海底隧道风化槽复合注浆堵水关键技术研究

摘要

厦门翔安海底隧道穿越海底F1、F2、F3、F4四个风化深槽(囊),风化深槽(囊)为全、强风化花岗岩地层,该地层透水性强、出水量大、水压高、海水补给无限,突水、涌泥的风险很大。安全穿越不良地质体及地层结构界面是海底隧道修建的关键问题,对其准确地探测、预报并采取可靠的注浆加固方案及施工方法是海底隧道安全顺利施工的重要保证。海底隧道复杂的地质条件和特殊的水边界,使单一的注浆方式或注浆材料往往不能达到目的,因而就提出了复合注浆。
　　 本论文在对国内外相关文献资料进行广泛调研的基础上,针对厦门海底隧道风化槽的工程特点,利用颗粒流软件对风化槽突水过程进行仿真模拟,分析风化槽突水机理,提出防止隧道突水的控制措施和注浆加固的必要性,通过风化槽注浆圈的渗流计算和流固耦合模拟分析确定其合理参数。同时,对复合注浆技术进行系统研究,包括全、强风化花岗岩地层复合注浆的工艺研究、设备及效果评价、注浆材料选择的试验研究等。在以上研究成果的基础上,提出复合注浆工法的设计方法、加固模式和突水防治措施,通过工程实例形成海底隧道穿越风花槽复合注浆关键技术体系。主要研究成果如下:
　　 (1)海底隧道隔水岩层突水通道形成过程的颗粒流数值仿真分析表明,对于不同地质模式,隧道突水的关键位置可能不同,但其形成机制都是在隧道开挖卸载和风化槽水压驱动下,岩层裂纹萌生、扩展、水压跟踪传递,从隔水层变成导水层的复杂演化过程。应用颗粒流仿真手段,可以实现对海底隧道穿越风化槽突水通道的初步预测与定位。注浆圈参数的确定是“堵水限排”设计的关键问题,注浆圈的渗流理论计算和流固耦合模拟分析是确定其合理参数的有效途径。以上研究是海底隧道穿越风化槽注浆堵水设计的前提和基础。
　　 (2)基于散体介质理论的颗粒流分析方法,运用其内置的Fish语言定义流体域,建立了流动方程和压力方程。同时,针对具有凝聚力的致密土体,引入颗粒接触粘结模型,建立能反映颗粒体与流体域耦合作用的土体注浆颗粒流模型。在此基础上,通过数值仿真试验,对土体压密—劈裂式复合注浆过程进行细观模拟研究,分别对比了不同注浆压力和不同土体性质下浆体压力扩散及劈裂缝的发生、发展规律。
　　 (3)土体复合注浆影响范围是浆液锋面沿着劈裂缝扩散的最远距离。宾汉体浆液劈裂注浆最大扩散半径由注浆压力差,裂隙宽度,流速和浆液的流变参数等因素共同决定。流体时变性对注浆扩散半径计算值影响很大,注浆理论忽略时变性会给工程设计带来不利影响。全、强风化花岗岩地层注浆加固机理以劈裂、挤压土体为主,对于该地层2.5m的孔距完全能够满足注浆帷幕要求。
　　 (4)水泥结石体在海水腐蚀过程中,其内部结构经历了一个先由于腐蚀产物的填充作用而逐渐密实再过渡到由于腐蚀产物继续产生和膨胀,使密实度逐渐降低,最后发展为强度逐渐降低的过程。建议海底隧道风化槽地层,注浆材料以HSC特种注浆材料为首选,其次是普通水泥。马丽散作为一种新型注浆材料,在风化槽富水地层堵水加固效果良好。
　　 (5)提出复合注浆技术工法设计方法、加固模式和突水防治措施。复合注浆机制就在于它采用多种注浆方式或注浆材料分步骤地改善工程载荷作用的边界条件、应力传递的连续性和完整性。海底隧道复合注浆设计原则主要是材料复合、方式复合、注浆顺序、参数、设备的选择及效果评价等。采用复合注浆方法对F1风化槽进行了堵水和加固,取得了满意的效果,系统介绍了右线隧道F1风化深槽的地质情况、注浆机理、复合注浆方案、参数、施工工艺及注浆效果的检验、评价情况等,形成了海底隧道穿越风化槽复合注浆关键技术体系。

