（岩土工程专业论文）胶州湾海底隧道预注浆加固不良地质段围岩的稳定性分析.pdf

中文摘要 中文摘要 摘要：不良地质段隧道的施工往往采用预注浆方法对围岩进行超前加固，而确定 不良地质段隧道预注浆加固的注浆设计参数、注浆效果检查及注浆前后隧道的稳 定性分析是确保该方法成功的关键。在海底隧道的修建中，由于环境的特殊性、 裂隙岩体和无限量的海水补给使得隧道的安全施工更为重要，隧道突涌水破坏或 围岩失稳都会带来不可以挽回的后果。因此，针对海底不良地质段隧道围岩条件 复杂多变的特点，研究断层破碎带裂隙岩体注浆规律和注浆对不良地质段隧道稳 定性的影响具有重要的实际意义。 本论文依托青岛胶州湾海底隧道工程，在实地调研及查询大量资料的基础上， 采用理论分析和数值模拟的方法对隧道穿越断层破碎带时围岩的稳定性进行了研 究。主要研究内容如下：( 1 ) 对隧道穿越断裂破碎带时裂隙岩体注浆加固机理及 劈裂注浆技术进行了研究；( 2 ) 对胶州湾海底隧道预注浆加固现场实验和隧道穿 越群4 断层时注浆加固设计中的问题进行了分析；( 3 ) 采用数值分析方法对胶州 湾海底隧道在穿越最不良地质段时隧道围岩的稳定性进行了分析，并提出了适合 于胶州湾海底隧道穿越不良地质段时的注浆参数：( 4 ) 对隧道预注浆加固后的效 果检查进行了研究，参考过断层f 1 4 _ 4 第一循环注浆数据，利用公式法和数值分析 法对隧道预注浆前后的涌水量进行计算，最后结合实测的出水量得出了隧道在过 断层破碎带时一些重要注浆参数，为胶州湾海底隧道的安全施工提供指导作用。 关键词：裂隙岩体；注浆；断层破碎带；稳定性；注浆效果检查 分类号：t u 9 4 a b s t r a c t a bs t r a c t a b s t r a c t ：f o rt h et u n n e lc o n s t r u c t i o ni nu n f a v o r a b l eg e o l o g i c a ls e c t i o n ，w eo f t e n u s ep r e - g r o u t i n gt or e i n f o r c ei t t h e ni ti si m p o r t a n tf o ro u rr e s e a r c ht oi d e n t i f yg r o u t i n g d e s i g np a r a m e t e r s ，e x a m i n et h eg r o u t i n ge f f e c t i v e n e s sa n da n a l y z et h es t a b i l i t yo f t u n n e li nf o r e - a n d - a f tp r e g r o u t i n gr e i n f o r c e m e n t d u et os p e c i f i c i t yo ft h ec o n d i t i o n ， f r a c t u r e dr o c k sa n du n l i m i t e ds u p p l yo fw a t e r ，i ti se s p e c i a l l yi m p o r t a n tf o rt h et u n n e l c o n s t r u c t i o n t u n n e lw a t e r - g u s h i n gd a m a g ea n dt h ei n s t a b i l i t yo fs u r r o u n d i n gr o c k w h i c hw i l lb r i n gi n c u r a b l ec o n s e q u e n c e s t h e r e f o r e ，i nv i e wo ft h ec o m p l e xt r a i t so f t u n n e ls u r r o u n d i n gr o c ki nu n f a v o r a b l eg e o l o g i cs e c t i o n s ，t h e r ei sv e r yi m p o r t a n t p r a c t i c a ls i g n i f i c a n c et os t u d yt h eg r o u t i n gm l e so ff r a c t u r e dr o c km a s sa n dt h e i n f l u e n c eo f g r o u t i n gi nu n f a v o r a b l eg e o l o g i cs e c t i o n s t h i sp a p e rr e l i e so nt h es u b s e at u n n e lp r o j e c ta tq i n d a oj i a o z h o ub a y o nt h e b a s eo ff i e l ds u r v e ya n dl i t e r a t u r er e s