全风化花岗岩富水地层注浆加固机理及应用

摘要

随着我国交通基础建设事业的蓬勃发展，隧道建设过程中的不良地质灾害的控制已成为重要研究课题，特别是随着建设中心向西南部山区的转移，这些地区地处花岗岩强烈风化区，围岩条件差，给隧道的安全施工增加了难度。花岗岩在我国分布广泛，主要集中在云贵高原以东，包括秦岭-大别山在内的东南部广大地区，尤其是在福建、广东、桂东南与湘南、赣南等地区，受气候炎热多雨的影响，这些地区花岗岩呈现“风化作用强烈、含砂量高，胶结性差，遇水极易软化崩解”等鲜明特征，在隧道开挖过程中极易造成突水、突泥等地质灾害。注浆作为控制全风化花岗岩地层突水突泥的有效手段，受被注介质特殊的物理力学特性及水理特性的影响，呈现出不同的扩散模式及加固机制，目前对其的理论研究远远滞后于工程实践，亟需系统深入的研究。本文针对工程中危险性较高的全风化花岗岩地层，采用室内试验对其物理力学特性及水理特性进行了系统研究，重新界定了全风化花岗岩地层的特征属性;探讨了全风化花岗岩地层的浆液扩散加固模式，定量描述了注浆条件（浆液类型、浆液配比、注浆压力）对于注浆效果的影响机制，揭示了全风化花岗岩地层注浆加固机理;基于大型三维注浆模型试验系统，研究了前进式分段注浆不同序次注浆影响下的多物理场演化规律，揭示了浆脉扩展形态、注浆加固效果的空间分布规律;最后形成了针对全风化花岗岩的基于综合地质分析的泄水诱导注浆治理方法，并依托广西均昌隧道突水突泥注浆治理工程开展了大量的现场试验，验证了该方法的实用性和高效性。
　　(1)通过分析大量全风化花岗岩地质资料，并基于对全风化花岗岩的物理力学特性及水理特性的系统研究，得到广西全风化花岗岩介质的特征属性，并研究了各物理参数对其力学特性及水理特性的影响规律。
　　(2)全风化花岗岩的黏土矿物含量影响介质的渗透性及水稳定性，进而对浆液在其中的扩散加固模式具有直接的影响。随着全风化花岗岩中黏土矿物含量的不断增大，将全风化花岗岩地层注浆扩散加固模式划分为渗透扩散注浆模式、强渗透-低劈裂扩散注浆模式、强劈裂-低渗透扩散注浆模式、劈裂扩散注浆模式。
　　(3)基于全风化花岗岩注浆模拟试验，研究不同注浆压力下，单液注浆对被注介质强度特性、抗渗性、水稳定性的加固改善效果。并通过全风化花岗岩单、双液注浆对比试验，研究浆液性质、注浆压力对其扩散模式及注浆加固体强度特征的影响机制。
　　(4)考虑了浆液压力的空间衰减特性对浆脉空间分布形态的影响，并基于半平面体边界上集中力所引起地层位移的符拉芒解答，建立了浆脉厚度的控制方程，揭示了注浆扩散过程中劈裂通道宽度的时空分布规律。
　　(5)探究了全风化花岗岩前进式分段注浆加固机制:开展了大型全风化花岗岩前进式分段注浆模型试验，实时监控不同序次注浆影响下多元物理场演化规律;分析注浆压力与注浆速率、排水量的响应特征;揭示不同序次注浆过程中浆脉厚度变化及扩展规律;定量研究了前进式分段注浆加固前后各物理力学参数的加固改善效果。
　　(6)全风化花岗岩富水地层地下水径流主通道的发育状态对浆液扩散形态具有重要影响，通过改变注浆模拟试验排水条件，研究浆脉扩展形态特征及加固效果，研究发现排水通道的数量及位置是影响浆脉扩展的重要因素，不同的浆脉扩展形态对应的注浆加固体表现出不同的注浆加固效果。
　　(7)提出了基于综合地质信息分析的泄水诱导注浆技术，针对全风化花岗岩遇水易软化崩解的地质特点，以综合地质探查获取的水文地质信息为先导，以帷幕注浆为主要注浆治理手段，通过泄水孔的泄压、排水，引导浆液的扩散及加固，提高浆脉的扩展性及分支性，强化围岩的整体加固效果，最终形成了全风化花岗岩地层突水突泥灾害的系统性注浆治理方法，并应用研究成果对广西岑水高速公路均昌隧道突水突泥灾害段进行了注浆治理，实现了隧道安全开挖。

