隧道泥质充填断层破碎带劈裂注浆扩散机理及工程应用

摘要

我国隧道工程建设发展迅速，其修建过程常揭露断层、岩溶等不良地质条件，尤其是富水软弱断层破碎带极易造成隧道施工期突水突泥等地质灾害，是影响隧道工程施工安全的重要因素。目前隧道施工期突水突泥灾害治理的主要王程技术方法是注浆，但是由于岩体介质与浆液及其相互作用机制极为复杂，注浆理论研究远滞后于工程实践，特别是针对富水软弱地层的注浆扩散理论和加固机理研究还处于初步探索阶段，尚未形成系统的理论，导致注浆方案设计和施工的盲目性和经验性较强，亟需系统科学的理论指导。本文W隧道突水突泥灾害的注浆治理理论和技术为研究目标，重点研究了浆液在断层泥质充填介质中的劈裂扩散理论，同时研究了浆液在断层过水断面和断层结构面中的扩散机理，最后考虑综合工况和介质条件，研究了在劈裂、渗透和巧密综合作用下的围岩加固机理，提出了注浆加固圈厚度的优选方法。基于本文研究提出了富水泥质充填断层破碎带突水突泥灾害治理关键技术，并在江西省吉莲高速公路永莲隧道F2断层突水突泥灾害治理中成功应用。　　（1）研究了浆液在断层泥质充填介质中的劈裂扩散理论，将劈裂注浆过程作为W注浆孔为中也的水平辖射圆，推导了劈裂通道内部的浆液扩散运动方程。引入断裂力学理论，建立了裂缝表面非线性分布压力下的轴对称空间圆片状裂缝理论模型，最终得到劈裂通道宽度的空间分布及注浆压力的空间衰减方程。分析了劈裂通道宽度及注浆压力的空间衰减规律及浆液参数、土体力学参数对浆液扩散过程的影响。　　（2）为研究浆液在泥质充填断层破碎带软弱结构面内的扩散规律，设计了一套可变倾角单一结构面注浆扩散模型试验系统，将断层带结构面简化为单一平板结构面，并设计了模拟其各向异性的多种结构面角度，开展了45组可变倾角单一结构面注浆模型试验。并得出如下结论，浆液在水平结构面中呈“U型”规律；在一定倾角结构面中，浆液扩散形态呈现“营星状”。　　（3）设计了一套三维断层注浆模型试验装置，由主体介质填充版块、注浆版块、注浆信息采集版块、图像信息实时采集版块和高压密封版块构成，可W充填原位断层介质，具备H维条件下的断层高压注浆模型试验功能。试验发现，浆液W劈裂为主、挤密和充填为辅的联合作用型式加固断层介质，注浆过程中压力和速率均呈震荡变化特征；渗透压力和土压力在注浆过程中响应明显，随着注浆次数的增加有一定波动规律，但总体呈逐渐上升趋势。　　（4）基于流固耦合理论，考虑隧道开挖过程中渗流场与应力场的相互影响，建立相应的有限元模型，研究注浆加固圈的存在对隧道围岩应力场、位移场、渗流场的影响，并通过隧道涌水量及隧道变形量随注浆加固圈厚度的变化规律研究，对注浆加固圈厚度进行优选。最终确定了永莲隧道帷幕注浆工程注浆加固圈最优厚度。　　（5）针对依托工程F2断层突水突泥灾害中突泥量大，水压高，揭露水量大，补给充分等特点，W断层软弱介质的注浆扩散和加固理论为指导，提出了恒定终压阶梯式控制注浆技术及设计方法。采用阶梯式控制注浆速率方式，结合注浆孔掲露含水体涌水量和水压，及时动态调整钻孔引排泄压，有效防止离压封闭水体出现，保障注浆加固过程的安全。研究成果在江西吉莲高速永莲隧道F2断层突水突泥灾害注浆综合处治工程中进行了现场试验，取得了良好的治理效果，具有广阔的工程推广价值。

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