王家寨隧道第三系半成岩工程性质及涌水灾害风险分析

为探究王家寨隧道第三系富水半成岩物理力学性质,于现场取样开展颗粒筛分、XRD以及扫描电镜试验,并以现场试样的干密度为基准,制备重塑试样进行三轴压缩试验,研究其矿物组成、微观结构及力学特性,结合Mod-Flow模拟地下水位对隧道进行施工灾害分析。研究表明:1)王家寨隧道第三系半成岩级配不均,具备明显的弱胶结特征,在低含水率下具有明显的水敏性与遇水软化特性。随着含水率增长,试样的抗剪强度呈先增后减趋势,当含水率为11%时达到最大值459.03 kPa;当含水率低于12%时,黏土矿物形成胶结物填充颗粒间隙,使试样黏聚力增大;随着含水率持续增大,大量的自由水赋存于颗粒间隙,造成胶结结构破坏,试样抗剪强度明显下降。2)王家寨隧道涌水模拟结果显示,2段典型的富水段掌子面涌水量分别为2805 m^(3)/d和5025 m^(3)/d,表明在隧道富水段开挖极易发生涌水灾害,且灾害涌水量偏高。3)第三系半成岩水敏性强、遇水易软化的物理力学性质,高压富水环境以及工程扰动是王家寨隧道开挖诱发地质灾害的主要因素。

第三系半成岩富水砂岩隧道水平高压旋喷桩复合结构超前预加固研究

在诸如第三系半成岩地层等富水软弱均质地层的隧道建设中,常采用水平高压旋喷桩进行洞内超前预加固,但水平旋喷桩往往因自身抗拉强度低在承受较大荷载时容易发生断裂破坏。依托云南临沧至清水河高速公路王家寨隧道工程,提出了一种在桩体内插入小直径钢管的水平高压旋喷复合结构。通过力学理论分析、数值模拟与现场监测,对比分析了水平高压旋喷桩素桩与复合结构的力学机制与对围岩加固作用,并对钢管布置形式及直径进行优化设计。研究表明:在300 kPa水压下,复合结构相比素桩的挠度值降低了34.8%,最大拉应力降低了37.5%,受力模式明显改善,承受的极限水压力荷载大幅提升至700 kPa,对围岩拱顶沉降、应力也有一定削减作用;增加拱顶钢管布置密度可有效降低桩体拉应力,而减少钢管直径则会导致钢管拉应力增大;建议实际工程中拱顶间隔1根桩体布置108 mm钢管,拱肩间隔2~3根布置89 mm钢管,边墙可不设钢管。

第三系半成岩富水砂岩隧道水平高压旋喷桩加固机理及参数分析

第三系半成岩具备弱胶结、遇水软化等特征,隧道建设时易诱发涌水突泥和坍塌等地下地质灾害。依托云南临清高速公路王家寨隧道,结合现场地质条件与现有工程案例,采用水平高压旋喷桩对软弱围岩进行超前预加固。结合地基梁理论解析、数值模拟与现场监测方法,研究第三系半成岩水平高压旋喷桩加固机理及不同桩体参数对围岩加固效果的影响,并给出桩体参数建议范围,为类似工程提供参考。研究表明:旋喷桩加固后解析解与数值解的剪力与弯矩分布规律较为一致,在开挖未支护段桩体所受弯矩、剪力最大,最易发生断裂破坏;当围岩水压力在300 kPa时旋喷桩体最大拉应力达598.21 kPa,接近桩体极限抗拉强度,水压力小于300 kPa时水平旋喷桩能有效发挥梁、拱协同作用,拱棚效应与阻水效果显著,能将围岩压力传递给桩体后端及拱肩、边墙处,围岩沉降与地下水压得到有效控制,这与现场监测结果基本吻合;桩径、桩长、咬合厚度及搭接长度变化对桩体应力影响较大,影响程度为咬合厚度>桩长>搭接长度>桩径,建议在第三系半成岩富水砂岩隧道围岩水压力小于300 kPa进行超前预加固时,水平旋喷桩桩体参数范围为桩径65~70 cm、桩长10~13 m、咬合厚度25 cm、搭接长度3~4 m。