随着我国地铁进入大规模建设时期,地铁建设过程中的不良地质灾害控制已成为重要研究课题。地铁隧道修建过程中经常穿越的第四系富水砂层,是影响地铁建设安全的主要地质灾害源之一,该地层具有含水丰富、胶接强度低、自稳能力差的显著特点,在施工扰动及地下水作用下极易诱发隧道塌方、涌水溃砂等工程灾害事故。注浆方法是控制富水砂层地质灾害的最常用方法,受砂层孔隙结构及地应力状态的影响,砂层注浆往往呈现出不同的扩散加固模式,本文针对工程中最常见的两种砂层注浆模式(渗透模式与劈裂-压密模式),通过理论分析、室内试验、模拟试验等方法,以实现砂层注浆扩散过程与加固效果的定量描述为目标,深入研究砂层注浆扩散与加固机理,建立了注浆扩散范围与注浆加固效果的定量计算方法,最终形成针对砂层的注浆设计方法,并进行了工程应用。本文主要工作及创新成果如下:(1)砂层注浆扩散加固模式主要取决于砂层可注性及注浆压力大小,在砂层可注性试验的基础上建立了考虑砂层结构特征及浆液粒径大小的可注性判据,基于圆孔扩张理论建立了注浆起劈判据,在此基础上阐述了渗透注浆模式与劈裂-压密注浆模式各自的发生条件。(2)分析不同注浆方式对浆液粘度空间分布的影响,建立了考虑粘度空间分布不均匀性的砂层渗透注浆扩散理论模型,并开展一维可视化渗透注浆扩散模拟试验,通过理论与试验结果的对比验证,获得了砂层渗透注浆扩散范围与注浆参数、浆液流变参数之间的定量关系。(3)开展了砂层渗透注浆加固效果室内试验,研究浆液性质、砂层特征及注浆压力对注浆效果的影响,研究发现浆液水灰比是影响注浆效果的主控因素,不同水灰比浆液对应的砂层渗透注浆加固体表现出截然不同的破坏模式,通过拟合试验数据获得了砂层渗透注浆加固效果与浆液水灰比及养护时间的定量关系。(4)通过侧限压缩试验研究了不同黏性土含量及含水率条件下的砂层压密特性,建立了可描述砂层非线性压密过程的数学模型,在此基础上建立了考虑浆液流场与砂层应力场耦合效应的劈裂-压密注浆扩散过程理论模型,并基于步进式计算原理提出了劈裂通道动态扩展过程计算算法,实现了砂层劈裂-压密注浆扩散过程的完整描述,揭示了注浆扩散过程中劈裂通道开度的时空分布规律。(5)通过一系列力学性能试验获得了砂层压密注浆效果与所受压力的定量关系,以及浆液结石体性能与浆液配比、养护龄期的定量关系。综合考虑浆脉骨架与压密砂层对砂层注浆加固体整体性能的贡献,建立了可描述砂层注浆加固体整体性能的简化物理模型,并提出了砂层劈裂-压密注浆加固效果定量估算方法,获得了砂层劈裂-压密注浆效果的各向异性及空间分布特征,系统分析了注浆压力、单孔注浆量、注浆孔间距、砂层压密特性对砂层劈裂-压密注浆加固效果的影响。(6)研发了可视化砂层注浆模拟试验系统,实现了砂层劈裂-压密注浆过程的可视化模拟,获得了试验条件下砂层应力场、位移场及劈裂通道扩展过程的动态演化特征,通过与劈裂-压密注浆扩散加固理论的对比验证,进一步揭示了砂层劈裂-压密注浆扩散加固机理。(7)在砂层注浆扩散加固机理研究成果的基础上提出了针对砂层的注浆设计方法,研究成果在青岛地铁2号线啤～苗区间富水砂层注浆加固工程中进行了成功应用,取得了良好的效果,可为类似工程提供一定借鉴。