运营隧道衬砌渗漏水机理及注浆治理研究

摘要

随着国民经济的快速发展，我国交通、水电工程等领域陆续建设一大批重大基础工程，已是世界上隧道建设规模最大、发展速度最快、修建难度最高的国家。由于隧道地质条件、地应力作用及施工缺陷原因，衬砌开裂导致的渗漏水成为运营隧道主要的病害之一，对隧道结构的安全性和耐久性产生严重影响，威胁隧道安全健康，甚至危及到行车和行人安全。目前国内外缺乏对隧道衬砌破裂无损精细探查理论技术及注浆治理效果有效的无损评价方法，对隧道衬砌渗漏水及注浆封堵机理缺乏深入研究，运营隧道渗漏水病害治理已成为制约隧道健康服役的关键难题，开展运营期隧道衬砌渗漏水机理与注浆治理研究，具有重大的理论意义和工程价值。
　　本文通过调查研究、数值模拟、模型试验及工程应用验证方法，深入研究了运营隧道衬砌渗漏水机理与注浆治理技术，主要研究成果如下:
　　(1)采用非连续方法对富水破碎围岩隧道衬砌破坏进行了研究，揭示了衬砌支护时机、厚度、施工期注浆加固圈厚度、注浆加固效果、排水条件对隧道衬砌受力及开裂的影响规律。
　　(2)采用有限差分方法研究了导水型断层隧道衬砌破坏渗漏水机理，揭示了不同倾角断层及不同渗透率对隧道衬砌受力及开裂的影响。研发了隧道衬砌渗漏水病害三维模型试验系统，以济南市旅游路开元隧道渗漏水治理工程为依托，开展了大型模型试验，揭示了隧道穿越断层时的围岩与衬砌的变形、受力、破坏与衬砌破裂渗漏水成因，得到了注浆封堵过程中排水对衬砌泄压的影响规律。
　　(3)建立了单一非贯通裂隙注浆模型，揭示了单一非贯通裂隙注浆过程中的变形与注浆封堵机制。开展了不同注浆材料对不同倾角裂隙加固效果试验，基于裂隙衬砌等效代替方法，开展了有限元分析，揭示了注浆前后围岩应力、位移演化规律。
　　(4)提出了基于地质雷达探测的隧道衬砌缺陷和病害精细检测及注浆加固效果评价方法，开展了系统的正演模拟与成像数值试验，建立了典型衬砌病害的地质雷达探测解释准则，提出了衬砌渗漏水病害注浆加固效果的评价标准和方法，最终形成了基于“反射图像、归位成像、频谱特征”综合分析的隧道衬砌缺陷和病害精细化检测以及注浆加固效果评价方法。
　　(5)针对济南市旅游路开元隧道渗漏水治理工程，完成了隧道渗漏水统计和类型划分，采用本文提出的“反射图像、归位成像、频谱特征”综合分析的隧道衬砌缺陷和病害精细化检测理论技术，实现了衬砌开裂、空洞和渗漏水病害的较精确识别和定位，根据论文注浆材料室内试验成果和现场试验，确定了开元隧道注浆材料并进行实施。应用论文成果—基于地质雷达注浆加固效果的评价方法进行注浆效果评价，成功解决了开元隧道122处衬砌渗漏水封堵治理难题，取得良好的经济效益和社会效益。

目录

声明

摘要

1．1 研究背景和意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 隧道衬砌渗漏水病害产生机理研究现状

