地下水侵入控制和参数优化的帷幕灌浆加固Jingzhai隧道

文摘

基于特征的系统研究水和泥浆侵入Jingzhai隧道开挖期间,突水的机理渗流转换引起的开挖扰动进行了分析。通过电磁地球物理勘探、隧道的潜在水支承面积进行了分析。岩体的本构模型和注浆参数的数值模拟。下隧道裂纹萌生和扩展的变化规律提出了不同的帷幕灌浆参数。开挖所引起的渗透突水的特征。认为在隧道的渗流特征有三个阶段:潜伏期,突然,稳定。数值模拟被用来分析裂纹扩展轨迹和涌水量特征的灌浆厚度下3米,5米和7米。帷幕灌浆厚度3 m时,断裂领域渗透帷幕灌浆区域。主要的渗流通道形成,突水的可能性大大增加。当帷幕厚度5 ~ 7米,可以控制裂纹的扩张区基本上,所以断裂和含水岩层不能形成渗流通道。 At last, the grouting scheme of 6 m thick grouting and 20 m advanced grouting was selected, and the water seepage was reduced by 83%.

1。介绍

转让的中国中西部地区隧道施工,特别是在西南地区,地质构造复杂,岩性差,地下水丰富,给工程建设带来的严峻考验。根据调查和分析突水和泥浆侵入的情况下,发现富水断层破裂带是一种常见的地质构造,导致水和泥浆侵入。同时,开挖扰动也是这种灾难的主要原因。目前,许多学者进行了一系列的研究进化机制的突水和泥浆侵入断层破裂带隧道。参数的定量研究灌浆帷幕灌浆等控制措施也丰富。

例如,邵et al。1)建立了一个进化和multifield耦合渗流特征的模型。模型用于研究在断层突水的演化过程和水压力的影响,初始有效孔隙度、水流和初始渗透率。太阳et al。2)利用COMSOL数值模拟分析突水通道的形成和演化在地下深处断层地雷。结果表明,随着工作面推进,附近的压力逐渐集中隐藏的故障。断层内的速度远远高于在地板上,这意味着埋结构对提升非常重要承压水和破坏。当故障区域的断裂与隐藏的错,注水通道就形成了。刘等人。3)建立了热断层突水的非线性液压机械耦合模型,研究了water-rock-water交互,并预测断层突水。THM耦合模型的控制方程耦合粒子输运方程,建立了非线性流动方程,机械方程和传热方程。结果表明,矿山压力和断裂带的水流速度有很大的影响。周等人,王et al。4,5认为断层活动通常是由应力集中引起的故障提示,建立地下采场的典型计算模型和隐而未现的过错。错误提示字段是定量评估,评估断层活化的可能性,应力强度因子反映应力集中的程度。胡锦涛等人,甄et al。6,7)建立了一个简化的力学模型包括许多因素相关的激活和演化进行错误隐藏水。正应力和剪应力的影响断层活化和有效的剪切应力分布在断层平面上。影响断层活化的因素包括埋深埋断层,断层摩擦角表面,工作面推进方向,孔隙水压力。为了突水风险的评估,层次分析法和GIS相结合,提出了脆弱性指数法。六个因素分析了突水控制(8- - - - - -11]。侵入的动态过程是通过数值模拟再现。耦合演化过程的应力场、位移场、渗流场分析,和前兆信息的特点进行了总结12- - - - - -16]。刘等人。17)提出了一个渗流erosion-coupled突水模型研究渗流侵蚀特征。基于溶质传输的经典理论,提出了多孔介质的水动力模型。在这个模型中,孔隙度与渗透率的变化渗流侵蚀过程中粒子的累积损失。帷幕灌浆的影响厚度对渗流侵蚀过程研究利用渗流侵蚀耦合模型。结果表明,随着厚度的增加,渗透侵蚀过程逐渐减弱。

