隧道工程注漿理論與注漿技術研究新進展*

秦鵬飛 鐘宏偉 陳曉紅 劉愷亮

(1.蘭州大學西部災害與環境力學教育部重點實驗室， 730121, 蘭州；2.鄭州鐵路職業技術學院鐵道工程學院， 451112, 鄭州∥第一作者， 副教授)

隧道施工往往面臨巖溶、流砂、斷層等不良地質條件，修建過程中涌水突泥、塌方等重大地質災害時有發生。工程實踐表明，注漿是保證復雜地質環境下，隧道工程建設順利進展的有效方法。注漿阻斷了地下水的滲流通道，提高了泥化巖等不良地質體的強度，目前已在鄭萬高鐵、哈大鐵路，以及青島、廈門地鐵等多項工程中取得顯著成效。近些年來，基于滲濾效應、脈動工藝的注漿新理論及劈裂注漿技術得到了快速發展，高聚物、微生物菌液等新型注漿材料得到了廣泛應用，而注漿數值計算技術也取得了重大突破。本文嘗試對隧道工程中的注漿理論與注漿技術最新成果進行系統闡釋。

1 注漿理論

注漿理論是指導隧道工程建設順利進展的重要基礎和保證，是推動隧道注漿技術發展的先決條件。隧道注漿理論研究主要包括水泥漿液的滲濾效應、漿材的黏度時變效應、基于彈塑性理論的劈裂注漿技術及脈動注漿擴散規律等，目前已初步形成了完善的體系。

1.1 滲濾效應

水泥漿液是含有顆粒介質的兩相流體。當水泥漿液在裂隙巖體或富水砂層的孔道中流動擴散時，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。孔隙通道上的顆粒淤積量隨時間遷延增多，最終把通道完全堵塞致使漿液擴散終止，這種現象稱為注漿過程中的滲濾效應。滲濾效應模型見圖1 a)。

文獻[1]指出，受深層滲濾效應的影響，水泥顆粒在注漿通道上產生了不均勻的淤堵沉積，致使被注介質滲透系數發生了不均勻的變化(見圖1 a))。由于水泥顆粒被濾出導致漿液的質量分數沿擴散路徑不斷降低，使得擴散末端水泥顆粒沉積不密實而形成無效注漿區段。文獻[2]分析了普通水泥和超細水泥在微裂隙巖體中的滲濾機制，發現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[3]考慮滲流域內各組分質量守恒(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內沉積吸附行為，建立了考慮滲濾效應的柱形擴散理論模型。研究發現，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越顯著。

1.2 劈裂注漿

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

(1)

(2)

式中：

ηp0——漿液塑性黏度；

δ——裂縫高度；

k——黏時變系數；

εs、η(t)——漿液流變參數；

yp——臨界高度；

c——鋒面壓力。

文獻[5]基于擴孔理論和統一強度準則對非稱荷載下的pu進行了計算(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，且土的抗剪強度參數c(黏聚力)、φ(內摩擦角)和側壓力系數kp等對pu均有較顯著的影響。文獻[6]基于非線性Hoek-Brown強度準則，利用斷裂力學對Ⅱ型和復合型裂隙巖體的劈裂注漿機理進行分析(見圖4 a))。研究表明，巖體材料參數mi、裂紋長度l及地質強度指標GSI對巖體啟劈壓力影響均十分顯著。文獻[7]根據試驗結果分析認為漿液流場與土體應力場存在耦合效應(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[8]基于基床系數法對劈裂注漿過程進行了分析。研究顯示，基床系數標準值和漿液黏度對劈裂擴散半徑影響較大，劈裂擴散半徑與基床系數標準值正相關而與漿液黏度負相關，任意時刻黏性土中的劈裂擴散半徑均小于砂土。

1.3 脈動注漿

恒壓注漿方式下漿液易沿薄弱結構面跑漿，注漿結束后形成夾層的餅狀結構，較嚴重地影響了注漿加固的整體性和均勻性。脈動注漿技術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 [9]采用扁球體劈裂模型推導漿液擴散方程(見式(3)—式(5))。研究發現，脈動注漿條件下漿液的擴散距離明顯小于穩壓條件下的擴散距離，通過調節脈動頻率可以有效實現漿液擴散范圍的控制。

(3)

(4)

(5)

式中：

pn、p0——分別為第n次脈動后的注漿壓力和初始注漿壓力,kPa；

Mn、Nn——脈動注漿參數,Mn單位為m-3,Nn單位為N·m-3；

C——積分常數；

n——脈動次數,次；

rn——第n次脈動后的漿液擴散距離,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——脈動注漿間隔時長,s；

