文摘

本文进行的一系列研究隐藏在岩溶Baziling隧道开挖中遇到的。摘要安全隔水层厚度在一个隐藏的岩溶洞穴和隧道的工程地质调查研究,数值模拟和神经网络。建立的数值计算模型是通过地质调查。创新利用BP神经网络和微分算法逆岩石力学参数。通过分析不同的隔水层厚度对围岩的变形和破坏,最后隔水层的厚度。同时,水压力的影响,研究了隔水层的厚度,和不同水压力下终于决定治疗方案。

1。介绍

岩溶突水给隧道施工带来极大的危害。岩溶洞穴的发展引起隧道围岩的不稳定性和水和泥浆侵入的灾难,这是很难控制。的预测岩溶水流入,国内外许多学者进行了广泛的研究,但很少有研究安全厚度的隧道(1]。李等人。2)提出了一个准确、可行的系统岩溶隧道突水风险的评价方法。信心标准是用来判断突水的风险水平。该方法的计算结果与一个例子。比较结果表明,该方法的评价结果与野外观测结果基本上是一致的。李等人。3)建立了突水风险评估软件系统综合考虑8的风险因素,如地下水位、不利的地质、地层岩性、地形、地层倾角、开挖,先进的地质预测和监控。王等人。4)综合加权法和正常的云模型,提出了一种新的突水评价方法。具体来说,建立了评价指标体系,每个指数是定量划分为四个层次。综合加权算法,结合层次分析法、熵方法和统计方法来合理分配指标权重。林等。5)结合变权理论与云模型理论构建计算模型对岩溶隧道施工风险评估。

基于扩展评价方法,Zhang et al。6)提出了一种改进的碳酸盐岩岩溶隧道突水风险评估系统。系统考虑岩溶地质条件和选择9影响隧道突水的主要因素作为评价指标。根据评价指标的值或专家判断,评价指标是定量风险分为四个水平。王等人。7)提出了一个风险评估方法岩溶隧道突水、突水间隔。在此基础上,概念和计算提出了风险评估模型,和风险环境,建设因素,反馈信息进行了分析。赵et al。8)分类铁路隧道根据水和泥浆泄漏大量的水和泥的铁路隧道的例子,结合隧道开挖的围岩条件和气象因素。结合宏观和微观机制,突水的原因和泥浆侵入进行了总结,并提出了有针对性的治疗方法。治疗方法包括选择先进的地质预测方法根据隧道的风险程度的不同部分,确定预测项目,并选择适当的方法,即排水的指导方法,堵塞的指导方法,或排水堵塞的方法。李等人。9]分析了转换突水机理和渗流引起的开挖扰动和分析潜在的含水区隧道通过使用电磁地球物理勘查方法。岩体的本构模型和注浆参数的数值模拟。下隧道裂纹的萌生和扩展法律提出了不同的帷幕灌浆参数。的特点,介绍了隧道开挖所引起的渗透和突水。认为隧道的渗漏特征可分为孵化阶段,突然阶段,稳定阶段。

刘等人。10选定一个特定的项目,介绍了地质条件、突水、泥浆侵入灾难,和随后的预防和控制对策。原注浆设计、过程以及25灌浆周期和现场操作介绍了开挖评价灌浆效果,建议未来灌浆工作。现场调查的基础上,提出了主要注浆参数的值。灌浆厚度5 ~ 8米,灌浆长度是15 ~ 18米(3 ~ 3.6倍厚度)和灌浆量每米34.2米³。王等人。11)提出了一种新的实时监控方法和融合隧道突水的早期预警。朱et al。12]提出了一种模糊综合评价方法对隧道富水断层的突水风险基于灰色理论。灰色模糊方法由两部分组成:一是建立的单因素评价矩阵评价指标和风险等级隶属函数,另一个是确定各评价指标的权重通过使用标准的灰色关联度。从地层岩性、地质构造、水文地质条件、断层倾角等五个影响因素,地下水位,RMR、渗透率、地层倾角选择评价指标。黄等。13)提出了一种数值方法来研究裂缝对流体流动的影响,考虑不同类型的不连续。概念模型的骨折突水关注建立裂缝连通性的进化,流体在裂隙岩体的渗流过程进行了研究,然后,突水机理进行了研究。