李等人。18)回顾了水和泥浆侵入预防和控制的现状,介绍了国内外相关理论的最新发展,灌浆设备和关键技术。根据本构关系的典型的快凝水泥浆,泥浆粘度的时变方程在不同体积比例。Zhang et al。19)提出了销眼灌浆方法和应用它的治疗在裂隙岩体高压突水。江等人,刘等人。20.,21)建立了一个简化模型来模拟突水的整个过程并进行了一系列大规模的地质模型试验。地层压力的影响、水压力和防水板的厚度对突水进行了研究。萨利赫等人和梁等。22,23]研究了聚氨酯和其他化学灌浆材料的化学成分和讨论了灌浆方法,灌浆材料,优点和缺点,应用领域和实验室。徐et al。24)开发了一套完整的物理模拟系统研究高压地下岩石中裂缝的灌浆等煤矿深处。为了提高水泥浆的密封效率和动态流阻,杨et al。25)添加碳纤维为开发一种新型的水泥砂浆浆流动的水环境。李等人。26)模拟变密度的径向瞬态流动聚合物泥浆面断裂。聚合物砂浆的流动主要取决于自身的扩张,造成的二次增压的扩散机制不同于恒压驱动泥浆密度相等。为了提高早期强度和灌浆的影响摘要浆流动,李et al。27)混合nano-calcium碳酸盐和粉煤灰水泥基浆。通过一系列的物理模拟实验,粘度测试结果表明,泥浆的粘度随nano-calcium碳酸盐含量的增加而减小。结果表明,随着屈服应力的增加,一致性指数和流动指数,水泥砂浆的膨胀率降低。裂缝孔隙大小的不均匀性对其传播过程有重要影响(28]。

从先前的研究结果可以看出,许多突水防治工作是探索的不断进步。因为灾难怀孕的不同模式在不同的岩溶环境条件下,不同的专家团队注意到不同的点,因此,研究综合隧道突水灾害的预防和控制措施在复杂岩溶环境条件下值得进一步研究。针对开挖引起的裂纹扩展的现象,裂纹扩展规律在不同灌浆厚度进行了分析。根据裂缝发展法律和渗流量,确定合适的灌浆参数,最后应用于工程实践。

2。背景的Jingzhai隧道

2.1。地质条件

Jingzhai隧道位于中线锅亚洲铁路从昆明到曼谷,这是云南省景洪市的行政区,如图1。这个项目是一个单轨铁路隧道横截面宽度和高度为10.05米,8.16米,分别。隧道入口里程DK405 + 615,退出里程DK415 + 124,总长度为9509米,施工隧道的最大埋深711米。隧道的地表水和地下水相对发达,地下水主要是基岩裂隙水和岩溶水。隧道的正常涌水量为44100米³/ d,雨季的最大涌水量是66150米³/ d。在原工程建设方案,新奥法隧道(NATM)和三步开挖。在隧道施工过程中,遇到严重不良地质条件,三个突发事件发生。目前,剩下的工作就是穿过Manmo Xiaozhai-Jiabutuo错。有必要采取prereinforcement措施,确保施工安全的穿过断层的过程。帷幕灌浆技术是采用prereinforcement。

隧道现场位于中间和低山。下伏基岩的隧道是砂岩、板岩和页岩、灰岩、泥岩、粉砂岩、煤线、玄武岩、英安岩斑岩。有强烈的地壳运动隧道网站,包括Guanhan向斜和Manmo Xiaozhai-Jiabutuo。Guanhan轴向斜是N22°W,和它相交线约为61°和应该交叉隧道身体DK414 + 440 + 490。的Manmo Xiaozhai-Jiabutuo断层罢工N10°30°W,及其与线是58°角和交叉隧道身体DK409 + 180 ~ + 200,这是一个压缩逆断层。地层的罢工通常平行于断层线。断层破裂带的宽度大约是20米。断层角砾岩主要由角砾岩和少量的糜棱岩和泥岩。

