富水破碎巖體脈動注漿加固技術研究綜述

趙芳芳

關鍵詞：脈動注漿;注漿壓力;漿液性質;孔隙通道;流固耦合

巖體破碎含水是工程地質領域時常遇到的不良地質體之一，由于巖體破碎，中間夾雜著碎屑和泥質膠結物，遇水開挖后會有坍塌及涌水現象發生，給地下工程施工帶來極大的安全隱患。

針對不良地質條件，注漿既能加固巖體、又可以防滲堵水、控制巖體破壞與失穩，在地下工程防災治理等領域應用廣泛，特別是在破碎含水地層，常應用預注漿的方式，改善地層，提高巖體強度，增加隔水性，保證施工能夠安全可靠進行。

隨著地下工程的不斷建設與發展，不良地質體，尤其是富水破碎地層越來越復雜，工程建設過程也提出了更高的要求，以往的預注漿方式已經不能適應新的發展需求。為提高注漿效果，工程實際中出現了一次、二次、三步注漿法、深淺孔注漿法、逐段注漿法，但這些注漿方法，在實際注漿實施過程中常出現注漿量大、淺層易冒漿以及施工周期長等諸多問題。盡管也有一些學者想通過提高漿液材料等方式提高注漿效果，如然環氧樹脂、聚氨酯等一些化學漿液，不易被水沖刷流失，可以有效地進入巖體孔隙及微裂隙中，提高了注漿治理效果，但從實際工程需要，除滿足較好的注漿效果外，綠色環保經濟可靠也是重點要考略的因素?；瘜W類漿液成本高，結石體耐久性較差等原因難以大面積推廣。脈動注漿以其可輸出周期性脈沖壓力為特點，將漿液以一定頻率間隔注入地層，實現可控性注漿，成為一種可用于巖土體防滲加固的新方法。

1脈動注漿技術的提出及作用原理

脈動注漿主要是將輸入脈動泵中的漿體通過脈動壓力使其形成具有周期頻率的漿液輸出到巖體的孔隙通道中去，一方面，漿液以交變應力方式使孔隙通道中的堵塞物重新獲得初始速度，小顆粒進一步進入微小孔隙，較大顆粒重新分布到其他孔隙通道或在周期頻率的作用下疲勞破碎，另一方面，地層在脈動壓力作用下，地層中能保持有效的壓力梯度，促使漿液滲透擴散;在脈動壓力的作用下，能夠疏通孔隙通道，提高漿液滲透擴散的路徑，起到更有好的防滲加固效果，避免了跑漿串漿、離析分層、分布不均勻等缺點。

當前脈動注漿研究，多處于實踐階段，如：文獻[4]一[8]分別通過研發新式脈動壓力試驗裝置、實驗室實驗、現場試驗、數值仿真等方式驗證了脈動注漿良好的注漿效果，以及脈動注漿用于破碎巖體注漿防滲的可行性。以上研究表明，脈動注漿存在一定的優勢，但總體上還處于初級階段，對于機理的研究還不明確。

與穩壓注漿不同，脈動壓力作用的過程為：漿液壓力從零點到設計的頻率之間周期變換，推動漿液以脈動波的形式進入巖體介質當中去，當脈動壓力達到最高峰值時，巖土體中的裂隙，大的滲透性得到增強，裂隙小受到壓力作用閉合。當脈動壓力到達最小值，即間歇段時，漿液壓力為零，巖體應力得到釋放，巖體裂隙中的漿液受到巖體的擠壓，漿液脫水，這一過程增強了漿液結石體強度，提高了注漿后巖土體的密實度，達到控制注漿的目的。

脈動注漿時，由于施加給巖土體荷載的延滯效應和脈動疊加作用，使得地應力與注漿壓力之間，總是存在波動的壓力差，如此，漿液在巖土介質中的滲透更加充分，結石體強度高。而這一滲透擴散過程，除了是注漿壓力，注漿持續時間及間隔時間，漿液的性質，孔隙率大小等因素的影響作用外，還是漿液一固體相互耦合作用的結果。

2注漿影響效果研究

2.1注漿壓力對注漿效果影響研究

z.Saada，Zebovitz等對水泥漿液進行了滲透注漿模擬試驗，得到了注漿壓力對于巖土體注漿的影響效果明顯。TL.Dreese通過數值模擬，研究單一裂隙狀態下，漿液的流動特性，得到了注漿壓力、注漿速度與注漿方向上深度增加的關系。胡巍等通過開展了動水條件下注漿試驗，地層的可注性與注漿壓力有直接的關系，較大的注漿壓力，漿液的擴散半徑有所增加。

以上研究表明，富水破碎巖土體的注漿的加固，漿液壓力對其在地層中的擴散、充填及結石體強度具有顯著的影響。因此，研究注漿壓力對注漿效果的影響對工程實踐具有重要指導意義。

