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深埋引水隧洞穿越断层涌水量预测与注浆效果研究

吴静  
【摘要】:随着我国地下工程建设的迅猛发展,隧道等地下工程面临着“构造复杂、环境多变、灾害频发”的严峻考验。地下工程建设中近80%的重大安全事故由涌水地质灾害及处置不当造成,带来极为惨重的人身伤亡和经济损失,涌水已成为隧道建设的主要地质灾害之一,各种不良地质构造和工程扰动作用所诱发的涌水事故成为制约地下空间建设发展的瓶颈问题。福建龙津溪引水隧洞总长13.842km,开挖洞径为底宽3.0m,直径3.9m的扩底圆形断面。由于地质条件复杂多变,施工过程中存在涌水、地热、岩爆等几大主要技术难题,其中大规模持续性涌水为最大技术难点。根据勘察报告和现场实地调查情况可知,该隧洞发生涌水的致灾因素为沿线穿越的断层,并非常规的岩溶隧道突水。为此在充分调研隧址区工程地质和水文地质条件的前提下,开展了深埋引水隧洞穿越断层的涌水量预测及注浆减水效果研究,对隧道(洞)穿越断层条件下隧道的设计和施工提供指导和参考依据,研究成果主要包括:(1)将断层结构划分为三个分带五个区域,即隧道穿越断层结构时依次穿越普通围岩带、断层影响带、断层带、断层影响带和普通围岩带,在此基础上分别分析了穿越断层时的隧洞围岩的岩体结构特征和水文地质特征,为分析隧洞穿越断层的涌水量预测奠定基础;(2)通过对龙津溪引水隧道F61断层附近12+500段开展压水试验,研究断层带及断层影响带渗透系数变化规律,得出基于高斯函数的断层三带分区渗流特性,在断层三带分区基础上,提出普通围岩带采用达西方程进行描述,断层影响带和断层带用修正的Brinkman方程进行描述,建立了基于围岩带分区理论的Darcy-Brinkman断层渗流模型,为隧洞穿越断层时涌水量预测提供一种新的方法。(3)采用改进的Brinkman方程研究地下水在断层内的流动规律,构建了典型Darcy渗流与Brinkman快速渗流耦合计算模型,选取断层与隧洞掘进方向间夹角、断层带宽度、断层影响带宽度、断层带渗透率四个断层影响因素及不同开挖位置一个施工因素建立了23种工况开展断层涌水数值分析,即五种断层与隧洞掘进方向间夹角分别为30°、60°、90°、120°和150°,五种断层带宽度分别为1m、2m、3m、4m和5m、五种断层影响带宽度分别为5m、12.5m、20m、27.5m和35m、三种断层带渗透率10~(-11)m~2,10~(-13)m~2和10~(-16)m~2,五种开挖位置分别到达断层带中心前31.5m、11.5m、掌子面位于断层带中心、断层带中心后11.5m和31.5m,获得了单断层对隧洞周围地下水压力场、渗流场及隧洞涌水量的影响规律。(4)深入研究了在隧道开挖过程中组合断层对隧道涌水量的影响。利用建立的交叉组合断层渗流耦合计算模型,对隧洞开挖轴线分别位于断层交叉中心之上下时,不同相对位置时5种计算工况进行综合分析,从而得到隧洞开挖轴线与断层交叉中心的相对位置对地下水压力场、渗流场及隧洞涌水量的影响规律。通过设置两条平行断层中间断层影响带区域重叠,对隧洞掌子面从未进入断层带到穿越平行组合断层过程中,不同位置时7种计算工况进行综合分析,从而得到隧洞穿越平行组合断层时隧洞掌子面与断层的相对开挖距离对地下水压力场、渗流场及隧洞涌水量的影响规律。(5)为量化研究隧洞穿越断层时的注浆减水效果,选取影响注浆效果的三个因素:注浆圈厚度、超前注浆圈长度、注浆圈渗透率进行分析,设置浆圈渗透率分别为10~(-12) m~2、10~(-13) m~2和10~(-14)m~2,注浆圈厚度分别为0.5m、1m、2m、3m和4m,超前注浆圈长度分别为1m、2m、3m、4m和5m,制定交叉组合断层注浆模拟计算工况共计13种,研究了不同工况下地下水渗流场和隧洞涌水量的变化规律。(6)基于大气降水入渗法、地下水径流模数法、地下水动力学法、解析法四种涌水量预测理论,采用相应的计算公式分别进行隧洞涌水量预测;建立涌水量预测层次结构模型,确定涌水量预测影响因素的指标权重值和隶属度值,基于模糊数学理论进行隧洞涌水量预测。将理论公式法得到的涌水量预测结果、基于Darcy-Brinkman流态耦合涌水量计算模型和COMSOL Mutiphysics数值模拟软件的隧洞涌水量预测结果与涌水量现场监测数据进行对比,分析各涌水量预测方法适用性和局限性,确定现场适用的涌水量综合预测方法。最后,根据数值分析结果,确定合理的注浆参数,并通过注浆前后水压力测试和地质雷达探测对注浆减水效果进行分析。


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