深埋岩溶隧道掌子面突水灾害可靠性上限分析∗

旨在研究高地应力、高压富水条件下深埋岩溶隧道掌子面突水灾害的可靠性问题。基于已有研究成果,考虑高地应力以及高压富水地质条件,采用极限分析上限法构建了以剪切破坏为主的深埋岩溶隧道掌子面三维防突机制。根据虚功率原理建立突水破坏过程中的能量方程,利用Hoek-Brown 强度准则求解了高地应力以及高压富水条件下防止掌子面突水所需要的支护力上限解。在极限破坏状态下,根据掌子面上施加的支护力与突水破坏时的围岩压力构建极限状态方程,建立了深埋岩溶隧道掌子面防突可靠度模型,并采用响应面法计算了掌子面发生突水灾害的失效概率。分析了水平地应力、溶腔水压力、岩体强度参数以及隧道洞径对支护力、潜在破坏长度的影响规律,给出了满足不同容许失效概率下深埋岩溶隧道预防突水灾害所需要的最小支护力以及在有限支护效应下能抵抗的最大破坏长度。将研究成果应用于实际工程案例中,与已有研究、现场结果相比较,验证了本文计算结果的有效性,可为今后类似深埋岩溶隧道的防突问题提供理论指导和参考。     

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。     

岩溶隧道突涌水预警体系的建立

为加强岩溶隧道突涌水预警的准确性,基于理论分析方法及岩溶隧道实际特点,提出溶洞侵入及未侵入隧道两类情况下的岩溶隧道突涌水预警体系的建立方法.通过理论分析,确定了突涌水的主要影响因素及其发生过程中变化显著的监测项目.选择溶洞特质、水的变化、岩盘破损程度、节理裂隙形态为预警体系的主要评价指标.根据溶洞与隧道相对位置关系,建...     

TSP与超前钻探地质预报技术在齐岳山隧道施工中的应用

在岩溶地区隧道施工过程中,经常遇到溶洞、暗河、断层及突水、突泥等无法预料的地质灾害。为了保证岩溶地区隧道施工安全,对岩溶的发育情况进行准确及时的超前预报,并在隧道修建过程中采用辅助工法穿越众多不良地质段,是岩溶地区隧道施工中亟待解决的重要问题。基于TSP203plus系统与超前钻孔探水的方法对齐岳山隧道右洞岩溶裂隙进行了预报并指导超前帷幕注浆堵水施工,收到了良好的生产效果,对今后的类似工程具有一定的指导意义。     

玻璃球动弹性模量特性试验和数值模拟研究

堆石料颗粒形状较为复杂,且存在明显的颗粒破碎特征。为剔除颗粒形状对堆石料动力特性的影响,在不考虑颗粒破碎的情况下,采用玻璃球模拟堆石料进行动三轴试验,分析了试验围压对玻璃球动弹性模量的影响。基于动三轴试验成果,开展了细观数值模拟研究。研究表明:玻璃球的动弹性模量变化规律与堆石料的基本一致;三维颗粒流方程能较好地模拟该材料的动弹性模量特性;随着粗细颗粒直径跨度增大,试样级配关系增强,最大动弹性模量随之增大;细颗粒直径变小和粗颗粒直径变大都将引起最大动弹性模量的增大。试样的动弹性模量随着细观剪切模量的增大而增大,近似为幂函数关系,动应变降低。     

干湿循环作用下泥岩颗粒料崩解试验研究

通过室内模型试验,探究在干湿循环作用下泥岩颗粒料的崩解规律。利用基础熵量化泥岩颗粒料在干湿循环作用下的破碎程度,分析了土体级配随干湿循环的变化规律;引入破碎势的概念量化上覆荷载、粗颗粒含量等对泥岩颗粒料崩解破碎的影响。研究结果表明:崩解过程主要集中在前4次干湿循环中,其中2~4次的干湿循环作用下的颗粒崩解破碎最为剧烈,在经历9次干湿循环之后,泥岩试样由连续级配变为非连续级配;破碎势可以较好的量化分析上覆荷载、粗颗粒含量在干湿循环前后泥岩颗粒料所具有的崩解破碎的概率,总破碎率可以量化描述从具有破碎的概率到发生破碎的这一类泥岩颗粒料占比情况。     

