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砂化白云岩变压力注浆扩散规律研究

岩石力学与工程学报 2024年第S1期43卷 3477-3490页

作者：杨柳姜晓宇陶志刚王丰年刘朝阳中国矿业大学(北京)深部岩土力学与地下工程国家重点实验室北京100083

为研究滇中引水工程玉溪施工段白云岩砂化对隧道注浆加固的影响,进而揭示浆液扩散规律,综合开展扫描电镜(SEM)试验、理论分析以及多物理场流固耦合数值模拟一系列深入研究。结果表明,白云岩在溶蚀作用下砂化且内部构造发育呈多尺度孔隙... 详细信息

为研究滇中引水工程玉溪施工段白云岩砂化对隧道注浆加固的影响,进而揭示浆液扩散规律,综合开展扫描电镜(SEM)试验、理论分析以及多物理场流固耦合数值模拟一系列深入研究。结果表明,白云岩在溶蚀作用下砂化且内部构造发育呈多尺度孔隙-裂隙网络体系分布特征,注浆时浆液扩散迁移的过程中存在前锋面并产生明显指进现象,发育构型不同的裂隙会导致水泥浆液扩散形态的不规则性和非稳定性。相比传统的恒压注浆,变压力梯度注浆更利于对砂化后地层复杂构造发育的多尺度裂隙进行均匀填充,浆液凝固后胶结破碎岩体减小围岩应力分布区域同时缓解拱顶、拱底的应力集中现象,对于提高围岩稳定性具有更加显著的效果。以上研究可为砂化白云岩地层隧道的实际注浆工程设计及施工提供理论参考。

关键词：岩石力学砂化白云岩滇中引水注浆扩散变压力梯度流固耦合

滇中引水工程砂化白云岩隧洞围岩地质特征与破坏机制

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岩石力学与工程学报 2024年第S1期43卷 3464-3476页

作者：董家兴周志强赵永川米健李建国柳晓宁李超周伦顺沈桢洛沐红元昆明理工大学电力工程学院云南昆明650500 云南省水利水电勘测设计研究院云南昆明650021

砂化白云岩岩体结构破碎,赋存地质环境复杂,因易发塌方、突水涌砂,可能诱发地面塌陷等灾害,在该地层中修建地下工程面临施工难度大、灾害处置难、施工安全风险高等挑战。滇中引水工程玉溪段共有5条输水隧洞穿越砂化白云岩地层,采用地质... 详细信息

砂化白云岩岩体结构破碎,赋存地质环境复杂,因易发塌方、突水涌砂,可能诱发地面塌陷等灾害,在该地层中修建地下工程面临施工难度大、灾害处置难、施工安全风险高等挑战。滇中引水工程玉溪段共有5条输水隧洞穿越砂化白云岩地层,采用地质调查与分析、微观结构测试与分析等方法,研究隧洞沿线砂化白云岩空间分布特征及不同砂化等级白云岩的微观结构;通过施工跟踪、围岩失稳案例统计、理论分析归纳等手段,概括砂化白云岩隧洞围岩失稳的影响因素,探索围岩破坏机制并提出灾害的针对性防控措施。研究结果表明:(1)砂化白云岩空间分布和砂化程度与断裂、断层的发育密切相关,由地表向深部呈剧烈砂化→强烈砂化→弱砂化的分带性;滇中引水工程玉溪段砂化白云岩隧洞的砂化程度以强烈砂化、剧烈砂化为主;(2)砂化白云岩隧洞围岩失稳的影响因素主要包括砂化等级、断层、地下水、施工工艺与管理等因素;(3)无水条件下,砂化白云岩隧洞主要发生重力驱动型、应力-岩体结构复合驱动型的围岩塌方失稳;富水砂化白云岩洞段主要发生强烈、剧烈砂化岩体突水涌砂,其失稳机制主要为渗透失稳;(4)超前地质预报和灾害风险动态评价是砂化白云岩隧洞灾害防控的重要举措,止浆墙施作、围岩固结灌浆是突水涌砂的主要工程处置措施,施工经验仍然需要积累和总结。研究成果对砂化白云岩隧洞围岩灾变防控具有一定的指导价值。