2.2。大地电磁法的分析调查结果

音频大地电磁法的原理(AMT)是基于大地电磁测深(MT)的原则。视电阻率的频率曲线是用来获取地下电阻率的分布,以便区分岩性和结构体,并确定地下地质体的空间分布和属性。在这个调查中,使用V8大地电磁的仪器,发送和接收距离是12000米,发射偶极子的距离是1500米。接收偶极距离是40米,距离是40米,工作频率是1 Hz - 8192赫兹,和传输电流不小于3在高频乐队和16个中期和低频乐队。Mtsoft二维大地电磁二维处理和解释软件是用于处理和解释。原始数据是由重叠的时间序列预处理,手动选择时间序列,健壮的处理,和其他方法,以突出有用信号,抑制干扰,提高数据的信噪比。预处理后,处理的数据去噪、静校正,和空间滤波,然后进行一维、二维反演。根据电阻率值,低电阻异常大致可以分为四种类型:我(超过2500Ω米),二世(1000 ~ 2500Ω米),三世(200 ~ 1000Ω米)、第四(小于200Ω米)。他们是相对完整的岩体,相对破碎岩体,弱或含水岩体,岩体和极度疲弱或富含水分。如图2,综合地球物理和电气地质剖面的结果。在此基础上,全面解释的地质结构及岩性隧道勘测线路断面。调查地区的地表风化层对应于低电阻率特征的电子结构。

DK408 + 900 ~ DK409 + 700的电阻率部分显示非常低的特征,这是条反射,和附近反演电阻率梯度值很大,相应的断层破裂带。推断,该区域是Manmo Xiaozhai-Jiabutuo错。的电阻率DK410 + 100 ~ DK410 + 300小节展示低特征,这表明该地区是一个折叠结构。隧道围岩的电阻值低于2200Ω米,所以要注意防止涌水,泥破裂,在施工期间崩溃。

2.3。地质灾害和对策

在构建DK408 + 900 ~ DK410 + 300段较低的电阻率,三个突水、泥浆侵入灾害,和关闭发生事故。一些水和泥浆侵入照片如图3。地下水和泥浆的总量超过190000米³和3000米³和水分别高达0.3 MPa的压力。这场灾难造成96天的施工停滞和围岩大变形。在施工过程中,针对实际问题,如涌水和泥破裂,全剖面的帷幕灌浆技术提出了。这种技术可以有效地降低水的水压力轴承地质体,加强和改善岩体防止渗水通道的形成,确保隧道施工的安全。这种方法的关键指标是纵向灌浆加固长度和圆周加固的范围。

3所示。优化隧道的安全厚度

3.1。隧道渗流与岩体的本构模型

为了模拟的非线性动态行为突水和泥浆侵入炭质板岩隧道施工期间,基于离散单元法和立方定律理论,开挖扰动裂纹扩展渗流的耦合模型。模型是基于假设第一关节和第二关节与发达的骨折的主要渗流通道隧道领域。

在隧道开挖过程中,围岩裂隙的发展领域是一个持续的扩张,当裂缝领域与隧道富水区域相交,涌水通道将生成。水的影响下,围岩的强度急剧降低,从而导致大规模岩体变形和流入到隧道空间。因此,最重要的是要区分灌浆区裂缝的发展和演化规律研究领域在不同的灌浆参数。

3.1.1。岩体的本构模型

布朗Hoek标准(29日,30.)综合考虑岩体结构的影响,岩体强度、岩体失效分析和挖掘,弥补了缺乏岩体莫尔库仑准则的失效分析在一定程度上。因此,Hoek布朗模型用于研究岩体的变形特征和行为。计算方法见公式(1)和(2)。

的公式,GSI的地质力量指数,是岩石材料指数,是岩体爆破损伤指数的影响,_, ,和H-B准则的经验参数。

3.1.2。库仑伸缩接头模型

接头的失效模式主要是剪切破坏,张力骨折失败,压缩剪切破坏和剪切破坏的紧张关系。这些失效模式可以模拟和分析了库仑伸缩接头模型。计算原理如下(31日,32]:

