隧道裂隙巖體注漿漿液擴(kuò)散機(jī)理試驗(yàn)研究

李劍超 盧超波 姜洪亮 楊庭偉 Chu Viet Thuc

摘要：注漿是隧道工程裂隙巖體加固的主要手段之一，為對(duì)其漿液遷移擴(kuò)散機(jī)制進(jìn)行研究，文章通過(guò)自研發(fā)的透明“Y”型二維裂隙試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行注漿漿液的物理擴(kuò)散試驗(yàn)。結(jié)果表明：裂隙張開度組合對(duì)裂隙注漿的擴(kuò)散充填過(guò)程起重要的影響作用，漿液在不同裂隙張開度組合的條件下出現(xiàn)了不同的擴(kuò)散物理特征。

關(guān)鍵詞：隧道裂隙巖體;漿液擴(kuò)散機(jī)理;“Y”型二維裂隙

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：U457+.2-A-20-063-3

0 引言

注漿作為隧道工程裂隙巖體的主要加固手段，廣泛應(yīng)用于堵水、提高圍巖強(qiáng)度以及增強(qiáng)圍巖抗變形工程中[1-2]。大多學(xué)者認(rèn)為漿液以滲透為主，滲透注漿是滲流的延伸[3-4]，巖體注漿是漿液在裂隙中的流動(dòng)，滲流是水在裂隙中流動(dòng)，將漿液等同于水流動(dòng)考慮，漿液的流動(dòng)符合裂隙水力學(xué)公式，將滲流理論直接引入注漿中。郝哲等[5]認(rèn)為裂隙注漿與滲流不同，滲流處理的是已建立的穩(wěn)定流場(chǎng)，而注漿本身卻是流場(chǎng)的建立過(guò)程，二者類似而不盡相同。HSSLER等[6-7]用圓管網(wǎng)絡(luò)代替裂隙面，將2D輻射流簡(jiǎn)化為1D直線流，給出了漿液的運(yùn)動(dòng)方程。周維垣等[8]利用自發(fā)研制的平板型，通過(guò)注漿試驗(yàn)，建立了牛頓流體在水平光滑裂隙面內(nèi)的擴(kuò)散方程，得出了擴(kuò)散半徑與注漿壓力、漿液黏度及注漿時(shí)間之間的關(guān)系。

目前，裂隙巖體滲透注漿理論都有著各自的假設(shè)條件和適用范圍，但均具有很大的局限性。部分模型是基于連續(xù)介質(zhì)條件下得出的，而對(duì)離散條件下得出的模型僅給出了單個(gè)裂隙的使用范圍或是將裂隙結(jié)構(gòu)籠統(tǒng)雜糅在一起，對(duì)裂隙巖體的普適性較差，基于裂隙網(wǎng)絡(luò)的更具普適性的擴(kuò)散遷移模型有待建立。為研究隧道裂隙巖體注漿工程中水泥漿液的擴(kuò)散機(jī)理，通過(guò)自研發(fā)的“Y”型二維裂隙試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行注漿漿液的物理擴(kuò)散過(guò)程試驗(yàn)，以期揭示隧道裂隙巖體注漿工程中水泥漿液在裂隙中的動(dòng)態(tài)擴(kuò)散物理規(guī)律，并為復(fù)雜裂隙巖體的注漿擴(kuò)散機(jī)制研究提供試驗(yàn)平臺(tái)及新思路。

1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ徒榻B

由于在隧道工程實(shí)際注漿中巖體的非可視性，為了能觀察水泥漿液在裂隙巖體中的擴(kuò)散進(jìn)程，采用如下頁(yè)圖1所示的“Y”型二維裂隙試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行室內(nèi)注漿漿液擴(kuò)散試驗(yàn)研

隧道裂隙巖體注漿漿液擴(kuò)散機(jī)理試驗(yàn)研究/李劍超，盧超波，姜洪亮，楊庭偉，Chu Viet Thuc

究，“Y”型裂隙由1塊等邊三角形和2塊直角梯形板采用固定螺栓固定在長(zhǎng)方形表面板構(gòu)成，3條裂隙AB、BC、BD的長(zhǎng)分別為L(zhǎng)AB=300 mm、LBC=613 mm、LBD=613 mm;裂隙的單位寬度w均為25 mm，各裂隙張開度在1～3 mm范圍內(nèi)均可調(diào)節(jié)，“Y”型裂隙直立放置，以避免流體在重力作用下在裂隙的單位寬度上產(chǎn)生影響。

