（地质工程专业论文）地铁隧道施工期非饱和土体沉降变形的注浆加固控制技术研究.pdf

拙廛窑逢友堂硒堂僮淦塞生室垴垩 中文摘要 摘要：本文依托北京地铁十号线工程建设，通过实地取样、室内直接剪切 和压缩试验、电镜扫描( s e m ) 等方法研究了粘土、粉土和砂土的微观结构和力学性 质，对比分析了注浆加固前后土体的微观结构和力学性质的差异性，探讨了非饱 和士体注浆加固机理，研究了所选注浆材料对土体的微观结构和力学性质的影响， 并将其相关指标应用到计算模型的参数取值中。结合以上研究成果和现场勘察调 研资科，利用三维有限差分软件f l a c 3 d 建立了反映地层实际分布状况的数值分析 模型，并将数值分析结果与地表沉降实际监测数据进行对比，来评价注浆效果。 关键词：地铁施工；微观结构；力学性质；注浆；f l a c 3 d ：地面沉降 j k 塞交通太堂亟堂焦j 坌塞垦s ! ! a b s t r a c t a b s t r a c t ：t h i st e x td e p e n do ns u b w a y1 0l i n ei n b e i j i n ge n g i n e e r i n g c o n s t r u c t i o n , p a s ss a m p l i n ga tf i e l d 、i n t e r i o rt r i a x i a lt e s ta n de l e c t r o ns c a n n i n gt os t u d y m i c r o s t r u c t u r ea n dm e c h a n i c a lo f c l a y 、s i i t yc l a ya n ds a n dc l a y , c o n t r a s ta n a l y s ev a r i a n t p r o p e r t yo fs o i lm i c r o s t r u c t u r ea n dm e c h a n i c a li ni n j e c t er e i n f o r c e m e n tf o r ea n da f t e r , r e s e a r c hu n s a t u r a t e ds o i l i n j e c t e r e i n f o r c e m e n t m e c h a n i c s ，s t u d y e f f e c to fs o i l m i c r o s t r u c t u r ea n dm e c h a n i c a lt h r o u g hi n j e c t e dm a t e r i a l a n da p p l yt oi t sr e l a t e dd a t at o c a l c u l a t i o nm o d e sn u m b e r i c a lv a l u e f i n a l l y , c o m b i n ep r e v i o t l sr e s e a r c hf m d i n g sa n d e x p l o r a t i o nr e s e a r c hd a t ea tf i e l d ，a n dm a k eu s eo ft h r e e - d i m e n s i o n a ll i m i t e dd i f f e r e n c e s o f t w a r ef l a c 3 de s t a b l i s h e dt or e f l e c tf o r m a t i o na c t u a ld i s t r i b u t i n gs t a t u sn u m e r i c a n a l y s i sm o d e l ，t oe v a l u a t et h eq u a l i t yo f t h ei n j e c tr e s u l t k e y w o r d s ：s u b w a yc o n s t r u c t i o n ；m i c r o s t r u c t u r e ：m e c h a n i c a lp r o p e r t y ：岫e c t ： f l a c 3 d ：s u r f i c i a ld e p r e s s i o n 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) 学位论文作者签名：参 嗣描 导师签名： 签字目期：四年7 胡o 日签字日期：年月 日 韭塞銮遵太堂醵堂焦监童独剑挂童明 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傲的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：签字日期：年月日 致谢 本论文的工作是在我的导师白明洲教授的悉心指导下完成的，白明洲教授严 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。