的公式, 是正常的结合面刚度和切向刚度; , 分别接触正常和切向位移增量;和接触面积。

当联合在弹性阶段,没有滑动,最大拉伸力和剪切力的节理面如下:

的公式,接头的抗拉强度,是关节的凝聚力。

关节表面的凝聚力和抗拉强度降低为0,当关节受拉伸或剪切破坏。这时,联合的最大抗拉强度为0,和最大抗剪强度 。

3.1.3。渗流立方定律

如果两个街区之间的裂缝宽度 ,通过裂缝流之间的关系和裂缝宽度如下:

的公式,流量( ), 是重力加速度(m / s²),裂缝宽度( ), 水力梯度,是流体运动粘度系数(m / s²)。

根据公式,水流通过断裂直接与裂缝宽度的三次幂成正比。

3.2。灌浆材料

在Jingzhai隧道,进行帷幕灌浆水泥水玻璃double-liquid灌浆材料。的浓度硅酸钠是B - 35°e,和水泥和水的体积比玻璃3:1。灌浆之间的接口和岩石的强度特性如表所示1。

3.3。问题描述和模型的设置

先进的距离和深孔注浆的注浆半径是关键参数,以防止水和泥浆侵入灾害在富水区域。通过3 dec数值模拟软件、裂缝的发展规律在Jingzhai隧道研究利用等效关节的治疗方法,和灾难水和泥浆侵入机理。使用上面的本构模型和渗流模型,隧道渗流通道的演化规律和突水特征在不同安全厚度模拟。模型的大小 ,均匀分布的仿真策略采用关节,关节的长度是0.3米,如图4。

根据地应力测试的结果,垂直主应力是13 MPa,最大水平主应力是15 MPa(平行隧道罢工),和最小水平主应力是6 MPa,也就是垂直于隧道罢工。研究地层主要是碳质板岩。渗流监测点设置在隧道的边界。应该注意的是,联合注浆区域的表面参数与围岩的不同。灌浆的作用下,关节参数将会显著提高。渗透率与原始裂缝宽度和干扰裂缝宽度。

渗流边界是静水压力,30米水头压力应用模型的顶部。隧道开挖面设置为自由表面边界,自由水的流动。数值计算中使用的相关参数如表所示2。当骨折不接触水轴承岩层,水传播通过毛孔,和相关的渗透率参数如表所示3。

3.4。结果分析

在进步的前提下灌浆20米的距离,三个工作环境的安全厚度3 m, 5 m,分别设置和7米。进行了数值模拟,每个工况的注意力持续时间设置为12 h。有一个详细的分析,在每种情况下的裂纹扩展,以及水流入。

如图5(一个)安全的厚度是3 m时,隧道拱顶沉降最大值是0.19。隧道上方有许多层分离现象。在隧道开挖扰动的影响下,隧道围岩产生的裂缝。裂纹的起始将产生一个占主导地位的流道。水压力的影响下,水流入隧道通过裂缝。如图5 (b)、裂缝发展通过灌浆区域的安全厚度范围,和超过1.35灌浆边界。底部灌浆边界以外的0.6米。同时,隧道的裂缝发展领先的脸,铅的距离是2.8米。它可以被认为是安全的厚度是3 m时,它不能满足隧道施工的要求,和突水和泥浆侵入很容易发生在施工过程。

如图6(一)安全厚度是5米时,隧道拱顶沉降最大值是0.1。开挖引起的扰动范围显著低于在条件(1)。浅层围岩隧道发生分离。如图6 (b)、裂缝发展的进步和周向两个维度。前面的裂缝发展1.2工作面。骨折不交叉的圆周发展注浆区域。前裂纹的深度是1.1米的距离灌浆边界。最深的部分裂纹之间的距离和灌浆边界为1.3 m。富水岩层本身有一定的渗透性,甚至在灌浆后,有一定的渗透注浆区域。然而,突水的风险很小,特别是在灌浆区域稳定和保护壳形成。

