一種注漿堵水試驗實訓裝置的設計

龐波

摘 要：注漿法是一種應用于有水害威脅的特殊地質條件的特殊施工手段，其應用范圍非常廣泛，適用于地基加固、隧道施工、巷道施工等施工條件，用以改善巖土層性質，堵漏涌突水通道，減少地下水對工程施工的威脅。目前，注漿法施工的相關試驗實訓裝置類型較少，無法較好地為實訓教學和科學研究服務。因此，本文提出一種注漿堵水試驗實訓裝置的設計方案。該裝置具有模擬化、可視化的特點，能直觀展示注漿堵水過程，并可對注漿參數進行數據采集，進而開展研究，分析注漿擴散規律。

關鍵詞：地下工程;注漿堵水;試驗實訓裝置;設計方案

中圖分類號：TU753文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2020）32-0057-03

Abstract： The grouting method is a special construction method applied to special geological conditions threatened by water hazards， its application range is very wide， which is suitable for construction conditions such as foundation reinforcement， tunnel construction， roadway construction， etc.， to improve the nature of the rock and soil layer， block leakage and water inrush channels， and reduce the threat of groundwater to engineering construction. At present， there are few types of related experimental training devices for grouting construction， which cannot serve well for training teaching and scientific research. Therefore， this paper proposed a design scheme of a grouting water blocking experimental training device. The device has the characteristics of simulation and visualization， can visually display the process of grouting and water blocking， and can collect data on grouting parameters， and then conduct research and analyze the law of grouting diffusion.

Keywords： underground engineering;grouting water blocking;experimental training device;design plan

地下工程行業中使用注漿法施工的歷史已有200多年，其主要用于處理地下裂隙區域突水涌水的封堵、地基工程的滲漏防治等現象，是現場施工中一種重要的水害防控手段。注漿法施工就是向水害區域巖土層打鉆孔，借助注漿泵提供的壓力，使漿液通過鉆孔或管道壓入地下巖土層的裂隙或空隙中，由于漿液具有流動性，在注漿泵壓力的驅使下，漿液在巖層中產生擴散，隨后發生凝固和硬化，從而提高巖層的強度、密實性和不透水性，以達到封堵截斷地下涌突水通道、膠結地層的作用，使巖土層性質滿足工程需求[1]。注漿本身是一個復雜的過程，涉及流體力學、材料學、化學等學科，同時不同施工環境下巖層物理模型差異極大，以致已有注漿理論一直落后于注漿施工現場的工藝實踐，對于如何防治工程施工中存在的突水涌水災害，現實的處理手段往往具有很大的主觀性和經驗性[2]。

具體來講，注漿法施工中存在以下需要解決的問題：地下水運動規律、注漿速率、注漿壓力與注漿倍線之間聯系的研究較少，以致注漿設計方案缺少理論支撐，較多依賴施工經驗;由于缺少模型試驗的理論，缺少現場試驗實踐，能夠揭示漿液注漿擴散規律的驗證性研究同樣缺乏;面向裂隙帶巖土層中靜水注漿和動水注漿擴散一般形式的系統分析不多;能夠直觀展示漿液在地下巖土層中擴散形態的研究比較缺乏[3]。延伸到相關專業的教育教學來看，現有注漿法施工的實訓教學裝置絕大多數為演示性模型，構造過于簡單，不能很好地展示注漿過程，開展注漿施工的相關試驗和研究更是無從談起。

1 注漿堵水試驗實訓裝置設計目標

本裝置的設計目標有三。一是模擬裂隙注漿。通過改變裂隙的形狀以及注漿壓力等參數，觀察和研究漿液的擴散規律與巖土層裂隙賦存條件、注漿壓力、注漿倍線等工程基礎和施工條件之間的關系，分析影響注漿工藝擴散效果的內在、外在因素。二是模擬靜水狀態下的注漿。通過改變注漿壓力等參數，對漿液在靜水狀態下的流動狀態進行觀測和研究。三是模擬動水狀態下的注漿。通過改變注漿壓力等參數，對漿液在動水狀態下的流動狀態進行觀測和研究。

2 設計思路

本研究設計的注漿試驗實訓裝置主體部分為長方體容器，具體結構如圖1、圖2所示。容器分為左、中、右三個部分，可分別模擬不同類型巖層的裂隙體，其中，左側、中間兩個容器為鋼板維護結構，不可透視。最右側部分為鋼框架結構，能夠實現可視化的注漿試驗。容器外殼由鋼框架、鋼板等材料組裝或拼裝而成，注漿完成后可通過拆解裂隙體來觀察裂隙體內漿液擴散流動情況。