在此衷心感谢三年来 白明洲老师对我的关心和指导。 白明洲教授悉心指导我们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，在此向自明洲老师表示衷心的谢意。 白明洲教授对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示衷 心的感谢。 j e廛 奎适塞堂亟堂焦j 金 塞 缝设 1 1概述 1 1 1研究问题的提出 1 绪论 随着我国国民经济实力的不断增强，公路、铁路、市政等交通建设工程日益 增多，隧道工程在道路建设中所占线路长度比例也迅速提高。但是，我国地域辽 阔，从沿海到内陆，由山区到平原，分布着多种多样的土，因土的种类不同，其 抗剪强度、压缩性及透水性等可能也有很大差别。综合国内外的实际情况看，由 于地质条件、地形条件、气候条件和设计、施工、运营过程中的各种因素的影响， 隧道建成后在长期的使用过程中会出现各种各样不同程度的病害，部分隧道甚至 在使用的前期就出现比较严重的隧道病害，如衬砌裂损、隧道渗漏水、基底下沉 和底鼓等。衬砌裂损造成的危害较多，如衬砌结构失稳破坏，净空变小而侵限等， 将使隧道结构的稳定性受到一定程度的破坏，使衬砌结构的安全可靠性降低，造 成危及行车安全的重大问题。隧道漏水不仅增加隧道内湿度，造成电路短路等事 故，危及运输安全，而且还引发其他病害，如会造成衬砌开裂或使原有裂缝发展 变大，加速衬砌的损坏；基底下沉或底鼓将严重影响行车的安全性，会为行车埋 下重大的安全隐患。这些病害既影响了隧道作为快速安全交通通道的功能，在维 修加固时又会花费大量的资金。 因此，当出现隧道灾害时，就必须进行处理以保证结构物的安全与正常使用。 隧道灾害问题的处理恰当与否，关系到整个工程的质量、投资和进度。因此，其 重要性已越来越被人们所认识。 1 1 2研究的目的和意义 在土木工程建设中，当遇到浅层土质不良，采用天然围岩不能满足结构物的 要求时，就需要对浅层土质进行处理，以满足围岩对结构物的要求，保证结构物 的安全和正常使用。 结构物的围岩问题，主要有下列四个方面： ( 1 ) 、强度与稳定性问题 当围岩的抗剪强度较低，不足以支撑上部土体传来的荷载时，围岩就会产生 北塞变适太堂亟堂僮j 金塞绪j 盆 局部或整体剪切破坏。它会影响结构物的正常使用，甚至引起开裂或破坏。 ( 2 ) 、变形问题 当围岩在上部土体的荷载作用下产生过大的沉降或不均匀沉降时，就会影响 结构物的正常使用；当超过结构物所能容许的不均匀沉降时，结构就可能开裂。 沉降量过大，不均匀沉降也随之较大。 ( 3 ) 、渗漏与溶蚀问题 渗漏是由于地下水在土中运动时出现的问题( 地基的渗漏量或水力梯度超过 容许值时) ，会产生水量损失、潜蚀、管涌及流沙等，可能导致结构物发生事故。 ( 4 ) 、液化与振沉问题 在动力荷载( 地震、机器以及车辆振动、波浪和爆炸等) 作用下，会引起饱 和粉、细砂及粉土产生液化，它是使土体失去抗剪强度近似液化特性的一种现象， 并会造成围岩失稳而使结构物大量陷落。 因此，要保证施工过程中结构物的安全和正常使用，就必须要了解地铁开挖 地段土体的微观结构和体的力学性质。本文研究的主要且的是搞清楚地铁施工 环境下土体的微观结构与其力学性质，进而通过模拟计算分析其稳定性。 1 2 国内外研究现状 1 2 1土体微观结构的研究现状 土的微观结构研究己经历了近8 0 年的历史。一般认为，土力学之父太沙基倡 导的微观结构( m i c r o s t r u e t u r e ) 概念与思想是土体微观结构研究的开端。但是真正使 用透镜对微观结构形态展开系统研究的第一位学者是奥地利土壤学家、土壤微观 形态学( s o f tm i e r o m o r p h o l o g y ) 的创始人w l k u b i e n a 。他提出了一套土壤微 观形态描述体系及大量概念和术语，在很长一段时间内一直是微观结构分类的最 主要依据之一。他使用m i e r o f a b r i e 一词来表示土的微观形态特征，并且把土的要 素( 基质和骨架p l a s t o rs k e l e t o n ) 的排列及其相互关系定义为土的微观形态。 太沙基于1 9 2 5 年首次提出土体微观结构的概念。概念是建立在悬液中粘土粒 子相互作用的基础上。他把粘粒悬液在电解质的作用下形成的絮凝沉积物在一定 上覆层荷重压力作用下形成的结构称为蜂窝状结构，同一时期他又提出絮凝结构 和单粒结构概念，并发展了太沙基的结构模式，至今仍具有普遍的土力学价值。 1 9 2 6 年，g o l d s c h m i d t 提出了片架状排列结构。他认为高灵敏粘土中的粘土颗 粒是不稳定的片架排列，而低灵敏粘土则有较大的密度和比较稳定的排列。 1 9 3 2 年，c a s a g r a d e 发展了太沙基的蜂窝结构，他假定蜂窝结构排列存在于灵 2 敏的海洋土中，并把处于粉粒骨架中间的那部分受压较小的粘土排列称为“基质 粘土”( m a t r i x ) 或“充填粘土”，而把相邻粉砂粒间受有高压作用的那部分粘土排列 称为“连结粘土”或“键和粘土”( b o n d ) 。 