聚氨酯复合注浆材料浆液扩散特性及应用研究

山岭隧道所处地层大多节理裂隙发育，水系丰富，由此引发的突涌水灾害普遍具有突发性高、危害性大和破坏性强等特点，直接威胁隧道施工安全。基于化学改性和无机-高分子杂化技术，以聚氨酯材料与普通硅酸盐水泥为基础，结合复合功能助剂，制备得到聚氨酯复合注浆材料。通过对该复合注浆材料的SEM观测，分析浆材固结体的防渗性能。通过水槽注浆模拟试验，研究注浆材料的浆液扩散和抗冲刷特性。利用Galerkin有限元法建立连续模型方程，数值模拟浆液的流动过程，分析注浆过程中的流场特征。通过现场工程应用，验证该复合注浆材料对山岭隧道突涌水的注浆封堵效果。研究结果表明，有机/无机杂化的空间互穿网络凝胶结构，提高了结石体的力学性能和防渗性能。浆液在动水环境下的富水砂砾地层留存率高，扩散程度好，注浆封堵效果明显。数值模拟结果与现场试验基本相符，对复合注浆材料浆液流场特征进行分析，有助于实现地下突涌水注浆治理全过程的优化控制。山岭隧道突涌水的现场应用表明，使用复合注浆材料对富水地层注浆后无渗水现象，后期经过长时间观测，封堵效果和耐久性优异。     

考虑浆液稠度变化的盾构壁后注浆扩散模型

盾尾脱离管片后,在土体与盾构隧道管片间形成一个环形柱状空隙,对盾尾空隙进行壁后注浆是控制地层应力释放和地层变形的重要手段。以幂律型浆液为研究对象,建立恒定注浆速率条件下盾构隧道壁后注浆渗透扩散模型,分别推导浆液渗透扩散区内稠度时空变化与空间稠度不变时的压力时空分布方程及因注浆造成的管片压力计算公式;结合具体工程算例,分析浆液压力与注浆时间、浆液扩散半径之间的关系,讨论注浆压力、幂律型浆液水灰比和注浆时间等因素对管片所受压力的影响。并对浆液扩散区内稠度时空变化与空间稠度不变的计算结果进行相应的比较,说明盾构壁后注浆考虑稠度时空变化的必要性。研究成果为盾构隧道壁后注浆参数的选择提供一定的计算依据。     

水泥基-玻璃纤维浆液在岩溶突水注浆加固工程中的应用研究

注浆材料是注浆堵水加固工程中影响最为显著的因素之一。水泥基-玻璃纤维由于其具有良好的工程特性成为研究的热点,试验从抗压强度、抗拉强度、抗折强度和抗渗性能方面对新型材料注浆浆液进行了研究,分析可知Cem-FIL60型玻璃纤维掺入量0. 5%对于提高上述性能有着良好的效果;通过水泥基-玻璃纤维在利万高速齐岳山隧道注浆加固工程,对注浆效果进行了检验分析,取芯观测显示,采用该材料对注浆加固有显著的作用,为岩溶隧道突水加固治理的新方法的应用进行了有益的探索。     

盾构隧道壁后注浆球孔压滤扩散模型

假设饱和软土地层中从管片注浆孔进行壁后即时注浆时,浆液直接接触周围土体,形成以注浆孔为中心的半球形浆体,与周围土体发生压滤效应,应用达西定律和弹性理论对球形浆体扩散过程进行理论推导,建立盾构隧道壁后注浆球孔压滤扩散模型。计算分析壁后注浆时隧道周围土体孔隙水压力、有效应力及注浆对管片产生的附加压力。分析结果表明:孔隙水压力随着远离注浆孔而逐渐消散;土体径向有效应力随着远离注浆孔逐渐减小,土体切向有效应力随着远离注浆孔先增大、后逐渐减小;注浆对管片产生的附加压力随着注浆压力的增大而增大。     

