廣義賓漢流體水泥基漿液動水注漿及質量檢測研究

楊浩亮

(1.鐵正檢測科技有限公司 山東濟南 250014；2.山東省交通工程檢測監測應用技術工程實驗室 山東濟南 250014)

1 引言

在地下工程建設中，突水災害已經成為威脅工程施工安全的重大因素，并且在隧道建設、礦井建設中，由于發生突水災害造成的人員傷亡、財產損失和工期延長均成為工程的主要問題。隨著我國在西部等地質復雜地區基礎建設日益增多，對于突水災害的治理更顯得迫在眉睫[1-2]。

突水災害常見的處理手段主要分為以下幾種:疏干排水、疏堵結合和注漿堵水。目前常見的工程中，注漿堵水是治理突水災害的主要手段。注漿治理突水主要靠漿液在介質中的移動來實現，常見的理論為滲透注漿、壓密注漿、充填注漿和劈裂注漿等，對于土體各向同性的多孔介質較為合適，但是對于具有導水通道的裂隙巖體則不太適用。對裂隙巖體的突水災害治理，需要對其進行單獨的研究分析[3-5]。

不少學者對于裂隙巖體注漿進行了研究，Lisa H[6]為了減少硬巖隧道工程中的突水災害，設計了一套裂隙巖體注漿系統，結合塔斯社隧道工程的應用，提出注漿參數是改善裂隙注漿效果的主要因素，通過建立含水層裂隙巖體注漿概念模型，對裂隙注漿從理論上有了較大的創新。Rafi J Y[7]認為裂隙注漿最為關鍵的就是施加壓力，并分析了賓漢體漿液運動規律，就如何控制最優注漿壓力進行深入的分析。結合施工現場，提出允許采用較低的注漿壓力，可以更好地控制漿液流動。Fransson ?[8]認為通過預注漿和后注漿法可以有效改善裂隙巖體突水情況，同時也要考慮水泥漿液的性能。結合瑞典尼嘉德隧道的工程應用，得出優化巖體應力變形對于裂隙注漿極為重要的結論。

湛鎧瑜[9]建立了單一裂隙動水注漿模型，采用計算機數值模擬的方法對裂隙注漿動水擴散模型進行編程和分析，并通過試驗驗證了模型的合理性。李術才[10]基于富水斷裂帶內部巖體結構，建立注漿的概念模型，推導出裂隙注漿擴散控制方程，得出注漿速率、注漿壓力和漿液粘度是影響注漿效果主要因素的結論，并基于此提出了一種新的注漿控制方法，結合工程應用取得較好的效果。阮文軍[11]針對不同漿液流型，并考慮漿液粘度的時變性規律，進行裂隙注漿的試驗性分析，提出“塑性強度”概念可以推廣到一般漿液，建立了穩定性漿液注漿擴散模型。鄭玉輝[12]基于對裂隙注漿漿液的分析，進行可控復合漿液的試驗研究，并對不同漿液流型的擴散模型進行分析。

對于裂隙注漿及其漿液擴散機理，諸多學者都進行了分析研究。雖然湛鎧瑜建立了單一裂隙注漿動水模型，但對模型適用條件并未進行說明；阮文軍雖然考慮了漿液流型的不同，但并沒有從理論上解決漿液在動水裂隙中的擴散問題。鑒于以上不足，本文基于廣義的賓漢流體水泥基漿液的流動規律建立漿液擴散模型，并結合具體工程案例，分析漿液在動水條件的擴散規律。

2 單一平板裂隙模型

2.1 漿液流變

工程中，水泥漿液、水泥-水玻璃漿液和高聚物改性漿液分屬不同的流變類型。流變類型主要分為冪律流體、牛頓流體、賓漢流體和廣義的賓漢流體。對于水泥漿液，有關文獻進行了較為系統的試驗分析，并得出結果:(1)水泥漿液并不是某一種單一的流體，在不同的水灰比條件下呈現不同的流型。水灰比在0.5～0.7范圍為冪律流體；水灰比在0.8～1.0范圍的水泥漿液呈現為賓漢流體；水灰比大于2.0為牛頓流體。(2)水泥基復合漿液為廣義的賓漢流體。(3)水泥漿在水灰比為0.7時開始由冪律流體轉向賓漢流體。

本文以廣義賓漢流體的水泥基漿液作為研究對象，并對相關理論進行研究。

2.2 本構方程

廣義的賓漢流體分為兩種流動方式，一種是純粘性流動；另一種是各向同性的類固體運動。由于在剪切力和剪切速率關系基礎上加上屈服值就是類固體運動，因此只需要建立純粘性流體的本構方程。建立純粘性流體的本構方程，需有以下假設條件:(1)廣義的賓漢流體流型不變；(2)應力只和變形速率有關、與時間無關。

在任意一個時刻t，應力張量可以用變形速率表示:

式中，σij為應力張量；Bij為變形速率張量；I為單位張量；α、β為常數；δij為克羅尼克符號。

其中B在坐標系具體表達為:

令α＝2μ得:

然后得到參數β:

式中，μ為表示粘度函數；div為散度符號。

若流體在巖體中的流動受到外界壓強為P，則:

即可得到σij:

當i≠j，即σij＝τij，則:

最終得到廣義賓漢流體的本構方程:

