(重慶交通大學(xué) 重慶 400000)

超細(xì)高性能水泥在富水地質(zhì)隧道托挖施工中的流變力學(xué)性能研究前景分析

宋何陽(yáng)

(重慶交通大學(xué)重慶400000)

隨著公民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，原有的隧道設(shè)計(jì)不滿足現(xiàn)如今的交通需求，在富水地質(zhì)隧道托挖施工中，地下水涌出影響施工安全。近年來(lái)灌漿技術(shù)成為隧道防水、治水的主要方法，其中超細(xì)高性能水泥灌漿具有較好的工作性、環(huán)保、成本低等特點(diǎn)，逐漸替代了化學(xué)材料灌漿。由于超細(xì)高性能水泥灌漿技術(shù)在理論還有不足，因此運(yùn)用材料流變力學(xué)等知識(shí)進(jìn)行研究。從而得到合理的灌漿條件與施工方法來(lái)滿足工程需要。

超細(xì)水泥；托挖隧道；流變學(xué)；富水隧道

一、引言

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，我國(guó)交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)已具有一定規(guī)模，隨著一帶一路的提出，我交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的重心逐步轉(zhuǎn)向地質(zhì)環(huán)境極端復(fù)雜的中西部山區(qū)和巖溶地區(qū)，隧道與地下工程建設(shè)面臨“構(gòu)造復(fù)雜、地質(zhì)環(huán)境多變、災(zāi)害頻發(fā)”的嚴(yán)峻考驗(yàn)，施工中的突水災(zāi)害治理堪稱(chēng)世界級(jí)工程難題。

富水破碎帶隧道擴(kuò)挖是一個(gè)十分復(fù)雜物理力學(xué)演變過(guò)程，首先富水破碎帶隧道擴(kuò)挖施工是應(yīng)力場(chǎng)和變形場(chǎng)復(fù)雜的重分布過(guò)程；二其過(guò)程也是水泥漿與地下水混合體等多相液體滲流過(guò)程；三水泥漿與地下水混合體將有膠凝、硬化等狀態(tài)變化存在相變過(guò)程；最終結(jié)果是帶相變的滲流場(chǎng)、變形場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)之間存在相互耦合作用。

在我國(guó)，研究人員希望通過(guò)大量先進(jìn)技術(shù)手段和治理理念進(jìn)行深入研究，從而達(dá)到根本治理的目的。其中注漿技術(shù)是隧道擴(kuò)挖中常用的治理方法，超細(xì)高性能水泥又以性能優(yōu)越、環(huán)保、成本低等特點(diǎn)，逐漸成為今后隧道注漿主要運(yùn)用的材料之一。

通過(guò)流變學(xué)有關(guān)知識(shí)建立力學(xué)模型，預(yù)測(cè)分析富水破碎帶隧道擴(kuò)挖施工全過(guò)程的水和力問(wèn)題，提出其擴(kuò)挖設(shè)計(jì)參數(shù)、支護(hù)拆除工藝、掘進(jìn)方法、徑向或帷幕注漿等防排水參數(shù)與工藝、監(jiān)控量測(cè)指標(biāo)體系等亟需深入研究。

二、國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

(一)在隧道擴(kuò)挖(建)方面

在國(guó)外，LEE Chiahan等討論了擴(kuò)挖重建的影響因素[1]。

在國(guó)內(nèi)，林從謀等人采用三維彈塑性有限元模型，研究CD工法開(kāi)挖時(shí)軟弱圍巖的穩(wěn)定性[2]。

以上學(xué)者采用不同方式方法，對(duì)隧道擴(kuò)建的研究取得了一些成果。在新形勢(shì)下，隧道擴(kuò)建所處的地質(zhì)環(huán)境很復(fù)雜，擴(kuò)建過(guò)程中不能影響既有隧道的運(yùn)行安全，對(duì)隧道擴(kuò)建的防、治水工藝提出了新的挑戰(zhàn)。

(二)在富水破碎帶隧道方面

在國(guó)外，Bobet A通過(guò)分析獲得了靜載與動(dòng)載作用下孔隙水壓力對(duì)富水隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力特征[3]。

在國(guó)內(nèi)，王偉等人提出了:“以堵為主,限量排放”是高水位富水隧道設(shè)計(jì)應(yīng)遵循的基本原則。原繼偉和楊建華等對(duì)研究分析了三種施工工法下隧道圍巖的位移場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)。

但從上述資料可以看出,關(guān)于破碎圍巖隨道的開(kāi)挖,不同施工工法在治理地下水方面都有所欠缺，單純排水是不能解決問(wèn)題的，而且還會(huì)帶來(lái)掩體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的破壞巖體之間空隙加大。

(三)超細(xì)水泥灌漿方面

德國(guó)的P.Noske指出超細(xì)水泥可以制成水泥漿懸浮液應(yīng)用于巖土灌漿工程,與化學(xué)灌漿相比更環(huán)保[4]。

加拿大K.Salen在研究中指出對(duì)于浮動(dòng)裂隙或低溫下進(jìn)行灌漿還要保持結(jié)構(gòu)完整性,則推薦使用超細(xì)水泥[5]。

