王進(jìn)尚，張亞峰，王玉玲，李潤(rùn)澤，楊藝杰

(鄭州工程技術(shù)學(xué)院土木工程學(xué)院，河南 鄭州 450044)

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國(guó)地下工程建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，陸續(xù)建設(shè)一大批重大基礎(chǔ)工程。由于隧道地質(zhì)條件、地下工程項(xiàng)目建設(shè)深度的不斷增加，導(dǎo)致地應(yīng)力也將增大，在隧道和巷道施工過程中，頂板坍塌事故時(shí)有發(fā)生，對(duì)地下工程安全有著直接影響。尤其當(dāng)?shù)叵鹿こ淌┕び龅綇?fù)雜破碎松散地質(zhì)構(gòu)造，導(dǎo)致巖體穩(wěn)定性有所降低，為地下工程圍巖涌水、冒頂?shù)鹊刭|(zhì)災(zāi)害提供條件，形成大量裂隙，誘發(fā)涌水、塌方等地質(zhì)災(zāi)害，直接影響正常生產(chǎn)掘進(jìn)[1-2]。地下工程施工中遇到破碎帶時(shí)，形成圍巖多風(fēng)化破碎，具有穩(wěn)定性差、受力復(fù)雜等特點(diǎn)[3-4]。如何徹底解決破碎圍巖注漿問題，是當(dāng)今地下空間科技領(lǐng)域中比較熱門的命題。水壓致裂法是一種預(yù)防構(gòu)造突然坍塌的重要措施之一，目前由于海姆森經(jīng)驗(yàn)公式中巖石的抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)測(cè)得的誤差較大，對(duì)確定破碎圍巖范圍有一定困難。因此，采取水壓致裂法先探后注處治措施，研究隧道或巷道掘進(jìn)中確定破碎圍巖位置，明確注漿靶點(diǎn)，提高圍巖的彈性模量，加強(qiáng)圍巖強(qiáng)度，節(jié)約注漿量，減小淺部注漿固結(jié)圈荷載，降低隧道或巷道引起的冒頂失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)，保障地下工程巷道安全施工[5-7]。

1 水力壓裂法的破碎圍巖探注協(xié)同機(jī)制及裝置研制

水壓致裂法是主要應(yīng)用測(cè)地應(yīng)力的一種有效方法，研制了基于水壓致裂法探查圍巖破碎異常區(qū)裝置，該裝置主要由智能加壓自動(dòng)系統(tǒng)、封隔致裂室系統(tǒng)和數(shù)據(jù)自動(dòng)采集分析系統(tǒng)組成：①智能加壓自動(dòng)系統(tǒng) 設(shè)定額定壓力自動(dòng)泄壓自動(dòng)回流，壓力值不再升高；②封隔致裂室系統(tǒng) 采用耐高壓膠囊材料在致裂室兩端起到密封作用；③數(shù)據(jù)自動(dòng)采集分析系統(tǒng) 即在致裂室布置傳感器，水壓值直接傳到壓力表。通過對(duì)比所測(cè)巖層抗拉強(qiáng)度大小來判斷巖石完整或破碎情況，從而確定破碎異常區(qū)范圍，如圖1所示。針對(duì)異常區(qū)采用淺孔和深孔注漿時(shí)，先施工長(zhǎng)注漿孔，長(zhǎng)孔封堵影響區(qū)域封堵前方裂隙，起到帷幕屏障約束注漿區(qū)域作用，再施工短注漿孔，在有限空間充填裂隙加固煤巖體。每個(gè)循環(huán)采用長(zhǎng)、短注漿孔配合方法，長(zhǎng)孔前方封堵有限空間，短孔在有限空間加固煤巖體。通過采用破碎圍巖探測(cè)裝置、淺深孔配合注漿方法和注漿孔優(yōu)化布置三位一體的水力壓裂法的破碎圍巖探注協(xié)同機(jī)制技術(shù)，節(jié)約注漿量，消除注漿空白帶，減小淺部注漿固結(jié)圈荷載，并使淺部注漿固結(jié)圈與充填離層后的穩(wěn)定頂板共同承載，有利于控制圍巖變形，提高了斷層破碎帶地段圍巖的穩(wěn)定性,保障正常安全施工。

圖1 水壓致裂法探查圍巖破碎異常區(qū)結(jié)構(gòu)

首先在破碎圍巖疑似處打鉆孔，將裝置伸入鉆孔底部，再加壓封隔器供水管，使兩端膨脹器緊貼鉆孔壁，形成定點(diǎn)定位封隔致裂室密閉空間，然后加壓致裂室供水管，壓力表值會(huì)繼續(xù)上升，導(dǎo)致鉆孔孔壁破裂，當(dāng)液壓壓力表顯示突然下降到一定值時(shí)，再迅速關(guān)閉壓力泵。根據(jù)采集到的時(shí)間和壓力數(shù)據(jù)，繪制出壓力曲線(見圖2)，并根據(jù)曲線圖求解所需參數(shù)。從鉆孔底部處依次按照上述步驟測(cè)巖層抗拉強(qiáng)度T,由于斷層破碎帶巖層抗拉強(qiáng)度較低，所測(cè)值較小便是需加強(qiáng)區(qū)域，通過此種方法確定注漿范圍[8-10]。