1 9 3 8 年，w l k u h i e n a 阐述了土体微观形态的描述体系。 1 9 4 4 1 9 4 9 年，p o p o v 利用光学方法研究压缩下粘土的微结构的变化，提出隐 结构概念。 1 9 5 3 1 9 5 8 年，l a m b e 从胶体化学、双电层理论出发，提出了边边、边一 一面接触到开放式非盐絮凝结构，面面和边面接触到“盐絮”结构以及 面面接触到分数排列结构。 1 9 5 9 年，r o s e n q v i s t 首次应用电子显微镜对海洋土体微观结构进行了研究， 由此电子显微镜的应用大大加速了土体微观结构研究的进程。 1 9 5 9 1 9 6 0 年，a y l m o r e 等提出“畴”和湍流层状排列的概念。 1 9 6 3 年，v a n o p h o i l 综合并扩充了己有的模型，提出边边，边面的“絮 凝集合”( a g g r e g a t e ) 的结构模型，这种模型类似后来的“片堆架”或“书本架” ( b o o k h o u s e ) 的结构。 1 9 6 6 - - 1 9 7 3 年，p u s c h 和b o w l e s 等提出了“集聚体”的概念，他们把“集聚体” 看作一个组构单元，单元内各单个颗粒可以以不同的方式相互作用。 1 9 6 9 年，s m a r t 提出了颗粒发育的结构型态。 1 9 7 0 年，d u d l e y 提出了环状支撑和集合粘土颗粒状排列的结构模型，描述了 粘土片状颗粒与砂粒或粉粒的相互作用关系。 1 9 7 1 年，o b r i e n 等人提出“梯形排列片架结构”模型。 1 9 7 3 1 9 7 4 年，k c o l l i n sa n d a m e g o w n 提出了“联结”、规则集聚体、粘 土基质、粒状基质、部分可辨颗粒、贯穿孔隙等概念模型，说明各种土的复杂多 变的各种结构特征。 1 9 7 6 年，m i t c h e l 对粘土微观结构及其控制因素的定量化进行系统的分析研究。 1 9 8 0 年，t o v e y 等应用计算机图像处理系统对土体结构的图像形貌进行了定 量分析，取得了一批很有价值得成果。 1 9 8 4 年以后，土的定量化技术研究不断深入探索，t o v e y ( 1 9 8 9 1 9 9 0 1 9 9 1 ) 和s o k o l o v 等( 1 9 9 2 ) 在粘性土体微观结构计算机处理方面进展较大，开发出系列 软件，并且取得许多重要成果。 我国工程地质界从2 0 世纪5 0 年代末开始进行土体微观结构研究工作，比国 际上晚了几十年。1 9 5 7 年，我国科学家陈宗基教授将粘土中片状颗粒的接触形式 分为点面接触，边面接触和面面接触，并将秸土片状颗粒的相互作 用形象地绘成三维网格模型。 j t塞銮通太 堂 硒 圭堂僮逾塞绪监 直到7 0 年代末，我国对土体微观结构的研究工作才真正开始兴盛起来。特别 是随着国内扫描电子显微镜的普及，利用扫描电子显微镜来进行微观结构研究的 人越来越多。1 9 7 9 年，高国瑞用扫描电子显微镜观察了我国各地黄土地微观结构 特征，提出了黄土中存在着袒粒架空的结构类型，并同时指出黄土的湿陷性与这 种结构形态有着密切关系。1 9 8 2 年和1 9 8 5 年国内曾经召开过两次土的结构会议， 这两次会议的论文基本反映了我国微观结构的研究水平。 进入2 0 世纪9 0 年代，微观结构样品制备技术有了重大进展。在莫斯科大学 研制出结构试样制备仪器之后，李生林等( 1 9 8 5 ) 、吴义祥等( 1 9 8 8 ) 相继成功地研制 出来冷冻真空升华干燥仪，填补了我国微观结构各样技术的空白，这一技术难点 的突破使得土体结构图像麓够较客观地反映土的原始结构。 同时，土体微观结构定量研究方面也开始起步，并取得了一定的成果。谭罗 荣( 1 9 8 0 l 、施斌等( 1 9 8 8 ) 利用x 光衍射仪对粘性土中扁平粘矿物颗粒定向排列进 行了定量测定；吴义祥等( 1 9 9 1 ) 研制了土体结构图像的定量分析系统，阐述了粘土 体结构状态参数；施斌等( 1 9 9 5 ) 在莫斯科大学v i d e o l a b 图像分析系统的基础上，研 究了我国某些粘性土体结构定向性和有序性的定量表述方法，并对其结构特性进 行了定量评价，获 导了孔隙性、形态颗粒定向性和各向异性率等定量指标。 此外，部分学者在土体结构与工程性质之间的定量关系方面进行了探索，主 要是对土体的孔径变化、强度、灵敏度等在固结过程和压密过程中的规律进行研 究。尝试从力的作用机制上考虑土体的结构要素则开展较晚，主要侧重于灾害性 土的研究。苗天德等( 1 9 9 0 ) 利用突变理论，建立了湿陷性黄土体微观结构失稳模型， 并按照微观力学和损伤力学等现代连续介质力学方法给出了湿陷性黄土的本构关 系；胡瑞林等( 1 9 9 8 ) 以室内压缩试验为基础，探讨了压缩变形过程中微观结构的变 化规律，并统计出了结构要素的不同参量与压力之问的关系；肖树芳等( 2 0 0 0 ) 通过 分析海积软土地结构性以及其塑性体应变硬化和塑性偏应变硬化的机制，建立了 弹塑性本构模型，模型采用了具有双硬化参数的屈服轨迹和含结构性参数的塑性 应变方程。 