隧道工程注漿理論與注漿技術(shù)研究新進(jìn)展*

秦鵬飛 鐘宏偉 陳曉紅 劉愷亮

(1.蘭州大學(xué)西部災(zāi)害與環(huán)境力學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 730121, 蘭州；2.鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院鐵道工程學(xué)院， 451112, 鄭州∥第一作者， 副教授)

隧道施工往往面臨巖溶、流砂、斷層等不良地質(zhì)條件，修建過程中涌水突泥、塌方等重大地質(zhì)災(zāi)害時(shí)有發(fā)生。工程實(shí)踐表明，注漿是保證復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下，隧道工程建設(shè)順利進(jìn)展的有效方法。注漿阻斷了地下水的滲流通道，提高了泥化巖等不良地質(zhì)體的強(qiáng)度，目前已在鄭萬高鐵、哈大鐵路，以及青島、廈門地鐵等多項(xiàng)工程中取得顯著成效。近些年來，基于滲濾效應(yīng)、脈動(dòng)工藝的注漿新理論及劈裂注漿技術(shù)得到了快速發(fā)展，高聚物、微生物菌液等新型注漿材料得到了廣泛應(yīng)用，而注漿數(shù)值計(jì)算技術(shù)也取得了重大突破。本文嘗試對隧道工程中的注漿理論與注漿技術(shù)最新成果進(jìn)行系統(tǒng)闡釋。

1 注漿理論

注漿理論是指導(dǎo)隧道工程建設(shè)順利進(jìn)展的重要基礎(chǔ)和保證，是推動(dòng)隧道注漿技術(shù)發(fā)展的先決條件。隧道注漿理論研究主要包括水泥漿液的滲濾效應(yīng)、漿材的黏度時(shí)變效應(yīng)、基于彈塑性理論的劈裂注漿技術(shù)及脈動(dòng)注漿擴(kuò)散規(guī)律等，目前已初步形成了完善的體系。

1.1 滲濾效應(yīng)

水泥漿液是含有顆粒介質(zhì)的兩相流體。當(dāng)水泥漿液在裂隙巖體或富水砂層的孔道中流動(dòng)擴(kuò)散時(shí)，受慣性力或吸附力等因素的影響，水泥顆粒會逐漸偏離流線方向并在孔隙通道內(nèi)沉積。水泥顆粒被土體骨架“濾出”將孔隙通道堵塞，致使斷面上的漿液流量減少?？紫锻ǖ郎系念w粒淤積量隨時(shí)間遷延增多，最終把通道完全堵塞致使?jié){液擴(kuò)散終止，這種現(xiàn)象稱為注漿過程中的滲濾效應(yīng)。滲濾效應(yīng)模型見圖1 a)。

文獻(xiàn)[1]指出，受深層滲濾效應(yīng)的影響，水泥顆粒在注漿通道上產(chǎn)生了不均勻的淤堵沉積，致使被注介質(zhì)滲透系數(shù)發(fā)生了不均勻的變化(見圖1 a))。由于水泥顆粒被濾出導(dǎo)致漿液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)沿?cái)U(kuò)散路徑不斷降低，使得擴(kuò)散末端水泥顆粒沉積不密實(shí)而形成無效注漿區(qū)段。文獻(xiàn)[2]分析了普通水泥和超細(xì)水泥在微裂隙巖體中的滲濾機(jī)制，發(fā)現(xiàn)普通水泥的最小可注入開度和最小無滲濾裂隙開度分別為140 μm和310 μm，而超細(xì)水泥則分別為80 μm和280 μm。減小水泥粒徑對最小可注入開度影響明顯，而對最小無滲濾裂隙開度影響不明顯。文獻(xiàn)[3]考慮滲流域內(nèi)各組分質(zhì)量守恒(見圖1 b))，采用顆粒沉積概率模型描述水泥顆粒在多孔介質(zhì)內(nèi)沉積吸附行為，建立了考慮滲濾效應(yīng)的柱形擴(kuò)散理論模型。研究發(fā)現(xiàn)，注漿速率和水灰比越小，孔口處的孔隙率衰減越快，水泥漿液在砂土中的濾過效應(yīng)越顯著。

1.2 劈裂注漿

劈裂注漿拓展了巖土介質(zhì)的孔隙結(jié)構(gòu)，提高了低滲透地層的可注性。劈裂注漿形成的網(wǎng)狀漿脈可起到骨架支撐和“加筋”作用，顯著地提高了地基強(qiáng)度和剛度，因而劈裂注漿技術(shù)研究亦具有重要的理論意義和科學(xué)價(jià)值。文獻(xiàn)[4]基于賓漢體黏度時(shí)變性方程和平板裂縫模型(見圖2)，推導(dǎo)了賓漢體漿液劈裂注漿的啟劈壓力pu和最大擴(kuò)散半徑R計(jì)算公式：

(1)

(2)