软土地区类矩形盾构隧道同步注浆填充扩散压力空间分布模式

为解决类矩形盾构隧道同步注浆时易发生的浆液淤积问题,研究浆液在类矩形盾构隧道盾尾间隙内的填充扩散过程。根据流体力学原理,推导浆液在宾汉姆流体条件下的压力环纵向分布模式,得到软土地区类矩形盾构隧道同步注浆环向填充与纵向扩散的力学模型及计算方法;结合宁波市轨道交通3号线陈婆渡车站出入段线隧道工程实测数据,在验证理论模型合理性的基础上,分析注浆填充扩散压力沿环纵向的分布规律及其影响因素。结果表明:软土地区类矩形盾构同步注浆压力沿环向整体呈现上小下大的分布特征,异形截面局部压力有一定的起伏趋势,其变化主要来自浆液的自重加/减压、剪切力的减压作用;沿纵向的扩散压力由于仅受剪切力的减压作用,从盾尾处往后逐渐递减;对浆液沿程压力分布影响较大的参数主要包括浆液材料静切力、环饼厚度以及盾尾间隙,其中浆液材料静切力与沿程压力损失呈线性正相关,环向填充的沿程压力损失对环饼厚度最为敏感且适用于该模型的取值范围为0.02~0.03 m,纵向扩散的沿程压力损失对盾尾间隙大小最为敏感,注浆压力应根据盾构超/欠挖状态进行实时调整。     

盾构隧道同步注浆浆液压力分布规律模型试验研究

基于盾构隧道典型4孔同步注浆的特点,建立盾构-浆液-土体相似系统和模型试验平台,开展不同注浆方式下的室内相似模型试验,研究盾尾空隙内浆液压力的分布规律及消散过程、浆液的流动路径及扩散方式。结果表明:注浆方式对浆液压力的有效影响范围主要集中在盾尾后方2倍隧道直径范围内;利用上部注浆孔或下部注浆孔单独注浆都是不科学的;上部或下部浆液流量大于等于60%时,其流量变化对浆液压力初值的分布具有决定性作用;上部浆液流量在60%~80%之间才能确保浆液压力初值较好地适应地层应力;盾尾空隙最佳充填模式为,单孔注浆时应采用上部注浆孔,双孔同步注浆时应采用上下双孔注浆且上部浆液流量约占总流量的80%,4孔同步注浆时上部浆液流量应占总流量的60%~80%;刚注入的浆液主要分布在注浆孔附近区域,单位时间内新形成的盾尾空隙主要由原来盾尾处呈流塑状的浆液进行充填;建议在拱顶附近预留专用注浆孔进行二次补注浆。     

考虑迂曲度的水泥-水玻璃双液浆柱形渗透机制研究

目前,水泥-水玻璃双液浆在工程中的应用日益增多,但对考虑迂曲度的双液浆扩散机制研究较少。假定水泥-水玻璃双液浆为具有黏度时空效应的宾汉姆流体,考虑迂曲度的影响并认为浆液沿柱形渗透扩散,推导得到水泥-水玻璃双液浆的浆液扩散半径计算公式。对比浆液扩散半径的计算值与工程案例试验值,两者吻合较好,从而验证了计算公式的可靠性。分析注浆终压、注浆管内浆液流速和柱形加固区高度对不同水泥-水玻璃双液浆配比的浆液扩散半径的影响。研究结果表明：当水泥-水玻璃双液浆配比不变时,浆液扩散半径随注浆终压和注浆管内浆液流速的增加而增加,随柱形加固区高度的增加而减小;当水灰比为1时,保持注浆终压、注浆管内浆液流速、柱形加固区高度不变,水泥-水玻璃体积比为1∶1时的浆液扩散半径较2∶1和3∶1时大,应优先选用水泥-水玻璃体积比为1∶1的双液浆,此时为达到1 m的浆液扩散半径,考虑迂曲度时所需注浆终压约为不考虑迂曲度的1.4倍,因此有必要考虑迂曲度对双液浆渗透扩散的影响;考虑迂曲度后,浆液渗透扩散能力降低,且随着注浆终压、注浆管内浆液流速的增大和柱形加固区高度的减小,考虑迂曲度和不考迂曲度的浆液扩散半径的差值逐渐增大,...     