由于室內(nèi)試驗(yàn)平臺(tái)構(gòu)造的裂隙長(zhǎng)度限制，加壓情況下漿液過(guò)快擴(kuò)散導(dǎo)致試驗(yàn)“瞬間”結(jié)束，試驗(yàn)采用定高差加壓的方式進(jìn)行，儲(chǔ)漿罐出漿口與裂隙AB起始點(diǎn)A的垂直高差為1 610 mm，與裂隙BC、BD的終點(diǎn)C、D垂直高差為710 mm。

為模擬現(xiàn)場(chǎng)注漿啟動(dòng)模式，采用手捏導(dǎo)漿軟管防止?jié){液流出，待儲(chǔ)漿罐掛設(shè)到位，導(dǎo)漿管擺動(dòng)相對(duì)停止后，松開導(dǎo)漿管，漿液從出漿口流出，經(jīng)導(dǎo)漿管流至亞克力“Y”型裂隙平臺(tái)的進(jìn)漿口，通過(guò)緩沖腔進(jìn)入AB裂隙，試驗(yàn)結(jié)束的標(biāo)準(zhǔn)為漿液一端到達(dá)BC、BD的任一端點(diǎn)C或D。

2 “Y”型裂隙漿液擴(kuò)散試驗(yàn)

為研究隧道裂隙巖體注漿漿液的擴(kuò)散機(jī)制，室內(nèi)試驗(yàn)調(diào)節(jié)“Y”型裂隙各寬度（見圖2），由于系統(tǒng)加工精度的限制，平臺(tái)中預(yù)構(gòu)造的裂隙在固定過(guò)程中可能存在輕微的滑動(dòng)導(dǎo)致裂隙的寬度發(fā)生微小變化。注漿擴(kuò)散試驗(yàn)的具體參數(shù)詳見表1。實(shí)驗(yàn)采用普通的硅酸鹽水泥，漿液的水灰比均為1.0∶1.0。

3 試驗(yàn)結(jié)果

漿液在1.5 s后發(fā)生的擴(kuò)散距離分離主要是試驗(yàn)系統(tǒng)誤差造成的。由于裂隙較小，均在1 mm左右，即使是發(fā)生0.1 mm的誤差，也會(huì)存在造成裂隙寬度發(fā)生輕微變化的可能，因此產(chǎn)生了試驗(yàn)誤差。通過(guò)裂隙寬度儀測(cè)量發(fā)現(xiàn)，“Y”型三條裂隙AB、BC、BD在各點(diǎn)的實(shí)際值為a=1.05～1.12 mm，b=1.01～1.08 mm，c=1.05～1.12 mm，試驗(yàn)系統(tǒng)存在一定誤差。FA1在1.2 s后期漿液在擴(kuò)散速率方面的差異主要為裂隙寬度造成。

對(duì)于FA1方案，結(jié)合圖3的擴(kuò)散距離進(jìn)程圖，可知在“Y”型裂隙系統(tǒng)中，AB階段擴(kuò)散速率隨時(shí)間的增加呈降低趨勢(shì)，在“Y”型裂隙的擴(kuò)散進(jìn)程亦是如此，這與實(shí)際注漿規(guī)律相吻合。見圖4。

“Y”型三條裂隙AB、BC、BD在各點(diǎn)的實(shí)際值分別為a=1.02～1.10 mm，b=2.03～2.11 mm，c=1.03～1.09 mm。在FA2裂隙張開度組合下，注漿壓差不變，漿液在裂隙分叉后的BC、BD擴(kuò)散充填前期階段，張開度大的裂隙中擴(kuò)散充填速率比張開度小的裂隙中擴(kuò)散充填速率大，漿液擴(kuò)散充填BC末端后，BD裂隙仍未充滿。漿液在裂隙分叉后的BC、BD擴(kuò)散充填后期階段，其在裂隙張開度大的裂隙中擴(kuò)散充填速率比在裂隙張開度小的裂隙中充填擴(kuò)散速率小，筆者認(rèn)為主要是漿液充填導(dǎo)致的壓力降低所致，可以認(rèn)為是壓差減小導(dǎo)致的實(shí)驗(yàn)誤差。但是，最終漿液在裂隙張開度大的裂隙中先擴(kuò)散充填完畢，流體優(yōu)勢(shì)流的特點(diǎn)在裂隙注漿中也存在。因此在隧道裂隙巖體注漿加固中，對(duì)存在較大差異張開度的裂隙，要盡量縮小注漿孔間距或采取多步鉆孔注漿工序，避免大張開度裂隙冒漿后出現(xiàn)小張開度裂隙無(wú)法有效擴(kuò)散充填漿液，影響隧道注漿加固效果。見圖5、圖6。