式中：

ηp0——漿液塑性黏度；

δ——裂縫高度；

k——黏時(shí)變系數(shù)；

εs、η(t)——漿液流變參數(shù)；

yp——臨界高度；

c——鋒面壓力。

文獻(xiàn)[5]基于擴(kuò)孔理論和統(tǒng)一強(qiáng)度準(zhǔn)則對非稱荷載下的pu進(jìn)行了計(jì)算(見圖3)。分析表明，非對稱荷載下的pu明顯小于對稱荷載下的啟劈壓力，且土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)c(黏聚力)、φ(內(nèi)摩擦角)和側(cè)壓力系數(shù)kp等對pu均有較顯著的影響。文獻(xiàn)[6]基于非線性Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則，利用斷裂力學(xué)對Ⅱ型和復(fù)合型裂隙巖體的劈裂注漿機(jī)理進(jìn)行分析(見圖4 a))。研究表明，巖體材料參數(shù)mi、裂紋長度l及地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)GSI對巖體啟劈壓力影響均十分顯著。文獻(xiàn)[7]根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析認(rèn)為漿液流場與土體應(yīng)力場存在耦合效應(yīng)(見圖4 b))。漿液流場限制劈裂通道寬度隨注漿壓力衰減，并呈現(xiàn)非線性衰減特征。劈裂通道寬度與漿液的黏度呈正比，與土體的彈性模量呈反比。文獻(xiàn)[8]基于基床系數(shù)法對劈裂注漿過程進(jìn)行了分析。研究顯示，基床系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值和漿液黏度對劈裂擴(kuò)散半徑影響較大，劈裂擴(kuò)散半徑與基床系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值正相關(guān)而與漿液黏度負(fù)相關(guān)，任意時(shí)刻黏性土中的劈裂擴(kuò)散半徑均小于砂土。

1.3 脈動(dòng)注漿

恒壓注漿方式下漿液易沿薄弱結(jié)構(gòu)面跑漿，注漿結(jié)束后形成夾層的餅狀結(jié)構(gòu)，較嚴(yán)重地影響了注漿加固的整體性和均勻性。脈動(dòng)注漿技術(shù)因其具有良好的漿液可控性和均勻的整體加固效果，近幾年逐漸受到研究者的重視。文獻(xiàn) [9]采用扁球體劈裂模型推導(dǎo)漿液擴(kuò)散方程(見式(3)—式(5))。研究發(fā)現(xiàn)，脈動(dòng)注漿條件下漿液的擴(kuò)散距離明顯小于穩(wěn)壓條件下的擴(kuò)散距離，通過調(diào)節(jié)脈動(dòng)頻率可以有效實(shí)現(xiàn)漿液擴(kuò)散范圍的控制。

(3)

(4)

(5)

式中：

pn、p0——分別為第n次脈動(dòng)后的注漿壓力和初始注漿壓力,kPa；

Mn、Nn——脈動(dòng)注漿參數(shù),Mn單位為m-3,Nn單位為N·m-3；

C——積分常數(shù)；

n——脈動(dòng)次數(shù),次；

rn——第n次脈動(dòng)后的漿液擴(kuò)散距離,m；

r0——注漿孔半徑,m；

μ——土體泊松比；

μB——漿液的塑性黏度,mPa·s；

E——土體的彈性模量，MPa；

T——脈動(dòng)注漿間隔時(shí)長,s；

τs——漿液剪切屈服強(qiáng)度,kPa；

bn——第n次脈動(dòng)后劈裂通道寬度,m。

文獻(xiàn)[10]基于賓漢流體流變模型、黏性流體滲流方程和水泥顆粒沉積理論，推導(dǎo)了脈動(dòng)壓力下賓漢流體有效滲透擴(kuò)散半徑的計(jì)算公式(見式(6))。結(jié)果顯示，漿液擴(kuò)散距離隨脈動(dòng)注漿時(shí)長的增長和地層孔隙率的增大而增大，隨脈動(dòng)注漿間隔時(shí)長的增長和地層孔隙率的減小而減小。

(6)

式中：

Δp——n次脈動(dòng)后的壓力差,kPa；

θ——膨脹系數(shù)；

k0——沉積系數(shù)；

φ0——地層的初始孔隙率；

c0——漿液的體積分?jǐn)?shù)；

t1、t2——分別為脈動(dòng)連續(xù)時(shí)長和脈動(dòng)間隔時(shí)長,s；

r1、rn——分別為第1次和第n次漿液脈動(dòng)擴(kuò)散距離,m；

β——水的黏度與漿液黏度的比值；

K——地層滲透系數(shù),cm/s；

λ——啟動(dòng)壓力梯度,kPa/m。

2 注漿新材料

注漿技術(shù)最活躍和最具有推動(dòng)力的創(chuàng)新因素是新材料。每次注漿新材料的涌現(xiàn)都會對注漿工藝、設(shè)備及注漿計(jì)算理論產(chǎn)生重大變革。伴隨著化學(xué)、生物技術(shù)的發(fā)展，高聚物等高分子材料和微生物菌液等新型材料相繼投入工程應(yīng)用，并取得了明顯的經(jīng)濟(jì)和社會效益。