1．2．2 隧道衬砌渗漏水病害检测和治理检查研究现状

1．2．3 运营期隧道渗漏水病害治理研究现状

1．3 主要研究内容、创新点和技术路线

1．3．1 主要研究内容

1．3．2 技术路线

1．3．3 创新点

第二章 富水破碎围岩隧道衬砌开裂渗漏机理研究

2．1 隧道衬砌渗漏水类型及成因

2．1．1 隧道衬砌渗漏水类型统计划分

2．1．2 隧道渗漏水成因分析

2．2 富水破碎围岩隧道衬砌开裂渗漏机理数值模拟研究

2．2．1 离散单元法基本原理

2．2．2 富水破碎围岩开裂模拟工况

2．2．3 富水破碎围岩开裂模型建立

2．2．4 隧道模型初始条件与边界条件

2．2．5 围岩材料本构模型与参数选取

2．3 富水破碎围岩开裂机理分析

2．3．1 支护时机对稳定性影响研究

2．3．2 支护厚度对稳定性影响研究

2．3．3 加固圈厚度对稳定性影响研究

2．3．4 加固效果对稳定性影响研究

2．3．5 排水因素对稳定性影响研究

2．4 小结

第三章 含导水型断层隧道衬砌渗漏水机理研究

3．1 含导水型单断层隧道衬砌渗漏水数值模拟

3．1．1 含导水型断层隧道模型建立

3．1．2 含导水型断层隧道破坏区研究

3．1．3 含导水型断层对隧道孔隙水压力影响研究

3．2 断层渗透性对隧道衬砌渗漏水影响研究

3．2．1 断层渗透性对隧道破坏区影响

3．2．2 断层渗透性对隧道孔隙水压力影响

3．3 导水型组合断层隧道衬砌渗漏水数值模拟

3．3．1 导水型组合断层隧道破坏区影响研究

3．3．2 导水型组合断层隧道孔隙水压力影响研究

3．4 断层导水型隧道衬砌渗漏水模型试验系统及方案

3．4．1 地质力学模型试验系统及相似材料

3．4．2 模型试验依托工程情况

3．4．3 原岩基本力学参数测试

3．4．4 模型试验相似材料选取

3．5 断层导水型隧道衬砌渗漏水模型试验过程及结果

3．5．1 模型设计

3．5．2 数据采集

3．5．3 模型试验体的填筑及元件埋设

3．5．4 加载与监测

3．5．5 试验结果分析

3．6 小结

第四章 隧道衬砌开裂渗漏注浆加固研究

4．1．1 单一贯通裂隙注浆扩散机理

4．1．2 单一非贯通裂隙注浆扩散机理

4．2 含裂隙衬砌等效单元法

4．3 衬砌裂隙注浆试验研究

4．3．1 衬砌裂隙注浆试验目的

4．3．2 衬砌裂隙注浆试验方案

4．3．3 村砌裂隙注浆试验

4．3．4 衬砌裂隙注浆试验结果分析

4．4 隧道衬砌开裂渗漏注浆加固稳定性数值分析

4．4．1 COMSOL Multiphysics软件基本原理

4．4．2 隧道衬砌渗漏数值研究

4．4．3 计算结果及分析

4．5 小结

第五章 基于地质雷达的隧道衬砌缺陷与病害精细探测及注浆效果评价

5．1 地质雷达探测正演模拟的基本原理及后向投影成像方法

5．1．1 地质雷达探测的二维正演模拟原理与方法

5．1．2 地质雷达探测的后向投影成像方法

5．2 典型渗漏水病害地质雷达探测正演模拟

5．2．1 隧道衬砌病害地质雷达探测的介电模型

5．2．2 导水裂缝地质雷达探测的正演模拟与成像试验

5．2．3 衬砌脱空(空洞)地质雷达探测的正演模拟与成像试验

5．2．4 衬砌不密实病害地质雷达探测的正演模拟与成像试验

5．2．5 衬砌钢筋干扰模型探测算例

5．2．6 隧道衬砌渗漏水病害地质雷达探测解释准则

5．3 隧道渗漏水病害注浆加固效果雷达评价方法

5．3．1 隧道衬砌渗漏水病害注浆加固效果的地质雷达探测模拟

5．3．2 衬砌脱空(空洞)病害注浆加固的地质雷达探测模拟

5．3．3 衬砌渗漏水病害注浆加固效果的地质雷达评价标准

5．4 本章小结

第六章 工程应用

6．1．1 开元隧道渗漏水情况

6．1．2 开元隧道漏水地质调查及分析

6．2 开元隧道渗漏水地质物探及分析

6．2．1 高密度电法探测研究

6．2．2 地表瞬变电磁探测研究

6．2．3 地质雷达探测研究

6．2．4 地球物理探测结果综合分析

6．2．5 隧道衬砌漏水点和导水区的特征分析及成因分析

6．3 开元隧道渗漏水情况统计分析

6．4．开元隧道渗漏水治理研究

6．4．1 衬砌渗漏水现场试验研究

6．4．2 隧道注浆治理结束后雷达探测效果评价

6．5 小结

7．1 结论

7．2 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间的科研成果