由于工程土体的结构性对地基加固效果的重要作用，在工程实践中也日益重 视土体结构对其性质的影响。程鉴基等( 1 9 9 3 ) 在软土地基化学灌浆机理研究中探讨 了土体结构性的影响；孙红等( 1 9 9 9 ) 研究了软粘土体结构性及其在受力过程中的损 伤特性，并讨论了结构损伤对地基瞬时沉降和固结沉降的影响；吕海波等( 2 0 0 1 ) 通过室内试验研究了结构性对琼州海峡两种海洋软土压缩特性的影响，并结合实 际工程，讨论了上体结构性的存在对该工程防波堤地基处理工程效应的影响。这 些研究无疑显示了土体结构研究的实践意义。 4 1 2 2土体力学性质的研究现状 非饱和土的研究历史几乎与饱和土一样长久，1 9 3 6 年在美国哈佛召开的第一 届国际土力学及基础工程会议上就有一些这方面的论文。但是，由于问题的复杂 性，进展非常缓慢。我们认为，到目前为止的非饱和土研究可以分为两个阶段。 即7 0 年代以前的探索阶段，7 0 9 0 年代的成熟阶段，而今后2 0 多年则应当是完 成阶段。 第一阶段：探索阶段 7 0 年代以前，人们主要从现象上研究非饱和土的强度和变形特性，并从水一 一气流动的特点出发，把非饱和土区别为气连通、气水均连通和气封闭三种 状态。但是，对于究竟是什么东西决定着非饱和土强度和变形这一力学机理，虽 经过长期探索而不得要领。鉴于饱和土有效应力原理的巨大成功。人们自然联想 到，对非饱和土是否也可以找到一个决定其强度和变形的有效应力。于是，不断 有人提出各种有效应力公式，其中最著名的是b i s h o p 公式。但是，无数试验表明， z 不是一个常数因此，对非饱和土中究竟是否存在有效应力这样一个状态变量的 问题，始终存在着争论。 第二阶段：成熟阶段 尽管早在6 0 年代初，c o l e m a n 就提出过双变量的建议，但由于当时人们热衷 于寻求有效应力这一单变量表达式，双变量理论始终没有受到重视。直至7 0 年代 中期f r e d l u n d 重新提出这一建议，并通过大量试验证明这一理论的合理性。双变 量的提法才逐渐被大家接受。最近，陈正汉还从理论上论证了净应力和吸力分别 作为状态变量的正确性。 这一发展阶段还延续到9 0 年代初，其主要成就是在下列两点上取得了共识： 1 、土中吸力可以区分为基质吸力和溶质吸力两部分，对孔隙水的流动来说， 两者均有决定性意义，但对土骨架的变形而言，基质吸力( 毛管吸力) 是决定性因素。 2 、非饱和土的强度和变形特性必须由净应力和( 基质) 吸力两个变量来描述， 饱和土是吸力等于零时的一个特例。大家知道，应力张量有6 个分量，如果把吸 力看作第7 个分量，就得到了广义应力的概念以及与此相应的广义应力空间和广 义应力路线的概念。双变量理论的最新成就就是把饱和土的屈服面推广到广义应 力空间，试图以此为基础建立非饱和土变形的弹塑性理论。从双变量理论出发， 杨代泉建议了非饱和土的广义固结理论。这一工作既是f r e d l u n d 一维固结理论的 改进与推广，也是饱和土的b i o t 固结理论的推广。与此同时，陈正汉从混合物理 论出发在弹性骨架的假设下推导了非饱和土的固结方程。这些工作标志着非饱和 土变形理论的基本框架已经形成。 韭 塞变道态堂亟 望焦盐塞 绪i 盆 1 2 3注浆技术的研究现状 注浆是借助于压力( 液压、气压) 或电化学的原理将具有胶凝能力的浆液通过一 定的管路注入土层( 或岩层) 中的空隙、裂隙与空洞中，将其中的水分与空气赶走， 将松散破碎的岩( 土) 层胶结起来，以达到改善岩( 土) 层性能( 降低岩、土层的渗透性； 提高岩、土层的强度与承载能力；减少岩、土层的变形) 的耳的的一种施工方法， 主要有压密注浆、渗透注浆、劈裂注浆与高压旋喷注浆四种。 注浆技术的发展历史是与建筑技术、机械技术和其它工业发展历史情况相对 应的。 1 8 0 2 年，法国土木工程师c h a r l e sb e r i g n y ( 查理贝里克尼) 在港口城市戴佩 ( d i e p p e ) 将悬浮的粘土浆液和石灰浆液用木质击筒装置，由人工将浆液锤击入墙基 来加固被海浪冲坏的部分，发明了压力注浆施工方法，至今已有一百九十多年历 史了。 1 8 2 6 年，英国的阿斯普丁研制成功波特兰水泥，使得1 9 世纪2 0 - * 3 0 年代欧美 各国在大坝修建中已盛行采用水泥浆注入地层来加固坝基。 1 8 3 8 年，科林( c o l l i n ) 首次将波特兰水泥用作注浆材料，用于加固法国克鲁布 斯( g r o s b o i s ) 大坝，1 8 3 9 年彪地莫林( b e a u d e m o u l i n ) 将注浆法用于加固图斯f l o u r s ) 的一座建于1 7 6 5 年的桥梁基础。 1 8 4 5 年，w e 沃任( w te w o r t h i n ) 第一次在美国用注浆的方法加固水库溢洪道 陡槽的基础，以提高基础的承载力。