地铁穿越砂层注浆扩散与加固机理及工程应用

摘要

随着我国地铁进入大规模建设时期，地铁建设过程中的不良地质灾害控制已成为重要研究课题。地铁隧道修建过程中经常穿越的第四系富水砂层，是影响地铁建设安全的主要地质灾害源之一，该地层具有含水丰富、胶接强度低、自稳能力差的显著特点，在施工扰动及地下水作用下极易诱发隧道塌方、涌水溃砂等工程灾害事故。注浆方法是控制富水砂层地质灾害的最常用方法，受砂层孔隙结构及地应力状态的影响，砂层注浆往往呈现出不同的扩散加固模式，本文针对工程中最常见的两种砂层注浆模式（渗透模式与劈裂-压密模式），通过理论分析、室内试验、模拟试验等方法，以实现砂层注浆扩散过程与加固效果的定量描述为目标，深入研究砂层注浆扩散与加固机理，建立了注浆扩散范围与注浆加固效果的定量计算方法，最终形成针对砂层的注浆设计方法，并进行了工程应用。本文主要工作及创新成果如下:
　　(1)砂层注浆扩散加固模式主要取决于砂层可注性及注浆压力大小，在砂层可注性试验的基础上建立了考虑砂层结构特征及浆液粒径大小的可注性判据，基于圆孔扩张理论建立了注浆起劈判据，在此基础上阐述了渗透注浆模式与劈裂-压密注浆模式各自的发生条件。
　　(2)分析不同注浆方式对浆液粘度空间分布的影响，建立了考虑粘度空间分布不均匀性的砂层渗透注浆扩散理论模型，并开展一维可视化渗透注浆扩散模拟试验，通过理论与试验结果的对比验证，获得了砂层渗透注浆扩散范围与注浆参数、浆液流变参数之间的定量关系。
　　(3)开展了砂层渗透注浆加固效果室内试验，研究浆液性质、砂层特征及注浆压力对注浆效果的影响，研究发现浆液水灰比是影响注浆效果的主控因素，不同水灰比浆液对应的砂层渗透注浆加固体表现出截然不同的破坏模式，通过拟合试验数据获得了砂层渗透注浆加固效果与浆液水灰比及养护时间的定量关系。
　　(4)通过侧限压缩试验研究了不同黏性土含量及含水率条件下的砂层压密特性，建立了可描述砂层非线性压密过程的数学模型，在此基础上建立了考虑浆液流场与砂层应力场耦合效应的劈裂-压密注浆扩散过程理论模型，并基于步进式计算原理提出了劈裂通道动态扩展过程计算算法，实现了砂层劈裂-压密注浆扩散过程的完整描述，揭示了注浆扩散过程中劈裂通道开度的时空分布规律。
　　(5)通过一系列力学性能试验获得了砂层压密注浆效果与所受压力的定量关系，以及浆液结石体性能与浆液配比、养护龄期的定量关系。综合考虑浆脉骨架与压密砂层对砂层注浆加固体整体性能的贡献，建立了可描述砂层注浆加固体整体性能的简化物理模型，并提出了砂层劈裂-压密注浆加固效果定量估算方法，获得了砂层劈裂-压密注浆效果的各向异性及空间分布特征，系统分析了注浆压力、单孔注浆量、注浆孔间距、砂层压密特性对砂层劈裂-压密注浆加固效果的影响。
　　(6)研发了可视化砂层注浆模拟试验系统，实现了砂层劈裂-压密注浆过程的可视化模拟，获得了试验条件下砂层应力场、位移场及劈裂通道扩展过程的动态演化特征，通过与劈裂-压密注浆扩散加固理论的对比验证，进一步揭示了砂层劈裂-压密注浆扩散加固机理。
　　(7)在砂层注浆扩散加固机理研究成果的基础上提出了针对砂层的注浆设计方法，研究成果在青岛地铁2号线啤～苗区间富水砂层注浆加固工程中进行了成功应用，取得了良好的效果，可为类似工程提供一定借鉴。

目录

声明

摘要

1．1 研究背景与意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 注浆物理模型及浆液本构模型研究现状

