隧道工程富水断层破碎带注浆加固机理及应用研究

【摘要】我国是世界上隧道与地下工程建设规模、数量和难度最大的国家,随着交通基础设施建设重心逐步移向中西部山区和岩溶地区,隧道与地下工程建设面临着“构造复杂、地质环境多变、灾害频发”的严峻考验。据统计,交通和水电等地下工程建设中近80%的重大安全事故由突水(突泥)灾害及处置不当造成,导致重大人员伤亡、经济损失与工期延误,甚至迫使隧道停建或改线。此外,突水(突泥)极易诱发水资源枯竭、地表塌陷等环境地质灾害,严重威胁社会稳定与经济发展。隧道与地下工程施工中遭遇的突水(突泥)灾害治理堪称世界级工程难题。富水断层破碎带突水突泥是隧道修建过程中常见的地质灾害之一,注浆法为有效的治理方法。然而,由于地质环境、不同类型浆液、被注介质内部结构自身及其相互作用关系极为复杂,注浆治理理论远远滞后于工程实践,亟需深入研究。本文采用理论分析、室内试验、模拟试验和现场试验相结合的综合研究方法,研究了断层破碎带注浆加固机理,高承压水环境下注浆加固岩体稳定性与渐进失稳规律,以及断层突水突泥灾害复合控制注浆方法,取得一系列研究成果。(1)通过调研大量断层突水突泥案例,深入分析了导致断层突水突泥的地质因素和工程因素；以软质岩-硬质岩交互地层区域发育的高倾角断层带为地质背景,建立了超前注浆加固、临灾应急注浆加固及灾后抢险注浆加固三种工程地质模型。(2)开展了注浆加固试验。断层岩注浆加固体力学特征显示,注浆压力是加固体强度主控因素,针对断层泥和断层角砾两类松散岩体,初始干密度和注浆材料分别为其次要控制因素。断层泥加固体破坏表现为显著结构效应,而断层角砾加固体破坏特征类似于岩块。不同注浆材料对断层岩力学性能改善具有差异性,水泥单浆液同时提高了加固体浆-岩界面c、φ值,而速凝类水泥基注浆材料仅提高界面c值。微观层面上,浆-岩界面是由胶结面、渗透过渡区及微劈裂过渡区组成的三维结构体。(3)揭示了断层岩注浆加固机理。断层泥注浆加固模式为劈裂-压密型,注浆加固划分为直接加固和间接加固两部分。直接加固包括浆脉形成及其与围岩摩擦、嵌锁作用,改变了岩体破坏方式,延缓破坏发生：浆脉对岩土体压密加固称为间接加固,间接加固增强了岩土体内部结合力,改变了土体内部应力场和应力传播途径,提高整体力学性能。断层角砾注浆加固模式主要为渗透型,实质是改变了岩体内部的连接方式,即由水胶连接转变为胶结连接。(4)深入研究断层破碎带优势通道系统,发现了优势劈裂注浆现象。基于此建立单一平板注浆优势扩散模型,构建了考虑广义宾汉体浆液粘度时变性的注浆扩散控制方程；理论研究表明,注浆加固范围主要由注浆压力p0,注浆速率q,浆液粘度μ三因素联合控制。含优势通道的断层破碎带注浆加固作用机理包括薄弱带劈裂(渗透、充填)、均质岩体压密、浆液-围岩协调耦合及复合注浆等四个方面。(5)研发注浆加固三维模拟试验系统,该试验系统可模拟隧道穿越不良地质体地质灾害发生、演化及其注浆治理过程。注浆模拟试验中,模型岩体内部物理场对注浆压力响应强烈,并表现出时空滞后特征,其中渗透压力对注浆压力敏感程度最高,响应迅速。扰动破坏区注浆扩散具有优势路径,控制了模型岩土体内部物理场时空变化规律。与围岩相比,破碎带注浆加固岩体稳定性差,岩体交界滑移部位存在注浆薄弱.区；h<3ho时,注浆加固体内部损伤缓慢积累,加固岩体处于基本稳定状态；h>3ho后,围岩质量急速劣化,迅速形成管道型突涌通道,造成整体失稳。(6)提出复合控制注浆设计方法,建立富水断层破碎带突水突泥地质灾害复合控制注浆治理关键技术体系,研究成果在永莲隧道F2断层地质灾害注浆综合治理工程中进行应用,取得了良好效果,具有广阔的工程应用前景。
【作者】张伟杰；
【导师】顾金才；李术才；
【作者基本信息】山东大学，岩土工程，2014，博士
【关键词】富水断层破碎带；突水突泥地质灾害；注浆加固机制；复合控制注浆方法；工程应用；

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