库水波动条件下滑坡体消落带响应关系研究

以三峡库区四道桥滑坡消落带作为研究对象,建立滑坡体孔隙水压力、水分含量及库水位实时监测系统,依托采集长期连续观测数据,开展库水位变化过程中滑坡体消落带地下水动态响应过程的研究。研究结果表明:库水位升降过程中,坡体内孔隙水压力变化趋势与库水位基本保持一致但相对滞后,上升时响应迅速,两者水位差为0.2 m,下降过程受地下水回流影响滞后时间相对较长,最大水位差为1.5 m,稳定在175 m水位时候库水爬高0.1~0.2 m;水分含量实测曲线很好反映了仪器安装层位岩土体的水分含量的变化规律,其响应规律与孔隙水压力变化规律相结合可较好地分析滑坡体消落带地下水渗流动态过程,其成果为数值模拟提供了可靠的数据支持,同时为类似岩土体构成的滑坡的研究提供借鉴。     

模糊聚类在不良地质洞段红外探水中的应用

在玉昆铁路柿花树隧道不良地质发育的洞段进行红外探水工作期间,常用的分析方法有时无法预判掌子面前方是否存在隐伏水体或含水构造。为了提高红外探水短距离预报的准确率,用模糊聚类法将掌子面测点场强的数据分类,根据开挖传递的地质信息,研究模糊聚类结果的变化规律、突水风险与岩体破碎程度之间的关系。实践证明,模糊聚类法和常用分析方法的结合,使红外探水取得了较好的预判效果。     

渗流作用下岩溶陷落柱侧壁突水的临界水压解析解

在陷落柱侧壁突水研究中引入厚壁筒力学模型,将陷落柱侧壁煤柱视为多孔介质,考虑地下水的渗流体积力,应用摩尔库伦强度理论和弹塑性力学模型,推导出煤柱弹塑性状态应力解析式,以及煤柱内塑性区半径与水压力的关系表达式,同时编程试算出陷落柱侧壁突水的临界水压力。在此基础上,分析了煤柱孔隙率、煤柱抗剪强度参数以及煤柱宽度等因素对陷落柱侧壁突水的临界水压力的影响规律。研究结果表明:1煤柱能够承受的临界水压随着煤柱孔隙率的增加而降低,故当煤柱裂隙发育时,不考虑渗流力的结果将偏于安全;2煤柱宽度越大、抗剪强度越高,则临界水压越大,陷落柱侧壁突水的危险性越低;3可通过注入水泥浆液减小煤柱孔隙率和提高煤柱强度来防止陷落柱侧壁突水,同时可减少煤柱的留设宽度,对减少煤炭损失有着重要意义。     

基于流固耦合的坡度对TBM斜井围岩的影响研究

以内蒙古新街台格庙矿区的TBM斜井工程为背景,运用FLAC3D软件建立TBM斜井施工的三维模型,基于流固耦合理论,从孔隙水压力、应力及变形3个方面对TBM隧道和TBM斜井进行对比分析,并研究了坡度对TBM斜井围岩力学特性的影响。研究结果表明:流固耦合条件下,随着施工进度的发展,TBM斜井在拱腰和拱底处的应力和变形值要大于TBM隧道的值。坡度对富水条件下的TBM隧道围岩变形和应力的影响较明显,坡度越大,围岩越易失稳,拱腰处的应力、变形及孔隙水压力变化较大,大坡度TBM斜井施工应重点注意拱腰部位的支护及防排水。研究结果可为富水大坡度的TBM斜井工程设计施工提供理论参考。     

条形基础砂土地基的破坏模型试验

为了研究条形基础砂土地基的剪切破坏形式和承载机理,在相似理论的指导下,进行了一组条形基础砂土地基的模型试验,模拟了砂土地基受荷后产生变形、扩展直到破坏的全过程;测量并分析了地基中不同点处的土压力大小及其分布规律,观测了剪切带的形成和发展过程。结果表明,模型试验能够很好地体现砂土地基变形、破坏的整个过程及其沉降变形特性、地基中各点的真实应力状态及其变化规律,对于研究深基坑变形过程和破坏形态具有应用价值。     

