一种全断面注浆下隧道止浆墙稳定性预测方法

1.本发明涉及基础建设领域，具体涉及一种全断面注浆下隧道止浆墙稳定性预测方法。


背景技术：

2.当隧道开挖到断层破碎带、侵入接触带等软弱带时，容易出现突水突泥灾害，隧道一旦出现上述险情，一般采用混凝土止浆墙对其进行支挡，然后在止浆墙后方进行全断面注浆，以加固后方软弱岩土体，待岩土体加固后，逐步拆除止浆墙进行开挖。然而，当出现止浆墙注浆压力过大，或止浆墙厚度不足等情况时，止浆墙可能沿着隧道底部向隧道外部滑动，进而止浆墙支挡作用失效。迄今为止，在注浆压力作用下止浆墙的稳定性，大都依靠工程经验进行判断，尚无可靠的理论进行指导。
3.有鉴于此，本发明提出一种预测全断面注浆下隧道止浆墙稳定性的方法，具有流程性强、结果可靠和使用方便的优点。


技术实现要素：

4.为解决上述问题，本发明提供了一种全断面注浆下隧道止浆墙稳定性预测方法。
5.为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
6.一种全断面注浆下隧道止浆墙稳定性预测方法，包括：
7.1)测量隧道拱顶高程z1和底面高程z2；
8.2)测算隧道突水突泥处地面高程z3、突水突泥后泥面高程z4和地下水位z5；
9.3)获取地下水位以下的突水突泥软弱土体的特征数据：饱和重度γ
sat
、有效重度γ'、内摩擦角及静止土压力系数k0；其中，饱和重度：通过环刀法测试出土体密度，然后乘以重力加速度，得到其饱和重度γ
sat
；内摩擦角：通过直剪试验，测试出其内摩擦角
10.4)分别计算出止浆墙顶面处的水平土压力σ
1x
、止浆墙底面处的水平土压力σ
2x
、止浆墙顶面处的水压力σ
w1
、止浆墙底面处的水压力σ
w2
及止浆墙的重力g；
11.5)计算出止浆墙受到的总水平推力t及止浆墙具有的水平推力抵抗力r，并根据r与t判定止浆墙的稳定性；
12.若r≥t，则判定止浆墙处于稳定状态，若r《t，则判定止浆墙处于不稳定状态。
13.本发明的工作原理是，隧道突水突泥后止浆墙在注浆施工时受到软弱土体的压力、地下水压力和注浆压力，在这三个压力作用下具有向外移动，即不稳定的趋势，止浆墙靠自身重量，与隧道底部之间形成摩擦力，这个摩擦力抵抗止浆墙向外移动，当摩擦力大于推力时，止浆墙处于稳定状态；当摩擦力不足以抵抗向外的推力时，止浆墙向外滑动，处于不稳定状态。
14.进一步的，步骤1)具体为利用rtk测量出隧道口底面的高程，然后结合水准仪测量出止浆墙位置处隧道拱顶高程z1和底面高程z2。
15.进一步的，步骤2)中隧道突水突泥处地面高程z3、突水突泥后泥面高程z4和地下水
位z5的测算方法如下：
16.通过rtk测量出突水突泥位置处的地面高程z3，利用物探或钻探方法确定出突水突泥后泥面离地面的距离h1以及地下水位离地面的距离h2，则z4＝z
3-h1，z5＝z
3-h2。
17.进一步的，步骤3)中静止土压力系数其中，为内摩擦角；有效重度γ'＝γ
sat-γw，其中，γw为水的重度，取9.8kn/m3。
18.进一步的，步骤4)中止浆墙顶面处的水平土压力σ
1x
＝(z
4-z1)γ'k0；止浆墙底面处的水平土压力σ
2x
＝(z
4-z2)γ'k0；止浆墙顶面处的水压力σ
w1
＝(z
5-z1)γw；止浆墙底面处的水压力σ
w2
＝(z
5-z2)γw；
19.止浆墙的重力g＝awγc，其中，a为隧道横断面面积，w为止浆墙的厚度，γc为混凝土重度，取2500kn/m3。a从隧道横断面设计图中测得；根据止浆墙设计方案，确定出止浆墙的厚度w。