e a r c h , is t u d yt h es t a b i l i t yo fs u r r o u n d i n gr o c kw i t h t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o nw h e nt h et u n n e lp a s s e st h o u g hf a u l t f r a c t u r ez o n e t h em a i nr e s e a r c ha sf o l l o w s ：f i r s t ，s t u d yt h eg r o u t i n gr u l e so ff r a c t u r e d r o c km a s sa n dt h es p l i t t i n gg r o u t i n gt e c h n i q u ew h e nt u n n e lp a s st h o u g hu n f a v o r a b l e g e o l o g i cs e c t i o n s ；s e c o n d ，a n a l y z ef i e l dp r e - g r o u t i n ge x p e r i m e n t si nh a r b o rt u n n e la t j i a o z h o ub a ya n ds o m ei s s u e so ft h eg r o u t i n gd e s i g nd u r i n gt u n n e lp a s s i n gt h o u g h f a u l t a g e f 4 - 4 t h i r d ，a n a l y z et h es t a b i l i t yo ft u n n e ls u r r o u n d i n gr o c ki nu n f a v o r a b l e g e o l o g i cs e c t i o nu s i n gn u m e r i c a la n a l y s i s ，a n ds u m m a r i z eo u tas e r i e so fg r o u t i n g p a r a m e t e r s ，w h i c h i ss u i t e dt oh a r b o rt u n n e li nu n f a v o r a b l eg e o l o g i cs e c t i o na t j i a o z h o ub a y f o u r t h ，s t u d yt h ee x a m i n a t i o no ft h eg r o u t i n ge f f e c t i v e n e s s ，u s e t h e o r e t i c a lf o r m u l aa n dn u m e r i c a la n a l y s i st oc a l c u l a t et u n n e lw a t e r - g u s h i n ga m o u n t d u r i n gf o r e - a n d a f tg r o u t i n go nt h eb a s eo ft h ef i r s tc y c l eg r o u t i n gd a t ao ff a u l t a g e f 4 - 4 a tl a s t ，ic o m b i n e dt h ec a l c u l a t e d w a t e r - g u s h i n ga m o u n tw i t h t h em e a s u r e d w a t e r - g u s h i n ga m o u n tt og e tas e r i e so fi m p o r t a n tg r o u t i n gp a r a m e t e r sw h i c hi ss u i t e d t ot u n n e l p a s s i n gt h o u g h f a u l tf a c t u r ez o n e i ti sa l lf o rp r o v i d i n gg u i d a n c eo f c o n s t r u c t i n gh a r b o rt u n n e la tj i a o z h o ub a y i ns a f e t y k e y w o r d s ：f r a c t u r e dr o c k ；g r o u t i n g ；f a u l tf r a c t u r ez o n e ；s t a b i l i t y ；, t h ee x a m i n a t i o n o fg r o u t i n ge f f e c t i v e n e s s ； c l a s s n o ：t i 独创性声明 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 一躲【_ 王磊一期：习嘶历 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 蝴飙矽产 导师签名： 钔存 签字日期矽7 年二月舯 | 致谢 致谢 本论文的工作是在我的导师李涛教授的悉心指导下完成的，李涛教授严谨的 治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。