关键词：岩石力学滇中引水工程砂化白云岩空间分布微观结构围岩破坏机制

微生物诱导碳酸钙沉积加固剧烈砂化白云岩实验研究

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清华大学学报（自然科学版） 2024年第7期64卷 1168-1178页

作者：徐洪钟王沐婉沐红元米健吴永红南京工业大学交通运输工程学院南京211816 云南省水利水电勘测设计研究院昆明650021 昆明理工大学建筑工程学院昆明650500

表皮葡萄球菌(Staph ylococcus epidermidis)X-NM1是从盐湖附近土壤中筛选出的高效碳酸盐矿化菌株,该文以滇中引水工程玉溪段剧烈砂化白云岩为例,利用表皮葡萄球菌X-NM1诱导碳酸钙沉淀技术加固剧烈砂化白云岩。通过无侧限抗压强度、碳... 详细信息

表皮葡萄球菌(Staph ylococcus epidermidis)X-NM1是从盐湖附近土壤中筛选出的高效碳酸盐矿化菌株,该文以滇中引水工程玉溪段剧烈砂化白云岩为例,利用表皮葡萄球菌X-NM1诱导碳酸钙沉淀技术加固剧烈砂化白云岩。通过无侧限抗压强度、碳酸钙生成含量和微观结构分析等实验,探讨不同胶结液浓度、初始相对密度以及注浆轮次等因素对加固效果的影响。实验结果表明:1)加固后样品的碳酸钙含量、干密度以及无侧限抗压强度随着胶结液浓度的增加均呈先增加后减少的趋势,最优的胶结液浓度为2 mol/L。增加注浆轮次和初始相对密度均可提高砂化白云岩柱体各项物理力学指标,注浆轮次为3轮时,样品的碳酸钙含量达29.62%,强度达7.69 MPa。2)扫描电镜(scanning electron microscope,SEM)结果显示碳酸钙晶体有效填充了白云岩颗粒表面的孔隙,胶结了白云岩固体颗粒,对于提高整体强度起到至关重要的作用。3)X-NM1表皮葡萄球菌能有效诱导生成碳酸钙,对加固剧烈砂化白云岩的效果明显。

关键词：砂化白云岩微生物诱导碳酸钙沉积表皮葡萄球菌无侧限抗压强度

武汉市碳酸盐岩天兴洲条带砂化白云岩成因机理及其工程特性研究

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地球科学 2024年

作者：莫云胡新丽崔德山谢昭宇金新锋熊宗海中国地质大学(武汉)工程学院中机三勘岩土工程有限公司武汉科技大学资源与环境工程学院

武汉市碳酸盐岩天兴洲条带，发育一套巨厚层砂化白云岩。为查明该岩层的成因及工程特性，采用构造调查、薄片鉴定、X射线衍射试验（XRD）、X射线荧光光谱分析试验（XRF）、颗粒分析试验、饱和单轴抗压强度试验等多种方法，对砂化白云岩... 详细信息