岩溶隧道涌突水灾害发生机理与工程防治

研究目的:针对国内岩溶区长大隧道施工过程中频繁遭遇的涌突水灾害对工程造成重大损失和人员伤亡的现状,在调研国内外隧道涌突水灾害发生现状的基础上,利用薄板理论、剪切破坏理论对隧道涌突水灾害发生机理和过程特征进行了研究,旨在得到涌突水灾害的形成和发生条件、预防措施以及岩溶地段隧道的施工原则。研究结论:涌突水灾害的形成和发生,必须具备四个基本条件;由于隧道开挖引起围岩应力场变化和溶洞内水压作用,隔水岩板发生松弛,易导致灾害发生;岩溶地段隧道施工要遵循下述原则:排水降压、超前支护,以堵为主,堵排结合,浑水要堵,清水要排。     

天目山隧道地质超前预报及突水防治研究

为针对隧道突水采取有效防治措施,以天目山隧道突水防治工程为例,首先结合掌子面岩性、水力联系、断层情况以及施工工程动态信息,进行突水风险初步判断;然后采用地震波、地质雷达、地质素描方法进行超前地质预报;最后依托超前地质预报成果,采用超前探孔泄压支护结合注浆堵水进行掌子面突水处理。结果表明:超前地质预报成果准确,注浆堵水措施合理,堵水效果良好,可为后续类似工程提供经验借鉴。     

基于颗粒流的围岩注浆动态过程模拟研究

研究目的:富水地层隧道开挖易发生突水突泥,注浆为一种有效防范措施。本文基于颗粒流离散元方法,研究围岩注浆对富水地层隧道开挖的影响,通过对岩体注浆过程进行细观动态模拟,研究不同注浆压力和注浆孔布设方式下的注浆效果,从而为优化注浆方案提供参考。研究结论:(1)注浆压力的大小决定了最终浆液扩散形式,即注浆压力增大,注浆形式由渗透注浆变成劈裂注浆;(2)通过颗粒流软件模拟出的动态效果及数据分析,验证了劈裂注浆是压密→劈裂→压密→劈裂的动态过程,直至浆液的扩散压力不足以再劈裂围岩颗粒时趋于稳定;(3)多孔同时注浆时浆体很难进入到中心位置;(4)基于本文的研究对象,劈裂注浆的效果优于渗透注浆,考虑过大注浆压力对岩土体的冲击作用,工程应用时可尽量采用起劈压力进行劈裂注浆,且注浆时并不是较多的注浆孔同时注浆就能得到更好的效果,要针对实际地质情况,合理安排注浆孔以及注浆顺序,避免地层薄弱点出现在多孔同时注浆的中心点处;(5)本研究成果可为软弱地层注浆孔的布置原则及注浆质量控制提供参考。     

饱和软黄土隧道围岩注浆加固参数研究

研究目的:饱和软黄土地层隧道围岩具有强度低、承载力差、抗变形能力弱等特性,因此对饱和软黄土地层隧道围岩注浆加固参数展开研究具有重要意义。依托西安地铁4号线火车站站暗挖西安火车站工程,进行室内黄土力学性能和现场注浆试验,研究含水率对黄土强度特性的影响,分析黄土劈裂注浆浆液扩散的基本规律及劈裂机理,并总结现场隧道围岩注浆加固参数。研究结论:(1)饱和软黄土的含水率降低,其强度呈线性增长,因此注浆后降低了原位土体的渗透性能以及提升土体的黏聚力,整体上提升土体的抗剪强度;(2)黄土劈裂注浆浆液扩散的基本规律及劈裂机理:浆脉夹角近似120°,且高度不一致,长度有差别,在注浆压力逐渐增大的情况下,浆液在黄土体内会先后三次劈裂土体,形成劈裂缝并在其中进行扩散、填充,最终形成黄土劈裂注浆的"Y"型浆脉;(3)加固后的开挖面土体无侧限抗压强度达到0.6 MPa,周边土体加固区达到1.2 MPa,渗透系数≤10-6cm/s,含水率由原先的约30%下降至10%;(4)得出了在饱和软黄土地层中下穿火车站暗挖隧道WSS注浆所使用的配合比、注浆压力控制值、黄土地层下填充系数等参数,可为饱和软黄土地层隧道围岩注浆加固参数的精细化设计提供必要的参考依据。     