这两年来，李老师认真的 教学态度、对我们细心的教诲和其永远的学习态度给我深刻的印象。同时，在李 老师的教诲和指导下，我不仅学到了丰富的专业知识，而且李老师渊博的知识、 严谨求实的态度、活跃的学术思想，还有李老师儒雅的生活方式让我受益非浅。 李涛教授悉心指导我完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给予了 我很大的关心和帮助，并且从论文选题、思路的形成直到最后成文提出了许多的 宝贵意见，在此表示衷心的感谢。 衷心感谢中铁隧道集团洛阳中铁隧道集团有限公司洛阳科学技术研究所王全 胜在资料提供和注浆相关理论与技术方面的指导和帮助。 在实验室工作及撰写论文期间，张凤、房倩、秦小明、刘清华、张勇等同学 对我论文中的研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 在研究生这两年期间，感谢师兄、师姐们：曲军彪、王超、陈书丽、李明、 史世博、崔浩，你们在生活和学习中给了我很大的帮助；感谢同门张彦龙和田鲁 鲁，感谢室友王建和李春生，我们一起学习两年，结下了深厚的友情；同时感谢 我的师弟、师妹们：尹文平、黄华、刘丽，很开心与你一起探讨问题，互相学习。 漫漫求学路，非常感谢我的父母和家人，他们的理解和支持使我能够在学校 专心完成我的学业。 i 绪论 1 绪论 1 1 问题的提出和现实意义 世界上由于海峡的存在，陆地被分割，在不同条件下形成不同区域，并造成 交通障碍及文化差异。但如今随着世界各国政治、经济联系日益加深，修建海底 隧道、实现各大陆陆路相通逐渐在世界各地逐渐兴起。 世界上已修建了许多海峡隧道，未建的地方也正在积极研究筹划中。日本于 2 0 世纪4 0 年代在关门海峡修建的海峡隧道，是世界上最早的海峡遂道，之后又在 关门海峡修建了两座海底隧道。经过艰苦努力，日本于1 9 8 8 年在津轻海峡建成了 迄今为止世界上最长的海峡隧道青函隧道，使本州和北海道之间实现了铁路 运输。英法海峡隧道从拿破仑时代( 1 8 0 0 年) 以来就曾两次开挖，但都停了下来，直 到1 9 9 3 年隧道全部贯通，投入运营。1 9 9 6 年，丹麦大海峡隧道竣工。日本跨越东 京湾的渡海公路隧道，也是近期完工的一项令人注目的工程。挪威也修建了2 0 多 座海底隧道。 我国建成的水下隧道有很多条，而跨海隧道只有6 条，且它们均集中在港澳台 地区，大陆建成的水下隧道均为跨越江域的水下隧道，它们主要集中在上海地区， 有多条隧道穿越黄浦江；正在建设中的水下隧道：中国第一条跨海隧道厦门 翔安海底隧道、胶州湾湾口海底隧道、广州生物岛一大学城隧道以及狮子洋海底 铁路隧道等。拟建的水下隧道：琼州海峡跨海工程、渤海湾( 大连一蓬莱) 跨海 工程( 含隧道和海中悬浮隧道桥方案) 、杭州湾( 上海一宁波) 外海工程以及大 连湾水下隧道和台湾海峡跨海隧道( 实施尚有待时日) 掣1 2 1 。 海底隧道区别与普通山岭隧道的一个显著的特点就是：隧道上方为无尽的海 洋，有着无限的水源对隧道进行补给。隧道开挖造成了围岩初始应力场和有着无 限海水补给的渗流场韵重分布，。渗流场的改变又会引起围岩应力状态的改变，而 围岩应力状态的改变，会使得岩体结构发生改变，进而改变岩体的渗流特性。渗 流场和应力场相互藕舍，对围岩和支护结构的受力产生复杂的影响。在地下水渗 流场和围岩应力场的共同作用下，围岩稳定性降低，支护结构所受荷载增大，严 重时会造成围岩坍塌或者是突泥、涌水等灾害性事故【3 1 。同时，由于几乎所有的岩 体中都存在裂隙裂隙是由于地质作用形成的不连续面，它控制着岩体的强度和 渗流特征【4 l ，因此，对海底隧道在通过不良地质段时围岩的稳定性研究是海底隧道 建设研究的重要课题之一。 目前对隧道围岩不良地质段的加固往往采用预注浆加固的方法。而裂隙岩体 北京交通大学硕士学位论文 注浆是一个复杂的系统工程，它的渗流过程和注浆效果是岩体、浆液和注浆工艺 三方面共同作用的结果。裂隙岩体浆液渗流规律是确定注浆参数的基础，也是预 测注浆效果的重要因素。但目前，关于裂隙岩体劈裂注浆理论的研究还不够成熟， 而且大多数研究都是建立在单一裂隙和牛顿流体稳定渗流的基础一i - 的，难以真实 地反映裂隙岩体注浆过程。因此，开展裂隙岩体注浆渗流模拟实验研究是十分必 要的，正是出于这一原因，国内外开展了一系列的注浆模拟试验，企图建立各注 浆参数之间的内在关系，得到一些注浆参数的经验公式。 隧道涌水量是评价隧道充水条件复杂程度的主要标志，是制定隧道疏干排水 设计的主要依据。隧道涌水灾害是铁路、公路等交通基础设施建设中严重的地质 灾害之一。