老山隧道的防水重点和薄弱环节及工程对策

隧道渗水是隧道开挖过程中普遍面临的问题。老山隧道位于碳酸盐岩山区,该地区水文地质条件复杂、生态环境脆弱敏感,确定防治水的重点及对策是工程中面临的重要课题。本文结合老山隧道工程,在地质调查、隧道涌水观测与防治水现场试验的基础上,对老山地区的水文地质及地下水循环特征,特别是断裂控水规律作了深入研究,提出了碳酸盐岩地层富水性断裂的工程分类与防控对策;分析了结构防水的薄弱环节之成因,并提出了相应的工程对策。     

人工神经网络在鞍山城区岩溶塌陷危险性评价中的应用

回顾了岩溶塌陷危险性评价研究进展,分析了鞍山市区岩溶塌陷的主要影响因素,选取了“盖层结构、盖层厚度、含砾石粘土厚度、构造影响距、构造组合、灰岩富水情况、降落漏斗影响距、地下水径流强度、基岩类型、岩溶填充率、线岩溶率、居民点分布和人口密度“作为岩溶塌陷危险性评价指标;结合实际情况阐述了人工神经网络的应用过程,得到了每个指标的权重;利用地理信息系统作为评价手段对鞍山市岩溶塌陷危险性进行了区划。通过与历史岩溶塌陷点分布图的比对,验证了区划结果是可信的。     

地裂缝环境下马蹄形地铁隧道与土体相互作用的研究

以穿越地裂缝带的西安地铁2号线为研究背景,通过数值模拟对地裂缝作用下马蹄形地铁隧道与土体相互作用的机理进行了研究.研究结果表明:随着上、下盘位错量的增加,地裂缝处受影响的土体范围逐渐增大,土体的竖向位移也逐渐变大;上盘下降过程中,下盘隧道顶部沉降变形最大,上盘隧道顶部沉降变形最小;隧道的变形区域出现在预设地裂缝两侧,并...     

红石岩隧道可燃气地质特征及防灾措施

针对大别山地区红石岩隧道在新元古代二长片麻岩层掘进过程中,多次发生爆破引起可燃气涌出和燃烧的现象,为预防可燃气喷出或爆炸事故,将天然气地质学的基本原理和分析方法应用于工程地质领域。在阐明该地区地质条件和可燃气特征的基础上,揭示了断层及节理密集带构成的岩石破碎带是游离态可燃气的储集场所、破碎带及其附近岩石的片麻理为吸附态可燃气提供了赋存空间;进而论述了破碎带外侧的致密岩石以及充填、覆盖破碎带的第四系含水粉质粘土层构成了可燃气的封闭因素;根据该地区无沉积岩系存在和可燃气中CO的含量较高的事实,认为可燃气具有深源无机成因的属性,并结合地质构造的发育特征对其成因机理进行了探讨;最后,提出在施工过程中应坚持对可燃气跟踪检测,加强通风,并对施工前方岩石破碎带进行预测研究,在接近破碎带的掘进面打深孔,对可能存在的可燃气实施提前探测、抽放等有效措施,以防止诱发地质灾害。     

铁路隧道火灾中烟气逆流层长度的研究

以狮子洋隧道为工程背景,对不同火源热释放速率、不同通风风速、不同坡度及不同断面当量直径情况下的火灾进行了数值模拟。分析了隧道烟气逆流层长度的变化规律,并对模拟数据进行了拟合。结果表明,隧道烟气逆流层长度与通风风速、火源热释放速率、隧道断面当量直径的自然对数值拟合均符合直线关系,呈递增或递减变化;坡度对烟气逆流层长度的影响随通风风速的增大而减弱。在分析烟气逆流层长度变化规律的基础上,建立了烟气逆流层长度与火源热释放速率、通风风速及断面当量直径的关系式,通过对数据拟合获得了烟气逆流层长度公式,该公式推导合理,并有所创新。     

斥水剂作用下土壤物理性质变化规律试验研究

采用十八烷基伯胺(OCT)对亲水土壤斥水化,进行斥水土壤的临界含水率试验、界限含水率试验以及击实试验。通过试验结果分析OCT对土壤物理性质的影响关系,获得OCT质量分数与土壤初始含水率、液限、塑限、最优含水率、最大干密度的关系。结果表明:亲水及斥水性土壤为高液限黏土,土壤状态为坚硬;随着斥水土壤初始含水率的增加,土壤斥水等级出现先增后减的变化规律;斥水土壤液限随着OCT质量分数的增大而减小,塑限随着OCT质量分数的增大而增大;最大干密度及最优含水率随着土壤斥水等级增大而增大,增幅平均为5.7%。上述研究成果可为斥水土壤工程应用提供试验基础。     

