隧道工程富水斷層破碎帶注漿加固機理及應用研究.pdf

1、我國是世界上隧道與地下工程建設規(guī)模、數(shù)量和難度最大的國家，隨著交通基礎設施建設重心逐步移向中西部山區(qū)和巖溶地區(qū)，隧道與地下工程建設面臨著“構造復雜、地質環(huán)境多變、災害頻發(fā)”的嚴峻考驗。據(jù)統(tǒng)計，交通和水電等地下工程建設中近80％的重大安全事故由突水（突泥）災害及處置不當造成，導致重大人員傷亡、經(jīng)濟損失與工期延誤，甚至迫使隧道停建或改線。此外，突水（突泥）極易誘發(fā)水資源枯竭、地表塌陷等環(huán)境地質災害，嚴重威脅社會穩(wěn)定與經(jīng)濟發(fā)展。隧道與地下工程

2、施工中遭遇的突水（突泥）災害治理堪稱世界級工程難題。
　　富水斷層破碎帶突水突泥是隧道修建過程中常見的地質災害之一，注漿法為有效的治理方法。然而，由于地質環(huán)境、不同類型漿液、被注介質內部結構自身及其相互作用關系極為復雜，注漿治理理論遠遠滯后于工程實踐，亟需深入研究。本文采用理論分析、室內試驗、模擬試驗和現(xiàn)場試驗相結合的綜合研究方法，研究了斷層破碎帶注漿加固機理，高承壓水環(huán)境下注漿加固巖體穩(wěn)定性與漸進失穩(wěn)規(guī)律，以及斷層突水突泥災害復

3、合控制注漿方法，取得一系列研究成果。
　　(1)通過調研大量斷層突水突泥案例，深入分析了導致斷層突水突泥的地質因素和工程因素;以軟質巖-硬質巖交互地層區(qū)域發(fā)育的高傾角斷層帶為地質背景，建立了超前注漿加固、臨災應急注漿加固及災后搶險注漿加固三種工程地質模型。
　　(2)開展了注漿加固試驗。斷層巖注漿加固體力學特征顯示，注漿壓力是加固體強度主控因素，針對斷層泥和斷層角礫兩類松散巖體，初始干密度和注漿材料分別為其次要控制因素。斷層

4、泥加固體破壞表現(xiàn)為顯著結構效應，而斷層角礫加固體破壞特征類似于巖塊。不同注漿材料對斷層巖力學性能改善具有差異性，水泥單漿液同時提高了加固體漿-巖界面c、ψ值，而速凝類水泥基注漿材料僅提高界面c值。微觀層面上，漿-巖界面是由膠結面、滲透過渡區(qū)及微劈裂過渡區(qū)組成的三維結構體。
　　(3)揭示了斷層巖注漿加固機理。斷層泥注漿加固模式為劈裂-壓密型，注漿加固劃分為直接加固和間接加固兩部分。直接加固包括漿脈形成及其與圍巖摩擦、嵌鎖作用，改變

5、了巖體破壞方式，延緩破壞發(fā)生;漿脈對巖土體壓密加固稱為間接加固，間接加固增強了巖土體內部結合力，改變了土體內部應力場和應力傳播途徑，提高整體力學性能。斷層角礫注漿加固模式主要為滲透型，實質是改變了巖體內部的連接方式，即由水膠連接轉變?yōu)槟z結連接。
　　(4)深入研究斷層破碎帶優(yōu)勢通道系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)了優(yōu)勢劈裂注漿現(xiàn)象?；诖私我黄桨遄{優(yōu)勢擴散模型，構建了考慮廣義賓漢體漿液粘度時變性的注漿擴散控制方程;理論研究表明，注漿加固范圍主要由

6、注漿壓力p0，注漿速率q，漿液粘度μ三因素聯(lián)合控制。含優(yōu)勢通道的斷層破碎帶注漿加固作用機理包括薄弱帶劈裂（滲透、充填)、均質巖體壓密、漿液-圍巖協(xié)調耦合及復合注漿等四個方面。
　　(5)研發(fā)注漿加固三維模擬試驗系統(tǒng)，該試驗系統(tǒng)可模擬隧道穿越不良地質體地質災害發(fā)生、演化及其注漿治理過程。注漿模擬試驗中，模型巖體內部物理場對注漿壓力響應強烈，并表現(xiàn)出時空滯后特征，其中滲透壓力對注漿壓力敏感程度最高，響應迅速。擾動破壞區(qū)注漿擴散具有優(yōu)勢

7、路徑，控制了模型巖土體內部物理場時空變化規(guī)律。與圍巖相比，破碎帶注漿加固巖體穩(wěn)定性差，巖體交界滑移部位存在注漿薄弱區(qū);h＜3h0時，注漿加固體內部損傷緩慢積累，加固巖體處于基本穩(wěn)定狀態(tài);h＞3h0后，圍巖質量急速劣化，迅速形成管道型突涌通道，造成整體失穩(wěn)。
　　(6)提出復合控制注漿設計方法，建立富水斷層破碎帶突水突泥地質災害復合控制注漿治理關鍵技術體系，研究成果在永蓮隧道F2斷層地質災害注漿綜合治理工程中進行應用，取得了良好效果