地温试验数据计算渗流参量、获取渗流特征的方法及程序。并以滇西高黎贡山越岭段为研究对象,基于地温特征对其热水渗流分区进行分析。研究认为,穿越其中的拟选隧道线南北两水热活动区相互独立,黄草坝断裂阻隔了北面热水向南面渗流,判定断裂南面区域一定范围为南部热水的补给地带,越岭拟选隧道线为区内低地温通道,为合理规避隧道热害提供了依据。     

越江公路盾构隧道浅埋段地温场演化趋势模拟分析

越江公路盾构隧道浅埋段地温场演化将影响隧道穿越的江滩区域的工程地质条件。基于有限差分法建立了南京长江隧道的数值模型,分别将实测地表温度和管片内侧温度作为地层外部交变热源与内部交变热源,对隧道浅埋段典型断面地温场的演化过程进行了模拟分析。结果表明:隧道与土体间的热交换作用使隧道周围的初始恒温地层转变为年变温地层。在高温期,隧道向周围土体传热;在低温期传热方向相反。隧道周围及两孔间存在显著变温区,其最大温升值达7.14℃,年波动最大峰谷值接近10℃。该显著变温区位于距隧道外壁5m以及两孔之间的区域。其地温场在隧道运营20a后可达到初步稳定。建立了该显著变温区内地温场的年际波动模型,据此可估算出隧道周围土体不同距离处的年际温度值,该模型可为火灾等极端传热条件下估算隧道浅埋段地温场提供初始值。     

岩体裂隙面形貌特征对其渗流特性的影响研究∗

岩体裂隙面的形貌特征直接影响其渗流特性,为了分析二者的相关关系,采用劈裂法制备了单裂隙砂岩试样,进行了裂隙面扫描分析和渗流试验,基于分形维数在定量表达不规则曲线形貌特征方面的优势,提出了考虑裂隙面形貌各向异性特征的分形维数计算方法。研究结果表明:(1)基于矩阵理论的裂隙面综合分形维数,相当于用矩阵网格去覆盖整个裂隙面,可以较好地反映裂隙面的整体形貌特征;(2)裂隙面的形貌特征对其渗流特性影响显著,随着裂隙面综合分形维数逐渐增大,裂隙岩体的渗透系数逐渐减小,而且侧向应力越大,渗透系数的减小趋势越明显;(3)分析建立了裂隙岩样渗透系数kf与裂隙面综合分形维数■的相关关系,验证分析表明,该公式计算得到的裂隙岩样渗透系数与试验结果吻合较好。相关研究成果可为裂隙岩体渗流特性分析提供参考。     

基于渗流-应力耦合分析的野鸡尾尾矿坝稳定性研究

基于渗流场与应力场耦合机理,对柿竹园野鸡尾尾矿坝进行稳定性研究。研究渗流-应力的耦合效应,提出了渗流-应力耦合以及渗流体积力计算的实施方案;建立二维的有限元渗流-应力耦合计算模型,分析了考虑耦合效应时的尾矿坝渗流场、位移场、应力场;最终分析了不同耦合关系对于渗流量、位移场、等效渗透集中力以及应力场的影响。研究结果表明:当前水力条件下,尾矿坝稳定性良好;尾矿坝主要受水平渗透力作用,初期坝坝顶、坝脚以及坝底等处应力集中;尾矿坝的渗流-应力作用不容忽视,不同的耦合关系对于x方向位移、渗透力的预测影响巨大;考虑渗流-应力耦合关系得到的主应力、剪应力以及竖向位移,比不考虑耦合效应时大。     

梯度升温地层中巷道风流温度分布计算研究

以往巷道围岩与风流热交换计算都是基于围岩地层温度恒定为条件的,为考虑地层地温随深度连续变化对通风巷道风流温度分布的影响,引入风流与围岩热交换的广义换热系数的概念。为简化分析,在假设暂不考虑巷道热湿蒸发或风流湿度饱和,以及无局部热源的前提下,推导了在地层深度梯度升温场中井巷风流与围岩热交换微分方程,即在围岩恒温条件下风流与围岩热交换方程中增加一项地层升温项。对不同巷道情况分别进行求解,结果得到,在地温梯度升温条件下,如果巷道足够长,水平巷道的风流温度终将与地温趋于一致;对倾斜的通风巷道,风流升温率与地温升温率趋于一致,在风流与巷道围岩之间热交换达到稳定后存在一个温度差,称为滞后温差,且该温差随着风量增大而增大。研究为解决矿井地下3D网域通风系统中风流温度分布计算仿真提供算法基础。     