城陵矶穿越长江水下软硬不均地层隧道修建技术

城陵矶穿越长江隧道全长2 756.379 m,根据地层不均匀的地质条件,为节省投资并确保水下施工的安全,在长江南岸以及长江主河道以下地质条件复杂、断层破碎带密集的地段采用盾构法施工,施工长度2 011.379 m;在长江北岸隧道穿越地质条件较好、埋深较大的河床段采用矿山法施工,施工长度745 m;竖井上部软弱地层采用沉井法施工、下部硬岩采用钻爆法施工。盾构法施工中,选择泥水加压复合式盾构机,并选择复合式刀盘。在低水压地段采用泥水平衡模式,在高水压地段采用加气模式掘进,并根据地质条件变化及时调整掘进参数。施工中通过同步注浆、二次注浆及堵水注浆等不同注浆方法充填衬砌背后空隙保证防水效果。矿山法施工中,采用红外探水和超前钻探等方法进行超前地质预报、全断面帷幕注浆及小导管注浆加固围岩、微震动爆破开挖减小对围岩的扰动等防突涌水施工技术。在施工全过程中,运用监测与信息反馈技术进行信息化施工,确保了优质、安全、快速施工。     

岩溶地区某浅埋箱型隧道沉降成因及控制

研究目的:岩溶地区侧方基坑桩基施工及土方开挖过程中,浅埋明挖箱型地铁隧道结构出现突发沉降,尤其是变形缝部位沉降显著,本文通过箱型地铁隧道沿线及变形缝两侧的位移监测数据,分析隧道结构突发沉降产生的原因,并研究了浅层回灌水、深层回灌水和注浆加固等沉降控制措施的效果。研究结论:(1)支护桩施工诱发浅埋箱型隧道最大累计沉降为3. 3 mm,应重视其在岩溶地区的施工影响;(2)嵌岩工程桩施工揭露溶洞,承压岩溶水突涌桩孔,是侧方浅埋箱型地铁隧道结构突发沉降的主要原因;(3)浅层回灌水可短时间内使地层补水,抬升隧道,抑制隧道急剧沉降;长期实施深层回灌、桩基泥浆护壁施工,可维持地下水位,控制侧方隧道沉降,但存在深层回灌水可能通过岩溶裂隙或通道进入溶洞,降低回灌水补充效率的问题;(4)"双排桩+对拉钢绞线+对称开挖"有效控制隧道的最大水平位移为3. 0 mm;(5)箱型地铁隧道周围进行垂直和斜向钻孔注浆可起到加固和止水的效果,考虑到变形缝的敏感性,应实时控制注浆压力;(6)该研究成果可供类似岩溶地区浅埋箱型地铁隧道侧方基坑工程参考。     

富水地层盾构到达洞门密封技术研究

以华东地区某盾构接收工程为例,针对盾构到达洞门帘布时橡胶与盾壳之间无法完全密封引起的洞门漏浆现象,基于三道洞门密封技术以及自制浆液同步注浆和二次注浆技术对洞门密封方法进行研究。研究结果表明:通过三道洞门密封施工以及自制浆液同步注浆和二次注浆技术,使洞门内与外界完全封闭,封堵洞门效果相比于传统施工工艺大幅提高,该技术能使盾构机安全快速地推出外置洞门,迅速高效地完成洞门封堵,大大降低了进洞时常见的洞门涌水涌砂、塌方现象,达到了盾构到达洞门密封接收的预期效果,该技术适用于各种地质条件下的盾构到达接收,尤其在高富水地层应用中效果尤为突出。     

