富水破碎巖體脈動(dòng)注漿加固技術(shù)研究綜述

趙芳芳

關(guān)鍵詞：脈動(dòng)注漿;注漿壓力;漿液性質(zhì);孔隙通道;流固耦合

巖體破碎含水是工程地質(zhì)領(lǐng)域時(shí)常遇到的不良地質(zhì)體之一，由于巖體破碎，中間夾雜著碎屑和泥質(zhì)膠結(jié)物，遇水開(kāi)挖后會(huì)有坍塌及涌水現(xiàn)象發(fā)生，給地下工程施工帶來(lái)極大的安全隱患。

針對(duì)不良地質(zhì)條件，注漿既能加固巖體、又可以防滲堵水、控制巖體破壞與失穩(wěn)，在地下工程防災(zāi)治理等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，特別是在破碎含水地層，常應(yīng)用預(yù)注漿的方式，改善地層，提高巖體強(qiáng)度，增加隔水性，保證施工能夠安全可靠進(jìn)行。

隨著地下工程的不斷建設(shè)與發(fā)展，不良地質(zhì)體，尤其是富水破碎地層越來(lái)越復(fù)雜，工程建設(shè)過(guò)程也提出了更高的要求，以往的預(yù)注漿方式已經(jīng)不能適應(yīng)新的發(fā)展需求。為提高注漿效果，工程實(shí)際中出現(xiàn)了一次、二次、三步注漿法、深淺孔注漿法、逐段注漿法，但這些注漿方法，在實(shí)際注漿實(shí)施過(guò)程中常出現(xiàn)注漿量大、淺層易冒漿以及施工周期長(zhǎng)等諸多問(wèn)題。盡管也有一些學(xué)者想通過(guò)提高漿液材料等方式提高注漿效果，如然環(huán)氧樹(shù)脂、聚氨酯等一些化學(xué)漿液，不易被水沖刷流失，可以有效地進(jìn)入巖體孔隙及微裂隙中，提高了注漿治理效果，但從實(shí)際工程需要，除滿足較好的注漿效果外，綠色環(huán)保經(jīng)濟(jì)可靠也是重點(diǎn)要考略的因素?；瘜W(xué)類漿液成本高，結(jié)石體耐久性較差等原因難以大面積推廣。脈動(dòng)注漿以其可輸出周期性脈沖壓力為特點(diǎn)，將漿液以一定頻率間隔注入地層，實(shí)現(xiàn)可控性注漿，成為一種可用于巖土體防滲加固的新方法。

1脈動(dòng)注漿技術(shù)的提出及作用原理

脈動(dòng)注漿主要是將輸入脈動(dòng)泵中的漿體通過(guò)脈動(dòng)壓力使其形成具有周期頻率的漿液輸出到巖體的孔隙通道中去，一方面，漿液以交變應(yīng)力方式使孔隙通道中的堵塞物重新獲得初始速度，小顆粒進(jìn)一步進(jìn)入微小孔隙，較大顆粒重新分布到其他孔隙通道或在周期頻率的作用下疲勞破碎，另一方面，地層在脈動(dòng)壓力作用下，地層中能保持有效的壓力梯度，促使?jié){液滲透擴(kuò)散;在脈動(dòng)壓力的作用下，能夠疏通孔隙通道，提高漿液滲透擴(kuò)散的路徑，起到更有好的防滲加固效果，避免了跑漿串漿、離析分層、分布不均勻等缺點(diǎn)。

當(dāng)前脈動(dòng)注漿研究，多處于實(shí)踐階段，如：文獻(xiàn)[4]一[8]分別通過(guò)研發(fā)新式脈動(dòng)壓力試驗(yàn)裝置、實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、數(shù)值仿真等方式驗(yàn)證了脈動(dòng)注漿良好的注漿效果，以及脈動(dòng)注漿用于破碎巖體注漿防滲的可行性。以上研究表明，脈動(dòng)注漿存在一定的優(yōu)勢(shì)，但總體上還處于初級(jí)階段，對(duì)于機(jī)理的研究還不明確。

與穩(wěn)壓注漿不同，脈動(dòng)壓力作用的過(guò)程為：漿液壓力從零點(diǎn)到設(shè)計(jì)的頻率之間周期變換，推動(dòng)漿液以脈動(dòng)波的形式進(jìn)入巖體介質(zhì)當(dāng)中去，當(dāng)脈動(dòng)壓力達(dá)到最高峰值時(shí)，巖土體中的裂隙，大的滲透性得到增強(qiáng)，裂隙小受到壓力作用閉合。當(dāng)脈動(dòng)壓力到達(dá)最小值，即間歇段時(shí)，漿液壓力為零，巖體應(yīng)力得到釋放，巖體裂隙中的漿液受到巖體的擠壓，漿液脫水，這一過(guò)程增強(qiáng)了漿液結(jié)石體強(qiáng)度，提高了注漿后巖土體的密實(shí)度，達(dá)到控制注漿的目的。