上覆富水砂层地铁隧道掌子面变形特征数值试验研究∗

为研究地铁隧道在上覆富水砂层下的变形特征，以典型上覆富水砂层隧道—青岛地铁 2 号线啤—苗区间为工程研究背景，采用 FLAC 3D 数值模拟软件对不同富水砂层厚度与隔水层厚度工况下隧道掌子面位移、塑性区变化特征进行了研究分析。研究结果表明：隔水层厚度是影响掌子面是否发生涌水涌砂的主控因素，在开挖过程中应时刻注意富水砂层距离隧道顶板的安全距离，临界隔水层的厚度为 3 m。同时，当隔水层厚度越大、富水砂层厚度越小时，掌子面变形就会越小。以临界工况为研究对象，通过分析开挖过程中隧道拱顶—拱腰—掌子面应力和位移变形规律，引入了位移释放系数和应力释放率两参数来揭示围岩与掌子面在隧道开挖过程中的影响关系。通过进一步拟合掌子面失稳破坏预测方程，得到了掌子面变形释放率拐点先于同一断面围岩径向变形且发生在开挖到目标断面之前的重要结论，因此在实际隧道开挖过程中应将掌子面的变形作为首选敏感监测指标。研究结果可为该不良地质条件下隧道掌子面稳定性和预加固时机选择提供一定的理论指导。     

非饱和土石坝渗流分析

传统的渗流分析主要考虑饱和区而忽略非饱和区内的渗流,本文基于饱和-非饱和渗流计算原理,采用有限元法考虑了非饱和区渗流的影响,并以各向同性均质坝和心墙土石坝为算例进行计算分析。算例表明,由于基质吸力产生的虹吸作用,使得浸润线上部的非饱和区内也存在着连续的水流,通过分析这种水流的特点,定性地得出其对土石坝渗流稳定性的影响。     

渗流场对地铁隧道沉降与受力影响的流固耦合分析

地下水问题是富水地层地下结构设计与施工中普遍存在的问题。为探讨地下水流动对软岩地铁隧道的稳定性及衬砌支护受力的影响,根据流固耦合理论,采用三维快速拉格朗日有限差分方法,在不同地下水位及排水边界条件下,对开挖后洞室周边场地位移、应力场、孔隙水压力的分布情况进行了综合分析。结果显示,由渗流引起的渗透力一定程度上会增加隧道周边场地变形及衬砌应力。从围岩-支护结构共同作用的原理出发,验证了隧道开挖与支护结构设计时需要考虑渗流效应,反映了地下水确实对隧道稳定性有着重要影响。     

稀土矿层厚度对浸矿边坡渗流及稳定性的影响

在原地浸矿和稀土边坡稳定性关系研究中,往往忽略了矿层厚度的影响,为此选取3个具有代表性的边坡实例,基于Fredlund提出的饱和-非饱和渗流理论,构建考虑稀土矿层厚度的采场边坡在不同注液强度下浸矿饱和液面及孔隙水压力与浸矿时间的关系,研究不同全风化稀土矿层厚度对边坡渗流场及稳定性的影响。结果显示,在矿层厚度不变的情况下,注液强度越高,坡体内浸润线和孔隙水压力增加越快,边坡稳定性下降越快;在一定的注液强度条件下,矿层厚度对浸润线的上升具有明显的滞后效应,厚度越大,浸润线和孔隙水压力上升速度也越慢,边坡稳定性下降速度则相应减缓。因此,稀土矿层厚度对稀土边坡渗流场及稳定性的影响是显著的,稀土采场拟定合理注液强度时不容忽视。     

强震作用下岩体破坏深度及对隧道围岩压力的影响

5·12地震后,震区岩体受到了不同程度的破坏,产生了大量松动岩体,对新建隧道围岩压力产生了较大的影响。为研究地震力对岩体的破坏深度以及震裂松散岩体对隧道围岩压力的影响,基于波动理论和摩尔库伦准则,分析了地震力对岩体破坏的极限深度,推导出解析公式,并通过波速测试结果对震裂松散岩体的松动深度进行了探讨,最后就松散岩体对隧道围岩压力的影响进行了理论分析。研究结果表明:1地震力对岩体破坏有一极限深度,隧道埋深越浅,岩体越易产生破坏;2岩体破坏极限深度与岩体力学参数及地震水平震动速度有关,汶川地震震区岩体的极限破坏深度最大达112m;3汶川地震震后,不同松动程度的岩体分别占破坏岩体深度的20%、30%和50%;4震裂松散岩体对围岩竖向松动压力有较大影响,主要原因为震裂松散体的存在,改变了震后岩体的深浅埋分界深度,在震后松散岩体中修建隧道应按等效埋深来确定深浅埋分界深度。     