它不仅影响隧道建设的正常施工，而且还会波及到隧道建成后的安全 运营，有时甚至会导致行车中断，造成巨大的经济损失口l 。鉴于隧道地下水问题的 重要性，历来在隧道工程的修建中，国内外学者及工程技术人员都非常重视隧道 涌水的预测问题。因此，对于海底隧道的建设，隧道开挖涌水量计算和隧道渗透 稳定性评价也是相当重要的一个研究课题。 i 2 工程概况 甏。翟蹊蒸警冀蠹“。：豢孥篝霉蠢鬟 漂鬟罄攀、。_ i 一- ， 图1 - ! 青岛胶州湾海底隧道地理位置图 根据前期工程地质勘探的结果，隧道海域段基岩受构造运动影响较严重，破 1 绪论 碎岩体及抗风化能力较低的辉绿岩脉较发育，对水敏感的v 级围岩所占比例较 大。按照设计方案，埋深不足2 5 米的海域段占了相当大的比例。勘探结果显示， 隧道顶部2 5 米内岩体中的地下水活动痕迹普遍较明显，隧道开挖时的爆破震动和 围岩松弛都可能使其透水性加剧。在隧道开挖过程中，基岩中的断层破碎带、风 化深槽( 多由辉绿岩、煌斑岩等易风化岩体组成) 及风化夹层发育的地段具有发 生突水突泥的水文地质条件。因此，为保证海域段隧道的安全和顺利掘进，必须 对软弱易渗水岩层进行预注浆，达到开挖前堵水和加固围岩的作用。 1 3 国内外研究现状 1 3 1 裂隙岩体注浆加固机理 注浆浆液的流动过程是浆液和被注介质共同作用的结果，对注浆浆液和被注 介质的认识是研究注浆渗流过程的基础。在此基础之上，浆液在被注介质中的流 动过程中浆液和被注介质所体现出来的性质就是岩体注浆的主要研究对像。 岩体裂隙是浆液流动的通道，由于岩体结构的不同，造成浆液流经的方式和 途径不同，从而产生不同的注浆效果。因此，对岩体结构的研究是整个注浆理论 的基础。 ( 1 ) 多孔介质理论。该理论认为岩体是一种多孔结构，孔隙是流体流经岩体的 通道，根据其孔隙分布情况，又可分为各向同性多孔介质和各向异性多孔介质。 ( 2 ) 拟连续介质理论。该理论认为岩体虽受裂隙分割，但通过该理论应用等效 原理处理后，岩体空间内每一点上岩石和裂隙都保持连续。因此，在岩体内每一 点上都同时存在岩石介质和孔隙介质，浆液就是通过这些孔隙在岩体内流动的 ( 3 ) 裂隙介质理论。该理论认为岩体是受裂隙分割的不连续体， 浆液在岩体内 通过裂隙网络流动。 ( 4 ) 孔隙和裂隙双重介质理论。该理论认为岩体由孔隙性差而透水性强的裂隙 系统和孔隙性好而透水性弱的岩块系统组成，浆液在该种介质中流动时，既可在 裂隙中流动，又可在岩块中流动，并在两者之间发生强烈的质量交换。 浆液在岩体裂隙中的流动规律是主要根据浆液类型分类而得出不同的表现浆 液流动规律的公式。 在牛顿流体方面，刘嘉材【6 l 教授研究了二维光滑裂隙中牛顿流体的流动规律， 根据牛顿摩阻力定律，推导出了扩散半径与注浆时间的表达式；b a k e r t 7 】( 1 9 7 4 ) 针对牛顿流体在裂隙内的辐射流动，采用平直、光滑、等开度的平行板裂隙模型， 并假定注浆压力和流量恒定不变，导出了浆液层流关系式；张良辉【8 l 考虑粗糙度和 3 北京交通大学硕士学位论文 地下水粘性阻力的影响推导了牛顿流体灌浆时间与扩散半径关系的公式；石达民 9 1 等人对时变性牛顿流体进行过实验研究，推导了浆液作一维层流时压力的变化规 律。 在宾汉姆流体方面，g l o m b a r d i 【l o 】( 1 9 8 5 ) 根据力的平衡，导出了在开度为 b ( 原文为2 t ) 的裂隙中浆液的最大扩散半径公式；维特克【l l 】( w i t t k e ) 和沃尔尼 ( w a l l n e r ) 根据注浆压力变化梯度与浆液屈服强度的变化梯度之代数和为零，建 立了平衡方程，推导出宾汉姆流体在等厚光滑裂隙中的扩散距离；h b 加宾考虑了 浆液重力密度及裂隙倾斜角度对宾汉流体扩散距离的影响；杨晓东【1 2 1 ( 1 9 8 7 ) 认为， 当宾汉姆流体在裂隙中作低雷诺数的平面时，忽略浆体的流动惯性和重力作用， 推导出了宾汉姆流动的流动方程；h a s s l e r 1 3 1 4 l 等人用渠道网络代替裂隙面，将二 维辐射流简化为一维直线流，得出在单条渠道内浆液的运动方程；郑长成【l5 】考虑 了裂隙倾角和方位角的影响，将浆液粘度时变性参数做了简化，且提出了“等效水 力开度”的概念，进而得出了浆液最大扩散半径的公式；葛家良【l6 】针对隧道围岩结 构面注浆，建立了浆液在二结构面中扩散的g j l 模型，并假定水泥浆动力粘度和 动切力服从杨晓东提出的公式，忽略惯性力的影响，考虑了粘度时变性的影响， 提出了最大注浆扩散半径。 1 3 2 室内裂隙岩体注浆模拟试验 对裂隙岩体中注浆渗流的模拟实验研究是弄清浆液流动规律的重要手段。多 年来，国内外开展了一系列的注浆模拟试验，试图建立各种注浆参数之间的内在 关系，得到注浆参数的经验公式。 前苏联学者【1 7 1 曾进行了细砂层中浆液扩散参数的试验研究，试验中以常注浆 压力为条件，得到了注浆压力、浆液流量、渗流速度、注浆时间和浆液扩散半径 之间的关系： r = 2 8 3 8 2 p o 5 3 m 0 2 3 t - 0 8 3 t o ” q = 1 5 6 4 5 p 1 伪m o 4 3 。