复杂地质条件下富水区域帷幕注浆技术研究及应用

摘要

随着我国交通网络的建设与发展，隧道工程所占的比例越来越大，穿越的地质条件也越来越复杂，公路施工建设中穿越含有富水的隧道经常出现。隧道在施工过程中有大量水的存在，如地下水、暗河等，这也为隧道围岩稳定性带来了严重困难。因此，如何保证高速公路隧道安全穿越含有富水区域，对隧道围岩稳定性研究具有重要意义。
　　本研究依托重庆南川至贵州道真高速公路重庆段三泉隧道，通过建立理论体系模型、室内试验研究、数值模拟，并结合现场测试资料，积极开展隧道富水区域的相关关键技术研究，提出深孔超前帷幕注浆技术，对隧道水治理、围岩稳定性进行研究，为相应富水区域隧道建设提高宝贵的经验，主要结论和成果如下：
　　①通过研究地下水在裂隙介质中的渗流规律，分析不同条件下地下水的渗流特性，研究了渗流场与应力场相互作用的机理，得到了渗流场与应力场相互作用的关系式。应力场通过影响裂隙结构面的厚度，从而改变了岩体的渗透能力；而渗流场通过改变应力场的环境，从而影响应力场，两者相互作用处于动态的平衡之中。结合岩溶隧道的特点，运用解析法重点研究了均匀介质中稳定流的渗流场分布情况，得出了岩溶隧道地层水压的分布规律，推导出复杂地质条件下渗流场计算公式。
　　②通过现场空心包体解除法测试和实验室Kaiser效应对三泉隧道右洞K4+925.00～K7+577.632段进行地应力测试，通过测试结果对比分析，得出该段原岩三维地应力，最大主应力比值为1.22，中间主应力比值为0.83，最小主应力比值为0.90，且主应力方向和倾角接近。
　　③由于地下水会对岩体裂隙的间距增大及延展，从而影响应力场以及岩体强度的变化。因此，选择3个典型断面，断面距离80m，围岩等级相同均为Ⅳ级，进行现场应力和位移测试。三个断面分别埋设振弦式压力计，同时分别布设一对水平收敛监测点，三个拱顶监测点，采用地质雷达研究地下水渗流对隧道围岩松动圈的影响分析，得出隧道围岩松动圈。利用多点位移计测量出隧道围岩松动圈的范围，验证了地质雷达测量隧道围岩松动圈的结果是准确的。
　　④对三泉隧道K6+400～K6+850段进行（未）考虑多场耦合条件下分台阶施工对隧道稳定性影响，分析隧道施工及帷幕注浆过程中渗流场、应力场、位移场以及塑性区的分布规律。研究渗流场对岩溶富水区域的各个物理场的影响情况，同时将研究结果对比文中现场实验的研究结果，相互补充验证，保证了研究内容的可靠性。对三泉隧道K6+400～K6+850段进行帷幕注浆数值模拟研究，选取注浆加固圈厚度为2m、4m、6m和8m，并结合理论公式法以及经验公式法进行注浆帷幕安全厚度研究，最终确定三泉隧道超前帷幕注浆加固圈厚度为8m。
　　⑤对隧道现场帷幕注浆施工工艺进行研究，以及帷幕注浆后对隧道水平和顶板移近量做效果对比分析，提出采用水泥-水玻璃类浆液的注浆材料，结合理论计算和数值模拟提出适合三泉隧道的深孔帷幕注浆方案以及步骤程序，给出了相关施工参数，对于岩土注浆工程的方案设计与施工实施具有指导与参考价值；帷幕注浆后采用监控量测方法对隧道水平收敛量和顶板下沉量进行效果检验，得出帷幕注浆对隧道堵水和围岩稳定性具有同等重要作用。

目录

1 绪 论

1.1 选题依据及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 存在问题

1.4 主要研究内容及其技术路线

2 隧址区工程地质概况

2.1 概述

2.2 地质条件特征

2.3 隧址区水文地质

2.4 河流分布

2.5 地形地貌

2.6 不良地质现象

3 隧道围岩渗流场及应力场相互影响机理研究

3.1引言

3.2富水区应力场与渗流场相互影响机理

3.3 地下水渗流作用下的应力、位移的解析解、数值解

3.4 三泉隧道稳定渗流计算分析

3.5 本章小结

4 地下水作用下隧道围岩稳定性分析

4.1 套心法测地应力

4.2 Kaiser效应测地应力

4.3 渗流水对隧道围岩稳定性影响实验研究

4.4 本章小结

5 多场耦合条件下富水区域帷幕注浆数值模拟研究

5.1 FLAC3D软件及其理论

5.2 多场耦合条件下台阶法施工对隧道围岩稳定性研究

5.3 全断面帷幕注浆模拟研究

5.4 注浆帷幕安全厚度研究

5.5 本章小结

6 隧道超前深孔帷幕注浆堵水工艺研究

6.1 隧道涌水概况

6.2 帷幕注浆工艺

6.3 注浆材料选择

6.4 隧道超前深孔帷幕注浆堵水施工

6.5 隧道超前深孔帷幕注浆对隧道变形影响分析

6.6 小结

7 结论及展望

7.1 结论

7.2 展望

致谢

参考文献

附录

A.作者在攻读博士学位期间发表的学术论文目录

B.作者在攻读博士学位期间参与的科研项目

C.作者在攻读博士学位期间所获奖励