超細高性能水泥在富水地質隧道托挖施工中的流變力學性能研究前景分析

(重慶交通大學 重慶 400000)

超細高性能水泥在富水地質隧道托挖施工中的流變力學性能研究前景分析

宋何陽

(重慶交通大學重慶400000)

隨著公民經濟的發展，原有的隧道設計不滿足現如今的交通需求，在富水地質隧道托挖施工中，地下水涌出影響施工安全。近年來灌漿技術成為隧道防水、治水的主要方法，其中超細高性能水泥灌漿具有較好的工作性、環保、成本低等特點，逐漸替代了化學材料灌漿。由于超細高性能水泥灌漿技術在理論還有不足，因此運用材料流變力學等知識進行研究。從而得到合理的灌漿條件與施工方法來滿足工程需要。

超細水泥；托挖隧道；流變學；富水隧道

一、引言

進入21世紀以來，我國交通基礎設施建設已具有一定規模，隨著一帶一路的提出，我交通基礎設施建設的重心逐步轉向地質環境極端復雜的中西部山區和巖溶地區，隧道與地下工程建設面臨“構造復雜、地質環境多變、災害頻發”的嚴峻考驗，施工中的突水災害治理堪稱世界級工程難題。

富水破碎帶隧道擴挖是一個十分復雜物理力學演變過程，首先富水破碎帶隧道擴挖施工是應力場和變形場復雜的重分布過程；二其過程也是水泥漿與地下水混合體等多相液體滲流過程；三水泥漿與地下水混合體將有膠凝、硬化等狀態變化存在相變過程；最終結果是帶相變的滲流場、變形場和應力場之間存在相互耦合作用。

在我國，研究人員希望通過大量先進技術手段和治理理念進行深入研究，從而達到根本治理的目的。其中注漿技術是隧道擴挖中常用的治理方法，超細高性能水泥又以性能優越、環保、成本低等特點，逐漸成為今后隧道注漿主要運用的材料之一。

通過流變學有關知識建立力學模型，預測分析富水破碎帶隧道擴挖施工全過程的水和力問題，提出其擴挖設計參數、支護拆除工藝、掘進方法、徑向或帷幕注漿等防排水參數與工藝、監控量測指標體系等亟需深入研究。

二、國內外研究現狀

(一)在隧道擴挖(建)方面

在國外，LEE Chiahan等討論了擴挖重建的影響因素[1]。

在國內，林從謀等人采用三維彈塑性有限元模型，研究CD工法開挖時軟弱圍巖的穩定性[2]。

以上學者采用不同方式方法，對隧道擴建的研究取得了一些成果。在新形勢下，隧道擴建所處的地質環境很復雜，擴建過程中不能影響既有隧道的運行安全，對隧道擴建的防、治水工藝提出了新的挑戰。

(二)在富水破碎帶隧道方面

在國外，Bobet A通過分析獲得了靜載與動載作用下孔隙水壓力對富水隧道支護結構的受力特征[3]。

在國內，王偉等人提出了:“以堵為主,限量排放”是高水位富水隧道設計應遵循的基本原則。原繼偉和楊建華等對研究分析了三種施工工法下隧道圍巖的位移場和應力場。

但從上述資料可以看出,關于破碎圍巖隨道的開挖,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題的，而且還會帶來掩體內部結構的破壞巖體之間空隙加大。

(三)超細水泥灌漿方面

德國的P.Noske指出超細水泥可以制成水泥漿懸浮液應用于巖土灌漿工程,與化學灌漿相比更環保[4]。

加拿大K.Salen在研究中指出對于浮動裂隙或低溫下進行灌漿還要保持結構完整性,則推薦使用超細水泥[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水泥[6]。

國內外的超細水泥灌漿機理研究還相對較少，在灌漿水泥漿用量、強度設計、施工時間等方面仍處于經驗控制階段，因此需要理論支持，從而達到控制工程成本、合理設計施工方案的目的。

三、發展動態分析

綜合國內外研究狀態不難發現：超細水泥灌漿機理研究缺乏：考慮水泥漿膠凝、硬化全過程狀態變化，同時考慮相變的多相滲流場、應力場和變形場耦合問題的計算理論沒人研究。

本文建議，綜合運用滲流力學、巖體力學、多孔介質力學及材料學等交叉學科的基本理論，采用理論分析、模型與現場試驗、數值計算相結合方法，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的液體，建立考慮相變的多相滲流場、應力場和變形場耦合問題的計算模型。

應用上述模型，研究富水破碎帶隧道擴挖、帷幕注漿、徑向注漿施工過程中的水力動態行為，提出合理設計參數、擴挖方案、監控量測指標體系、合理防排水方案和注漿參數。

四、研究方案設計與分析

(一)不同水灰比水泥漿膠凝、硬化全過程水力學參數實驗研究

1.建立靜水和動水條件下注漿加固過程實驗模型；2.確定水、水泥漿與水、水泥漿三種流體流動規律及比例；3.測定不同水灰比濃度水泥漿膠凝、硬化全過程中流變力學參數。

(二)富水破碎帶隧道擴挖帷幕注漿水和力變化規律

1.計算富水破碎帶隧道擴挖帷幕注漿水和力變化；2.富水破碎帶隧道擴挖帷幕注漿對舊隧道的影響分析。

(三)富水破碎帶隧道擴挖徑向注漿水和力變化規律

1.計算富水破碎帶隧道擴挖徑向注漿水和力變化；2.富水破碎帶隧道擴挖徑向注漿對舊隧道、掌子面及初支的影響分析；3.富水破碎帶隧道擴挖徑向注漿注漿參數設計。

五、結論

1.富水隧道托挖過程中，不可比避免的會出現地下水帶來的地質災害，可提前采用注漿的方式阻止地下水的涌出；2.超細高性能混凝土灌漿技術與化學材料灌漿相比，前者更環保、成本低、耐久性好；3.怎樣通過流變學將超細高性能混凝土灌漿技術與富水隧道托挖施工方法良好的結合，達到治理托挖工程中地下水危害工程效果的問題是今后研究的一個方向。

[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.高速公路隧道擴建力學分析及方案研究[J].交通建設與管理，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.超細水泥灌漿在巖土工程中的應用.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]長江三峽水利樞紐永久建筑物基巖固結灌漿施工技術要求(修訂本).水利部長江水利委員會三峽工程代表局文件.

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