鄧澤城 馬 素 孫傳玉 藍(lán)雄東

（1.江西省交通投資集團有限責(zé)任公司，江西 南昌，330036；2.濟南市交通工程質(zhì)量與安全中心，山東 濟南 250061；3.山東大學(xué)，巖土與結(jié)構(gòu)工程研究中心，山東 濟南 250061；4.江西理工大學(xué)，土木與測繪工程學(xué)院，江西 贛州 341000）

0 引言

隧道工程建設(shè)遭遇巖溶、斷層等不良地質(zhì)條件時，往往會發(fā)生突水、涌泥、塌方等工程災(zāi)害[1]。隧道運營期間，由于地層自身條件及長期地下水作用極易造成隧道結(jié)構(gòu)的破壞。工程實踐及理論研究表明，注漿手段能夠達(dá)到有效治理地下工程災(zāi)害的目的[2]。但由于地質(zhì)條件的復(fù)雜性及地下工程的隱蔽性，且漿液擴散規(guī)律等注漿理論研究尚未完善，實際注漿治理過程中漿液擴散具有明顯的不可控性。

注漿過程中，被注地層介質(zhì)及漿液性狀的動態(tài)變化直接影響注漿壓力與注漿流量的大小及變化規(guī)律[3-4]，注漿壓力P與注漿流量Q隨時間的變化規(guī)律是漿液在地層介質(zhì)中擴散加固過程的直接體現(xiàn)，可通過此變化特征來定性指導(dǎo)實際注漿工程。此前，有部分學(xué)者對注漿流量和壓力的相關(guān)作用機制進行了一定研究，如張民慶[5]等對注漿特征信息控制方法展開相關(guān)研究，但多為對注漿結(jié)束控制標(biāo)準(zhǔn)及注漿效果評價等方面的研究，鮮有利用注漿壓力與注漿流量之間的動態(tài)關(guān)系進行注漿施工動態(tài)調(diào)節(jié)的研究。

本文進行了基于注漿流量與注漿壓力等特征信息條件的注漿實時動態(tài)控制方法的研究，分析注漿過程中注漿壓力和注漿流量等特征信息參數(shù)的對應(yīng)特征關(guān)系（以下簡稱P-Q-t特征），對五種常見的復(fù)雜P-Q-t特征信息模型進行了研究，并初步創(chuàng)建了P-Q-t特征數(shù)據(jù)庫，將“隱式”注漿擴散過程及其加固機理與“顯式”P-Q-t特征信息模型聯(lián)系在一起，實現(xiàn)注漿擴散“黑箱”問題的“可視化”，提出特征信息條件下實時動態(tài)注漿控制方法，具有良好的工程應(yīng)用價值。

1 注漿壓力與注漿流量變化特征分析

實際注漿工程中，大部分漿液都可認(rèn)為是牛頓流體，其注漿量與注漿壓力可表示為：

式中：q——單位時間內(nèi)的注漿流量；

R——被注地層孔隙半徑；

Δp——實時動態(tài)有效注漿壓力；

μ——漿液粘滯系數(shù)；

r——漿液擴散半徑。

漿液擴散過程中，被注地層物理力學(xué)性質(zhì)受多種因素綜合作用會不斷發(fā)生改變，而被注介質(zhì)力學(xué)性質(zhì)的改變會反作用于注漿擴散效率。隨著漿液的不斷擴散，被注土體孔隙率、土體強度等力學(xué)特性發(fā)生改變。因此，工程有效注漿壓力Δp并非注漿泵所提供的壓力P，而是隨被注地層環(huán)境等因素不斷改變的變化量，其影響因素關(guān)系表達(dá)為：

式中：a——孔隙率、滲透性、裂隙張開度等參數(shù)的函數(shù)關(guān)系；

b——漿液配比、粘度、密度等參數(shù)的函數(shù)關(guān)系；

P——注漿泵壓力；

t——時間變量。

結(jié)合上述分析易得，漿液流動性受漿液粘滯力的影響，單位時間注漿流量與注漿壓力存在明顯的相關(guān)性，當(dāng)其他條件保持一定的情況下，單位時間內(nèi)的注漿流量與注漿壓力成正比。然而，隨著注漿過程的不斷深入，注漿擴散半徑不斷增加，漿液擴散需要克服更大的粘滯力，同等壓力條件下的漿液注入效率減小。隨著被注地層的不斷加固，被注地層的物理力學(xué)性質(zhì)不斷改變，其有效空隙半徑在不斷變化，同樣影響著注漿流量與注漿壓力之間的關(guān)系。

