软岩隧道涌水机理及加固处治研究

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随着经济的持续发展、综合国力的不断提升及高新技术的不断应用,我国隧道及地下工程得到了前所未有的迅速发展,其中在软岩地区修建隧道的数量也在不断增加。软岩隧道在穿越或靠近断层破碎带时,由于开挖扰动和破碎岩体本身的不稳定性,在施工过程中易出现诸如围岩大变形、失稳,涌水等现象,这给施工带来了较大的安全隐患。软岩隧道涌水灾害难以预判和遏制的原因在于,涌水灾变演化以及相关力学机制较为复杂。目前对软岩隧道涌水机理并未形成系统清晰的认识,对涌水处治技术的研究也未成体系,因此开展软岩隧道涌水机理与处治方法研究,有利于解决在软岩地区修建隧道时出现的上述工程难题。本文以某软岩隧道为工程背景,针对该隧道发生的涌水塌方事故,在总结大量文献的基础上,综合采用理论分析、数值仿真及现场实测等方法,展开对软岩隧道涌水机理与处治方法的研究分析。首先,在深入调查和理论分析的基础上,对致灾成因进行了探析,基于泥沙运动学理论,对软岩隧道涌水力学演化机制进行了推导。其次,基于前文结论,展开了软岩隧道影响因素的数值分析,分别建立了致灾因素数值对比分析模型和隧道涌水断层破碎带影响因素敏感度分析的数值模型。然后,总结了目前隧道涌水处治加固技术,针对注浆的堵水方法,展开了双壳注浆加固在软岩隧道涌水处治中的应用研究,同时结合正交试验原理、层次分析法、线性综合评价模型,对合理的双壳注浆参数进行了综合优化分析。最后,针对佛头岭隧道现场实际并参考以往工程经验,提出了针对性的工程处治措施并通过现场实测数据加以验证。具体内容包括:(1)在经理论和数值分析后,认为软弱围岩体、地下水、降雨、断层破碎带、地应力等自然因素是佛头岭隧道涌水的内在原因;支护不及时和过大开挖步等支护和施工方案因素是导致事故的重要原因;围岩等级差异是软岩隧道涌水量大小的关键原因。(2)软岩隧道在开挖扰动和地下水软化作用前提下,断层破碎带出现抗剪强度和活化强度降低,在渗流作用的持续作用下,破碎岩体内部充填物大量流失,渗流通道被进一步拓宽,在隧道施工没有加以防护、加强排水和支护参数的前提下,掌子面支撑力出现不足,宏观表现为施工掌子面出现大量涌水并夹带破碎岩块,直至失稳塌方。(3)建立隧道涌水断层破碎带影响因素敏感度数值模型,经分析,断层破碎带倾角(涌水极差90.53m3?d-1,围岩变形极差15.06%)、至隧道净距(涌水极差67.23m3?d-1,围岩变形极差15.11%)及带内充填物力学性质(涌水极差54.32m3?d-1,围岩变形极差7.79%)为影响隧道涌水及围岩稳定的重要因素,断层破碎带宽度(涌水极差29.93m3?d-1,围岩变形极差5.81%)为一般因素。(4)对以往文献和前人研究成果进行总结,目前,“以堵为主,限量排放”是目前隧道地下水处治中的主要原则,涌水处治过程中,常常是堵水法和排水法兼顾配合使用;针对佛头岭隧道涌水的实际情况提出了针对性的工程对策,经由现场察看及监控量测数据,佛头岭隧道涌水处治措施是合理有效的。(5)建立双壳注浆数值模型并结合正交试验分析、层次分析及线性综合评价模型确定了相关关键因素水平的合理取值,正交试验结果表明,各类指标数值较小,说明双壳注浆在整体上的加固效果良好。浅部注浆壳厚度的最佳取值为4m,浅部注浆壳与围岩的渗透系数比最佳取值为0.01,中部缓冲层厚度最佳取值为6m,深部注浆壳与围岩渗透系数比最佳取值为0.1;断面涌水量、拱顶沉降、拱顶变形速率比值、拱顶支护最大主应力权重系数分别为0.0953、0.1603、0.4668、0.2776;通过线性综合评价模型分析最终确定深部注浆壳厚度的最佳取值为5m。
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