在岩溶地区隧道工程中,当有大型岩溶洞穴在隧道开挖,隧道安全验算厚度将工程实践的一个关键问题。安全厚度的选择直接关系到工程造价和工程质量。选择一个适当的安全厚度将产生巨大的经济和社会效益对整个项目。然而,由于许多因素,没有可靠的分析方法检查隧道的安全厚度。本文讨论了不同的隔离安全厚度对渗流的影响通过使用工程地质调查的方法,理论分析和数值计算。确定合理的安全厚度,和有关促进灌浆方案设计。

2。工程地质特征

2.1。项目概述

Baziling宜昌万州铁路隧道位于野三关镇长阳,宜昌城市,湖北省,中国,设计速度为160公里/小时,如图1。隧道的总长度是5867米,一边上山,最大埋深695米。隧道位于长江的连接系统,dalupo向斜,jianshanling背斜,chuanxinping向斜。隧道由志留纪、泥盆纪、三叠纪和第四纪。石灰岩地层的长度是4464米。志留纪和泥盆纪片段的长度是1550米。隧道层,两个地下河系统在隧道。的地方最地层的隧道穿越密被和岩溶地下河开发。隧道的正常涌水量为73000米³/ d。最大涌水量是302000米³/ d。

2.2。典型的喀斯特洞穴特点

DK的揭示喀斯特方向0 + 104是NE80°,和岩溶空腔逐渐缩小两端形成断层结构。几乎是垂直发展,直立,大规模侵蚀钟乳石悬挂发达向上和向下,用少量的滴水。DK108 + 835.5岩溶洞穴是3米长,3.5米宽,6米高的罢工,充满了泥土和石头,开挖中倒塌了。DK108 + 831岩溶洞穴是4.5米宽,石灰石,节理裂隙较发达,近水平岩溶空腔,垂直裂缝,相对破碎。DK108 + 955岩溶空腔的宽度是6.2米,溶洞是4.5米的距离开挖轮廓线。发生的一些岩石溶洞几乎是水平的,垂直的裂缝和相对破碎。Dk108 + 698溶蚀裂隙、3 m在横向方向,1.5在纵向方向上,高约2.0米,向上逐渐降低,填充的岩溶洞穴坍塌。没有水是土壤混合填满石头。Dk108 + 683裂隙溶洞贯穿隧道的脸,宽度约2.0米。填料是泥和石头。 The vertical joints around the karst cave are developed, with a joint spacing of about 2 m. The surrounding rock at the tunnel arch is relatively broken. DK109+039 reveals a fissured karst cave, which runs through more than 80% of the tunnel face from the left side of the line, is 1.0 m wide, soil mixed with stone, there is no water, and the fissures in the surrounding rock around the karst cave are developed. DK109+089 karst is about 1 m wide and 2.5 m deep. It runs along the tunnel line and is about 3 m long. The filling is clay with slight water seepage. The surrounding rock around the karst cave is broken, and there is a huge dangerous rock at the arch.

3所示。数值计算模型

3.1。建立数值计算模型

离散元素数值计算软件是用于建模、模型边界的影响是充分考虑14- - - - - -16]。模型的大小是 。隧道的开挖跨度为7.2米,高度是8.5米,和二次衬砌的厚度是50厘米,如图2。溶洞是简化为一个椭球,24米的长轴和短轴14米。岩溶洞穴位于前面的隧道。模拟隧道的埋深600米;垂直应力只考虑岩体的单位重量。地质调查报告显示,研究区侧压力系数为1.4的影响下的错。的 - - - - - -方向的边界, - - - - - -方向的边界, - - - - - -方向的边界模型受到正常的位移。岩溶空腔内的水压力直接作用于接口。