武汉市碳酸盐岩天兴洲条带，发育一套巨厚层砂化白云岩。为查明该岩层的成因及工程特性，采用构造调查、薄片鉴定、X射线衍射试验（XRD）、X射线荧光光谱分析试验（XRF）、颗粒分析试验、饱和单轴抗压强度试验等多种方法，对砂化白云岩成因及其工程特性进行深入研究。结果表明：研究区位于三条断裂之间，且地层出现倒转现象，表明该区域在印支期所受的挤压应力及燕山期所受的张拉应力非常强烈，区域构造特征及显微镜下照片也佐证了这一观点；砂化程度越强烈，白云石矿物含量就越低，而石英石及黏土矿物含量则越高；CaO、MgO等主量化学成分迁移演化特征与白云岩砂化过程呈一定的负相关性，而SiO2、Al2O3、Fe2O3等主量化学成分则与之呈一定的正相关性。综上，研究区内砂化白云岩及其不均性特征的成因机理可以从“宏观构造动力作用”、“细观矿物结构组成”、“微观化学成分变迁”三个层面予以概括。砂化程度对白云岩饱和单轴抗压强度影响极大，其在砂化阶段“微-弱、微-中、微-强”的降幅分别可达38.6%、68.1%、90.0%，且呈幂函数关系；由此，拟合得到⑤1全砂化极破碎白云岩的饱和单轴抗压强度标准值为1.3MPa，解决了全砂化白云岩难以制作标准岩样进行室内试验获取岩体力学参数的工程难题。

关键词：武汉市碳酸盐岩天兴洲条带砂化白云岩成因机理工程特性

滇中引水工程砂化白云岩岩石学和地球化学特征

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昆明理工大学学报(自然科学版) 2024年

作者：王美乾张长兴刘海明许蔚昆明理工大学建筑工程学院昆明理工大学云南省教育厅基础设施智能运维科技创新团队

以滇中引水工程玉溪段隧洞及沿线不同砂化等级白云岩为研究对象，通过薄片鉴定、扫描电镜(SEM)、能谱分析(EDS)及CT试验，结合化学元素和碳氧同位素分析了不同砂化等级白云岩的岩石学和地球化学特征，得到如下结论：白云岩在成岩、重结... 详细信息

以滇中引水工程玉溪段隧洞及沿线不同砂化等级白云岩为研究对象，通过薄片鉴定、扫描电镜(SEM)、能谱分析(EDS)及CT试验，结合化学元素和碳氧同位素分析了不同砂化等级白云岩的岩石学和地球化学特征，得到如下结论：白云岩在成岩、重结晶、胶结、白云石化及溶解作用下发育各种类型的空隙，孔隙发育及空隙数量随砂化等级的提高而增加；砂化过程中，元素的变化过程是易溶物质元素Ca、Mg流失，难溶物质元素Si、Al富集；且主量元素迁移演变特征与白云岩砂化过程呈现一定的相关性.从剧烈砂化到弱砂化，∑LREE、∑HREE和∑REE的含量逐渐减小，说明白云岩在砂化过程中经历了一定程度的淋滤丢失；稀土元素的富集随砂化程度的增强而降低，分馏程度随砂化程度的增强而增加.通过碳氧同位素中δ13CPDB和δ18OPDB的含量，计算出Z的平均值为143.0‰，S的平均盐度为30.0％，T的平均温度为35.5 ℃. 证明研究区白云岩的形成为海相成因，未受同期大气淡水影响，形成时环境盐度及海水温度较高，主量元素和微量元素在白云岩砂化过程中的地球行为较为一致.

关键词：滇中引水工程砂化白云岩岩石学地球化学

高密度电法在查明隧洞砂化白云岩不良地质体的应用——以滇中扯那苴隧洞为例

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物探化探计算技术 2024年

作者：王子铭米健郑广宇查宇翔苏利明云南省水利水电勘测设计院有限公司云南省水利水电勘测设计研究院

滇中引水工程玉溪段扯那苴隧洞穿越富水砂化白云岩不良地质体地层，涌水涌砂灾害频繁发生，为施工安全、难度和进度提出挑战。应用高密度电法对滇中引水工程玉溪段扯那苴隧洞改线段进行物探勘察，结合前期勘察及施工地质资料，查明扯那... 详细信息