圖2 水壓致裂法所測(cè)壓力-時(shí)間過程曲線

2 相似模擬試驗(yàn)

2.1 相似模擬試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

根據(jù)水壓致裂法原理和相似模擬試驗(yàn)原理研發(fā)的裝置，由兩端的氣囊和中間部分相當(dāng)于實(shí)際巖石中的裂縫鉆孔部分，連接壓力表、工程管路和高壓泵，兩端利用氣囊封堵形成中間的致裂室進(jìn)行相似模擬試驗(yàn)，采用水、砂、石膏、石灰等材料，按不同配合比模擬現(xiàn)場(chǎng)巖石的不同特性，根據(jù)巖石自身強(qiáng)度特性，先測(cè)得其破裂壓力，在利用高壓泵加壓后，進(jìn)行一次降壓操作，再經(jīng)過測(cè)得其重張壓力，破裂壓力減去重張壓力即為巖石本身的抗拉強(qiáng)度。在地下工程中需測(cè)定破裂巖石的抗拉強(qiáng)度和正常巖石的抗拉強(qiáng)度做對(duì)比，以判讀巖石的破碎范圍和破碎區(qū)域，便于地下工程中為注漿提供一個(gè)可靠的參考指標(biāo)，能更好地控制注漿量，達(dá)到降低成本、利于施工的目的。該裝置主要由智能加壓自動(dòng)系統(tǒng)、封隔致裂室系統(tǒng)和數(shù)據(jù)自動(dòng)采集分析系統(tǒng)組成，整個(gè)試驗(yàn)裝置由模擬鉆孔、封堵氣囊、注水管、注水孔、致裂室、壓力表、壓力泵和壓力泵共同組成(見圖3)。各部分作用主要如下。

圖3 水壓致裂法相似模擬地下工程破碎圍巖異常區(qū)試驗(yàn)裝置

1)模擬鉆孔 采用硬塑PVC管材，直徑為160mm，長(zhǎng)1m，最大承受壓力5MPa，承載氣囊、裝載試驗(yàn)拌合物，通過氣囊的加壓封堵，形成一個(gè)密閉的加壓空間，提供了試驗(yàn)環(huán)境。

2)封堵氣囊 材質(zhì)為橡膠，外徑160mm，厚2mm，經(jīng)充氣后能完全貼合模擬鉆孔，形成密封空間，起到封堵作用。

3)注水管 材質(zhì)為橡膠軟管，直徑10mm，厚1mm，最大承受壓力5MPa，用于連接致裂室、壓力表和壓力泵，通過壓力泵注水，向致裂室內(nèi)充水加壓，為致裂室內(nèi)巖土拌合物提供注水壓力。

4)注水孔 位于模擬鉆孔上，直徑10mm，連接注水管，內(nèi)外由橡膠墊密封，是注水管和致裂室的連通處。

5)致裂室 位于模擬鉆孔內(nèi)部，是由兩端氣囊封堵形成的內(nèi)部空腔，用于裝載試驗(yàn)用巖土拌合物，使拌合物在水的壓力下在致裂室內(nèi)部開裂，達(dá)到試驗(yàn)?zāi)康摹?/p>

6)壓力表 量程0～1MPa，壓力表下接頭三通閥門，可隨時(shí)控制致裂室內(nèi)的壓力開關(guān)，使致裂室內(nèi)壓力暫時(shí)穩(wěn)定并記錄數(shù)據(jù)。

7)壓力泵 氣壓型注水壓力泵，最大水壓力5MPa，連接壓力管，可向致裂室內(nèi)注入穩(wěn)定的水壓力，帶有泄壓閥，可緩慢泄壓。

2.2 相似試驗(yàn)制作過程

1)材料制作 選用砂、石灰、石膏、水4種材料按配合比制作泥巖和砂質(zhì)泥巖(見表1)。

表1 模型鋪設(shè)分層材料用量

2)材料稱量 在實(shí)驗(yàn)室拌制巖體試件時(shí),其材料用量應(yīng)以質(zhì)量計(jì),先后稱量標(biāo)準(zhǔn)砂、石膏、石灰、水試驗(yàn)材料。泥巖的配合比按實(shí)際使用所需稱量砂5kg、石灰0.45kg、石膏0.05kg。中質(zhì)砂巖需要砂5kg、石灰1.35kg、石膏0.15kg。按比例進(jìn)行稱量。

3)材料拌合 試驗(yàn)所用的器具應(yīng)先用水潤(rùn)濕。

4)裝材料 按試驗(yàn)預(yù)定配合比配制巖土拌合物，將拌合物置于致裂室內(nèi)壓實(shí)，封閉致裂室。

5)加壓數(shù)據(jù)采集 對(duì)泥巖和中質(zhì)砂巖分別進(jìn)行2次試驗(yàn)，第1次進(jìn)行泥巖試驗(yàn)，首先放置材料進(jìn)入裝置，并進(jìn)行密封，利用高壓泵進(jìn)行第1次加壓測(cè)得壓力表一次讀數(shù)，然后進(jìn)行一次降壓操作獲得第2次讀數(shù)，再次利用高壓泵施加第2次壓力獲得第3次讀數(shù)。