3.2。本构模型

块元素采用一个统一的力量本构模型,认为所有压力部件的不同影响作用于双剪切元素材料的屈服或失败(17- - - - - -21]。适用于各种各样的拉伸和压缩材料和一系列线性强度标准的集合。主应力的表达式统一强度理论是应用最广泛的,它可以直接反映出每个主应力对材料强度的影响。主应力的表达式形式的统一强度理论

的公式, 代表了最大主应力,中间主应力和最小主应力,分别;单轴抗拉强度;张力压缩强度比;统一强度理论参数, 。 是凝聚力和内摩擦角。库仑滑动接头模型可以完全代表联合剪切破坏,张力裂缝失败,压缩剪切破坏和张力在岩体剪切破坏22,23]。在弹性变形阶段的关节,关节的压力

的公式,法向力;抗拉强度;凝聚力;内摩擦角。

联合渗流数值计算遵循法律的立法。表达式所示

的公式,单位面积单位时间内渗流;水力梯度;是裂纹张开;重力加速度;是水流的粘度系数;当水温度是15°时, 。

3.3。计算参数值

田间试验和实验室试验不能有效确定复杂岩土介质的力学参数。由于其不均匀性、裂缝和其他因素,力学参数的结果有很大的随机性和局限性,和有一个大的错误与现场测量值。为了弥补上述方法的缺点,本文利用岩土工程反分析方法获得的参数值(数值计算24,25]。

本文结合BP神经网络和微分进化算法用于反演分析,建立围岩位移之间的非线性关系和力学参数,如图3。BP神经网络是一个复杂的非线性动态分析系统,包括输入层、隐层和输出层。相对应的网络响应输入模式传播从输入层到输出层通过中间层。根据实际隧道位移之间的误差值和数值模拟值,连接权重修正从输出层的输入层到隐层的实际值与期望值之间的差异逐渐减少。然而,BP神经网络有一些问题,如收敛速度慢、网络性能差、不确定的学习速率,而且容易陷入局部最小值。不同的进化可以弥补BP神经网络的缺陷。微分进化算法模拟生物进化的人口和反复迭代,以保留个人满足适应条件。它保留了遗传算法的全局搜索能力和鲁棒性和全局优化能力强。

以围岩参数为输入层向量和位移值作为输出层向量,岩石弹性模量 ,凝聚力 ,和内摩擦角选择;联合剪切刚度 ,正常关节僵硬 ,联合内摩擦角 ,和联合凝聚力输入参数,数值模拟位移值是输出参数。表中所示的参数1用于比较测量值与仿真值,如图4。数值计算和分析表明,该计算步骤是平衡在9500步,和拱顶沉降最大值的59.39米。测量结果表明,拱顶的最大沉降为55.3毫米,和开挖后的稳定时间是31天。数值模拟能够充分反映了围岩的变形特征,并从反演的参数可用于后续的研究。

4所示。分析计算结果

4.1。变形特性

数据5和6显示不同的隔水层厚度的影响围岩变形和渗流时水压力在岩溶洞穴是2.3 MPa。计算表明,持续进步的隧道,围岩的变形和破坏主要分为两个部分:径向发展和先进的影响,和径向变形随距离的扩展二次衬砌。9米远离二次衬砌时,隔水层的厚度是23米,0.08米,最大径向变形隧道变形是0.06米,和先进的影响距离10米。当二次衬砌19米的距离,隔水层的厚度是13米,0.11米,最大径向变形隧道的脸变形仍是0.06,提前影响距离是10米。当第二排29米的距离,隔水层的厚度是3米,0.14米,最大径向变形的最大变形隧道面临激增至0.1,和渗流通道生成岩溶洞穴。溶洞里的水流入隧道通过渗流通道,造成灾害。的减少安全隔水层厚度、隧道开挖引起的推进压力叠加,再加上喀斯特洞穴周围的应力集中,导致损伤。因此,为了确保安全生产,有必要控制隧道二次衬砌之间的距离和脸,分析最小隔水层厚度不同水压力条件下,并推进灌浆前达到最低隔水层厚度。

如图7,它显示了体积应力的变化规律的减少隧道开挖期间隔水层的厚度。体积应力可以完全显示单元体的三维应力状态。隔水层的厚度的减少,隧道开挖引起的低应力区与低应力区域融合引起的岩溶洞穴,这是容易形成渗流通道。