脈動(dòng)注漿時(shí)，由于施加給巖土體荷載的延滯效應(yīng)和脈動(dòng)疊加作用，使得地應(yīng)力與注漿壓力之間，總是存在波動(dòng)的壓力差，如此，漿液在巖土介質(zhì)中的滲透更加充分，結(jié)石體強(qiáng)度高。而這一滲透擴(kuò)散過(guò)程，除了是注漿壓力，注漿持續(xù)時(shí)間及間隔時(shí)間，漿液的性質(zhì)，孔隙率大小等因素的影響作用外，還是漿液一固體相互耦合作用的結(jié)果。

2注漿影響效果研究

2.1注漿壓力對(duì)注漿效果影響研究

z.Saada，Zebovitz等對(duì)水泥漿液進(jìn)行了滲透注漿模擬試驗(yàn)，得到了注漿壓力對(duì)于巖土體注漿的影響效果明顯。TL.Dreese通過(guò)數(shù)值模擬，研究單一裂隙狀態(tài)下，漿液的流動(dòng)特性，得到了注漿壓力、注漿速度與注漿方向上深度增加的關(guān)系。胡巍等通過(guò)開(kāi)展了動(dòng)水條件下注漿試驗(yàn)，地層的可注性與注漿壓力有直接的關(guān)系，較大的注漿壓力，漿液的擴(kuò)散半徑有所增加。

以上研究表明，富水破碎巖土體的注漿的加固，漿液壓力對(duì)其在地層中的擴(kuò)散、充填及結(jié)石體強(qiáng)度具有顯著的影響。因此，研究注漿壓力對(duì)注漿效果的影響對(duì)工程實(shí)踐具有重要指導(dǎo)意義。

2.2漿液性質(zhì)對(duì)注漿效果影響研究

Atle Johansen等人通過(guò)試驗(yàn)證明了水泥基漿液中顆粒滲透速率與水泥孔隙度與水灰比有關(guān)。并通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)加大水灰比對(duì)于提高滲透率，顆粒分散降低堵塞發(fā)生也有很大的效果。Olivier等通過(guò)砂土注漿實(shí)驗(yàn)量取注漿壓力與漿液流通量的關(guān)系來(lái)研究水泥基漿液對(duì)滲透性的影響，實(shí)驗(yàn)表明，隨著水灰比的增高，注漿流通量增大，注漿壓力也隨著增大，對(duì)滲透效應(yīng)的影響越大。郭密文等通過(guò)試驗(yàn)?zāi)M研究在高壓封閉條件下砂層注漿過(guò)程中漿液的凝固滲透過(guò)程，試驗(yàn)結(jié)果表明水灰比越高，“絮凝時(shí)間”越慢。侯克鵬等通過(guò)對(duì)松散介質(zhì)的室內(nèi)水泥注漿加固模擬試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)水灰比在影響注漿量及漿液擴(kuò)散半徑的因素中影響力最大。

漿液的流動(dòng)性能直接影響漿液運(yùn)移、擴(kuò)散特性。水灰比又是漿液流動(dòng)性能的重要因素，因此研究水泥水灰比對(duì)于水泥注漿的影響具有重要意義。

2.3孔隙通道對(duì)注漿效果影響研究

李術(shù)才等用自主研發(fā)的恒壓注漿裝置進(jìn)行砂土介質(zhì)水泥注漿試驗(yàn)，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)砂土孔隙對(duì)水泥顆粒產(chǎn)生過(guò)濾作用，使得水泥顆粒產(chǎn)生不均勻擴(kuò)散。楊偉軍等通過(guò)砂土注漿模擬試驗(yàn)，研究在不同顆粒級(jí)配下，不同注漿參數(shù)對(duì)漿液擴(kuò)散半徑的影響，并得到漿液擴(kuò)散公式。根據(jù)上述學(xué)者研究成果，在一定試驗(yàn)條件下，孔隙直徑大小直接影響地層的可注性。周子龍，杜雪明等以分形理論和冪律流體理論為基礎(chǔ)，建立孔隙通道的曲折效應(yīng)方程及漿液擴(kuò)散模型，對(duì)比分析了考慮孔隙曲折率與不考慮孔隙曲折率對(duì)漿液壓力的影響，研究表明，兩者在漿液壓力隨擴(kuò)散距離變化的趨勢(shì)及幅度上都有明顯的區(qū)別。張慶松，王洪波等研制了一套裝置用于模擬多孔介質(zhì)滲透注漿實(shí)驗(yàn)，考慮不同滲透速率及不同介質(zhì)滲透率下，注漿壓力的時(shí)空變化規(guī)律，研究結(jié)果表明：多孔介質(zhì)滲透中，在不考慮漿液擴(kuò)散的路徑時(shí)，高估了在注漿擴(kuò)散過(guò)程的漿液壓力值，所以考慮漿液擴(kuò)散路徑的多孔介質(zhì)注漿是非常必要的。