20.进一步的，步骤5)中止浆墙受到的总水平推力t＝t1+t2+t3，其中，t1为止浆墙由于土压力产生的水平推力，t2为止浆墙由于水压力产生的水平推力，t3为止浆墙由于注浆压力产生的水平推力；
21.止浆墙具有的水平推力抵抗力r＝gμ，其中，μ为止浆墙与墙底之间的摩擦系数；通过大型直剪试验，确定出止浆墙与墙底之间的摩擦系数μ。
22.进一步的，止浆墙上由于土压力产生的水平推力止浆墙由于水压力产生的水平推力其中，b为隧道横断面宽度，b从隧道横断面设计图中测得；止浆墙由于注浆压力产生的水平推力t3＝nuπr2，其中，n为一次注浆施工的孔数，u为注浆压力，r为扩散半径。注浆压力u和扩散半径r，根据隧道全断面注浆设计方案，确定上述两个参数；根据隧道止浆墙注浆设计方案，确定出一次注浆施工的孔数n。
23.本发明提供的全断面注浆下隧道止浆墙稳定性预测方法能够有效预测在注浆压力作用下止浆墙的稳定性，具有流程性强、结果可靠和使用方便的优点，适宜进一步的推广应用。
具体实施方式
24.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
25.我国东南沿海某铁路隧道开挖施工时，遇到软弱破碎带，出现了突水突泥灾害，施工单位迅速启动预案，采取混凝土止浆墙进行防护，在止浆墙内部打设注浆孔进行高压注浆，为了确保该止浆墙在注浆压力作用下能够保持稳定，采用本发明的方法对止浆墙稳定性进行预测。
26.利用rtk测量出隧道口底面的高程，然后结合水准仪测量出止浆墙位置处隧道拱顶高程z1为163.5m，底面高程z2为155.5m；利用rtk测量出突水突泥位置处的地面高程z3为
274.4m，利用物探方法确定出突水突泥后泥面离地面的距离h1为24.9m，以及地下水位离地面的距离h2为31.4m，进一步确定出突水突泥后泥面高程z4为249.5m和地下水位z5为243.0m；在地下水位以下的突水突泥软弱土体内取原状土样，运回实验室，利用环刀法测试出其密度，然后乘以重力加速度，得到其饱和重度γ
sat
为19.6kn/m3；确定突水突泥软弱土体的有效重度γ'为9.8kn/m3；利用钻探在突水突泥软弱土体内取原状土样，运回实验室进行直剪试验，测试出其内摩擦角为17.3
°
；确定出突水突泥软弱土体的静止土压力系数k0为0.70277；确定止浆墙顶面处的水平土压力σ
1x
为592.2kpa，底面处的水平土压力σ
2x
为647.4kpa；确定止浆墙顶面处的水压力σ
w1
为779.1kpa，底面处的水压力σ
w2
为857.5kpa；根据隧道全断面注浆设计方案，确定注浆压力u为1.5mpa，扩散半径r为2.0m；利用大型直剪试验，确定出止浆墙与墙底之间的摩擦系数μ为0.35；利用隧道横断面设计图，采用auto-cad面积查询功能，确定出横断面面积a为44.13m2，利用auto-cad长度查询功能，确定出隧道宽度b为6.0m；根据止浆墙设计方案，确定出止浆墙的厚度w为3.0m；确定出止浆墙的重力g为330975kn；根据隧道止浆墙注浆设计方案，确定出一次注浆施工的孔数n为4个；确定出止浆墙上由于土压力产生的水平推力t1为29750kn，确定出由于水压产生的水平推力t2为39278kn，确定由于注浆压力产生的水平推力t3为75398kn；确定止浆墙受到的总水平推力t为144426kn；确定止浆墙具有的水平推力抵抗力r为115841kn；由于r《t，则止浆墙处于不稳定状态。
27.以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