在三峽工程中,施工縫灌漿等96%的灌漿工程材料都是使用超細(xì)水泥[6]。

國(guó)內(nèi)外的超細(xì)水泥灌漿機(jī)理研究還相對(duì)較少，在灌漿水泥漿用量、強(qiáng)度設(shè)計(jì)、施工時(shí)間等方面仍處于經(jīng)驗(yàn)控制階段，因此需要理論支持，從而達(dá)到控制工程成本、合理設(shè)計(jì)施工方案的目的。

三、發(fā)展動(dòng)態(tài)分析

綜合國(guó)內(nèi)外研究狀態(tài)不難發(fā)現(xiàn)：超細(xì)水泥灌漿機(jī)理研究缺乏：考慮水泥漿膠凝、硬化全過(guò)程狀態(tài)變化，同時(shí)考慮相變的多相滲流場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)和變形場(chǎng)耦合問(wèn)題的計(jì)算理論沒(méi)人研究。

本文建議，綜合運(yùn)用滲流力學(xué)、巖體力學(xué)、多孔介質(zhì)力學(xué)及材料學(xué)等交叉學(xué)科的基本理論，采用理論分析、模型與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、數(shù)值計(jì)算相結(jié)合方法，將水泥漿(包括雙液漿)、水泥漿與地下水混合體、地下水作為三種不同性質(zhì)的液體，建立考慮相變的多相滲流場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)和變形場(chǎng)耦合問(wèn)題的計(jì)算模型。

應(yīng)用上述模型，研究富水破碎帶隧道擴(kuò)挖、帷幕注漿、徑向注漿施工過(guò)程中的水力動(dòng)態(tài)行為，提出合理設(shè)計(jì)參數(shù)、擴(kuò)挖方案、監(jiān)控量測(cè)指標(biāo)體系、合理防排水方案和注漿參數(shù)。

四、研究方案設(shè)計(jì)與分析

(一)不同水灰比水泥漿膠凝、硬化全過(guò)程水力學(xué)參數(shù)實(shí)驗(yàn)研究

1.建立靜水和動(dòng)水條件下注漿加固過(guò)程實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停?.確定水、水泥漿與水、水泥漿三種流體流動(dòng)規(guī)律及比例；3.測(cè)定不同水灰比濃度水泥漿膠凝、硬化全過(guò)程中流變力學(xué)參數(shù)。

(二)富水破碎帶隧道擴(kuò)挖帷幕注漿水和力變化規(guī)律

1.計(jì)算富水破碎帶隧道擴(kuò)挖帷幕注漿水和力變化；2.富水破碎帶隧道擴(kuò)挖帷幕注漿對(duì)舊隧道的影響分析。

(三)富水破碎帶隧道擴(kuò)挖徑向注漿水和力變化規(guī)律

1.計(jì)算富水破碎帶隧道擴(kuò)挖徑向注漿水和力變化；2.富水破碎帶隧道擴(kuò)挖徑向注漿對(duì)舊隧道、掌子面及初支的影響分析；3.富水破碎帶隧道擴(kuò)挖徑向注漿注漿參數(shù)設(shè)計(jì)。

五、結(jié)論

1.富水隧道托挖過(guò)程中，不可比避免的會(huì)出現(xiàn)地下水帶來(lái)的地質(zhì)災(zāi)害，可提前采用注漿的方式阻止地下水的涌出；2.超細(xì)高性能混凝土灌漿技術(shù)與化學(xué)材料灌漿相比，前者更環(huán)保、成本低、耐久性好；3.怎樣通過(guò)流變學(xué)將超細(xì)高性能混凝土灌漿技術(shù)與富水隧道托挖施工方法良好的結(jié)合，達(dá)到治理托挖工程中地下水危害工程效果的問(wèn)題是今后研究的一個(gè)方向。

[1]Chiahan LEE,Huangkuei CHU,Menghui CHO,et al.Study on Enlarging and Reconstruction Technology of Existing[J].Tunnel Construction,2011:S1.

[2]黃曉明,楊忠華.高速公路隧道擴(kuò)建力學(xué)分析及方案研究[J].交通建設(shè)與管理，2014:45-48.

[3]Bobet A.Effect of pore water pressure on tunnel support during static and seismic loading[J].Tunnelling and Underground Space Technology,2003,18(4):377-393.

[4]P.Noske.超細(xì)水泥灌漿在巖土工程中的應(yīng)用.巖石與混凝土灌漿譯文集,1995:48-52.

[5]K.Salen,T Mirza.Portland水泥和超細(xì)水泥為主的灌漿漿液的選擇原則.巖石與混凝土灌漿譯文集,1995:65-74.

[6]長(zhǎng)江三峽水利樞紐永久建筑物基巖固結(jié)灌漿施工技術(shù)要求(修訂本).水利部長(zhǎng)江水利委員會(huì)三峽工程代表局文件.

宋何陽(yáng)(1993.04-)，男，蒙古族，山東，研究生，重慶交通大學(xué)，研究方向隧道工程。