1 邡( 1 1 ) v = 6 18 6 p 1 伪m o 4 3 一1 5 3 其中，尺为扩散半径( c m ) ：t 为注浆时间( t i l i n ) ；p 为注浆压力( m p a ) ；t 为浆 液粘度( m p a s ) ：k 为介质的渗透系数( e m s ) ；q 为浆液注入量( ，1 1 1 ) ；m 为砂的粒 度模数，一般可取m = 2 5 5 5 x 1 0 2 k 。 奥地利学者【1 8 】进行过单裂隙中浆液流动过程的模拟试验。试验中采用了三种 不同的模型，第一种模型是将浇筑好的2 lxlm 3 的砼块用特殊的方法将其劈裂， 4 l 绪论 然后用劈裂后的砼块进行裂缝注浆模型试验，根据试验结果建立了注浆流量、注 浆压力及渗透距离之间的关系；第二种模型是利用两块直径为1 4 m 、厚为0 3 m 的 砼块构成模拟裂隙，然后在模型的中间钻孔并注浆，使浆液在裂缝中呈轴对称流 动，测得不同间距下裂隙流量、注浆压力及浆液粘度之问的关系；第三种模型是 用两块2 x 0 3 m 2 厚的钢板拼成裂隙，并在给定的粗糙度下进行注浆，研究粗糙度 对注浆流量及浆液扩散距离的影响。 国内学者在注浆参数方面也开展了一系列注浆模拟试验研究。如中国水利水 电科学院【1 9 】研制开发了平板型注浆实验台，建立了非牛顿流体在水平光滑裂隙面 内的扩散方程，得出了扩散半径和注浆压力、浆液粘度及注浆时间之间的关系 r = 9 0 0 5 2 2 1 + r o ( 1 2 ) 式中，尺为扩散半径( c m ) ；p c 为注浆孔压力( k g c m 2 ) , p o 为裂隙内地下水压力 ( k g e m 2 ) ：t 为注浆时间( r n i n ) ；6 为裂隙张开度( c m ) ；r e 为注浆孔半径( e m ) ；为 浆液粘度。 近年来，中国矿业大学杨米加【2 0 】考虑岩体裂隙的随机性和复杂性，同时服从 一定的分布( 正态，均匀，分形分布) ，并结合浆液的流变性能，得出了随机裂隙 岩体的注浆渗流规律，建立的注浆渗透半径经验公式为： r = 5 9 0 3 4 x 1 0 - 3 l 朋1 8 0 3 s 9 a b o o 1 钙磊0 2 7 8 脚皖n m l p 0 斛- o 嗍c r o 胞f o 1 姗口一。埘( 1 - 3 ) 式中：p 为注浆压力( m p a ) ；b 为裂隙开度( 舢n ) ；l 为裂隙迹长( m ) ；t o 为粘度 系数( 厘泊) ；t 为注浆时间( s ) ；如、6 孙赴分别为裂隙结构修正系数等。 东北大掣2 l 】研制了槽形反扁圆柱状实验台，并用它研究多孔介质体中注浆渗 流过程的压力分布及其随扩散距离衰减的规律，得到 r = 8 7 p o 4 7 9 8 k o 3 6 4 7 玩- 0 1 5 t o 1 5 t o 3 2 4 0 h o 上7 0 6 ( 1 - 4 ) 式中，尺为浆液的实际扩散距离( c m ) ；p 为注浆压力( m p a ) ；k 为被注介质的 渗透系数( 删) ；肋为浆液初始粘度( m p a s ) ；t 为注浆时间( s ) ；t 为注浆胶凝时间( s ) ： h 为注浆段高( m ) 。 1 3 3 预注浆加固技术 隧道在不良地质段施工时，当围岩自稳时间短，不能保证安全地完成初次支 护时，为确保施工安全，加快施工进度，必须在开挖前对前方的围岩进行超前支 护，然后才能进行开挖作业。超前支护有多种方法，如插刀盾构、项板法、超前 预切槽、超前长管棚、超前锚杆或超前小导管、插板、排钎等，施工时可根据实 际情况选择【2 2 1 。 5 北京交通大学硕士学位论文 当围岩自稳时间在1 2 2 4 小时之间时，通常采用超前锚杆或超前小导管支护， 若结构跨度较小，常采用超前锚杆支护；若结构跨度较大( 跨度大于6 米) 或锚 杆成孔较差，可采用超前小导管支护。采用超前小导管支护时，为提高支护效果， 须配合钢拱架支护。 超前锚杆和超前小导管的支护作用与一般的结构锚杆的支护作用不同。工程 开挖后，超前支护的锚杆或小导管一端支在未开挖的围岩上，另一端支在钢拱架 或喷射混凝土、结构锚杆上，可以起到两端有支点的梁的作用。锚杆还因为砂浆 对围岩的固结作用，有时又可以起到钢筋混凝土梁中受拉主筋的作用。当围岩产 生松弛变形时，超前支护可以及时提供支承抗力，有效地约束围岩的松弛变形， 从而在一定时间内阻止开挖面顶部围岩的坍塌，为初期支护施工提供必要的作业 时间。 长管棚超前支护作为地下工程的辅助施工方法，是为了在恶劣和特殊条件下 安全开挖，预先提供增强地层承载力的临时支护方法，对控制塌方和抑制地面沉 降有明显的效果。由于施工精度要求高、要求专用设备、造价高、速度慢、纵向 搭接设置第二排管棚难度大等原因，只在特殊地段、通过距离不长的不良地层或 不稳定地层处开挖洞门时采用。长管棚的设置主要有钻孔引入法和导管直接打入 法。根据地层成孔的难易程度，可选择不同的成孔机械。当地层容许先钻孔后排 管时，可采用普通的地质钻机、液压钻孔台车、锚杆钻机等钻进设备；当成孔困 难时，必须采用跟管钻机，边钻孔，边打入导管的方法。直接将管棚打入地层的 方法多用于处理塌方和山岭隧道通过松散软弱地层，且要求精度不高的地段。 