式中，τ0為屈服值；τij為剪切應力。

2.3 動水條件下的擴散模型

由于裂隙突水通道結構都具有一定的邊界和范圍，因此模型也必須相應建立邊界。

動水條件下裂隙注漿主要分為對隧道兩幫圍巖的注漿和對底板路基的注漿。兩幫圍巖注漿不僅要考慮動水流動的方向，還要考慮到漿液自動、水自重等因素。為了簡化模型，建立平板單一裂隙注漿擴散模型。

2.3.1 基本假設

為建立平板單一裂隙注漿擴散模型，需有以下假設:

(1)漿液類型為廣義的賓漢流體，在運動過程中流體類型保持不變。

(2)漿液流體在運動過程中體積保持不變，不可被壓縮。

(3)漿液流體的本構方程與上文推導一致，且保持各向同性。

(4)漿液流體在流動過程中保持連續，且滿足連續性方程。

(5)漿液流體在流動的任意時刻，剪切速率和剪切應力滿足線性關系。

(6)研究的平板裂隙較為光滑，并且裂隙的寬度穩定不變。

2.3.2 平板單一裂隙注漿擴散模型

由于裂隙水在裂隙通道中流動具有方向性，總體為從高水頭流向低水頭方向。同時，漿液流動分為逆水方向流動和順水方向流動，假設漿液逆水速度為v1，順水速度為v2，漿液在靜水中的流速為v0；水流在高水頭邊界壓力P水＝P，低水頭邊界壓力P水＝0，建立數學模型如圖1所示。

圖1 動水條件的注漿擴散數學模型

根據模型，在水泥基漿液流動方向上任取一微元體，建立微分平衡方程:

通過化簡，將較高項去掉，則:

即可得到斷面的平均流速:

在逆水情況和順水情況下給定不同的壓力，為判斷漿液的擴散距離，設在逆水條件擴散壓力為P1，順水條件擴散壓力為P2，沿x正向取正，x負方向取負；在任意時刻，逆水擴散流量為Q1，順水情況下的流量為Q2，可得:

因此，在工程中，給出注漿孔壓力和靜水壓力，就可以求解出在逆水條件下和順水條件下漿液的擴散距離。

3 工程應用

3.1 工程概況

齊岳山隧道位于湖北省利川市南坪鄉朱家院子和謀道鎮筲箕灣之間，為穿越齊岳山的雙線分離式特長隧道，隧道走向313°。隧道左幅起訖里程樁號為ZK19＋005～ZK22＋380，長3 375 m，最大埋深567 m；右幅隧道起訖里程樁號為 YK19＋016～YK22＋402，長3 386 m，最大埋深543 m。隧道縱斷面為1.55%下坡，進口段為反坡施工。

隧道所處位置地質條件特別復雜，裂隙水極為發育，在進口左線ZK19＋800～ZK19＋950段，出現多處突水情況。特別在雨季，隧道各個出水點水量突增，導致隧道發生淹井長度達300 m，致使工程停工。突水期間最大突水量為1 780 m3/h，累計涌水量約為239 990 m3。

3.2 注漿方案確定及實施

根據超前地質預報資料分析，該段突水情況主要是底板路基下巖體裂隙突水，對于此段突水采取裂隙注漿進行治理。根據單一注漿擴散理論，采用控制注漿方案(見圖2)。

通過使用專用控制液和專用注漿設備，靈活調節各注漿液注入比例和混合液體的凝固時間，及時有效地改變漿液在巖體裂隙中的滲透路徑和滲透深度，通過速凝漿液反復對一定長度內裂隙的充填和擠壓，達到固結圍巖、提高圍巖承載力和密實性、封堵地下水的目的。

在水泥灌漿過程中，通過雙液注漿裝置用專用泵加注速凝液的方法控制水泥漿的凝膠時間，進而控制漿液的擴散空間，最終達到控制注漿的目的(見圖3)。控制注漿需要的注漿機械有水泥漿液髙速攪拌機、自制手動雙控液壓泵、自制控制液專用泵等設備。

圖3 水泥基注漿控制

3.3 注漿效果檢測

(1)水量檢測

通過ZK19＋800～ZK19＋950段隧洞兩側排水溝的排水量和總的排水量的統計對裂隙注漿效果進行驗證(見圖4)。

圖4 排水量監測數據

由圖4可知，突水量隨著注漿治理開始逐漸變小，注漿結束后總的排水量由96 m3/h減小到1.5 m3/h，注漿效果明顯，裂隙突水問題徹底得到解決。

(2)取芯檢測

通過對取芯施工過程的鉆進動態觀察和對所取巖芯的編錄描述，均表明齊岳山隧道左洞ZK19＋800～ZK19＋950斷裂巖溶發育段底板在經過注漿處理后，巖溶充填物(塊石土)密實度顯著提高，碎塊石間水泥漿液充填飽滿，膠結良好，取芯孔無涌水、漏水現象，注漿處理效果良好(見圖5)。

4 結論

本文基于賓漢流體的水泥基漿液在裂隙注漿中的理論研究和工程應用，建立數學模型，對裂隙注漿擴散情況進行探討，并建立應力只和變形速率有關、與時間無關的純粘性流體本構方程。基于廣義賓漢流體的水泥基漿液的本構方程，建立平板單一裂隙動水條件下的注漿擴散模型，得到水泥基漿液斷面的平均流速，并推導出在逆水條件下和順水條件下的注漿擴散距離公式。結合具體工程應用，提出了裂隙注漿控制方案，確定注漿材料與施工路線圖，并結合隧道檢測手段對注漿效果進行驗證。