漿液在1.5 s后發(fā)生的擴(kuò)散距離分離主要是試驗(yàn)系統(tǒng)誤差造成?！癥”型三條裂隙AB、BC、BD在各點(diǎn)的張開實(shí)際值分別為a=0.53～0.6 mm，b=1.02～1.07 mm，c=1.01～1.09 mm。在FA3裂隙張開度組合下，注漿壓差不變，漿液擴(kuò)散到BC、BD裂隙一定距離后停止，后期隨著時(shí)間的增加不再擴(kuò)散，充分證明了顆粒漿液細(xì)微裂隙可注性問題的客觀存在，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)提升漿液儲(chǔ)存罐的高度后也未繼續(xù)發(fā)生擴(kuò)散。這在實(shí)際隧道裂隙巖體注漿中，對(duì)微小張開度裂隙應(yīng)進(jìn)行漿液可注性評(píng)價(jià)，避免注漿漿液無(wú)法有效遷移擴(kuò)散，影響注漿加固范圍或注漿失效。見圖7、圖8。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)采用自研發(fā)的透明“Y”型二維裂隙試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)隧道裂隙巖體注漿漿液的物理擴(kuò)散機(jī)理進(jìn)行研究，主要研究結(jié)果如下：

（1）在裂隙系統(tǒng)中，漿液擴(kuò)散的距離在定壓條件下擴(kuò)散速率隨時(shí)間呈降低趨勢(shì)，對(duì)實(shí)際隧道工程注漿，為使得隧道加固、堵水取得預(yù)期效果，需對(duì)裂隙均勻性進(jìn)行調(diào)查，合理布置注漿孔，以提高注漿效率。

（2）注漿在裂隙分叉后的BC、BD擴(kuò)散充填前期階段，張開度大的裂隙中擴(kuò)散充填速率比張開度小的裂隙中擴(kuò)散充填速率大，漿液擴(kuò)散充填BC末端后，BD裂隙仍未充滿，漿液在裂隙分叉后的BC、BD擴(kuò)散充填后期階段，其在裂隙張開度大的裂隙中的擴(kuò)散充填速率比在裂隙張開度小的裂隙中的充填擴(kuò)散速率小、實(shí)際隧道工程鉆孔注漿過(guò)程中宜充分考慮通過(guò)加密鉆孔進(jìn)行注漿，提高注漿擴(kuò)散均勻性，不能盲目采用高壓注漿提高注漿擴(kuò)散效率。

（3）注漿壓差不變，在較小裂隙中，漿液擴(kuò)散到BC、BD裂隙一定距離后停止，后期隨著時(shí)間的增加不再擴(kuò)散，充分證明了顆粒漿液細(xì)微裂隙可注性問題的客觀存在，通過(guò)提升漿液儲(chǔ)存罐的高度后也未繼續(xù)發(fā)生擴(kuò)散。因此，在實(shí)際隧道裂隙巖體注漿加固、堵水過(guò)程中，漿液存在可注漿性的問題，或者在微開度部位發(fā)生漿液堵塞，堵塞可能無(wú)法通過(guò)提高注漿壓力解決漿液擴(kuò)散范圍，降低了預(yù)計(jì)的隧道裂隙巖體注漿加固、堵水效果。

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收稿日期：2021-03-18

基金項(xiàng)目：廣西自然科學(xué)青年基金項(xiàng)目（編號(hào)：2015GXNSFBA139224）

作者簡(jiǎn)介：

李劍超（1985—），工程師，主要從事公路工程建設(shè)項(xiàng)目管理與巖土工程監(jiān)測(cè)工作。