目录

声明

摘要

1．1 选题背景与研究意义

1．2 注浆加固方法概述

1．3 注浆理论研究现状

1．3．1 渗透注浆理论

1．3．2 裂隙岩体注浆理论

1．3．3 压密注浆理论

1．3．4 劈裂注浆理论

1．3．5 动水注浆理论

1．4 注浆模型试验研究现状

1．5 风化花岗岩注浆特性研究现状

1．5．1 风化花岗岩物理力学特性及工程特性研究

1．5．2 风化花岗岩注浆治理研究

1．6 目前研究中存在的问题

1．7 主要研究内容、技术路线与创新点

1．7．1 主要研究内容

1．7．2 技术路线

1．7．3 主要创新点

第二章 全风化花岗岩物理力学特性研究及水理特性分析

2．1 引言

2．2 全风化花岗岩基础物理特性研究

2．3 全风化花岗岩力学特性研究

2．3．1 全风化花岗岩固结试验

2．3．2 全风化花岗岩无侧限抗压强度试验

2．3．3 全风化花岗岩直剪试验’

2．4 全风化花岗岩水理特性研究

2．4．1 全风化花岗岩渗透试验

2．4．2 全风化花岗岩湿化试验

2．5 本章小结

3．1 引言

3．2 全风化花岗岩注浆扩散加固试验模拟系统研制

3．2．1 注浆扩散加固系统结构及功能要求

3．2．2 注浆扩散加固试验系统组成

3．3 全风化花岗岩注浆扩散模式研究

3．3．1 试验思路及设计

3．3．2 试验流程及结果

3．3．3 全风化花岗岩注浆扩散模式分析

3．4 本章小结

第四章 全风化花岗岩注浆加固机制及浆-土耦合效应研究

4．1 引言

4．2 全风化花岗岩单液注浆加固效果分析

4．2．1 试验思路及设计

4．2．2 注浆模拟试验过程

4．2．3 注浆模拟试验结果及分析

4．2．4 注浆模拟试验结果对比

4．3 全风化花岗岩单、双液注浆加固效果对比研究

4．3．1 试验设计及准备

4．3．2 浆液扩散加固模式对比分析

4．3．3 注浆加固体强度特性对比分析

4．4 浆-土界面破坏机制研究

4．4．1 浆-土界面结构特征研究

4．4．2 浆-土界面破坏特征分析

4．5 基于浆-土耦合效应的劈裂注浆机制分析

4．5．1 模型简化及模型基本假定

4．5．2 注浆起劈压力及劈裂通道扩展压力确定

4．5．3 浆液扩散运动扩散方程及劈裂通道宽度扩散方程

4．5．4 注浆模拟试验结果验证

4．6 本章小结

第五章 全风化花岗岩前进式分段注浆扩散加固机制研究

5．1 引言

5．2 注浆模型试验系统

5．2．1 模型试验架

5．2．2 水压-水量供给系统

5．2．3 注浆系统

5．2．4 信息采集、监测系统

5．3 试验设计

5．3．1 试验目的

5．3．2 模型试验方案

5．3．3 监测方案

5．3．4 试验过程

5．4 前进式分段注浆试验数据分析

5．4．1 应力变化规律

5．4．2 土压力变化规律

5．4．3 渗透压力变化规律

5．4．4 注浆压力特征分析

5．4．5 前进式分段注浆浆液空间扩展特征分析

5．4．6 基于浆-土耦合效应的劈裂注浆理论的试验验证

5．5 前进式分段注浆加固效果分析

5．5．1 强度变化规律

5．5．2 水稳定性变化规律

5．5．3 抗渗性变化规律

5．6 排水条件对全风化花岗岩注浆加固形态的影响机制分析

5．6．1 对比试验设计

5．6．2 试验结果

5．6．3 注浆加固形态对比分析

5．7 本章小结

第六章 全风化花岗岩泄水诱导注浆技术研究及应用

6．1 引言

6．2 泄水诱导注浆技术原理

6．3 泄水诱导注浆设计方法

6．3．1 泄水诱导注浆综合治理思路

6．3．2 泄水孔设计

6．3．3 注浆材料的选型

6．3．4 注浆参数设计

6．3．5 注浆效果评价

6．4 均昌隧道突水突泥地质灾害

6．4．1 均昌隧道概况

6．4．2 突水突泥灾害过程

6．4．3 工程特点与难点

6．5 工程地质与水文地质

6．5．1 地质构造与地层岩性

6．5．2 水文地质条件

6．6 泄水诱导注浆综合治理方案及实施

6．6．1 止浆墙设计

6．6．2 综合地质分析

6．6．3 泄水诱导注浆方案设计

6．6．4 围岩稳定性数值模拟

6．6．5 基于浆-土耦合效应的劈裂注浆理论的工程验证

6．7 诱导注浆效果评价

6．7．1 检查孔分析

6．7．2 注浆加固体稳定性分析

6．8 本章小结

7．1 结论

7．2 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文及参与的项目