1 8 5 6 年w r k i n n i p t e 也在英国使用了注浆法。 1 8 6 4 年，b a r l o w 利用水泥浆液在隧道衬砌背后填充注浆用于伦敦和巴黎地铁。 1 8 7 6 年，t h a m a s 用水泥浆加固滕斯托尔大坝岩岩石。 1 8 8 0 - - 1 9 0 5 年，r e u m a x 、p o r i e r 、s a c l i e r 、f r a n c o i s 等人在涌水竖井施工中进 行水泥注浆试验。 1 8 8 4 年，英国入豪斯古德( h o s a g o o d ) 在印度建桥时用化学药品固砂，是化学 注浆的最早记录，至今己有一百多年的历史。 1 8 8 7 年，德国人j e y i o s i 【y 利用一个孔注浓水玻璃，相邻孔注氯化钙，创造了 原始的硅化法而获专利。 1 9 0 9 年，比利时勒弥、塔蒙特在水玻璃中加入稀酸，发现了改变水玻璃p h 值的凝固机理，使用双液单系统的次压注法取得专利。 1 9 1 0 年首次在注浆施工中使用了压力表，以记录注浆过程中压力的变化并发 现在岩层中注浆时，通常高注浆压力( 5 0 2 0 0 b a r ) 要比低注浆压力( 1 5 2 0 b a r ) 更有 效。 1 9 2 0 年，荷兰工程师h j j o o s t e n 论证了化学注浆的可靠性。 6 a 塞銮煎叁堂 亟 堂 焦 i 金 窒缝 j 幺 1 9 3 8 年，a m a y e r 的粘土注浆材料使用使冲积土或砂粒的注浆状况有了改变。 1 9 5 0 年到1 9 7 5 年是化学注浆大发展的时期。5 0 年代，美国研制了粘度接近 于水，胶凝时间可以任意调节的丙烯酰胺浆液，即著名的a m 9 。1 9 5 6 年左右， 又出现了脲素一甲醛类浆液。1 9 6 0 年美国又出现了最早能控制胶凝时间的硅酸盐 和铭木素。1 9 6 3 年又出现了酚醛塑料。在6 0 年代日本市场上已有类似a m 9 的丙 烯酰胺类材料出售，名为日东一s s 。几年后出现了以地下水作为反应剂的“塔克 斯”系列聚氨酯材料。1 9 7 4 年3 月，日本国福冈县发生了注丙烯酰胺引起中毒的 事件，人们开始禁用有毒注浆材料，1 9 7 8 年美国厂商也停止生产a m 9 。 现在，水泥仍是一种最广泛的基本注浆材料，它具有价格低廉、来源丰富、 浆液结石体强度高、抗渗透性能好，而且具有注浆施工工艺设备简单、操作方便 等优点。但由于水泥是颗粒性材料，可注性差，在细砂、粉细砂和细小裂隙中难 以注入，并且水泥浆初凝与终凝时间长，早期强度低，强度增长速度慢，易沉降 析水。因此，水泥浆的应用有一定的局限性。为此，近年来国内外在改善水泥浆 性能方面傲了大量的工作。用各种化学添加剂来提高水泥浆的可注性，缩短胶凝 时间，提高浆液结石体的早期强度和稳定性；用工业废料( 如尾砂) 部分代替水泥， 以减少水泥的用量；生产各种超细水泥，降低水泥的粒度和使用高速搅拌设备， 提高水泥浆的适用范围。 我国自1 9 5 6 年起开始成功地应用注浆，并从1 9 5 9 年起对化学注浆开始研究， 先后研究和开发出了丙烯、铭木素、聚氨酯、甲醛、环氧树指、酚醛树脂等各种 浆材，并用到水利水电工程、矿山坑道建设和地质勘探钻孔漏失问题的处理等工 程建设中。 1 9 5 6 年在山东淄博夏家林煤矿用地面预注浆法恢复了淹没2 0 余年的矿井。 1 9 5 8 年，中科院、水利水电科学研究院和长江科学院在长江三峡工程中开始 进行高分子化学灌浆技术和灌浆材料的研究。 1 9 6 0 年山东济宁l 号井用水玻璃、铝酸钠首次处理3 0 6 t h 的井壁淋水。 1 9 6 3 年4 月，凡口铅锌矿金星岭矿井首次采用预注法凿井顺利通过了喀斯特 地层。 从1 9 6 4 年开始，在湖南水口山矿山进行防水帷幕的注浆施工，前后共耗用水 泥达2 3 1 2 9 6 t 。 改革开放以来我国的注浆技术和理论研究取得了很大进展。在我国铁路建设 中，山岭隧道的施工中也广泛应用了注浆法在地表进行帷幕注浆以截断地下水 对隧道开挖的影响，同时在隧道开挖的工作面上进行预注浆以加固围岩，堵塞地 下水，如京广复线上的大瑶山隧道与京九线的岐岭隧道的施工中既使用了地表帷 幕注浆，也使用了工作面预注浆方法，顺利地通过了特大涌水层，优质高速完成 7 了隧道施工任务。 1 9 8 7 年，铁道部隧道局在大秦线军都山隧道进行施工时，遇到特大泥石流， 采用水泥一水玻璃双液注浆法成功地制住了泥石流，安全通过该地段。 在我国城市地铁建设中，人们应用注浆法以提高施工的安全性。如在北京地 铁建设中，人们用改性的水玻璃浆液加固、固结细砂层，以顺利通过细砂层，而 在广州地铁施工中则使用加有超细水泥的粘土固化浆液固结含水砂层。 1 3 主要研究内容 本论文将主要通过试验来比较注浆前后土体的微观结构和力学性质，并依据 研究得到的成果，运用三维有限元程序f l a c 3 d 对了花园东路站八达岭高速站区 问3 3 断面进行数值模拟分析。 基于上述研究思路，本文的主要研究内容及方法有以下3 点： ( 1 ) 、查清她铁花园东路站八达蛉高速站区间3 3 断面区域土层分布情况及 其地质构造关系。 ( 2 ) 、采用现场取样、室内试验的方法，研究区间隧道主要土体类型及结石体 的微观结构，力学性质( 变形、强度) ，并比较分析注浆前后土体的微观结构、土 体力学性质之间的变化。 ( 3 ) 、将研究成果应用到花园东路站八达蛉高速站区间3 - - 3 断面的工程实践 当中，充分考虑工程场区不同性质、不同含水量土层分布的影响，建立区间隧道 及围岩土体的模型，运用有限元的方法对区间段的开挖步骤进行数值模拟分析， 根据分析结果总结出地铁施工环境下注浆加固的效果，并将其应用于工程实践。 8 韭塞銮适太堂亟堂僮j 金塞区间隧道圭鬟佳的邀丑结捡塑左堂毽厦班盔 2 区间隧道主要土体的微观结构和力学性质研究 2 1区间隧道主要土体类型的微观结构试验研究 2 1 1区间隧道主要土体类型 花园东路站八达岭高速站区间为北京地铁十号线第7 段区间，本区间从位于 花园东路站沿土城北路南侧的土城遗址公园向东到达八达岭高速站，本工程所处 地区均属于永定河冲积扇地区，土层以第四季冲积洪积为主。北京地区前第四系 地层除缺失奥陶系上统、志流系、泥盆系、石炭系下统、二叠系和白垩系上统外， 其余地层均有出露。新生代系第三系砾岩及砂岩为本地区第四系地层的下伏基岩， 且二者呈不整合接触。第四纪以来由于受新构造运动的影响，山区不断抬升，平 原强烈下降，并接受了巨厚的第四纪河流沉积物。在北京平原的不同地区，由于 受断裂活动的影响和古地理环境的限制，第四纪沉积物的厚度有明显的差异。在 北京市区，第四纪沉积地层的厚度由西向东逐渐增大，岩相分布由山地向平原具 有明显过渡的特征，即市区西部的第四纪古河流形成的冲洪积扇顶部、中上部的 地层以厚层砂土、卵砾石层为主；向东过渡为冲洪积扇的中部和中下部，第四纪 地层为粘性土、粉土与砂土、卵砾石交互沉积层。 综上所述，本区间隧道围岩主要为粘土、粉土、砂土层。 2 1 2区间隧道主要体的微观结构试验 l 、概述 土的工程性质和工程设计中所选用的各种参数是直接受土的颗粒特征、颗粒 或孑l 隙的排列以及粒间相互作用力所控制的，即受土的结构控制。土的微观结构 是理解土的物理力学性质的重要基础，它包括两个方面：土的组构和粒间连结力。 土的组构是颗粒排列的几何特征，包括土中颗粒、团块、孔隙的排列及分布。结 构是非常困难测量和定量化的，而组构较容易，结构中的许多信息可以从相应的 组构中获得，因而要了解土的结构特征，首先要开展组构的研究。研究组构的技 术手段很多，有偏光显微镜、电子显微镜、x 射线衍射、孔径压汞分析等，其中 电镜扫描( s e m ) g t 以直观的揭示颗粒和颗粒之间的排列。 2 、试验方法 9 韭塞奎亟太堂亟堂焦途塞匡闻隧道圭噩链的丝理结掏塑左堂性魔盟宜 结构特征研究包括地层结构和在s e m 下的微细结构特征，利用s e m 下的超 显微结构主要予以说明颗粒之间的相互关系及胶结特点。 3 、试验结果分析 图2 1 注浆前粘土的s e m 照片 d i a g r a m2 1c l a y s 舢p h o t o g r a p hb e f o r e 蜘e c l 图2 2 注浆前粉质粘土的s 凸i 照片 d i a g r a m 2 2 s i h yc l a y ss e , mp h o t o g r a p hb e f o r e 硒c c i 1 0 j e 瘟窑通盍堂硒堂焦监塞匡回隧煎圭要馇曲丝理绪捡塑左坐性魇班究 图2 3 注浆前砂土的s e m 照片 d i a g r a m 2 3s a n dc l a y ss 锄p h o t o g r a p hb e f o r ei n j o c t 图2 1 图像的特点是颗粒和孔隙都比较清楚。图2 2 图像中的颗粒为粒状、接 触结构排列。图2 3 图像中的颗粒为粒状、架空、具有大孔隙，这种结构对应的土 体强度偏低。 2 2区间隧道主要土体类型的力学性质( 变形、强度) 试验研究 2 2 1概述 由于土的力学性质相当复杂，目前对本构关系的研究和计算参数的确定远远 落后于计算技术的发展，与此同时，我国诸多城市的工程建设已进入大发展时期， 施工过程中的各种施工方法都会给周围土层造成不同程度的甚至极大的影响。由 于对施工开挖引起周围土体工程性质认识不足而导致的工程事故不乏其例。 土的抗剪强度是指土体对于外荷载所产生的剪应力的极限抵抗能力。在外荷 载作用下，土体中将产生剪应力和剪切变形，当土中某点由外力所产生的剪应力 达到土的抗剪强度时，土就沿着剪应力作用方向产生相对滑动，该点便发生剪切 破坏。工程实践和室内试验都证实了士是由于受剪而产生破坏，剪切破坏是土体 强度破坏的重要特点，因此，土的强度问题实质上就是土的抗剪强度问题。 地面沉降是指在自然和人为因素作用下，由于地壳表层土体压缩而导致区域 性地面标高降低的一种环境地质现象。一般而言，主要是不合理开采地下流体( 地 下水、天然气和石油等) 所致。它具有成生缓慢、持续时问长、影响范围广、成因 机制复杂和防治难度大的特点，是一种对城市规划建设、经济发展和人民生活构 成威胁的地质灾害。地面沉降实际上也就是土的变形问题。 