滇中引水工程玉溪段扯那苴隧洞穿越富水砂化白云岩不良地质体地层，涌水涌砂灾害频繁发生，为施工安全、难度和进度提出挑战。应用高密度电法对滇中引水工程玉溪段扯那苴隧洞改线段进行物探勘察，结合前期勘察及施工地质资料，查明扯那苴隧洞改线段砂岩与白云岩的分界线，并推断出断层构造和岩溶破碎带的空间展布。通过钻孔岩芯编录、钻孔声波测试和钻孔电视成像进行物探成果验证，与高密度电法探测结果基本吻合，表明高密度电法适用于隧洞砂化白云岩不良地质体勘察，具有优质、高效的特点，在砂化白云岩隧洞勘察中探测地质构造、岩性界线和岩溶发育情况是一种有效的物探手段，为隧洞改线论证提供了科学依据。

关键词：滇中引水工程高密度电法砂化白云岩岩性界线

砂化白云岩隧洞围岩分类方法SHF构建及应用

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地球科学 2023年

作者：董家兴龚欣月米健范开元杨润学赵永川沐红元周伦顺云南省水利水电勘测设计研究院云南省滇中引水工程有限公司昆明理工大学电力工程学院

砂化白云岩在我国西南地区分布广泛，在该地层中修建隧洞，常出现掌子面塌方、突水涌砂等地质灾害，因此在滇中引水工程建设中面临的砂化白云岩问题备受关注。砂化等级和地下水条件是控制砂化白云岩隧洞围岩破坏模式与稳定性的关键因素... 详细信息

砂化白云岩在我国西南地区分布广泛，在该地层中修建隧洞，常出现掌子面塌方、突水涌砂等地质灾害，因此在滇中引水工程建设中面临的砂化白云岩问题备受关注。砂化等级和地下水条件是控制砂化白云岩隧洞围岩破坏模式与稳定性的关键因素，然而，在传统围岩分类方法中往往没有全面考虑到这些因素，例如在Q系统中未考虑岩石强度、RMR法未考虑地应力、BQ法对砂化白云岩的结构面状态、粗糙度等，同时，传统方法均未直接考虑砂化等级对于砂化白云岩工程特性的影响。为实现更为快速、客观地进行砂化白云岩隧洞围岩分类，需构建一种适合于砂化白云岩隧洞的围岩分类方法。为解决以上缺陷，本文以在建的滇中引水工程为依托，首先分析了Q法、RMR法、RMi法、GSI法、BQ法等传统方法在砂化白云岩隧洞中的适用性。其次，结合砂化白云岩工程地质特性及赋存地质环境，构建了以砂化等级、结构面状态、地下水、主要结构面状态、地应力为评价指标的围岩分类体系SHF，并选取依托工程典型洞段对SHF分类方法进行了验证和应用。建立的砂化白云岩隧洞围岩分类方法SHF易于操作，应用该方法所得的围岩分类结果更符合工程实际，研究可为砂化白云岩隧洞支护设计和施工提供理论依据。

关键词：砂化白云岩 SHF围岩分类方法砂化等级地下水滇中引水工程

砂化白云岩地层隧道掌子面失稳机理及预加固措施研究

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砂化白云岩地层隧道掌子面失稳机理及预加固措施研究

作者：杜逸文西南交通大学

学位级别：硕士

白云岩是一种极常见的岩体,在我国广泛分布,由于在隧道开挖过程中遭遇了白云岩砂化的情况,出现突水涌砂、掌子面失稳、拱顶掉块的现象,有必要对砂化白云岩地层的掌子面失稳机理以及如何应对进行深入研究。本文依托成昆复线扩容工程的吉... 详细信息

