上覆富水砂層隧道開挖面穩(wěn)定性分析與注漿加固對策研究.pdf

1、改革開放以來，我國經(jīng)濟飛速發(fā)展，尤其是東部沿海地區(qū)人口數(shù)量急劇增加，造成交通擁堵、交通效率低下，制約著城市的進一步健康發(fā)展，因此修建地鐵軌道交通是城市發(fā)展的必然選擇。而在濱海城市中修建地鐵則經(jīng)常會遇到富水軟弱砂層地質(zhì)，由于其比較松散、粘聚力小、孔隙率大、滲透系數(shù)大、含承壓水等，隧道開挖擾動下極容易導(dǎo)致開挖面發(fā)生失穩(wěn)破壞，誘發(fā)涌水涌砂等工程災(zāi)害。若處理措施不當，將導(dǎo)致地面塌陷、隧道塌方等工程事故，嚴重影響施工進度，并帶來惡劣的社會影響。鑒

2、于此，富水砂層隧道開挖面穩(wěn)定性及注漿加固控制對策成為我國地下工程建設(shè)中的亟需解決的關(guān)鍵科學(xué)問題。本文采用現(xiàn)場調(diào)研，室內(nèi)試驗，理論分析，數(shù)值模擬以及現(xiàn)場試驗相結(jié)合的研究方法，以青島地鐵2號線啤—苗區(qū)間為研究對象，對上覆流砂層隧道開挖面失穩(wěn)破壞機理及注漿加固控制對策進行了系統(tǒng)的研究，取得的一系列研究成果，具體體現(xiàn)在以下幾個方面:
　　(1)在總結(jié)典型青島地鐵開挖面塌方案例的基礎(chǔ)上，對青島地鐵富水砂層段土體物理力學(xué)參數(shù)進行了全面系統(tǒng)的室

3、內(nèi)試驗研究，并重點研究了粉質(zhì)粘土隔水層在不同含水率影響下力學(xué)性質(zhì)的變化規(guī)律，同時與國內(nèi)主要地鐵城市富水砂層性質(zhì)進行對比，研究青島富水砂層由于沉積環(huán)境的不同造成的物理力學(xué)性質(zhì)的差異，歸納青島地鐵隧道所處富水砂層的力學(xué)特性。
　　(2)結(jié)合一般性涌水涌砂事故發(fā)生機理，研究了富水砂層發(fā)生一般性涌水涌砂事故存在客觀條件，對青島地鐵淺埋暗挖區(qū)間依次進行砂源、水源、通道及水動力分析;將動力學(xué)理論應(yīng)用于富水砂層內(nèi)部的滲流過程，通過建立模型及相關(guān)

4、理論公式的分析，研究了涌水涌砂發(fā)生判據(jù)即顆粒尺寸與流速大小的關(guān)系，并從細觀角度揭示了青島地鐵隧道特殊富水砂層涌水涌砂災(zāi)害的演化機制，從而對其發(fā)生涌水涌砂的可能性進行了客觀合理地評價。
　　(3)考慮上覆飽水動態(tài)流砂層對隧道開挖面穩(wěn)定性的影響，構(gòu)造出極限狀態(tài)下開挖面土體破裂機構(gòu)，從功能轉(zhuǎn)化平衡的角度，研究了隧道開挖面穩(wěn)定性上限分析，并利用強度折減方法和重力加載方法，分別建立了隧道開挖面安全系數(shù)，得到了臨界土體破裂范圍及破裂模式;通過

5、理論分析與計算，研究了不同開挖面土體粘聚力、內(nèi)摩擦角、重度、隔水層厚度、流砂層水土壓力及隧道開挖高度等參數(shù)對上覆飽水動態(tài)流砂層地質(zhì)條件下隧道開挖面穩(wěn)定性影響。
　　(4)為進一步驗證理論推導(dǎo)的正確性，建立了多種數(shù)值計算模型，運用統(tǒng)計分析的方法研究了流砂層厚度、隔水層厚度，隔水層粘聚力、內(nèi)摩擦角等不同影響因素下隧道開挖面變形失穩(wěn)、圍巖應(yīng)力變化特征，得到了各因素對開挖面失穩(wěn)的影響關(guān)系和敏感指標;通過分析開挖過程中隧道拱頂—拱腰—開挖面

6、應(yīng)力和位移變形規(guī)律，引入了位移釋放系數(shù)和應(yīng)力釋放率，揭示圍巖與開挖面在隧道開挖過程中的影響關(guān)系，分析研究開挖過程中圍巖與開挖面變形速率先后順序，探索了隧道空間變形特征。
　　(5)結(jié)合前期理論分析和室內(nèi)試驗研究成果，對青島地鐵富水砂層超前預(yù)注漿加固關(guān)鍵技術(shù)及注漿加固圈厚度等關(guān)鍵參數(shù)進行了系統(tǒng)研究，建立了地表變形控制與實時注漿參數(shù)動態(tài)響應(yīng)機制。并基于砂層注漿加固參數(shù)與圍巖變形特征，通過數(shù)值模擬對比分析，優(yōu)選適用于上覆流砂層地質(zhì)條件下