2.2漿液性質對注漿效果影響研究

Atle Johansen等人通過試驗證明了水泥基漿液中顆粒滲透速率與水泥孔隙度與水灰比有關。并通過研究發現加大水灰比對于提高滲透率，顆粒分散降低堵塞發生也有很大的效果。Olivier等通過砂土注漿實驗量取注漿壓力與漿液流通量的關系來研究水泥基漿液對滲透性的影響，實驗表明，隨著水灰比的增高，注漿流通量增大，注漿壓力也隨著增大，對滲透效應的影響越大。郭密文等通過試驗模擬研究在高壓封閉條件下砂層注漿過程中漿液的凝固滲透過程，試驗結果表明水灰比越高，“絮凝時間”越慢。侯克鵬等通過對松散介質的室內水泥注漿加固模擬試驗，發現水灰比在影響注漿量及漿液擴散半徑的因素中影響力最大。

漿液的流動性能直接影響漿液運移、擴散特性。水灰比又是漿液流動性能的重要因素，因此研究水泥水灰比對于水泥注漿的影響具有重要意義。

2.3孔隙通道對注漿效果影響研究

李術才等用自主研發的恒壓注漿裝置進行砂土介質水泥注漿試驗，試驗發現砂土孔隙對水泥顆粒產生過濾作用，使得水泥顆粒產生不均勻擴散。楊偉軍等通過砂土注漿模擬試驗，研究在不同顆粒級配下，不同注漿參數對漿液擴散半徑的影響，并得到漿液擴散公式。根據上述學者研究成果，在一定試驗條件下，孔隙直徑大小直接影響地層的可注性。周子龍，杜雪明等以分形理論和冪律流體理論為基礎，建立孔隙通道的曲折效應方程及漿液擴散模型，對比分析了考慮孔隙曲折率與不考慮孔隙曲折率對漿液壓力的影響，研究表明，兩者在漿液壓力隨擴散距離變化的趨勢及幅度上都有明顯的區別。張慶松，王洪波等研制了一套裝置用于模擬多孔介質滲透注漿實驗，考慮不同滲透速率及不同介質滲透率下，注漿壓力的時空變化規律，研究結果表明：多孔介質滲透中，在不考慮漿液擴散的路徑時，高估了在注漿擴散過程的漿液壓力值，所以考慮漿液擴散路徑的多孔介質注漿是非常必要的。

2.4漿液一巖體耦合效應對注漿擴散過程影響研究

注漿過程是水、漿液、巖體之間相互的力學作用過程，注漿漿液、地下水在滲透擴散過程中產生的滲透力及漿液壓力作用在巖體骨架上影響應力場的分布，同時巖土體的變形使得孔隙通道的變化，導致漿液滲透性的降低。因此考慮漿液一巖體的相互耦合作用對于研究漿液的注漿效果、注漿體耐久性等均有重要的意義。國內外研究學者對注漿過程多場耦合問題做了相關研究。

張連震、張慶松等建立了考慮漿一巖耦合效應的裂隙注漿擴散理論模型，在此基礎上研究不同裂隙開度條件下漿一巖耦合效應對裂隙注漿擴散過程的影響程度。張丁陽等考慮滲流場、應力場和溫度場耦合三場耦合條件下以裂隙巖體為研究對象，推導出裂隙巖體動水注漿三場耦合方程。鄭卓、李術才等基于平板裂隙漿液運移方程，建立考慮漿液對巖體單向耦合作用下的裂隙巖體注漿理論模型，對注漿過程中漿液與圍巖的相互作用開展研究。程鵬達等以高壓富水區孔隙地層為研究對象，建立了應力場和滲流場的耦合作用注漿數學模型，引入孔隙率和滲透率的動態參數，對漿液注漿過程中的流固耦合物理特性以及其對漿液擴散半徑的影響進行分析。

在漿液流動過程中，漿液一巖體的耦合作用影響漿液擴散距離以及最終的注漿封堵效果，而這種影響在何種程度上可以忽略，以及怎樣避免巖體變形對注漿造成的不利影響，是接下來學者研究的方向。

3結論及建議

本文整理分析了國內外關于脈動注漿技術的研究以及注漿壓力、漿液性質、孔隙通道、流固耦合等對注漿效果的影響，指明了脈動注漿技術還需要完善的內容，以期為完善脈動注漿作用機理研究，促進技術的推廣應用提供支撐，但現有研究還存在較多不足，脈動注漿技術研究在以下幾個方面亟待解決：

（1）室內注漿試驗，能夠模擬再現注漿全過程，可反映漿液在受灌體中的滲透擴散規律，是研究注漿機理的有效途徑和方法，以往的室內試驗大多考慮穩壓注漿，對于可提供周期性壓力的脈動注漿方式在國內比較少，還應進行進一步的室內試驗研究。

（2）對于注漿過程的流固耦合問題，涉及滲流場與應力場兩個場，考慮到他們之間的相互作用，需要把滲流方程和固體力學方程建立在同一個框架也是脈動注漿中要解決的問題。

（3）由于現場工程中，對注漿效果的影響因素復雜，現場需要根據不同的工況合理調整注漿參數，對于脈動注漿，現場應用較少，所以進行不同富水壓力，不同漿液性質，不同孔隙介質下脈動注漿的數值模擬十分必要。