云南活断裂分布对于震害面积影响的模糊定量研究

本文以云南地震地质为背景,定义出活动断裂交汇程度作为影响地震震害面积的定量指标,并应用模糊信息处理方法,分析了云南39个历史地震资料,推导出震级、震源深度、断裂交汇程度与震害面积之间的模糊关系,然后研究震源深度为15,25公里时的震级、震害面积关系。文章结论指出:在活断裂密集的高烈度区,断裂分布情况具有影响震害面积的重要作用。此项研究结果,对高烈度区的工程抗震设防范围考虑,具有一定指导意义。     

岩溶隧道衬砌结构变形特征研究

以渝东南岩溶区马鞍山隧道为依托工程,运用有限元软件MADIS-GTS建立渗流-应力耦合模型进行数值模拟分析,通过监测隧道衬砌结构的拱顶、拱腰、拱脚和拱底四个部位的变形情况,控制单一变量,分析不同水头高度、不同注浆圈厚度、不同注浆圈渗透系数和不同衬砌厚度四种条件下的隧道衬砌变形特征,并对隧道设计参数进行优化。     

地铁振动荷载作用下场地动力响应及振动衰减规律研究∗

地铁列车运行引起的场地振动对临近建筑、精密仪器等带来不可忽视的影响。为了研究场地在地铁运行振动荷载作用下的动力响应规律,基于 ABAQUS 软件建立了地铁隧道?土相互作用系统的二维有限元模型,并通过现场试验监测数据验证了模型的有效性。在此基础上,通过对场地表面振动峰值速度和加速度时程分析,研究了隧道埋置深度、土体阻尼比、土体不均匀性对场地地表振动特性及衰减规律的影响。研究结果表明：在一定范围内,土体表面的动力响应随着隧道埋置深度、土体阻尼比的增大而减小;不同土质条件下的场地地表的动力响应有一定的差别,但随着距离的增大,差别逐渐缩小。基于上述参数分析,采用 MATLAB 对峰值速度衰减曲线进行拟合,给出了场地振动衰减预测公式,可为振动敏感建筑场地的选择提供参考。     

山体滑坡对公路山岭隧道影响的数值分析

依托川藏公路102隧道工程,在收集整理102隧道勘察设计资料、总结国内外已有隧道—滑坡体系相互作用机理的基础上,根据2#滑坡与隧道的相对位置关系,采用了FLAC3D三维数值模拟分析方法,对于运营期间滑坡体发生滑动对隧道结构的影响进行了模拟分析。通过对比分析在隧道拱顶距滑动面不同最小距离(1D-4D)条件下,由于降雨导致滑坡发生滑动时,隧道的二次衬砌受力特征及其安全性,为今后类似条件下隧道工程建设提供借鉴经验和工程依据。     

近距双线盾构隧道开挖诱发地层变形演变规律及数值模拟

双线平行隧道盾构施工相互扰动作用对其诱发的地层变形分布特征和演变规律影响显著。以某地铁双线盾构隧道工程为例,考虑双线平行隧道间距与盾构施工相互作用影响,采用数值模拟和现场实测相结合的方法对双线平行隧道盾构施工引起的地层变形演变规律进行了对比分析,并提出了考虑近远距状态的双线平行隧道盾构施工地层变形预测模型。研究结果表明,双线盾构隧道施工地层竖向变形曲线由“V”形发展为非对称“W”形分布,沉降槽宽度由6D扩大为10D,地层深度越深非对称“双峰”特征越明显;地层水平变形曲线以两隧道中线为轴线呈反对称分布,两隧道间区域土体变形受施工扰动影响显著;地表沉降曲线分布随双线隧道近远距变化由深“V”形—浅“V”形—“U”形—浅“W”形—深“W”形—两独立“V”形演变,采用L cr=2CKH可作为双线平行盾构隧道近远距状态临界判据,本文提出的预测模型能较好地反映近远距状态及施工相互扰动对双线平行隧道盾构施工地层变形的影响规律。研究成果可为类似地铁隧道盾构施工变形预测与精细化控制提供科学参考。     