白云岩是一种极常见的岩体,在我国广泛分布,由于在隧道开挖过程中遭遇了白云岩砂化的情况,出现突水涌砂、掌子面失稳、拱顶掉块的现象,有必要对砂化白云岩地层的掌子面失稳机理以及如何应对进行深入研究。本文依托成昆复线扩容工程的吉新隧道,采用室内试验、现场调查、理论分析、离散—连续耦合数值分析的方法,对砂化白云岩从砂化机理到掌子面失稳机理,再到掌子面的预加固措施进行一系列研究,试图揭示掌子面失稳的前因后果,以及采取何种预加固手段,现有研究成果如下:(1)根据室内试验结果,以及白云岩的化学性质,推断出了白云岩砂化的大概过程,再经过对吉新隧道现场物探结果的分析,以及与砂化程度的对应后,断定白云岩的砂化是白云岩在水的侵蚀下,不断溶蚀,进而被崩解为砂砾的过程,物探结果还显示了含水量与砂化程度间的关系最为密切,且瞬变电磁法对砂化程度的探测最为精确。(2)根据极限分析方法的上限定理,建立了掌子面失稳的力学模型,并推导出计算掌子面稳定的计算公式,将该公式用于不同砂化程度的白云岩上,结果表明,微弱砂化和轻微砂化情况下,掌子面并不会失稳,而中等砂化与强烈砂化下,掌子面发生了失稳现象,这与现场的实际情况相吻合,这一结果还得到了离散—连续耦合数值模拟结果的印证,说明该方法是适用的,同时,离散—连续耦合数值模拟还发现了掌子面失稳的三个阶段,并且研究表明掌子面核心围岩的粘结是掌子面稳定性的关键所在。(3)根据吉新隧道现场实际情况,建立了离散—连续耦合数值模型,研究不同砂化程度下,不同预加固方案的适用性,最后提出了适合每个砂化程度下的预加固方案,并建立了一套预加固方案的评价体系,研究表明管棚结合超前小导管可能是最适合砂化白云岩地层的预加固方案,而掌子面注浆在干燥围岩中并不适用,但在含水围岩中的适用性可能较好。

关键词：砂化白云岩隧道工程掌子面稳定性预加固措施

砂化白云岩隧洞围岩光面爆破施工力学行为研究

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砂化白云岩隧洞围岩光面爆破施工力学行为研究

作者：张翼翔西南交通大学

学位级别：硕士

滇中引水工程玉溪段隧洞穿越的白云岩地层具有强烈砂化的特征。砂化白云岩这一特殊地质现象导致岩体质量、强度显著降低。隧洞爆破超欠挖难以控制等地质问题在较为突出。本文依托云南滇中引水工程玉溪段隧洞,采用资料调研、理论分析、... 详细信息

滇中引水工程玉溪段隧洞穿越的白云岩地层具有强烈砂化的特征。砂化白云岩这一特殊地质现象导致岩体质量、强度显著降低。隧洞爆破超欠挖难以控制等地质问题在较为突出。本文依托云南滇中引水工程玉溪段隧洞,采用资料调研、理论分析、数值模拟等手段,针对砂化白云岩在爆破作用下的施工力学行为进行了研究,主要研究工作和成果如下:(1)采用LS-DYNA软件研究了砂化白云岩在单孔爆破下的裂纹扩展规律。运用数值试验分析了岩体力学参数对爆破压碎圈和裂隙圈半径的影响规律,并对岩体参数进行了敏感性及显著性分析。(2)采用LS-DYNA软件研究了光面爆破设计参数对隧洞爆破裂纹扩展影响,提出了适用于砂化白云岩的径向不耦合系数K、周边孔炮孔间距E和最小抵抗线距离W等光面爆破设计参数的合理取值范围。(3)结合数值模拟结果与工程现场爆破试验,优化了一套适用于砂化白云岩地层隧洞的光面爆破设计,有效控制了隧洞超挖情况。(4)基于优化后的光面爆破设计,开展了砂化白云岩隧洞全断面光面爆破数值模拟,研究了优化爆破设计下隧洞爆破开挖的动力响应与超欠挖情况。分析了白云岩砂化程度对隧洞爆破动力响应与超欠挖的影响。

关键词：砂化白云岩爆破裂纹扩展光面爆破设计参数超欠挖