3 試驗(yàn)過程及分析

對(duì)泥巖和中質(zhì)砂巖2種材料壓裂過程進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄，分析壓力與時(shí)間關(guān)系。在加壓過程中采取3次加壓，所測(cè)參數(shù)如表2所示，以保證取得可靠的壓裂參數(shù)。

表2 泥巖和中質(zhì)砂巖水壓致裂法所測(cè)參數(shù) MPa

由圖4可看出，泥巖壓力隨著時(shí)間的增大而增大，在100～200s時(shí)泥巖壓力達(dá)到最大值，當(dāng)達(dá)到泥巖壓力的峰值時(shí)，巖石已破碎，隨著時(shí)間的推移，壓力逐漸減小，但在100～200s后，泥巖破碎直到降到最小壓力時(shí)巖石不再破碎。中質(zhì)砂巖隨著時(shí)間的推移，在100～200s時(shí)達(dá)到峰值，當(dāng)壓力達(dá)到最大時(shí)，巖石逐漸破碎，直到降到最小壓力，巖石不再破碎。可看出最大壓力>0.33MPa時(shí)巖石為中質(zhì)砂巖，當(dāng)最大壓力<0.2MPa時(shí)巖石為泥巖，同時(shí)可看出泥巖破碎所需的最大壓力大于泥巖，但兩種巖石達(dá)到破碎狀態(tài)后壓力開始隨時(shí)間的增加而下降，且兩者下降趨勢(shì)大致相同。

圖4 水壓致裂應(yīng)力測(cè)試泥巖和中質(zhì)砂巖對(duì)比壓裂過程曲線

從而判斷泥巖所測(cè)抗拉強(qiáng)度(0.07MPa)比中質(zhì)砂巖(0.12MPa)小，認(rèn)為所在區(qū)域?yàn)閹r石破碎異常區(qū)，為巖石破碎異常區(qū)劃定針對(duì)性注漿區(qū)域，避免注漿量浪費(fèi)。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

某地下工程巷道圍巖存在部分砂泥巖和粉砂巖力學(xué)強(qiáng)度低、易受水軟化膨脹，破壞了巖石的原生結(jié)構(gòu)，裂隙發(fā)育，巖石本身強(qiáng)度降低，因?qū)娱g滑動(dòng)夾在層間的薄層泥巖被揉成泥，失去原有結(jié)構(gòu)，造成層與層之間呈離層狀態(tài)，易造成巷道下沉變形冒頂，影響安全生產(chǎn)?；谒畨褐铝逊ㄌ讲閲鷰r破碎異常區(qū)范圍，根據(jù)巷道現(xiàn)場(chǎng)破壞范圍長(zhǎng)約30m，間隔10m布置4個(gè)探測(cè)孔，鉆孔深20m,將探測(cè)裝置放入鉆孔底部，間隔5m布置4個(gè)測(cè)點(diǎn)，繪制圍巖探測(cè)鉆孔深度與水力壓裂關(guān)系曲線，如圖5所示，由于水力壓力保持在0.5MPa以下區(qū)域，確定巷道松動(dòng)圈在巷道內(nèi)5m范圍。在水力壓力為0.3～0.5MPa時(shí)所在區(qū)域?yàn)橄锏老蛲?～15m范圍，說明圍巖破碎異常區(qū)為巷道以外5～15m區(qū)間，該區(qū)域?yàn)橹攸c(diǎn)關(guān)注注漿區(qū)域。巷道向外15m范圍水力壓裂值有所升高，壓力在0.5～1.5MPa,說明該區(qū)域比巷道向外5～15m范圍需巖性強(qiáng)度相對(duì)高，圍巖較完整。

圖5 圍巖探測(cè)鉆孔深度與水力壓裂關(guān)系曲線

5 結(jié)語

1)通過實(shí)驗(yàn)室對(duì)泥巖和中質(zhì)砂巖2種巖性進(jìn)行模擬試驗(yàn)，直觀展現(xiàn)破碎斷層隧道演化動(dòng)態(tài)全過程，并可獲取隧道變形災(zāi)變演化的多元化信息。

2)自主研制了基于水壓致裂法探查地下工程破碎圍巖異常區(qū)裝置，直觀地測(cè)出地下工程不同圍巖相對(duì)強(qiáng)度，根據(jù)所測(cè)相對(duì)圍巖強(qiáng)度大小判斷出破碎圍巖異常區(qū)，確定注漿靶點(diǎn)，為采用加固注漿方式提供有效依據(jù)。

3)針對(duì)確定破碎圍巖異常區(qū)位置，采取科學(xué)有效注漿措施，節(jié)約注漿量，消除注漿空白帶，提高了斷層破碎帶地段圍巖的穩(wěn)定性，保證施工進(jìn)行的穩(wěn)定性、可靠性、安全性和持續(xù)性。