韭塞銮垣盔堂亟堂僮监銮匡包隧遭圭噩，土佳煎丝魏结塑麴左堂挂廑研究 2 2 2试验方案 本次试验主要是从地铁l o 号线第七合同段的施工现场分别取得粘土、粉质粘 土和砂土三类比较有代表性的土样，进行直接剪切和压缩试验。 2 2 3主要土体的强度试验研究 1 、概述 土体的破坏通常都是剪切破坏，而土体的抗剪强度则是土体抵抗剪切破坏的 极限能力，其数值等于剪切破坏的滑动面上的剪应力。 直接剪切试验就是对试样直接施加剪切力将其剪坏的试验，简称直剪试验， 是测定土的抗剪强度的一种常用方法。通常采用4 个试样，分别在不同的垂直压 力p 下，施加水平剪切力，测得试样破坏时的剪应力f ，然后根据库仑定律确定土 的抗剪强度参数内摩擦角p 和粘聚力c 。 这种方法将使粒问有效应力维持原状，不受试验外力的影响，但由于这种粒 间有效应力的数值无法求得，所以，试验结果只能求得( 仃t a n + 。) 的混合 值。 本次采用直接快剪试验，以每分钟o 8 m m 的剪切速度施加剪力，直至剪坏。 其中采用的测力环系数c = 2 4 8 k p a 0 0 1 r a m 。 2 、试样制备 本节研究的土样取自花园东路站八达岭高速站区间3 3 断面施工现场，粘 土、粉质粘土和砂土的平均含水量分别为3 1 9 、2 1 7 、1 9 8 。其中所用到的 仪器设备为：应变控制式直剪仪、量程为1 0 m m ，分度值为0 0 1 r a m 的百分表、环 刀及圆玻璃片、滤纸、切土刀、钢丝据和润滑油等。 3 、试验结果及数据分析 根据试验结果，分别绘制了粘土、粉质粘土和砂土的抗剪强度与垂直压力的 关系曲线，见图2 4 、图2 5 、图2 6 。 j e 塞銮煎太雯亟皇僮论塞 匡间隧道圭霆缝的邀塑缝抱塑左堂挂厦班究 o1 0 02 0 03 舯 垂直压力( 盱4 ) 田 图2 4 粘土的抗剪强度与垂直压力关系曲线 d i a g r a m2 4t h er e l a t i o nc u r v eo f c l a y ss h e a rs u e n g t ha n dv e r t i c a lp r e s s u r e 01 0 01 5 02 2 5 03 0 0 m 垂直压力( 砰0 图2 5 粉质粘土的抗剪强度与垂直压力关系曲线 d i a g r a m 2 5 t h e r e l a t i o nc u r v e o f s i l t yd a y ss h e a r s 廿e u g t ha n d v e r t i c a l p r e s l ；l l l 。 o 1 0 0 1 5 02 0 02 5 03 0 0 4 0 1 ) 垂直压力( k p ) 图2 6 砂土的抗剪强度与垂直压力关系曲线 d i a g r a m2 6t h er e l a t i o nc a l l n eo f s a n dd a y ss h e a rs t m a g t ha n dv e r t i c a lp r e s s u r e 卵0 。盘v善一环撼 期 枷 螂 埘 o (1岛v喜一繇辖 枷 渤 撕 娜 瑚 o (-盘v雠硝蒙撼 韭塞变通太堂亟堂鱼逾塞匡匈隧亟圭要佳啦邀塑结擅塑盘堂焦厦班宜 在图2 4 、图2 5 、图2 6 中，直线的倾角为土的内摩擦角缈，直线在纵坐标上 的截距为土的秸聚力c 。 从上述r 关系曲线图中，我们可以计算出这三种土样的粘聚力c 和内摩擦 角妒，计算结果见表2 1 。 表2 1 土样的粘聚力和内摩擦角 c h a r t2 1s o i ls a m p l e sc o h e s i v es h e n g t ha n di n t e r n a lf r i c t i o na n g l e 名称粘聚力c ( k p a ) 内摩擦角p ( o ) 粘土 4 5 6 71 6 8 粉质粘土 5 0 5 2 l _ 2 砂土53 2 2 2 4主要土体的变形试验研究 l 、概述 土在外荷载作用下，永和空气逐渐被挤出，土的骨架颗粒之间相互挤密，封 闭气泡的体积也将缩小，从而引起土层的压缩变形，土在外力作用下体积缩小的 这种特性称为土的压缩性。 土的压缩主要是由于孔隙体积减少而引起的。而固结试验( 亦称压缩试验) 是研究土的压缩性的最基本的方法。固结试验就是将天然状态下的原状土或人工 制备的扰动土制备成一定规格的土样，然后置于固结仪内，在不同荷载和在完全 侧线条件下测定土的压缩变形。 2 、试样审l 备 本节研究的土样取白花园东路站八达岭高速站区间3 3 断面施工现场，粘 土、粉质粘土和砂土的平均含水量分别为3 1 9 、2 1 7 、1 9 8 。其中所用到的 仪器设备为：固结容器、磅秤式加荷设备、最大量程l o m m 、最小分度值0 o l m m 的百分表及毛玻璃板、圆玻璃片、滤纸、切土刀、钢丝据和凡士林等。 3 、试验结果及数据分析 根据试验结果，分别绘制了牯土、粉质秸土和砂土的孔隙比与压力的关系曲 线，见图2 7 、图2 8 、图2 9 。 