4.2。水压力的影响在岩溶洞穴安全厚度

当溶洞的水压力为1.3 MPa, 2.3 MPa,和3.3 MPa,分别开挖表面的位移如图8。当隔水层的厚度超过10米,水压的变化在溶洞对隧道的脸,没有影响变形是0.06米。当隔水层的厚度是7米,水压力为2.3 MPa为3.3 MPa,和变形与1 MPa相比增加了25%。当隔水层的厚度是5米,可以看出变形随着水压的增加急剧增加。水压力为3.3 MPa时,变形达到0.125米。当隔水层的厚度是4米和水压力3.3 MPa,最大变形达到0.3米。水压力为2.3 MPa时,变形达到0.17米。水压力为1.3 MPa时,变形达到0.1米。根据上述研究,以确保在隧道的安全隧道,隔水层的厚度应该保持10米以上,然后,建设应提前进行灌浆。

5。控制措施和效果

推进排水和帷幕灌浆采用溶洞处理以减少水压力,防止爆发。确定的水压力根据先进的地球物理勘查岩溶洞穴。当水压力大于3.3 MPa,排水和帷幕灌浆进行提前10米。当水压力大于2.3 MPa,排水和帷幕灌浆进行提前8米。当水压力大于1.3 MPa,排水和帷幕灌浆进行提前6米。治疗流程如图9。首先,溶洞位置和水压力是由先进的地球物理勘查,分析先进控制距离。促进钻井进行去除水压力和帷幕灌浆应执行。

水泥和水的混合物的玻璃作为灌浆材料。水泥浆的水灰比是1:1 ~ 1:1.5,水玻璃浓度30 ~ 40波美度,水泥水玻璃体积比是1:0.3 ~ 1:1,根据需要添加适量的缓凝剂。剂量是由测试,一般1% ~ 3%的水泥的用量。通过分析揭示的地质条件,推进帷幕灌浆施工完成后,砂浆填充裂缝密度更大,降低了地层渗透系数,并在堵水起到了有效的作用。

图10显示的设计促进灌浆,推进强化部分是25米长。灌浆停止墙的厚度是2米。横向加固范围5米外轮廓线的隧道的脸。浆液扩散半径是2.0米。最后一洞的间距不得超过3.0米。

6。结论

稳定的岩层隧道和溶洞之间的一个主要问题危害在岩溶地区隧道施工安全。期间通过岩溶区隧道的施工,现有岩溶洞穴往往导致当地崩溃,块下降和岩石隧道开挖期间下降,特别是隐伏岩溶洞穴不暴露在开挖。因为事先不能采取安全措施,很容易被损坏的卫队,导致伟大的潜在安全隐患和危害隧道建设和运营。目前,缺乏系统研究岩溶地区溶洞对隧道施工的影响。因此,有必要系统地研究溶洞对隧道施工的影响,探索其规律性,以便开展有针对性的治疗或预处理的岩溶洞穴在施工,确保在岩溶地区隧道施工的安全。本文研究了隧道开挖表面和岩溶隧道的合理厚度不透水层和讨论的基本控制方法。具体结论如下:(1)通过地质调查和分析,认为隧道的岩溶洞穴分布密集和含水量是巨大的。因此,离散元素建立数值计算模型,采用统一的本构模型块,和库仑模型采用联合(2)分析围岩的力学参数的方法通过位移是通过神经网络实现的。认为结合BP神经网络和微分进化算法可以有效地减少模拟误差(3)水压力为1.3 MPa时,隔水层的厚度太小,隧道的变形面对急剧增加,渗流通道生成岩溶洞穴。隧道开挖引起的推进压力叠加,再加上喀斯特洞穴周围的应力集中,导致损伤(4)水压力的增加使相应安全隔水层的厚度增加。更合理的进行超前灌浆设计根据不同的水压力

数据可用性

使用的数据来支持这个研究的发现文章中是可用的。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项研究是由浙江省教育部门的项目(FX2019112)。