单圆双线地铁隧道基底粉细砂层动力响应分析

以南京地铁10号线过江段江北大堤附近典型截面为例,分别考虑了单线通行工况与会车8s、会车12s及会车16s3种典型会车工况,建立了隧道-土体有限元模型,分析了单圆双线隧道基底粉细砂层动力响应。结果表明,隧道基底粉细砂层加速度峰值随垂直深度增加而呈指数型衰减,到达23m深度时,4种工况加速度峰值已非常接近。基底下卧层土体最大位移随深度呈线性减小趋势,考虑各工况下各深度位置最大竖向位移,会车8s工况会车16s工况会车12s工况单车8s工况。列车动荷载所激发的粉细砂超静孔隙水压力约为静水压力的1%。粉细砂层最大超孔压随基底深度呈指数型衰减趋势。粉细砂层内最大孔隙水压力与总应力比值小于1,隧道基底粉细砂层不会发生液化。该结果可用于调控隧道控制截面位置基底粉细砂层动力响应与可液化性研究。     

能源隧道热响应试验数值分析与适用性评价

以能源桩和能源隧道为代表的能源地下结构是一类节能环保的地下结构形式,能源隧道的理论研究与实际应用还处于起步阶段,相关测试与设计方法还不够成熟。以新八达岭长城站能源隧道试验段为研究背景,利用COMSOL软件对能源隧道热响应试验进行了数值分析与适用性评价,对TPT测试工况进行了数值模拟,经验证与现场实测结果吻合较好;对线热源传热模型用于能源隧道TRT试验的适用条件与方法做了初步探索,利用相对热效率的概念对模拟结果进行了分析。结果表明,线热源传热模型不能直接用于分析能源隧道TRT试验结果,但是T_fln(t)曲线的斜率与模型输入的围岩导热系数线性相关,可定义相对热效率来反映围岩导热系数对隧道埋管换热器换热能力的影响。     

断层破碎带内隧道施工围岩稳定性分析

西藏自治区拉萨-林芝高等级公路松多隧道穿越松多F1主断裂和F2断层破碎带,是拉林公路的控制性工程之一。受断裂破碎带影响,隧道围岩较为破碎,隧道涌水量较大,施工及运营过程中容易发生隧道塌方、突水、突泥等地质灾害。基于该地区详细地质勘察资料,利用数值仿真模拟了松多隧道在开挖以及连续降雨情况下的隧道围岩变形破碎过程。研究结果表明:隧道开挖过程中硐腰处易发生垮塌事故,进而影响到整个隧道稳定性;连续降雨情况下导致破碎带岩土力学性质软化,从而进一步降低隧道安全。建议松多隧道在设计阶段加强地质勘察,施工过程进行地质超前预报与现场监测,确保施工安全。     

隧道纵向抗震分析的反应加速度方法∗

为研究隧道纵向地震响应,首先将隧道结构的动力问题简化为地震变形场作用下的土?隧道拟静力相互作用问题,推导了土?隧道拟静力相互作用模型的反应加速度方法。针对规范提供的纵向位移模式,给出相应反应加速度方法的等效惯性力公式及模型边界条件,最终建立基于规范位移模式的隧道纵向反应加速度方法。在与整体式反应位移方法对比验证的基础上,开展不同场地条件及不同隧道埋深下的隧道纵向响应规律研究。数值模拟结果表明：(1)当场地条件和埋深相同时,隧道弯矩随场地水平位移的增加而增加,而剪力、扭矩具有相反的变化规律; (2)场地条件对隧道纵向响应的影响较大,场地越软,隧道剪力越小,而弯矩和扭矩越大;(3)在 50 m 覆盖土层厚度内,随隧道埋深的增加,隧道剪力、弯矩逐渐减小,而扭矩基本保持不变。     

冀中拗陷地温场与地震活动性的关系

本文以水文地球化学观点和方法,对冀中拗陷地热异常区深井网多井孔热水化学观测资料进行了计算处理。利用地热基础理论中的地球化学温标公式反演了拗陷内地温场基本特征和地热活动状况。指出地温场分布特征与地震活动在空间上有一定依存性,而地热动态变化与地震孕育在时间上似具有较好的同步性。最后,依此提出文安—坝县地震危险区的某些地球化学判据。