2.4漿液一巖體耦合效應(yīng)對(duì)注漿擴(kuò)散過(guò)程影響研究

注漿過(guò)程是水、漿液、巖體之間相互的力學(xué)作用過(guò)程，注漿漿液、地下水在滲透擴(kuò)散過(guò)程中產(chǎn)生的滲透力及漿液壓力作用在巖體骨架上影響應(yīng)力場(chǎng)的分布，同時(shí)巖土體的變形使得孔隙通道的變化，導(dǎo)致漿液滲透性的降低。因此考慮漿液一巖體的相互耦合作用對(duì)于研究漿液的注漿效果、注漿體耐久性等均有重要的意義。國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者對(duì)注漿過(guò)程多場(chǎng)耦合問(wèn)題做了相關(guān)研究。

張連震、張慶松等建立了考慮漿一巖耦合效應(yīng)的裂隙注漿擴(kuò)散理論模型，在此基礎(chǔ)上研究不同裂隙開(kāi)度條件下漿一巖耦合效應(yīng)對(duì)裂隙注漿擴(kuò)散過(guò)程的影響程度。張丁陽(yáng)等考慮滲流場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)和溫度場(chǎng)耦合三場(chǎng)耦合條件下以裂隙巖體為研究對(duì)象，推導(dǎo)出裂隙巖體動(dòng)水注漿三場(chǎng)耦合方程。鄭卓、李術(shù)才等基于平板裂隙漿液運(yùn)移方程，建立考慮漿液對(duì)巖體單向耦合作用下的裂隙巖體注漿理論模型，對(duì)注漿過(guò)程中漿液與圍巖的相互作用開(kāi)展研究。程鵬達(dá)等以高壓富水區(qū)孔隙地層為研究對(duì)象，建立了應(yīng)力場(chǎng)和滲流場(chǎng)的耦合作用注漿數(shù)學(xué)模型，引入孔隙率和滲透率的動(dòng)態(tài)參數(shù)，對(duì)漿液注漿過(guò)程中的流固耦合物理特性以及其對(duì)漿液擴(kuò)散半徑的影響進(jìn)行分析。

在漿液流動(dòng)過(guò)程中，漿液一巖體的耦合作用影響漿液擴(kuò)散距離以及最終的注漿封堵效果，而這種影響在何種程度上可以忽略，以及怎樣避免巖體變形對(duì)注漿造成的不利影響，是接下來(lái)學(xué)者研究的方向。

3結(jié)論及建議

本文整理分析了國(guó)內(nèi)外關(guān)于脈動(dòng)注漿技術(shù)的研究以及注漿壓力、漿液性質(zhì)、孔隙通道、流固耦合等對(duì)注漿效果的影響，指明了脈動(dòng)注漿技術(shù)還需要完善的內(nèi)容，以期為完善脈動(dòng)注漿作用機(jī)理研究，促進(jìn)技術(shù)的推廣應(yīng)用提供支撐，但現(xiàn)有研究還存在較多不足，脈動(dòng)注漿技術(shù)研究在以下幾個(gè)方面亟待解決：

（1）室內(nèi)注漿試驗(yàn)，能夠模擬再現(xiàn)注漿全過(guò)程，可反映漿液在受灌體中的滲透擴(kuò)散規(guī)律，是研究注漿機(jī)理的有效途徑和方法，以往的室內(nèi)試驗(yàn)大多考慮穩(wěn)壓注漿，對(duì)于可提供周期性壓力的脈動(dòng)注漿方式在國(guó)內(nèi)比較少，還應(yīng)進(jìn)行進(jìn)一步的室內(nèi)試驗(yàn)研究。

（2）對(duì)于注漿過(guò)程的流固耦合問(wèn)題，涉及滲流場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)兩個(gè)場(chǎng)，考慮到他們之間的相互作用，需要把滲流方程和固體力學(xué)方程建立在同一個(gè)框架也是脈動(dòng)注漿中要解決的問(wèn)題。

（3）由于現(xiàn)場(chǎng)工程中，對(duì)注漿效果的影響因素復(fù)雜，現(xiàn)場(chǎng)需要根據(jù)不同的工況合理調(diào)整注漿參數(shù)，對(duì)于脈動(dòng)注漿，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用較少，所以進(jìn)行不同富水壓力，不同漿液性質(zhì)，不同孔隙介質(zhì)下脈動(dòng)注漿的數(shù)值模擬十分必要。