1．2．2 注浆扩散理论研究现状

1．2．3 注浆加固理论研究现状

1．2．4 地下工程注浆控制方法研究现状

1．3 目前存在的主要问题

1．4 主要研究内容、技术路线与创新点

1．4．1 主要研究内容

1．4．2 技术路线

1．4．3 主要创新点

第二章 砂层注浆扩散加固模式及发生判据

2．1 砂层注浆特征概述

2．2 砂层注浆扩散加固模式类型划分

2．2．1 注浆扩散加固模式类型划分依据

2．2．2 渗透扩散加固模式

2．2．3 劈裂-压密扩散加固模式

2．2．4 渗透-劈裂-压密联合扩散加固模式

2．3 砂层可注性判据

2．3．1 砂层可注性影响因素分析

2．3．2 砂层可注性室内试验

2．3．3 可注性试验结果

2．3．4 砂层可注性判据

2．4 砂层注浆起劈判据

2．4．1 注浆孔附近受力状态

2．4．2 砂层抗拉破坏准则

2．4．3 砂层注浆起裂判据

2．5 本章小结

第三章 砂层渗透注浆扩散加固机理研究

3．1 基于粘度时变性的渗透注浆扩散理论模型

3．1．1 模型假设条件

3．1．2 浆液粘度空间分布

3．1．3 浆液扩散运动方程

3．1．4 压力时空分布方程

3．2 砂层渗透注浆扩散过程模拟试验

3．2．1 试验装置

3．2．2 注浆材料及其粘度时变性测试

3．2．3 试验方案

3．2．4 试验步骤

3．3 渗透注浆扩散规律分析

3．3．1 试验结果分析

3．3．2 C-S浆液理论与试验结果对比

3．3．3 水泥浆液理论与试验结果对比

3．3．4 水泥浆液与C-S浆液渗透扩散特性对比

3．4 砂层渗透注浆加固效果室内试验

3．4．1 试验装置及测试方法

3．4．2 正交试验设计

3．5 渗透注浆加固效果影响因素分析

3．5．1 注浆加固效果主控因素分析

3．5．2 注浆加固体变形破坏特征

3．5．3 水灰比对注浆效果的影响

3．5．4 注浆效果随时间变化规律

3．5．5 砂层渗透注浆效果的公式拟合

3．6 本章小结

第四章 砂层劈裂-压密注浆扩散理论模型

4．1 富水砂层压密特性室内试验研究

4．1．1 试验材料、试验仪器及试验方法

4．1．2 侧限压缩试验结果分析

4．1．3 砂层压密过程数学模型创建

4．1．4 砂层压密数学模型参数确定

4．2 劈裂-压密注浆扩散过程理论模型

4．2．1 注浆扩散过程物理模型构建

4．2．2 模型简化及假设条件

4．2．3 浆液扩散锋面位置应力状态的确定

4．2．4 劈裂通道内浆液流动控制方程

4．2．5 劈裂通道变形控制方程

4．3 劈裂通道动态扩展过程步进式算法

4．3．1 注浆扩散过程计算思路

4．3．2 浆液扩散锋面追踪

4．3．3 注浆流量分配

4．3．4 基于试错法的浆液流场与劈裂通道变形修正

4．3．5 步进式算法计算流程

4．4 砂层劈裂-压密注浆扩散规律及影响因素分析

4．4．1 砂层劈裂-压密注浆扩散规律分析

4．4．2 注浆速率对扩散过程的影响

4．4．3 砂层压密特性对扩散过程的影响

4．4．4 水泥浆液与C-S浆液扩散特性对比

4．5 本章小结

第五章 砂层劈裂-压密注浆加固机理及注浆效果定量估算方法

5．1 砂层劈裂-压密注浆加固效果概述

5．2 压密注浆效果室内试验研究

5．2．1 砂层压缩模量与压密程度的关系

5．2．2 砂层抗剪强度与压密程度的关系

5．2．3 砂层渗透系数与压密程度的关系

5．2．4 砂层压密注浆效果与浆液压力的定量关系

5．3 浆脉骨架性能室内试验研究

5．3．1 水泥浆液结石体性能

5．3．2 水泥-水玻璃浆液结石体性能

5．4 砂层劈裂-压密注浆加固效果定量估算方法

5．4．1 注浆加固效果量化计算物理模型

5．4．2 砂层注浆加固体整体性能定量计算方法

5．4．3 砂层注浆加固体不同区域性能指标确定方法

5．5 砂层劈裂-压密注浆加固效果分析

5．5．1 注浆加固效果的各向异性及空间分布特征

5．5．2 注浆压力对注浆效果的影响

5．5．3 单孔注浆量对注浆效果的影响

5．5．4 注浆孔间距对注浆效果的影响

5．5．5 黏性土含量对注浆效果的影响

5．5．6 水泥浆液与C-S浆液注浆加固效果对比

5．6 砂层劈裂-压密注浆可加固性评价标准

5．7 本章小结

第六章 砂层劈裂-压密注浆扩散加固机理模拟试验

6．1 试验目的

6．2 可视化模拟试验系统原理及构成

6．2．1 模拟试验原理

6．2．2 模拟试验架

6．2．3 地应力加载系统

6．2．4 动态监测系统

6．2．5 注浆控制系统

6．3 模拟试验设计

6．3．1 试验材料

6．3．2 试验方法

6．3．3 传感器布置

6．3．4 模拟实验实施过程

6．4 浆液扩散形态分析

6．4．1 劈裂通道扩展过程

6．4．2 浆脉厚度空间分布

6．5 注浆过程中砂层应力场及位移场演化规律

6．5．1 p-q-t数据

6．5．2 应力场演化特征

6．5．3 位移场演化特征

6．5．4 劈裂-压密注浆影响范围分析

6．6 砂层注浆加固效果分析

6．6．1 浆脉两侧砂层压密程度

6．6．2 被压密砂层抗剪强度

6．6．3 劈裂-压密注浆影响范围确定

6．7 本章小结

第七章 砂层注浆设计方法及现场试验

7．1 砂层注浆设计方法

7．2 依托工程概况

7．2．1 工程地质条件及隧道设计参数

7．2．2 溃砂灾害发生概况及致灾原因分析

7．3 啤～苗区间富水砂层注浆方案设计

7．3．1 砂层注浆扩散加固模式判定及可加固性评价

7．3．2 注浆材料选型

7．3．3 注浆参数确定

7．3．4 注浆方案实施

7．4 注浆效果检验

7．4．1 p-q-t数据分析

7．4．2 检查孔情况

7．4．3 现场浆脉充填情况

7．4．4 隧道拱顶沉降与水平收敛

7．5 本章小结

8．1 主要结论

8．2 进一步研究的建议与展望

参考文献

致谢

发表论文

授权专利

参与项目

获得奖励