引水隧洞突涌段变形特征及控制关键技术研究

深埋引水隧洞突泥突水洞段注浆固结圈与初期支护结构作为协同承载结构,其荷载分担与变形控制对结构和施工安全有重要作用。为研究深埋引水隧洞突涌洞段围岩与支护体系稳定性,以滇中引水狮子山隧洞为工程依托,通过现场对围岩-支护监控量测与第二层型钢拱架受力监测,结合施工工况动态分析围岩-支护体系受力与变形,研究总结突涌段施工变形控制关键技术。研究结论:(1)深埋隧洞突涌洞段拱顶累计沉降17.4 mm,达预留值的17%左右;拱肩、拱腰累计收敛106.6 mm、98.1 mm,达预留值100%左右。(2)突涌洞段理论预测极限位移150 mm;现场监测评价设定阈值uo=100 mm,当达到2/3时,应采取加强措施。(3)最佳开挖方法为微台阶法。各级台阶长度控制在3 m左右,按“快挖、快支、快封闭”原则组织施工。(4)超前预支护管棚结构起到提高固结体刚度作用,较固结体提高约13倍。(5)双层支护结构强度、刚度增加,承载能力明显提高,施工安全性也得以提高。     

水下砂卵石地层盾构隧道越江段注浆压力研究

近年来,江(海)底盾构隧道建设日益增多,对于水下段而言,由于地层渗透性强、埋深浅等因素影响,盾尾同步注浆压力的合理控制显得尤其重要,而探明盾构隧道在施工过程中孔隙水压力的分布对工程实践意义重大。本文依托常德沅江过江隧道工程,结合工程现场地形、地质、气候以及水文条件,采用FLAC^3D有限元分析软件对盾构施工扰动下的地层孔隙水压力分布进行系统分析。研究结果表明:(1)综合考虑各种因素确定渗流场中削减边界为20 m,即模型构建时沿开挖方向前后多取20 m长度,可使模拟结果更能真实反映越江隧道围岩各处孔隙水压力的变化规律;(2)盾构隧道掘进过程中,拱顶、拱底和左右拱腰处的动水压随掘进距离的变化趋势大致相同,拱底动水压量值最大,左右拱腰次之,拱顶最小,并根据区间动水压力变化规律给出满足岸边段和水下段要求的注浆压力。     

地铁联络通道涌水涌砂治理技术研究

针对西安地铁联络通道施工过程中出现的涌水涌砂情况,从地层、坑底突涌稳定性验算,旋喷桩加固、降水井施工等多方面进行了分析,并制定了相应的方案,即通过初支加固、涌水点多次反压,增设降水井、组合浆液注浆、监测等方式进行处理,涌水得到了有效控制,并确保了后续未完成工程的安全。     

水底隧道复合式衬砌水压力影响因素分析

富水量较大的水底隧道,隧道防排水系统对于控制隧道涌水量和衬砌外水压力十分重要。采用数值计算方法,研究固定水头下水底隧道不同注浆参数、衬砌渗透系数及隧道控制排水量对衬砌水荷载的影响,并与轴对称解析解结果进行对比验证。研究结论:(1)渗透系数增加和注浆圈厚度减小都致使衬砌外水压力的增加;(2)初衬渗透性的变化对初衬外水压力的影响十分显著;(3)数值解与解析解的结果相差不大,非圆形隧道截面可利用等效半径求解衬砌外水压力和隧道涌水量的解析解,并用于隧道防排水的初步设计;(4)隧道注浆圈参数和初衬渗透系数一定时,增大控制排水量有利于减小二衬背后外水压力。     

某隧道断层区段流固耦合分析及涌水处治措施研究

针对泽雅隧道穿越F10断层破碎带区围岩破碎、涌水量大等问题,为保证隧道的正常施工,确保后期运营安全,采用ABAQUS数值分析软件建立是否考虑流固耦合的模型,分析不同工况下衬砌的力学特性,计算显示渗流的存在导致隧道衬砌最大总应力增加52.15%,衬砌最大弯矩增加75.4%。鉴于涌水对隧道力学特性影响较大,进而结合隧道实际情况进行涌水处治措施比选,选取泄水孔结合径向注浆的处治措施,并运用数值分析手段对注浆圈厚度和注浆材料渗透系数进行优化,计算结果显示注浆层厚度为5~7 m时,注浆材料渗透系数为围岩的30~50倍时施工效果较好。该分析结果有效指导了施工,可为类似工程提供参考。