楊浩亮

(1.鐵正檢測(cè)科技有限公司 山東濟(jì)南 250014；2.山東省交通工程檢測(cè)監(jiān)測(cè)應(yīng)用技術(shù)工程實(shí)驗(yàn)室 山東濟(jì)南 250014)

1 引言

在地下工程建設(shè)中，突水災(zāi)害已經(jīng)成為威脅工程施工安全的重大因素，并且在隧道建設(shè)、礦井建設(shè)中，由于發(fā)生突水災(zāi)害造成的人員傷亡、財(cái)產(chǎn)損失和工期延長(zhǎng)均成為工程的主要問(wèn)題。隨著我國(guó)在西部等地質(zhì)復(fù)雜地區(qū)基礎(chǔ)建設(shè)日益增多，對(duì)于突水災(zāi)害的治理更顯得迫在眉睫[1-2]。

突水災(zāi)害常見(jiàn)的處理手段主要分為以下幾種:疏干排水、疏堵結(jié)合和注漿堵水。目前常見(jiàn)的工程中，注漿堵水是治理突水災(zāi)害的主要手段。注漿治理突水主要靠漿液在介質(zhì)中的移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，常見(jiàn)的理論為滲透注漿、壓密注漿、充填注漿和劈裂注漿等，對(duì)于土體各向同性的多孔介質(zhì)較為合適，但是對(duì)于具有導(dǎo)水通道的裂隙巖體則不太適用。對(duì)裂隙巖體的突水災(zāi)害治理，需要對(duì)其進(jìn)行單獨(dú)的研究分析[3-5]。

不少學(xué)者對(duì)于裂隙巖體注漿進(jìn)行了研究，Lisa H[6]為了減少硬巖隧道工程中的突水災(zāi)害，設(shè)計(jì)了一套裂隙巖體注漿系統(tǒng)，結(jié)合塔斯社隧道工程的應(yīng)用，提出注漿參數(shù)是改善裂隙注漿效果的主要因素，通過(guò)建立含水層裂隙巖體注漿概念模型，對(duì)裂隙注漿從理論上有了較大的創(chuàng)新。Rafi J Y[7]認(rèn)為裂隙注漿最為關(guān)鍵的就是施加壓力，并分析了賓漢體漿液運(yùn)動(dòng)規(guī)律，就如何控制最優(yōu)注漿壓力進(jìn)行深入的分析。結(jié)合施工現(xiàn)場(chǎng)，提出允許采用較低的注漿壓力，可以更好地控制漿液流動(dòng)。Fransson ?[8]認(rèn)為通過(guò)預(yù)注漿和后注漿法可以有效改善裂隙巖體突水情況，同時(shí)也要考慮水泥漿液的性能。結(jié)合瑞典尼嘉德隧道的工程應(yīng)用，得出優(yōu)化巖體應(yīng)力變形對(duì)于裂隙注漿極為重要的結(jié)論。

湛鎧瑜[9]建立了單一裂隙動(dòng)水注漿模型，采用計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬的方法對(duì)裂隙注漿動(dòng)水?dāng)U散模型進(jìn)行編程和分析，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了模型的合理性。李術(shù)才[10]基于富水?dāng)嗔褞?nèi)部巖體結(jié)構(gòu)，建立注漿的概念模型，推導(dǎo)出裂隙注漿擴(kuò)散控制方程，得出注漿速率、注漿壓力和漿液粘度是影響注漿效果主要因素的結(jié)論，并基于此提出了一種新的注漿控制方法，結(jié)合工程應(yīng)用取得較好的效果。阮文軍[11]針對(duì)不同漿液流型，并考慮漿液粘度的時(shí)變性規(guī)律，進(jìn)行裂隙注漿的試驗(yàn)性分析，提出“塑性強(qiáng)度”概念可以推廣到一般漿液，建立了穩(wěn)定性漿液注漿擴(kuò)散模型。鄭玉輝[12]基于對(duì)裂隙注漿漿液的分析，進(jìn)行可控復(fù)合漿液的試驗(yàn)研究，并對(duì)不同漿液流型的擴(kuò)散模型進(jìn)行分析。

對(duì)于裂隙注漿及其漿液擴(kuò)散機(jī)理，諸多學(xué)者都進(jìn)行了分析研究。雖然湛鎧瑜建立了單一裂隙注漿動(dòng)水模型，但對(duì)模型適用條件并未進(jìn)行說(shuō)明；阮文軍雖然考慮了漿液流型的不同，但并沒(méi)有從理論上解決漿液在動(dòng)水裂隙中的擴(kuò)散問(wèn)題。鑒于以上不足，本文基于廣義的賓漢流體水泥基漿液的流動(dòng)規(guī)律建立漿液擴(kuò)散模型，并結(jié)合具體工程案例，分析漿液在動(dòng)水條件的擴(kuò)散規(guī)律。