目录

文摘

英文文摘

致谢

1 绪论

1.1 问题的提出

1.2 厦门海底隧道风化槽工程特点

1.3 国内外研究现状

1.3.1 土体劈裂注浆理论研究进展

1.3.2 注浆数值模拟研究进展

1.3.3 海底隧道注浆技术研究现状

1.4 复合注浆技术的定义及特点

1.5 论文选题和研究的意义

1.6 论文研究主要内容、创新点和技术路线

1.6.1 论文研究的主要内容

1.6.2 论文的创新点

1.6.3 技术路线与研究方法

2 F1风化槽突水机理分析与控制措施研究

2.1 颗粒流细观模拟理论

2.1.1 裂纹扩展理论

2.1.2 细观参数与宏观参数关系研究

2.1.3 流固耦合理论

2.2 厦门海底隧道工程概况

2.2.1 F1风化槽工程地质

2.2.2 水文及气象条件

2.2.3 海底隧道风化槽突水特征分析

2.2.4 隧道开挖过程中F1风化槽突水地质模式

2.3 突水通道形成过程的数值建模

2.3.1 基本假定

2.3.2 计算模型生成

2.3.3 计算参数选取

2.3.4 模拟方案及过程

2.4 风化槽突水机理分析

2.4.1 上侧位交叉模式突水规律

2.4.2 下侧位交叉模式突水规律

2.4.3 交叉模式突水机理

2.5 基于限排设计的风化槽注浆圈参数的理论分析

2.5.1 海底隧道防排水设计原则

2.5.2 风化槽注浆圈对隧道涌水量和衬砌外水压力的影响

2.6 风化槽注浆圈参数的流固耦合模拟分析

2.6.1 计算模型的建立

2.6.2 结果分析

2.7 F1风化槽注浆圈参数的确定

2.8 本章小结

3 全、强风化花岗岩地层复合注浆过程的细观模拟

3.1 颗粒流计算模型的建立

3.1.1 工程概况

3.1.2 计算模型生成

3.1.3 计算参数选取

3.1.4 模拟过程

3.2 计算结果分析

3.2.1 土体注浆过程的模拟

3.2.2 注浆压力对土体改性效果的影响

3.2.3 细观参数对注浆效果的影响

3.2.4 土体注浆过程的机理分析

3.3 小结

4 全、强风化花岗岩地层复合注浆机理研究

4.1 全强风化花岗岩工程特性

4.1.1 强风化花岗岩的物理指标

4.1.2 强风化花岗岩的力学指标

4.1.3 地层力学特性试验

4.1.4 影响风化花岗岩工程特性的因素

4.2 基于宾汉体时变性的土体劈裂注浆扩散模型

4.2.1 宾汉体浆液扩散半径理论推导

4.2.2 计算分析

4.3 工程实例验证

4.3.1 工程概况

4.3.2 注浆试验设计

4.3.3 注浆效果分析

4.4 本章小结

5 海底隧道注浆材料选择的试验研究

5.1 海水环境下水泥结石体耐久性试验研究

5.1.1 试验方法与试验方案

5.1.2 试验结果分析

5.1.3 海水对水泥结石体的腐蚀机理

5.1.4 海水腐蚀试验结论

5.1.5 耐腐蚀注浆材料选择原则

5.2 不同注浆材料物理力学试验

5.3 马丽散在右导洞土石交界处现场堵水试验

5.3.1 工程背景

5.3.2 材料简介

5.3.3 右导洞侧壁处理方案

5.3.4 右导洞正面试验方案

5.3.5 试验结果分析

5.3.6 经济技术对比

5.3.7 马丽散注浆小结

5.4 本章小结

6 F1风化槽复合注浆堵水加固技术研究

6.1 海底隧道复合注浆设计方法

6.1.1 注浆材料的复合

6.1.2 注浆方式的复合

6.1.3 注浆参数设计

6.1.4 钻孔注浆施工工艺

6.1.5 注浆设备的选择

6.1.6 注浆效果的评价

6.2 复合注浆加固模式研究

6.2.1 不同地层的注浆加固方式

6.2.2 复合注浆加固模式

6.3 F1风化槽工程概况

6.3.1 厦门海底隧道工程概况

6.3.2 F1风化槽工程地质特性

6.3.3 水文及气象条件

6.4 F1风化槽突水防治原则

6.4.1 突水防治措施

6.4.2 F1风化槽注浆施工过程

6.5 F1风化槽复合注浆施工方案

6.5.1 下台阶裂隙岩体马丽散注浆方案(渗透式注浆)

6.5.2 上台阶全断面帷幕注浆方案(劈裂式注浆)

6.6 复合注浆效果评价

6.7 本章小结

7 结论与展望

7.1 主要结论

7.2 进一步工作与展望

参考文献

作者简历

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