如图7(一)当安全厚度是7米,隧道拱顶沉降最大值是0.07。这时,断裂带的发展类似的安全厚度5米。

如图8曲线显示,渗流量的变化与时间点。3 m灌浆厚度时,水流入不大大增加0 - 6 h,但6小时之后迅速增加。监控点的体积大小 ,最后每小时流量达到12.8³/小时。它表明灌浆时厚度是3 m,它不能满足施工需求,和有一个更大的安全风险。当灌浆厚度是5米,水流入的增加略有增加。当最后一个监视点流增加到1.8米³/ h,它往往是稳定的。当灌浆厚度是7米,水流入基本稳定,最终保持在0.7米³/小时。考虑到工程造价和渗流控制的影响,灌浆厚度应该在5 - 7米。

4所示。工程应用

正面的先进的灌浆技术通常用于检测大型水流入或地质条件差的情况前的水勘探孔。钻井水勘探后,应当衡量每个洞的出水量。当6孔的水总产量超过5米³/ h、施工应根据设计图纸进行全剖面的提前预灌浆。

如图9先进,断面帷幕灌浆的破碎区和水丰富的部分隧道隧道开挖轮廓以外的是6米。有效的单孔注浆扩散半径为3.6米。灌浆孔底部的中心距是15米,灌浆压力是1.7 MPa。灌浆长度20米,3 m是预留给挖掘每个灌浆部分完成后。灌浆停止墙的厚度是20厘米。灌浆材料是水泥水玻璃双浆。硅酸钠的细度模数为2.4 ~ 3.4,浓度是35°e、B和水泥和水的体积比玻璃3:1。磷酸氢二钠作为缓凝剂,其内容是2 ~ 2.5%重量的硅酸钠。图10显示项目的实际实现。

灌浆后,水流入由钻井测量,和大多数的洞是基本上没有水,如图11。洞的出水量最大的进水量为0.2 L / min,满足要求的进水量小于0.3升/分钟。从挖掘的角度。隧道的稳定性明显改善,和开挖过程顺利。在整个脸部,注浆后浆液扩散的岩层树突,围岩的渗透性降低,水流入减少约7500米³1300 /天³/天,这有一个显著的减少。

5。结论

突水的机理,在水中富裕阶层和帷幕灌浆参数的优化方案为主要研究对象,和水和泥浆侵入灾难Jingzhai隧道作为工程支持。通过地质勘探、理论分析、数值计算等研究方法,结合工程应用,隧道泥浆和突水的机理开挖扰动的影响下深入开展。隧道裂缝的发展规律在不同注浆参数分析,和有益的结论具有一定的理论价值和工程意义。(1)通过大地电磁法,水的分布范围丰富区域的隧道。有一个大范围的断层断裂带断层附近的水源断裂带是丰富的(2)灌浆是由数值模拟的参数。隧道围岩裂缝的发展规律在不同的帷幕灌浆参数进行了研究。灌浆时厚度小于3米,裂缝将通过注浆区域运行。根据分析,窗帘圆周灌浆的厚度应该是5 - 7米。推进引起的隧道开挖影响范围2 - 3米,3 m超前灌浆保护区被选中(3)当帷幕厚度是3 M,隧道涌水量有两个过程:孵化和爆炸。当窗帘厚度是5米和7米,水滔滔不绝的出现明显改善,和涌出的过程显示了三个阶段:潜伏期、增长和稳定。根据数值模拟的结果,灌浆厚度是6米,超前灌浆范围是20米,水泥水玻璃双液浆。实际情况表明,灌浆方案能有效地抑制隧道的涌水

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这部分工作是支持智能施工方法和技术系统研究四川西藏铁路、基于主动控制围岩变形(P2019G038)。

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