基于P-Q-t特征的隧道注漿動態控制方法研究

鄧澤城 馬 素 孫傳玉 藍雄東

（1.江西省交通投資集團有限責任公司，江西 南昌，330036；2.濟南市交通工程質量與安全中心，山東 濟南 250061；3.山東大學，巖土與結構工程研究中心，山東 濟南 250061；4.江西理工大學，土木與測繪工程學院，江西 贛州 341000）

0 引言

隧道工程建設遭遇巖溶、斷層等不良地質條件時，往往會發生突水、涌泥、塌方等工程災害[1]。隧道運營期間，由于地層自身條件及長期地下水作用極易造成隧道結構的破壞。工程實踐及理論研究表明，注漿手段能夠達到有效治理地下工程災害的目的[2]。但由于地質條件的復雜性及地下工程的隱蔽性，且漿液擴散規律等注漿理論研究尚未完善，實際注漿治理過程中漿液擴散具有明顯的不可控性。

注漿過程中，被注地層介質及漿液性狀的動態變化直接影響注漿壓力與注漿流量的大小及變化規律[3-4]，注漿壓力P與注漿流量Q隨時間的變化規律是漿液在地層介質中擴散加固過程的直接體現，可通過此變化特征來定性指導實際注漿工程。此前，有部分學者對注漿流量和壓力的相關作用機制進行了一定研究，如張民慶[5]等對注漿特征信息控制方法展開相關研究，但多為對注漿結束控制標準及注漿效果評價等方面的研究，鮮有利用注漿壓力與注漿流量之間的動態關系進行注漿施工動態調節的研究。

本文進行了基于注漿流量與注漿壓力等特征信息條件的注漿實時動態控制方法的研究，分析注漿過程中注漿壓力和注漿流量等特征信息參數的對應特征關系（以下簡稱P-Q-t特征），對五種常見的復雜P-Q-t特征信息模型進行了研究，并初步創建了P-Q-t特征數據庫，將“隱式”注漿擴散過程及其加固機理與“顯式”P-Q-t特征信息模型聯系在一起，實現注漿擴散“黑箱”問題的“可視化”，提出特征信息條件下實時動態注漿控制方法，具有良好的工程應用價值。

1 注漿壓力與注漿流量變化特征分析

實際注漿工程中，大部分漿液都可認為是牛頓流體，其注漿量與注漿壓力可表示為：

式中：q——單位時間內的注漿流量；

R——被注地層孔隙半徑；

Δp——實時動態有效注漿壓力；

μ——漿液粘滯系數；

r——漿液擴散半徑。

漿液擴散過程中，被注地層物理力學性質受多種因素綜合作用會不斷發生改變，而被注介質力學性質的改變會反作用于注漿擴散效率。隨著漿液的不斷擴散，被注土體孔隙率、土體強度等力學特性發生改變。因此，工程有效注漿壓力Δp并非注漿泵所提供的壓力P，而是隨被注地層環境等因素不斷改變的變化量，其影響因素關系表達為：

式中：a——孔隙率、滲透性、裂隙張開度等參數的函數關系；

b——漿液配比、粘度、密度等參數的函數關系；

P——注漿泵壓力；

t——時間變量。

結合上述分析易得，漿液流動性受漿液粘滯力的影響，單位時間注漿流量與注漿壓力存在明顯的相關性，當其他條件保持一定的情況下，單位時間內的注漿流量與注漿壓力成正比。然而，隨著注漿過程的不斷深入，注漿擴散半徑不斷增加，漿液擴散需要克服更大的粘滯力，同等壓力條件下的漿液注入效率減小。隨著被注地層的不斷加固，被注地層的物理力學性質不斷改變，其有效空隙半徑在不斷變化，同樣影響著注漿流量與注漿壓力之間的關系。

2 常見復雜工況對應的P-Q-t 特征及其調控措施

實際隧道注漿工程中被注地層具有不均勻性、各向異性等特點，且經常會遇到斷層、巖溶、富水破碎地層等特殊不良地質。因此，漿液擴散中對應的P-Q-t特征具有較大的復雜性，除典型單一擴散形式及其組合形式外，還會出現多種特殊工程地質條件對應的非典型的PQ-t信息特征。

本文通過對湖北利萬高速齊岳山隧道、湖南龍永高速大壩隧道、江西吉蓮高速永蓮隧道及濟南玉函路隧道等多項實際注漿工程中近千個注漿孔實際注漿情況總結分析，提出了在實際注漿工程中五種常見的PQ-t特征信息模型及其對應的特殊工況，并提出相對應的實時處理措施，初步建立了注漿工程P-Q-t特征信息數據庫，見表1。實際注漿施工過程中，有可能遇到更為復雜的工程地質情況，未能涉及的工況可類比上述五種常見P-Q-t特征類型的分析方法，指導注漿工程動態優化調節。

表1 常見隧道注漿工程P-Q-t特征表

3 基于P-Q-t特征的隧道注漿動態控制方法

本文充分考慮被注地層介質及漿液性質的動態變化，提出基于P-Q-t特征的實時動態注漿控制方法。通過分析漿液擴散過程中實時表征信息載體——注漿壓力和注漿流量時變特征，判斷被注地層介質實時條件，結合P-Q-t特征數據庫和相關注漿機理，實時調整注漿施工參數（工藝、材料、設備、控制標準等），實現注漿工程的動態控制。

通過地質雷達法（探測距離淺部圍巖）、激發極化法（探測距離約30～50m）、瞬變電磁法（探測距離約50～80m）等多種地球物理探測方法，并采取鉆孔取芯法對其探測結果進行驗證和補充，結合多元精細化探查方法綜合分析被注地層的工程及水文地質條件，判斷該區域地質特征。根據探測結果設計注漿方案，選擇合理的注漿材料、注漿工藝和注漿效果評價方法，基于漿液可注性驗算及注漿孔設計方案，得出合理注漿參數。注漿施工過程中，利用三參數記錄儀全程記錄P-Q-t特征，當順利達到注漿結束標準時，則該孔注漿結束；存在特殊地質的情況下，如果注漿壓力或注漿總量無法滿足注漿結束的要求，那么就會出現無法達到注漿結束要求的情況。此時，應結合注漿孔鉆孔巖性及水文地質探查結果，對比P-Q-t特征數據庫，對該注漿區域地質條件進行分析，進而對注漿材料及注漿參數進行相應的調整，實現注漿動態調節，以達到更好的注漿效果。注漿完成后，結合多種物理探查手段檢驗治理區域是否達到注漿加固效果。

4 結束語

綜上所述，本文利用牛頓流體流動性理論分析了注漿量和注漿壓力的變化特征，發現二者與被注地層及漿液的時變特性存在明顯的對應關系。結合注漿工程典型工況，建立并分析了五種常見的復雜P-Q-t特征及其對應工況，初步建立了注漿工程P-Q-t特征數據庫。結合多元精細化探查方法，綜合分析被注地層的工程及水文地質條件，提出了基于P-Q-t特征的注漿動態控制方法。