1 4 j e 塞奎通本堂殛堂焦论童区闻隧道圭要佳趋邀显结撞扭左堂性厦硒盔 l 0 9 吼8 0 t 0 6 oo 5 0 4 乱3 0 2 0 1 o o 7 0 6 0 5 o 4 o 3 0 2 0 1 o 0 7 0 6 0 5 0 4 0 3 0 2 o 1 o 0 5 0l 1 2 0 02 5 03 0 03 5 0枷4 5 0 p ( e p a ) 图2 7粘士e p 关系曲线 d i a g r a m2 7t h er e l a t i o n t r v eo f c l a y se - p 。 o5 01 0 01 0 02 0 02 5 03 0 03 5 04 0 04 5 0 p ( e p a ) 巨耍困 图2 8粉质粘土e p 关系曲线 d i a g r a m2 8t h er e l a t i o nc u r v eo f s i l t yc l a y se - p 0 5 0 1 0 01 0 0 2 0 0 2 5 0 3 0 0姗4 0 04 5 0 p ( 盱a ) 图2 。9砂土唧关系曲线 d i a g r a m2 9t h er e l a t i o nc u r v eo f s a n dd a y s 叩 从上述r 1 关系曲线闺中，我们可以看出，粘土的曲线比较陡，这是由于粘 韭塞窑通左堂亟堂僮论塞区间隧道圭墨链鲍丝理结控塑出堂挂厦班蕴 土的压缩性大，当发生压力变化印时，则相应的孔隙比的变化血也大。 为了便于比较，我们采用在压力间隔p l = 1 0 0 k p a 至p 2 = 2 0 0 k p a 时对应得压缩 模量e s l 一：来评价这三种土的压缩性。 按式( 2 1 ) 、式( 2 2 ) 、式( 2 3 ) 、式( 2 - 4 ) 分别计算试样的初始孔隙比、各级压 力下试样固结稳定后的孔隙比巳、某一压力范围内的压缩系数口r 和某一压力范围 内的压缩模量e 。 ：坐业一l ( 2 1 ) 岛 岛：一阜她 ( 2 - 2 ) 口：垃 ( 2 3 ) p l “一p i e：生鱼(2-4) 。 a ， 相应的计算结果见表2 2 。 表2 21 0 0 - - 2 0 0 k p a 范围内的压缩模量 c h a r t2 2m o d u s l u so f c o m p r e s s i o ni nr a n g eo f1 0 0 2 0 0 k p a 名称初始孔隙比 压缩模量b i _ 2 ( m p a ) 粘土 o 9 2 1 1 5 粉质粘土 0 6 42 1 1 砂土 o 6 61 6 9 1 6 北塞窑通占堂亟堂僮j 盆塞区回隧道结五佳殴毯观结捡塑左堂性厦班窀 3 区间隧道结石体的微观结构和力学性质研究 3 1区间隧道主要土体类型的注浆试验研究 3 1 1概述 注浆技术就是利用送压设备将能够固化的浆液材料通过钻孔注入地层中颗粒 的间隙、土层的界面或岩层裂隙内，使其扩张、胶结、固化，以降低地层的渗透 性，增强地层强度，防止地基沉降、变形的处理技术。 土层中注浆是通过浆液在土体中的4 种运动形式，即充填、渗透、挤压和劈 裂来达到加固土体的目的。这4 种运动形式并不是单独存在的。因为，即使在渗 透系数较大的土体中，虽然浆液以渗透运动为主，但也存在挤压和劈裂，也就是 说，当浆液以综合运动形式挤入土体时，注浆才最有效。 注浆技术按照常规的分类可分为静压注浆和高压喷射注浆两大类。按照地质 条件、注浆压力、浆液对土体的作用机理、浆液的运动形式租替代方式将注浆分 为渗透注浆、压密注浆、劈裂注浆和喷射注浆四类。 a ) 渗透注浆：在不破坏地层土颗粒排列的条件下，浆液充填于颗粒间隙中，从 而取代、排出其中的空气和水，将颗粒胶结成整体。 渗透注浆主要有球形扩散理论、柱形扩散理论和袖套管法理论。 b ) 劈裂注浆：浆液先压密注浆点周围的土体，当压力增大到某一数值时，浆液 流动使地层产生劈裂，形成脉状或条带状固结体，浆脉起骨架作用，土体被压密， 其物理力学性质得到改善； c ) 压密注浆：通过极稠的浆液挤压注浆点周围的土体，使土体密实。 d ) 喷射注浆：浆液在喷嘴外呈射流状冲击而破坏土体，浆液和土体搅拌混合形 成固结体。 3 1 2管棚及小导管注浆法加固机理研究 北京地铁1 0 号线第七合同段花园东路站八达岭高速站区间3 3 断面采用大 管棚和超前小导管注浆预加固地层。管棚孔口位置沿隧道拱部开挖轮廓线外 3 0 0 m m 布置，环向间距3 0 0 m m ，纵向搭接3 m ，外插角1 ，管棚直径中1 0 8 ，壁 厚5 m m ，长度1 8 m ，每环4 7 根；超前注浆小导管采用0 4 2 热轧无缝钢管，壁厚 3 5 m m ，环向间距3 0 0 m m ，长2 5 m ，搭接长度1 m ，外插角1 6 ，每环4 6 根脏浆 1 7 韭壶銮煎太堂亟堂焦童幺塞 匡间隧道结查佳盥微观绪控塑左堂挂厦班殛 压力0 5 1 m p a 。布黄横断面如同3 1 所示。 图3 1 区同3 _ 3 断面布置图 d i a g r a m3 1i n t e r v a ls e c t i o na r r a n g e m e n tp l a no f 3 3 普氏理论认为，隧道开挖后，顶部岩体失去稳定，产生坍塌，并形成自然拱。 随之，隧洞两侧由于应力集中而逐渐破坏。因此，顶部坍塌进一步扩大形成坍落 拱。如果隧