1 3 4 隧道不良地质段围岩稳定性分析研究现状 当前隧道围岩稳定性研究方法有很多种，包括力学分析方法、数值计算方法、 人工智能方法、围岩分级法、反分析法、新奥法监控等，更有一些利用块体理论、 分形几何、系统分析及控制论等手段来研究隧道围岩稳定性。但是很多方法在隧 道围岩稳定性评价中的应用尚处于起步阶段或研究阶段，而目前较为成熟、工程 界广为接受的有以下几种方法： ( 1 ) 围岩分级法 隧道围岩分级是岩体力学和工程地质学中的一个重要研究课题。它既是工程 岩体稳定性分析的基础，也是岩体工程地质条件定量化的一个重要途径。工程围 岩分级是通过岩体的一些简单和容易实测的指标，把工程地质条件和岩体力学性 质参数联系起来，并借鉴已建工程设计、施工和处理等成功与失败方面的经验教 训，对岩体进行归类的一种工作方法。其目的是通过围岩工程地质分级，概括地 6 1 绪论 反映工程岩体的质量好坏，预测可能出现的岩体力学问题，为工程设计、支护衬 砌、建筑选型和施工方法选择等提供参数和依据，以确保围岩稳定。 ( 2 ) 数值模拟方法 近年来，随着计算机技术的迅猛发展，数值计算方法越来越多地被应用到围 岩稳定性的分析中，如有限差分法、有限元法、边界元法、离散元法等。而有限 元法早在5 0 年代中期便开始发展，到6 0 年代初期就广泛的应用于岩土力学中， 以解决围岩应力、变形以及洞室围岩稳定性的问题。1 9 6 0 年c l o u g h 、1 9 6 3 年w i l s o n 、 1 9 6 7 年z i e n k i e w i c z 等人首先采用线性弹性联系结构有限单元法求解岩体力学问 题。1 9 6 8 年g o o d m a n 、t a y l e r 及b r e k k e 等人提出了节理裂隙岩体的有限单元分析 法。1 9 6 6 年r e y e s 及d e e r e 提出了分析岩体中的屈服变形引起局部破坏的有限单 元法。为了克服有限元法在无限域问题应用中的限制，b e t t e s s 于1 9 7 7 年提出无限 单元这一单元形式后，印度的e k u n m a r 结合无限单元与有限单元，运用有限元计 算程序，对围岩稳定性问题进行了一系列的计算分析。 在国内，随着于学馥，郑颖人，刘怀恒等编著的地下工程围岩稳定分析【2 3 】 和李世辉编著的隧道围岩稳定系统分析的出版，业内人士对隧道围岩稳定的 认识更加全面。近年来，吉林大学的陆威【2 5 】利用美国m i c r o s o r 公司研制的v i s u a l b a s i c6 0 基于考虑围岩分级、应力应变分析和围岩监控量测这方面的因素开发了 公路隧道围岩稳定性评价软件。 另外，山东大学的李树忱、李术才和徐帮树【2 6 1 利用塑性区或位移扰动区来判 断围岩的稳定范围。根据弹性理论，借助工程中安全系数的概念，利用 m o h r c o u l o m b 和d r u c k e r - p r a g e r 强度准则，建立基于单元的安全系数法，通过f l a c 如中的f i s h 语言实现了其求解过程。通过求解围岩稳定的安全系数，建立了评价 围岩稳定的量化指标，给出了围岩稳定的安全范围，为锚固支护提供合理的支护 参数。 ( 3 ) 现场监控量测法阶2 8 1 现场监控法是采用现代量测技术，一边施工一边进行各种量测，将量测得到 的信息反馈到设计中。由于这种方法可以适应复杂多变的工程地质条件，因而它 能弥补围岩分级法及理论计算法的缺陷。自奥地利地质学家缪勒提出以充分发挥 围岩自承能力为基本原理，以锚喷支护及复合柔性衬砌为主要特征的新奥法以来， 改变了过去设计与施工的一些传统思路。它依据现场监控量测结果和信息反馈来 指导施工和设计。因此，以现场监控信息为依据，来评价隧道围岩稳定性的分析 方法日趋完善。但是迄今为止，国内在对现场监测信息进行处理及反馈的速度慢， 根据反馈信息及时指导施工的能力和水平差，与国外先进的信息化施工相比尚有 很大的差距。如何对监测得到的大量数据进行及时快速的处理和分析，进行自动 7 北京交通大学硕士学位论文 化管理是监测领域的一个发展方向。 1 3 5 海底隧道涌水量计算研究现状 隧道地下水涌水的预测是从定性分析开始的。最早的预测只是通过查明隧道 含水围岩中地下水的分布及赋存规律，分析隧道开挖区的水文地质及工程地质条 件，依据钻探、物探、水化学及同位素分析、水温测定等手段，确定地下水的富 集带或富集区，以及断裂构造带、裂隙密集带等可能的地下水涌水通道，并且用 均衡法估计隧道涌水量的大小。随着技术水平和施工要求的提高，基于定性分析 的隧道涌水预测研究发展成为隧道涌水的定量评价和计算。主要体现在隧道涌水 位置的确定和涌水量预测这两个方面【2 9 】。 在隧道涌水位置的确定方面，人们通过对隧道围岩水文地质及工程地质条件 的定性分析，发展了随机数学方法和模糊数学方法。在涌水量预测问题上，人们 根据隧道环境地下水所处地质体的不同性质、水文地质条件的不同复杂程度、施 工的不同方式及生产的不同要求等因素，提出了隧道涌水量预测计算的确定性数 学模型和随机性数学模型两大类方法。其中确定性数学模型方法包括水文地质类 比法( 比拟法、径流模数法) 、水均衡法、解析法和数值模拟法等。 