基于相似理论的岩石地基材料制作及模型基础抗拔试验∗

为探究岩石地基中挖孔基础的承载力特征和地基破坏模式,以重晶石粉、铁粉和石英砂为骨料,水和石膏为胶结剂,黏土为增塑剂配置岩石相似材料,应用正交设计方法,以胶结物/骨料质量比（因素 A）、胶结物含水率（因素 B）、骨料细颗粒（铁粉+重晶石粉）占比（因素 C）、细颗粒骨料铁粉占比（因素 D）为 4 个因素,共 16 组材料配比方案,开展相关试验测定了各组材料的密度、黏聚力、内摩擦角、抗压强度、弹性模量等参数指标,并研究了相似材料物理力学参数与影响因素之间的变化规律;而后选取 3 种代表性相似材料开展了岩石挖孔基础抗拔承载特性的室内模型试验。结果表明：（1）对于相似材料密度,因素 C 影响最大;对于试样黏聚力和抗压强度,因素 B 影响最大;对于内摩擦角,因素 C 影响最大;对于弹性模量,因素 A 和因素 B 影响最大;（2）地基岩体破坏面呈现为沿着一定角度的开口向地面延伸的线性破坏面,且该破坏角随材料内摩擦角增大而减小,在规范中假定的 45°附近变化;（3）依据抗拔承载力计算得到的相似材料等代极限剪切强度随单轴抗压强度增大而增大,约为单轴抗压强的 0.027。     

饱和土-隧道动力相互作用对地震动土作用和孔隙动水压力的影响

本文利用间接边界元方法,研究了饱和土-隧道动力相互作用对隧道地震动土作用和孔隙动水压力的影响,考虑了不同隧道质量和埋深,以及地震波斜入射情况。饱和场地根据Biot理论模拟为两相介质,通过将饱和两相介质模型所得隧道地震动土作用与单相介质模型结果进行比较,分析了饱和土骨架和孔隙水动力耦合作用的影响。结果表明,饱和土-隧道动力相互作用对地震动土作用有明显放大效应,本文算例中,隧道水平地震动土作用较自由场结果最大放大1. 7倍,竖向地震动土作用较自由场结果最大放大1. 6倍;饱和土骨架和孔隙水的动力耦合作用对隧道地震动土作用大小也有显著影响,本文算例中,单相介质模型所得地震动土作用较饱和两相模型的最大差别可达210%。     

基于上限定理确定隧道式锚碇极限抗拔承载力

隧道式锚碇作为一种新型的悬索桥锚碇结构,因具有因地制宜、经济环保的优点在多山的西南地区得到了广泛应用。已有研究表明,锚塞体围岩性质较差、埋深较浅,锚塞体与围岩接触界面结合程度较好的隧道式锚碇极易发生倒楔形冲切破坏。将破坏体视为以锚塞体中心线为轴线的旋转楔形体,假定破坏面为最小旋转曲面,利用变分法经典欧拉方程求解破坏体最小旋转曲面问题,确定旋转曲面母线方程;基于改进的Mohr-Coulomb强度准则,由主缆拉拔荷载和楔形体自重所做的外功率与楔形体沿滑移面所消耗的内功率相等的条件建立虚功方程,推导隧道式锚碇极限抗拔承载力上限解。开展隧道式锚碇室内模型试验,研究了拉拔承载过程中的坡面位移的变化规律及隧道式锚碇的破坏模式。研究结果表明,拉拔作用点的荷载-位移曲线可分为4个阶段：克服重力阶段、弹性阶段、弹塑性阶段以及破坏阶段;隧道式锚碇破坏模式为围岩倒楔形冲切破坏,破坏体可近似视为以锚塞体中心线为轴线的旋转楔形体;由推导公式得到的隧道式锚碇极限抗拔承载力计算值与实测值一致性较好,具有一定的可靠性,可为隧道式锚碇的设计提供参考。