τs——漿液剪切屈服強度,kPa；

bn——第n次脈動后劈裂通道寬度,m。

文獻[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，推導了脈動壓力下賓漢流體有效滲透擴散半徑的計算公式(見式(6))。結果顯示，漿液擴散距離隨脈動注漿時長的增長和地層孔隙率的增大而增大，隨脈動注漿間隔時長的增長和地層孔隙率的減小而減小。

(6)

式中：

Δp——n次脈動后的壓力差,kPa；

θ——膨脹系數；

k0——沉積系數；

φ0——地層的初始孔隙率；

c0——漿液的體積分數；

t1、t2——分別為脈動連續時長和脈動間隔時長,s；

r1、rn——分別為第1次和第n次漿液脈動擴散距離,m；

β——水的黏度與漿液黏度的比值；

K——地層滲透系數,cm/s；

λ——啟動壓力梯度,kPa/m。

2 注漿新材料

注漿技術最活躍和最具有推動力的創新因素是新材料。每次注漿新材料的涌現都會對注漿工藝、設備及注漿計算理論產生重大變革。伴隨著化學、生物技術的發展，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用，并取得了明顯的經濟和社會效益。

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類雙組份發泡聚氨酯，目前已廣泛應用于堤壩修復、道路脫空塌陷治理及隧道防滲加固等工程領域。高聚物材料注射入不良地質體的空穴后，其體積可迅速膨脹2～4倍，反應生成高強度、高韌性和良好耐久性的結石體，從而實現加固土體和抬升基礎的目的。高聚物注漿材料具有輕質早強、膨脹力大、綠色環保等諸多優勢,其主要技術性能指標見表1。

表1 高聚物注漿材料的主要技術性能指標

2.2 微生物菌液

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

3 注漿數值模擬計算

近年來隨著高性能計算機技術的發展，數值仿真模擬在注漿等巖土工程領域中得到了越來越廣泛的應用。計算機數值模擬技術具有運行成本低、功能強大高效等特性，可以實現注漿過程從“不可見”到“可見”的轉化，對于深刻揭示漿液擴散規律及漿-土動態耦合過程中應力、位移的變化具有獨特的優勢。計算機數值模擬技術已逐漸成為工程領域解決問題的主流方法，與理論分析、試驗研究一同成為注漿等科學研究的三大支柱。

文獻[16]通過PFC2D數值試驗發現，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散半徑、土體的孔隙率及其應力狀態均有顯著的影響。數值試驗表明，漿液的擴散半徑隨注漿壓力的增加先增后減，存在最優注漿壓力。測量圈的記錄則顯示距注漿孔越近，土體的孔隙率、主應力等物理力學參數變化越復雜。文獻[17]利用Diamond-square方法構建非均質地層分形模型，采取Delaunay方法將所構建模型剖分為有限元網格，然后通過Comsol有限元中的兩相流/動網格分析技術實現了滲流場和應力場耦合作用下漿液的擴散模擬(見圖6—圖7)。

文獻[18]推導出流固耦合作用下賓漢姆漿液的擴散方程(見式(7))，并采用離散元程序對單裂隙注漿規律進行數值模擬。研究發現，注漿壓力和裂隙寬度是影響漿液擴散形態的主要因素，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——漿液動力黏度，Pa·s;

uh0——初始水力隙寬，m;

f——裂隙粗糙度對漿液流動的影響系數;

Δum——隙寬變形量，m;

τ0——漿液屈服強度，Pa;

L——裂隙跡長，m。

文獻[19]通過有限元(FEM)和流體體積函數 (VOF)方法對劈裂注漿過程進行了可視化研究。結果顯示，二次劈裂發生后斜向漿脈迅速擴展，其對土體的結構性改變較大。文獻[20]指出注漿孔外圍環向拉應力的增加致使土體產生劈裂縫。劈裂注漿改變了土體結構，拓展了土體內部空間，使得其應變率相應增加。

4 結語

本文通過查閱大量相關文獻，對注漿新理論(滲濾效應、脈動注漿和劈裂注漿)、注漿新材料(高聚物、微生物菌液)及注漿新計算技術等進行了系統闡釋。考慮滲濾效應的注漿新理論為工程設計提供了更加準確的參考依據。新材料和新技術的涌現為注漿技術的發展提供了巨大動力。隧道注漿技術領域所取得的寶貴研究成果，必將推動相關產業向精細化質量方向全面提升。