在二十世纪六十年代中期以前，水文地质类比法、水均衡法、解析法比较常 用【3 0 1 。解析法是运用地下水动力学原理，以数学分析的方法，对一定边界条件和 初始条件下的地下水流动问题建立定解公式，然后，应用这些公式预测隧道涌水 量。在此之后，由于解析法等难以描述非均质含水层中和复杂条件下的地下水运 动规律，并且随着快速大容量电子计算机的出现和广泛使用，数值计算法( 主要 有有限差分法和有限单元法) 在地下水计算中得到推广，解决了非稳定流解析法 计算中难以解决的复杂条件下的水文地质计算问题。 隧道涌水量的预测计算是水文地质学科中的一个重要的理论问题，同时也是 隧道防排水设计和施工中一个亟待解决的实际问题，迄今为止尚无成熟的理论和 公认的准确计算方法。但对于确定的数学模型，并以渗流理论做为涌水量计算最 基本假设时，目前主要的计算方法有【3 1 】： ( 1 ) 陆域隧道 最大涌水量计算公式 1 1 铁路规范古德曼经验式： = 等 ( 1 - 5 ) q o ( 1 - 5 ) 2 - _ 刁r m 8 l 绪论 式中：q o 为隧道单位长度可能最大涌水量( m 3 d m ) ；k 为岩层渗透系数；p 为 含水层中原始静水位至隧道等价圆中心的距离( m ) ；，为隧道洞身断面的等价圆半 径( m ) ；d 为隧道洞身断面的等价圆直径( m ) ；m 为转换系数，一般取o 8 6 。 2 ) 铁路规范经验式：q o = 0 0 2 2 5 + 1 9 2 2 4 k u h ( 1 6 ) 式中q o 为单位长度最大涌水量( m 3 d m ) ；k 为渗透系数( 删) ；h 为静止水位 至洞身横断面等价圆中心的距离( m ) ；d 为洞身横断面等价圆直径( 呻。 正常涌水量计算公式 1 ) 铁路规范裘布依公式： 吼：k 掣 ( i - 0 a y l 。 式中q s 为单位正常涌水量( m 3 d m ) ；k 为渗透系数( i i l d ) ；h 为洞底以上潜水 含水体厚度( m ) ；h 为洞内排水沟假设水深( m ) ，本次计算取值为o ；毋为隧道涌 水地段的引用补给半径( m ) 。 2 ) 铁路规范经验式：吼= k i l t - ( 0 6 7 6 - 0 0 6 k ) ( 1 - 8 ) 式中驰为单位正常涌水量( m 3 d m ) ；k 为渗透系数( 删) ；h 为含水体厚度( m ) 。 ( 2 ) 海底隧道 由于海域隧道位于半无限含水层中，地下水直接接受海水的定水头入渗补给， 施工前期的最大涌水量与施工中的经常涌水量基本一致，故海底隧道的涌水量为 最大涌水量。 1 ) 大岛洋志公式： 铲豢簧 m 功g o2 万言_ 了产l 卜w 式中q o 为隧道单位长度可能最大涌水量( m 3 d m ) ；k 为岩层渗透系数；日为 含水层中原始静水位至隧道等价圆中心的距离( m ) ；，为隧道洞身断面的等价圆半 径( n 1 ) ：d 为隧道洞身断面的等价圆直径( m ) ：m 为转换系数，一般取0 8 6 。 2 ) 铁路规范古德曼经验式： 吼= 等 ( 1 - 1 0 ) d 式中和为单位长度最大涌水量( m 3 d m ) ：k 为渗透系数( n 们) ；h 为静止水位 至洞身横断面等价圆中心的距离( m ) ；d 为洞身横断面等价圆直径( m ) 。 1 3 6 结论 9 北京交通大学硕士学位论文 综合分析如上几个方面，主要结论有： 1 、在裂隙岩体中注浆是一个复杂的系统工程。目前，对注浆理论的研究还远 不够成熟，大多数的研究都建立在单一裂隙岩体和牛顿流体稳态渗流的基础上， 而真实裂隙岩体的注浆过程具有明显的非稳定特性和非牛顿流体特性。 2 、预注浆加固施工技术在隧道施工方面的应用已经基本成熟，它远远超前于 注浆理论研究。主要方法有超前锚杆、超前小导管和超前长管棚支护。在不良地 质地段及其围岩加固措施方面主要采用深孔预注浆方法，进行止水和加固围岩， 并采用短台阶法施工按设计要求进行钢支掌、锚喷支护。 3 、目前，在隧道围岩稳定性分析方面，主要分析方法就是力学分析方法、数 值计算方法、人工智能方法、围岩分级法、反分析法、新奥法监控等，但对于隧 道预注浆加固不良地质段的稳定性分析处于起步阶段。 4 、在海底隧道涌水量计算方面，比较常用的有公式法和数值法，二者的计算 对模型和参数的选取比较严格，数值法的适用性更强一些。但对于隧道在预注浆 加固后涌水量的计算仍然是一个比较新的课题。 1 4 本文主要研究工作 1 裂隙岩体注浆加固机理研究的研究 分析中铁大桥勘测设计院有限公司在二o o 六年十- , e l 所作的青岛胶州湾 隧道详勘工程地质报告，研究其中在陆域与海域段隧道沿线的大量断裂破碎带。 在此基础之上查阅相关文献、书籍学习研究裂隙岩体注浆加固机理及技术。 2 海底隧道预注浆加固技术研究 查阅有关海底隧道相关实例，研究出湾海底隧道不良地质地段的预注浆加固 设计方案，并总结胶州湾海底隧道预注浆加固设计及施工技术。 3 海底隧道穿越断层破碎带时预注浆加固的稳定性分析 结合胶州湾海底隧道所穿越断裂破碎带的具体地质情况与注浆加固机理的研 究，并参考室内外注浆试验的结果，采用计算机数值模拟的方法对隧道围岩预注 浆加固后的稳定性进行分析，同时在此基础上确定不同围岩条件下注浆加固圈的 厚度、抗渗性能和强度等量化指标，为青岛胶州湾海底隧道的动态设计和优化以 及施工( 信息化施工) 提供参考依据。 