2.1 高聚物注漿材料

高聚物注漿材料的主要成分是非水反應(yīng)類雙組份發(fā)泡聚氨酯，目前已廣泛應(yīng)用于堤壩修復(fù)、道路脫空塌陷治理及隧道防滲加固等工程領(lǐng)域。高聚物材料注射入不良地質(zhì)體的空穴后，其體積可迅速膨脹2～4倍，反應(yīng)生成高強(qiáng)度、高韌性和良好耐久性的結(jié)石體，從而實(shí)現(xiàn)加固土體和抬升基礎(chǔ)的目的。高聚物注漿材料具有輕質(zhì)早強(qiáng)、膨脹力大、綠色環(huán)保等諸多優(yōu)勢,其主要技術(shù)性能指標(biāo)見表1。

表1 高聚物注漿材料的主要技術(shù)性能指標(biāo)

2.2 微生物菌液

近年來，微生物誘導(dǎo)CaCO3沉淀技術(shù)(MICP)受到專家、學(xué)者的廣泛關(guān)注，并取得了許多重要的研究成果。微生物注漿的加固機(jī)理與水泥注漿的加固機(jī)理相似，微生物礦化作用產(chǎn)生的凝膠體被稱為“生物水泥”(見圖5)。

3 注漿數(shù)值模擬計(jì)算

近年來隨著高性能計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值仿真模擬在注漿等巖土工程領(lǐng)域中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)具有運(yùn)行成本低、功能強(qiáng)大高效等特性，可以實(shí)現(xiàn)注漿過程從“不可見”到“可見”的轉(zhuǎn)化，對于深刻揭示漿液擴(kuò)散規(guī)律及漿-土動(dòng)態(tài)耦合過程中應(yīng)力、位移的變化具有獨(dú)特的優(yōu)勢。計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)已逐漸成為工程領(lǐng)域解決問題的主流方法，與理論分析、試驗(yàn)研究一同成為注漿等科學(xué)研究的三大支柱。

文獻(xiàn)[16]通過PFC2D數(shù)值試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，注漿壓力是注漿過程中的決定性因素，注漿壓力對漿液的擴(kuò)散半徑、土體的孔隙率及其應(yīng)力狀態(tài)均有顯著的影響。數(shù)值試驗(yàn)表明，漿液的擴(kuò)散半徑隨注漿壓力的增加先增后減，存在最優(yōu)注漿壓力。測量圈的記錄則顯示距注漿孔越近，土體的孔隙率、主應(yīng)力等物理力學(xué)參數(shù)變化越復(fù)雜。文獻(xiàn)[17]利用Diamond-square方法構(gòu)建非均質(zhì)地層分形模型，采取Delaunay方法將所構(gòu)建模型剖分為有限元網(wǎng)格，然后通過Comsol有限元中的兩相流/動(dòng)網(wǎng)格分析技術(shù)實(shí)現(xiàn)了滲流場和應(yīng)力場耦合作用下漿液的擴(kuò)散模擬(見圖6—圖7)。

文獻(xiàn)[18]推導(dǎo)出流固耦合作用下賓漢姆漿液的擴(kuò)散方程(見式(7))，并采用離散元程序?qū)瘟严蹲{規(guī)律進(jìn)行數(shù)值模擬。研究發(fā)現(xiàn)，注漿壓力和裂隙寬度是影響漿液擴(kuò)散形態(tài)的主要因素，而裂隙傾角對注漿效果影響不大。

(7)

式中:

q——裂隙單寬滲流量，m3/s;

μ0——漿液動(dòng)力黏度，Pa·s;

uh0——初始水力隙寬，m;

f——裂隙粗糙度對漿液流動(dòng)的影響系數(shù);

Δum——隙寬變形量，m;

τ0——漿液屈服強(qiáng)度，Pa;

L——裂隙跡長，m。

文獻(xiàn)[19]通過有限元(FEM)和流體體積函數(shù) (VOF)方法對劈裂注漿過程進(jìn)行了可視化研究。結(jié)果顯示，二次劈裂發(fā)生后斜向漿脈迅速擴(kuò)展，其對土體的結(jié)構(gòu)性改變較大。文獻(xiàn)[20]指出注漿孔外圍環(huán)向拉應(yīng)力的增加致使土體產(chǎn)生劈裂縫。劈裂注漿改變了土體結(jié)構(gòu)，拓展了土體內(nèi)部空間，使得其應(yīng)變率相應(yīng)增加。

4 結(jié)語

本文通過查閱大量相關(guān)文獻(xiàn)，對注漿新理論(滲濾效應(yīng)、脈動(dòng)注漿和劈裂注漿)、注漿新材料(高聚物、微生物菌液)及注漿新計(jì)算技術(shù)等進(jìn)行了系統(tǒng)闡釋?？紤]滲濾效應(yīng)的注漿新理論為工程設(shè)計(jì)提供了更加準(zhǔn)確的參考依據(jù)。新材料和新技術(shù)的涌現(xiàn)為注漿技術(shù)的發(fā)展提供了巨大動(dòng)力。隧道注漿技術(shù)領(lǐng)域所取得的寶貴研究成果，必將推動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)向精細(xì)化質(zhì)量方向全面提升。