技术特征：
1.一种全断面注浆下隧道止浆墙稳定性预测方法，其特征在于，包括：1)测量隧道拱顶高程z1和底面高程z2；2)测算隧道突水突泥处地面高程z3、突水突泥后泥面高程z4和地下水位z5；3)获取地下水位以下的突水突泥软弱土体的特征数据：饱和重度γ
sat
、有效重度γ'、内摩擦角及静止土压力系数k0；4)分别计算出止浆墙顶面处的水平土压力σ
1x
、止浆墙底面处的水平土压力σ
2x
、止浆墙顶面处的水压力σ
w1
、止浆墙底面处的水压力σ
w2
及止浆墙的重力g；5)计算出止浆墙受到的总水平推力t及止浆墙具有的水平推力抵抗力r，并根据r与t判定止浆墙的稳定性；若r≥t，则判定止浆墙处于稳定状态，若r<t，则判定止浆墙处于不稳定状态。2.根据权利要求1所述的全断面注浆下隧道止浆墙稳定性预测方法，其特征在于，步骤1)具体为利用rtk测量出隧道口底面的高程，然后结合水准仪测量出止浆墙位置处隧道拱顶高程z1和底面高程z2。3.根据权利要求1所述的全断面注浆下隧道止浆墙稳定性预测方法，其特征在于，步骤2)中隧道突水突泥处地面高程z3、突水突泥后泥面高程z4和地下水位z5的测算方法如下：通过rtk测量出突水突泥位置处的地面高程z3，利用物探或钻探方法确定出突水突泥后泥面离地面的距离h1以及地下水位离地面的距离h2，则z4＝z
3-h1，z5＝z
3-h2。4.根据权利要求1所述的全断面注浆下隧道止浆墙稳定性预测方法，其特征在于，步骤3)中静止土压力系数其中，为内摩擦角；有效重度γ'＝γ
sat-γ
w
，其中，γ
w
为水的重度，取9.8kn/m3。5.根据权利要求4所述的全断面注浆下隧道止浆墙稳定性预测方法，其特征在于，步骤4)中止浆墙顶面处的水平土压力σ
1x
＝(z
4-z1)γ'k0；止浆墙底面处的水平土压力σ
2x
＝(z
4-z2)γ'k0；止浆墙顶面处的水压力σ
w1
＝(z
5-z1)γ
w
；止浆墙底面处的水压力σ
w2
＝(z
5-z2)γ
w
；止浆墙的重力g＝awγ
c
，其中，a为隧道横断面面积，w为止浆墙的厚度，γ
c
为混凝土重度，取2500kn/m3。6.根据权利要求5所述的全断面注浆下隧道止浆墙稳定性预测方法，其特征在于，步骤5)中止浆墙受到的总水平推力t＝t1+t2+t3，其中，t1为止浆墙由于土压力产生的水平推力，t2为止浆墙由于水压力产生的水平推力，t3为止浆墙由于注浆压力产生的水平推力；止浆墙具有的水平推力抵抗力r＝gμ，其中，μ为止浆墙与墙底之间的摩擦系数。7.根据权利要求6所述的全断面注浆下隧道止浆墙稳定性预测方法，其特征在于，止浆墙上由于土压力产生的水平推力止浆墙由于水压力产生的水平推力其中，b为隧道横断面宽度；止浆墙由于注浆压力产生的水平推力t3＝nuπr2，其中，n为一次注浆施工的孔数，u为注浆压力，r为扩散半径。

技术总结
本发明涉及基础建设领域，具体涉及一种全断面注浆下隧道止浆墙稳定性预测方法，包括：1)测量隧道拱顶高程Z1和底面高程Z2；2)测算隧道突水突泥处地面高程Z3、突水突泥后泥面高程Z4和地下水位Z5；3)获取地下水位以下的突水突泥软弱土体的特征数据：饱和重度γ


技术研发人员：陈华艳 罗才松 周亦涛 詹金武 张丙强 付朝江
受保护的技术使用者：福建工程学院
技术研发日：2021.11.26
技术公布日：2022/3/8