4 海底隧道预注浆加固涌水量计算分析及安全评价 隧道涌水量的计算由于其复杂性和多变性是一个尚未成熟且亟待解决的实际 问题。本文将利用公式法与数值法对胶州海底隧道预注浆加固前后的涌水量，并 分析总结其对隧道施工安全稳定的影响。 l o 2 裂隙岩体的注浆理论 2 裂隙岩体的注浆理论 裂隙岩体注浆可以分为帷幕往浆和固结注浆，就是将一定的浆液注入岩体裂 隙内。帷幕往浆的浆材主要是防渗材料，固结注浆的浆材主要是高强度材料。由 于裂隙岩体内往往存在大量的节理裂隙，尤其是多次构造作用形成的节理裂隙， 所以研究浆液在岩体裂隙内流动规律就更复杂。目前，只能利用裂隙岩体的一些 渗流模型，研究浆液在较为简单的裂隙模型内流动规律。现有的注浆公式也只限 于水平单一裂隙或一组裂隙内浆液的流动，较为复杂的模型还需做大量的研究工 作【3 2 1 。 2 1 裂隙岩体的注浆特性 2 1 1 岩体中裂隙的性质 基岩裂隙分为原生裂隙、风化裂隙和构造裂隙。原生裂隙在成岩过程中和以 后的沉积中多己被充填；风化裂隙多在基岩风化带处发育，而且在许多地区和上 覆松散沉积物组成统一含水体，比较复杂且对地下水起着控制作用的主要是构造 裂隙。 构造裂隙受到区域构造场的控制，它主要在断层两侧或构造交汇部位，背、 向斜轴部和收敛端，以及应力集中区发育。由于裂隙随构造而伴生，研究证明它 的发育和展布具有如下特点。 裂隙的方向性和共扼性 由于断层和褶曲的发育具有一定的方向性，因而由此产生的羽状裂隙或拉伸 及剪切必然按照一定的方向发育。裂隙的统计和研究证明，在一个地区总是以某 一方向裂隙的发育为主，而与其共扼的另一方向次之。裂隙及断裂的方向和地下 水的运动密切相关，特别是新构造裂隙更是地下水聚集和活动的主要场所。 裂隙的成带性 在水平方向上裂隙的带状分布是明显的，在垂直方向上分带亦很明显。肖楠 森教授曾按水动力和水化学特点将新构造裂隙带在垂直向上分为三带，即由地表 至5 0 - - 6 0 m 深度内称为地下水淋滤入渗带，这个深度以上裂隙中充填沉积有大量松 散的泥砂、铁锰氧化物，水量水质均不稳定；在6 0 2 0 0 m 左右深度范围内为地下 水侵入蚀径流带，此带内有少量泥砂及氧气、二氧化碳等气体，对围岩有强烈侵 蚀溶蚀作用，该带水量大，水质稳定；深度在2 0 0 m 以下叫地下水矿化滞流带，该 北京交通大学硕士学位论文 深度以下裂隙逐渐闭合，矿化度加大，水量少、水质差。这些划分虽然比较粗略， 但地下水在垂向上的分带性是客观存在的。 裂隙的网络性 断裂和裂隙彼此交叉形成菱形网格，在断裂交汇和裂隙密集部位，利于地下 水富集。由于层间裂隙的存在和裂隙的网络性，地下水在岩体内的运动既有层间 运动的特点，又不完全顺层向岩层的倾刹方向流动，在垂向上也没有随着含水层 的继续下掘而水量按比例增大的规律，地下水在岩体裂隙中的运动是一种脉状或 网状运动，而不同于孔隙介质中的渗流。 裂隙含水的不均一性 裂隙岩石在垂向和走向上渗透性都是不均一的。断裂切穿了岩性差异很大的 地层，沟通了含水层之间的联系，而裂隙一般穿透能力较差。裂隙的发育程度除 了受区域构造应力场的控制外，还与岩体自身的岩性、胶结方式、力学性质、厚 度等因素有关。比如说颗粒较粗的砂岩裂隙较发育，而且孔隙度也大。接触式胶 结的砂岩容易形成含水裂隙，而泥质钙质基底式胶结的砂岩则裂隙性差。砂岩厚 度大，裂隙比较稀疏，形成的平均间距也大，但这样的裂隙一般开度大、延伸远， 成为地下水的主要流动干道，水量较大。反之则裂隙延伸长度有限，水量易于疏 干。煤系地层由于岩相变化大，厚度不稳定，裂隙发育的差异性很大，地下水的 主要通道仅是那些与导水断层或含水体有直接联系的区域性裂隙，并不是所有裂 隙均含水。 总之，由于裂隙发育的上述特点，使岩体裂隙中地下水的运动变得十分复杂。 因而在用化学浆注浆堵水的过程中，浆液的流动规律也变的很复杂。 2 1 2 裂隙岩体的注浆特性 ( 1 ) 裂隙岩注浆的不可控性 目前裂隙岩体的注浆很大程度上是非可控注浆。岩土体注浆后的固结体的形 状和尺寸几乎是不可能预测的，属不可控注浆，人们只能从注浆后的防渗加固效 果上判断固结体的形状和尺寸。这是因为岩体内存在着大量的节理裂隙，不同地 质构造作用形成的节理分布相当复杂。浆液在地层中的运动过程也就极为复杂， 从流向和分布看，类似于地下水渗流的反过程；从浆液与介质的作用上看，注浆 流动和分布受到裂隙( 孔隙) 度、裂隙( 孔隙) 尺寸自身的复杂及由注浆劈裂而 变化、过流面粗糙程度、过流面曲折度、地下水流向及水头等因素的影响；从浆 液材料自身来看，在注浆过程中，浆液内部存在着复杂的化学变化( 如水泥浆的 水化、凝结、硬化) ；同时因受注浆压力、地下水稀释及重力作用等因素的影响， 1 2 2 裂隙岩体的注浆理论 浆液在流动中发生着稀释、沉淀和局部稠化现象。这些变化使得人们精确描述浆 液运动规律和扩散范围是相当困难的。 ( 2 ) 裂隙岩体可注浆性要求 岩体裂隙可注性是裂隙宽度应大于注浆材料最粗颗粒直径的3 倍以上。我国 普通水泥中主要成分的颗粒直径约为5 0 1 t m ，最粗的达8 1 t