2 單一平板裂隙模型

2.1 漿液流變

工程中，水泥漿液、水泥-水玻璃漿液和高聚物改性漿液分屬不同的流變類(lèi)型。流變類(lèi)型主要分為冪律流體、牛頓流體、賓漢流體和廣義的賓漢流體。對(duì)于水泥漿液，有關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行了較為系統(tǒng)的試驗(yàn)分析，并得出結(jié)果:(1)水泥漿液并不是某一種單一的流體，在不同的水灰比條件下呈現(xiàn)不同的流型。水灰比在0.5～0.7范圍為冪律流體；水灰比在0.8～1.0范圍的水泥漿液呈現(xiàn)為賓漢流體；水灰比大于2.0為牛頓流體。(2)水泥基復(fù)合漿液為廣義的賓漢流體。(3)水泥漿在水灰比為0.7時(shí)開(kāi)始由冪律流體轉(zhuǎn)向賓漢流體。

本文以廣義賓漢流體的水泥基漿液作為研究對(duì)象，并對(duì)相關(guān)理論進(jìn)行研究。

2.2 本構(gòu)方程

廣義的賓漢流體分為兩種流動(dòng)方式，一種是純粘性流動(dòng)；另一種是各向同性的類(lèi)固體運(yùn)動(dòng)。由于在剪切力和剪切速率關(guān)系基礎(chǔ)上加上屈服值就是類(lèi)固體運(yùn)動(dòng)，因此只需要建立純粘性流體的本構(gòu)方程。建立純粘性流體的本構(gòu)方程，需有以下假設(shè)條件:(1)廣義的賓漢流體流型不變；(2)應(yīng)力只和變形速率有關(guān)、與時(shí)間無(wú)關(guān)。

在任意一個(gè)時(shí)刻t，應(yīng)力張量可以用變形速率表示:

式中，σij為應(yīng)力張量；Bij為變形速率張量；I為單位張量；α、β為常數(shù)；δij為克羅尼克符號(hào)。

其中B在坐標(biāo)系具體表達(dá)為:

令α＝2μ得:

然后得到參數(shù)β:

式中，μ為表示粘度函數(shù)；div為散度符號(hào)。

若流體在巖體中的流動(dòng)受到外界壓強(qiáng)為P，則:

即可得到σij:

當(dāng)i≠j，即σij＝τij，則:

最終得到廣義賓漢流體的本構(gòu)方程:

式中，τ0為屈服值；τij為剪切應(yīng)力。

2.3 動(dòng)水條件下的擴(kuò)散模型

由于裂隙突水通道結(jié)構(gòu)都具有一定的邊界和范圍，因此模型也必須相應(yīng)建立邊界。

動(dòng)水條件下裂隙注漿主要分為對(duì)隧道兩幫圍巖的注漿和對(duì)底板路基的注漿。兩幫圍巖注漿不僅要考慮動(dòng)水流動(dòng)的方向，還要考慮到漿液自動(dòng)、水自重等因素。為了簡(jiǎn)化模型，建立平板單一裂隙注漿擴(kuò)散模型。

2.3.1 基本假設(shè)

為建立平板單一裂隙注漿擴(kuò)散模型，需有以下假設(shè):

(1)漿液類(lèi)型為廣義的賓漢流體，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中流體類(lèi)型保持不變。

(2)漿液流體在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中體積保持不變，不可被壓縮。

(3)漿液流體的本構(gòu)方程與上文推導(dǎo)一致，且保持各向同性。

(4)漿液流體在流動(dòng)過(guò)程中保持連續(xù)，且滿(mǎn)足連續(xù)性方程。

(5)漿液流體在流動(dòng)的任意時(shí)刻，剪切速率和剪切應(yīng)力滿(mǎn)足線性關(guān)系。

(6)研究的平板裂隙較為光滑，并且裂隙的寬度穩(wěn)定不變。

2.3.2 平板單一裂隙注漿擴(kuò)散模型

由于裂隙水在裂隙通道中流動(dòng)具有方向性，總體為從高水頭流向低水頭方向。同時(shí)，漿液流動(dòng)分為逆水方向流動(dòng)和順?biāo)较蛄鲃?dòng)，假設(shè)漿液逆水速度為v1，順?biāo)俣葹関2，漿液在靜水中的流速為v0；水流在高水頭邊界壓力P水＝P，低水頭邊界壓力P水＝0，建立數(shù)學(xué)模型如圖1所示。

圖1 動(dòng)水條件的注漿擴(kuò)散數(shù)學(xué)模型

根據(jù)模型，在水泥基漿液流動(dòng)方向上任取一微元體，建立微分平衡方程:

通過(guò)化簡(jiǎn)，將較高項(xiàng)去掉，則:

即可得到斷面的平均流速:

在逆水情況和順?biāo)闆r下給定不同的壓力，為判斷漿液的擴(kuò)散距離，設(shè)在逆水條件擴(kuò)散壓力為P1，順?biāo)畻l件擴(kuò)散壓力為P2，沿x正向取正，x負(fù)方向取負(fù)；在任意時(shí)刻，逆水?dāng)U散流量為Q1，順?biāo)闆r下的流量為Q2，可得:

因此，在工程中，給出注漿孔壓力和靜水壓力，就可以求解出在逆水條件下和順?biāo)畻l件下漿液的擴(kuò)散距離。

3 工程應(yīng)用

3.1 工程概況

齊岳山隧道位于湖北省利川市南坪鄉(xiāng)朱家院子和謀道鎮(zhèn)筲箕灣之間，為穿越齊岳山的雙線分離式特長(zhǎng)隧道，隧道走向313°。隧道左幅起訖里程樁號(hào)為ZK19＋005～ZK22＋380，長(zhǎng)3 375 m，最大埋深567 m；右幅隧道起訖里程樁號(hào)為 YK19＋016～YK22＋402，長(zhǎng)3 386 m，最大埋深543 m。隧道縱斷面為1.55%下坡，進(jìn)口段為反坡施工。

隧道所處位置地質(zhì)條件特別復(fù)雜，裂隙水極為發(fā)育，在進(jìn)口左線ZK19＋800～ZK19＋950段，出現(xiàn)多處突水情況。特別在雨季，隧道各個(gè)出水點(diǎn)水量突增，導(dǎo)致隧道發(fā)生淹井長(zhǎng)度達(dá)300 m，致使工程停工。突水期間最大突水量為1 780 m3/h，累計(jì)涌水量約為239 990 m3。

3.2 注漿方案確定及實(shí)施

根據(jù)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)資料分析，該段突水情況主要是底板路基下巖體裂隙突水，對(duì)于此段突水采取裂隙注漿進(jìn)行治理。根據(jù)單一注漿擴(kuò)散理論，采用控制注漿方案(見(jiàn)圖2)。

通過(guò)使用專(zhuān)用控制液和專(zhuān)用注漿設(shè)備，靈活調(diào)節(jié)各注漿液注入比例和混合液體的凝固時(shí)間，及時(shí)有效地改變漿液在巖體裂隙中的滲透路徑和滲透深度，通過(guò)速凝漿液反復(fù)對(duì)一定長(zhǎng)度內(nèi)裂隙的充填和擠壓，達(dá)到固結(jié)圍巖、提高圍巖承載力和密實(shí)性、封堵地下水的目的。

在水泥灌漿過(guò)程中，通過(guò)雙液注漿裝置用專(zhuān)用泵加注速凝液的方法控制水泥漿的凝膠時(shí)間，進(jìn)而控制漿液的擴(kuò)散空間，最終達(dá)到控制注漿的目的(見(jiàn)圖3)。控制注漿需要的注漿機(jī)械有水泥漿液髙速攪拌機(jī)、自制手動(dòng)雙控液壓泵、自制控制液專(zhuān)用泵等設(shè)備。

圖3 水泥基注漿控制

3.3 注漿效果檢測(cè)

(1)水量檢測(cè)

通過(guò)ZK19＋800～ZK19＋950段隧洞兩側(cè)排水溝的排水量和總的排水量的統(tǒng)計(jì)對(duì)裂隙注漿效果進(jìn)行驗(yàn)證(見(jiàn)圖4)。

圖4 排水量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

由圖4可知，突水量隨著注漿治理開(kāi)始逐漸變小，注漿結(jié)束后總的排水量由96 m3/h減小到1.5 m3/h，注漿效果明顯，裂隙突水問(wèn)題徹底得到解決。

(2)取芯檢測(cè)

通過(guò)對(duì)取芯施工過(guò)程的鉆進(jìn)動(dòng)態(tài)觀察和對(duì)所取巖芯的編錄描述，均表明齊岳山隧道左洞ZK19＋800～ZK19＋950斷裂巖溶發(fā)育段底板在經(jīng)過(guò)注漿處理后，巖溶充填物(塊石土)密實(shí)度顯著提高，碎塊石間水泥漿液充填飽滿(mǎn)，膠結(jié)良好，取芯孔無(wú)涌水、漏水現(xiàn)象，注漿處理效果良好(見(jiàn)圖5)。

4 結(jié)論

本文基于賓漢流體的水泥基漿液在裂隙注漿中的理論研究和工程應(yīng)用，建立數(shù)學(xué)模型，對(duì)裂隙注漿擴(kuò)散情況進(jìn)行探討，并建立應(yīng)力只和變形速率有關(guān)、與時(shí)間無(wú)關(guān)的純粘性流體本構(gòu)方程?；趶V義賓漢流體的水泥基漿液的本構(gòu)方程，建立平板單一裂隙動(dòng)水條件下的注漿擴(kuò)散模型，得到水泥基漿液斷面的平均流速，并推導(dǎo)出在逆水條件下和順?biāo)畻l件下的注漿擴(kuò)散距離公式。結(jié)合具體工程應(yīng)用，提出了裂隙注漿控制方案，確定注漿材料與施工路線圖，并結(jié)合隧道檢測(cè)手段對(duì)注漿效果進(jìn)行驗(yàn)證。