該裝置1號（左側）容器中設置裂隙模擬模塊，外部有砂漿進行圍護，模擬模塊由黏土磚、水泥磚或類似砌塊材料構建，水泥砂漿以點結方法布置在砌塊間，用以模擬裂隙通道的分布。裂隙模擬模塊內均勻布置注漿管路、供水管路、壓力及流速、流量等傳感器。

裝置2號（中間）容器部分的模擬模塊由不規則的較大石塊堆積構成，以巖石自然堆積狀態模擬裂隙通道。其內部同樣布置注漿管路和各種傳感器。

裝置3號（右側）容器為透明部分，其中包含上、下兩個模擬裂隙層面，由不銹鋼制成的框架和高強度強化玻璃制成上部框架，下部位承力層由不銹鋼框架鋼板制成，承力層表面選擇耐高溫、耐腐蝕的乙烯基樹脂進行找平，和1號容器相同，內部同樣預埋各類數據采集所需要的傳感器。漿液成分不同，漿液流動速度也不相同，為保證漿液在模擬注漿管道和裂隙模擬模塊內不發生淤積，其間加入了可以對裂隙寬度進行調節的功能。以常用硅酸鹽類漿液為例，裂隙寬度可以設置為3～9 mm。同時，裂隙下層內布置有注漿孔、供水管路，容器底部布置有注漿管路。該可視化容器內裂隙模擬模塊可自由制作，在注漿泵和水泵的配合下可分別進行靜水注漿和動水注漿，對在靜壓和動壓兩種不同狀態條件下的漿液的流動形態和規律進行觀測分析。

布置數據采集接口，通過通信電纜以RS485通信協議與各傳感器連接。其中，注漿壓力傳感器測壓范圍為0～2 500 kPa。

在可視化試驗臺架上安裝實時錄像系統，記錄漿液流動現象。

該裝置同時可以通過改變容器內的材料組成來達到不同類型注漿試驗的目的，具體途徑包括兩種。一是設置隨機裂隙模擬模塊，容器外部環繞安裝能實現冷卻降溫功能的低溫鹽水循環管道，用砂漿和錫條兩種材料混合攪拌成充填材料，將其充填進容器內部，充填材料在容器內成型后，啟動鹽水降溫錫條，低溫下（-13.2 ℃）錫條會轉變為粉末，可以模擬產生隨機裂隙模擬模塊。二是選取不同巖土力學性質的土樣，將其充填入容器內，裝配注漿管路后在靜壓或動壓下運行，可以進行充填注漿、擠密注漿和劈裂注漿等不同注漿分布形態的注漿試驗。

3 注漿試驗流程

裝填裂隙體，可按照工程要求模擬相關巖土層參數進行裝填;打開注漿系統，根據試驗實訓需要選擇靜壓或動壓注漿，同時可打開注水管道來模擬地下水影響下的注漿試驗，試驗實訓系統如圖3所示;全過程觀察和記錄注漿量、注漿時間、注漿壓力、注漿速度等參數的變化;注漿完畢，打開容器后破壞左側、中間容器的巖土層裂隙模擬模塊，觀察裂隙、空隙內部的漿液分布及充填情況，并進一步分析、總結注漿規律。

4 試驗實訓裝置預期效果

相對于以往的試驗實訓裝置，該裝置可直觀展示漿液在地下巖層裂隙內的運動基本形態，可以顯著提高實訓教學質量。該裝置可依據實際工程現場注漿施工過程中的工藝流程和問題，采取相似模擬的試驗方法，研究對比不同注漿工藝參數下的施工效果，通過注漿參數的采集、整理和分析計算，開展注漿時間、注漿壓力、注漿倍線等參數和注漿效果之間關系的分析。在靜水和動水兩種不同的技術條件下，人們要依據數值分析方法動態模擬漿液在巖土層中的擴散過程，并在數值分析的基礎上探究裂隙注漿擴散的內部規律，總結和優化裂隙注漿現場工藝，開展相關科學研究。

參考文獻：

[1]秦鵬飛，符平.砂礫石土滲透注漿漿液擴散規律試驗研究[J].中國農村水利水電，2014（4）：147-150.

[2]劉人太.水泥基速凝漿液地下工程動水注漿擴散封堵機理及應用研究[D].濟南：山東大學，2012：25-26.

[3]劉健，劉人太，張霄，等.水泥漿液裂隙注漿擴散規律模型試驗與數值模擬[J].巖石力學與工程學報，2012（12）：2445-2452.