2 常見復(fù)雜工況對應(yīng)的P-Q-t 特征及其調(diào)控措施

實際隧道注漿工程中被注地層具有不均勻性、各向異性等特點，且經(jīng)常會遇到斷層、巖溶、富水破碎地層等特殊不良地質(zhì)。因此，漿液擴散中對應(yīng)的P-Q-t特征具有較大的復(fù)雜性，除典型單一擴散形式及其組合形式外，還會出現(xiàn)多種特殊工程地質(zhì)條件對應(yīng)的非典型的PQ-t信息特征。

本文通過對湖北利萬高速齊岳山隧道、湖南龍永高速大壩隧道、江西吉蓮高速永蓮隧道及濟南玉函路隧道等多項實際注漿工程中近千個注漿孔實際注漿情況總結(jié)分析，提出了在實際注漿工程中五種常見的PQ-t特征信息模型及其對應(yīng)的特殊工況，并提出相對應(yīng)的實時處理措施，初步建立了注漿工程P-Q-t特征信息數(shù)據(jù)庫，見表1。實際注漿施工過程中，有可能遇到更為復(fù)雜的工程地質(zhì)情況，未能涉及的工況可類比上述五種常見P-Q-t特征類型的分析方法，指導(dǎo)注漿工程動態(tài)優(yōu)化調(diào)節(jié)。

表1 常見隧道注漿工程P-Q-t特征表

3 基于P-Q-t特征的隧道注漿動態(tài)控制方法

本文充分考慮被注地層介質(zhì)及漿液性質(zhì)的動態(tài)變化，提出基于P-Q-t特征的實時動態(tài)注漿控制方法。通過分析漿液擴散過程中實時表征信息載體——注漿壓力和注漿流量時變特征，判斷被注地層介質(zhì)實時條件，結(jié)合P-Q-t特征數(shù)據(jù)庫和相關(guān)注漿機理，實時調(diào)整注漿施工參數(shù)（工藝、材料、設(shè)備、控制標(biāo)準(zhǔn)等），實現(xiàn)注漿工程的動態(tài)控制。

通過地質(zhì)雷達(dá)法（探測距離淺部圍巖）、激發(fā)極化法（探測距離約30～50m）、瞬變電磁法（探測距離約50～80m）等多種地球物理探測方法，并采取鉆孔取芯法對其探測結(jié)果進行驗證和補充，結(jié)合多元精細(xì)化探查方法綜合分析被注地層的工程及水文地質(zhì)條件，判斷該區(qū)域地質(zhì)特征。根據(jù)探測結(jié)果設(shè)計注漿方案，選擇合理的注漿材料、注漿工藝和注漿效果評價方法，基于漿液可注性驗算及注漿孔設(shè)計方案，得出合理注漿參數(shù)。注漿施工過程中，利用三參數(shù)記錄儀全程記錄P-Q-t特征，當(dāng)順利達(dá)到注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)時，則該孔注漿結(jié)束；存在特殊地質(zhì)的情況下，如果注漿壓力或注漿總量無法滿足注漿結(jié)束的要求，那么就會出現(xiàn)無法達(dá)到注漿結(jié)束要求的情況。此時，應(yīng)結(jié)合注漿孔鉆孔巖性及水文地質(zhì)探查結(jié)果，對比P-Q-t特征數(shù)據(jù)庫，對該注漿區(qū)域地質(zhì)條件進行分析，進而對注漿材料及注漿參數(shù)進行相應(yīng)的調(diào)整，實現(xiàn)注漿動態(tài)調(diào)節(jié)，以達(dá)到更好的注漿效果。注漿完成后，結(jié)合多種物理探查手段檢驗治理區(qū)域是否達(dá)到注漿加固效果。

4 結(jié)束語

綜上所述，本文利用牛頓流體流動性理論分析了注漿量和注漿壓力的變化特征，發(fā)現(xiàn)二者與被注地層及漿液的時變特性存在明顯的對應(yīng)關(guān)系。結(jié)合注漿工程典型工況，建立并分析了五種常見的復(fù)雜P-Q-t特征及其對應(yīng)工況，初步建立了注漿工程P-Q-t特征數(shù)據(jù)庫。結(jié)合多元精細(xì)化探查方法，綜合分析被注地層的工程及水文地質(zhì)條件，提出了基于P-Q-t特征的注漿動態(tài)控制方法。