隧道裂隙巖體注漿漿液擴散機理試驗研究

李劍超 盧超波 姜洪亮 楊庭偉 Chu Viet Thuc

摘要：注漿是隧道工程裂隙巖體加固的主要手段之一，為對其漿液遷移擴散機制進行研究，文章通過自研發的透明“Y”型二維裂隙試驗系統進行注漿漿液的物理擴散試驗。結果表明：裂隙張開度組合對裂隙注漿的擴散充填過程起重要的影響作用，漿液在不同裂隙張開度組合的條件下出現了不同的擴散物理特征。

關鍵詞：隧道裂隙巖體;漿液擴散機理;“Y”型二維裂隙

文獻標識碼：U457+.2-A-20-063-3

0 引言

注漿作為隧道工程裂隙巖體的主要加固手段，廣泛應用于堵水、提高圍巖強度以及增強圍巖抗變形工程中[1-2]。大多學者認為漿液以滲透為主，滲透注漿是滲流的延伸[3-4]，巖體注漿是漿液在裂隙中的流動，滲流是水在裂隙中流動，將漿液等同于水流動考慮，漿液的流動符合裂隙水力學公式，將滲流理論直接引入注漿中。郝哲等[5]認為裂隙注漿與滲流不同，滲流處理的是已建立的穩定流場，而注漿本身卻是流場的建立過程，二者類似而不盡相同。HSSLER等[6-7]用圓管網絡代替裂隙面，將2D輻射流簡化為1D直線流，給出了漿液的運動方程。周維垣等[8]利用自發研制的平板型，通過注漿試驗，建立了牛頓流體在水平光滑裂隙面內的擴散方程，得出了擴散半徑與注漿壓力、漿液黏度及注漿時間之間的關系。

目前，裂隙巖體滲透注漿理論都有著各自的假設條件和適用范圍，但均具有很大的局限性。部分模型是基于連續介質條件下得出的，而對離散條件下得出的模型僅給出了單個裂隙的使用范圍或是將裂隙結構籠統雜糅在一起，對裂隙巖體的普適性較差，基于裂隙網絡的更具普適性的擴散遷移模型有待建立。為研究隧道裂隙巖體注漿工程中水泥漿液的擴散機理，通過自研發的“Y”型二維裂隙試驗系統進行注漿漿液的物理擴散過程試驗，以期揭示隧道裂隙巖體注漿工程中水泥漿液在裂隙中的動態擴散物理規律，并為復雜裂隙巖體的注漿擴散機制研究提供試驗平臺及新思路。

1 試驗模型介紹

由于在隧道工程實際注漿中巖體的非可視性，為了能觀察水泥漿液在裂隙巖體中的擴散進程，采用如下頁圖1所示的“Y”型二維裂隙試驗系統進行室內注漿漿液擴散試驗研

隧道裂隙巖體注漿漿液擴散機理試驗研究/李劍超，盧超波，姜洪亮，楊庭偉，Chu Viet Thuc

究，“Y”型裂隙由1塊等邊三角形和2塊直角梯形板采用固定螺栓固定在長方形表面板構成，3條裂隙AB、BC、BD的長分別為LAB=300 mm、LBC=613 mm、LBD=613 mm;裂隙的單位寬度w均為25 mm，各裂隙張開度在1～3 mm范圍內均可調節，“Y”型裂隙直立放置，以避免流體在重力作用下在裂隙的單位寬度上產生影響。

由于室內試驗平臺構造的裂隙長度限制，加壓情況下漿液過快擴散導致試驗“瞬間”結束，試驗采用定高差加壓的方式進行，儲漿罐出漿口與裂隙AB起始點A的垂直高差為1 610 mm，與裂隙BC、BD的終點C、D垂直高差為710 mm。

為模擬現場注漿啟動模式，采用手捏導漿軟管防止漿液流出，待儲漿罐掛設到位，導漿管擺動相對停止后，松開導漿管，漿液從出漿口流出，經導漿管流至亞克力“Y”型裂隙平臺的進漿口，通過緩沖腔進入AB裂隙，試驗結束的標準為漿液一端到達BC、BD的任一端點C或D。

2 “Y”型裂隙漿液擴散試驗

為研究隧道裂隙巖體注漿漿液的擴散機制，室內試驗調節“Y”型裂隙各寬度（見圖2），由于系統加工精度的限制，平臺中預構造的裂隙在固定過程中可能存在輕微的滑動導致裂隙的寬度發生微小變化。注漿擴散試驗的具體參數詳見表1。實驗采用普通的硅酸鹽水泥，漿液的水灰比均為1.0∶1.0。

3 試驗結果

漿液在1.5 s后發生的擴散距離分離主要是試驗系統誤差造成的。由于裂隙較小，均在1 mm左右，即使是發生0.1 mm的誤差，也會存在造成裂隙寬度發生輕微變化的可能，因此產生了試驗誤差。通過裂隙寬度儀測量發現，“Y”型三條裂隙AB、BC、BD在各點的實際值為a=1.05～1.12 mm，b=1.01～1.08 mm，c=1.05～1.12 mm，試驗系統存在一定誤差。FA1在1.2 s后期漿液在擴散速率方面的差異主要為裂隙寬度造成。

對于FA1方案，結合圖3的擴散距離進程圖，可知在“Y”型裂隙系統中，AB階段擴散速率隨時間的增加呈降低趨勢，在“Y”型裂隙的擴散進程亦是如此，這與實際注漿規律相吻合。見圖4。

“Y”型三條裂隙AB、BC、BD在各點的實際值分別為a=1.02～1.10 mm，b=2.03～2.11 mm，c=1.03～1.09 mm。在FA2裂隙張開度組合下，注漿壓差不變，漿液在裂隙分叉后的BC、BD擴散充填前期階段，張開度大的裂隙中擴散充填速率比張開度小的裂隙中擴散充填速率大，漿液擴散充填BC末端后，BD裂隙仍未充滿。漿液在裂隙分叉后的BC、BD擴散充填后期階段，其在裂隙張開度大的裂隙中擴散充填速率比在裂隙張開度小的裂隙中充填擴散速率小，筆者認為主要是漿液充填導致的壓力降低所致，可以認為是壓差減小導致的實驗誤差。但是，最終漿液在裂隙張開度大的裂隙中先擴散充填完畢，流體優勢流的特點在裂隙注漿中也存在。因此在隧道裂隙巖體注漿加固中，對存在較大差異張開度的裂隙，要盡量縮小注漿孔間距或采取多步鉆孔注漿工序，避免大張開度裂隙冒漿后出現小張開度裂隙無法有效擴散充填漿液，影響隧道注漿加固效果。見圖5、圖6。

漿液在1.5 s后發生的擴散距離分離主要是試驗系統誤差造成。“Y”型三條裂隙AB、BC、BD在各點的張開實際值分別為a=0.53～0.6 mm，b=1.02～1.07 mm，c=1.01～1.09 mm。在FA3裂隙張開度組合下，注漿壓差不變，漿液擴散到BC、BD裂隙一定距離后停止，后期隨著時間的增加不再擴散，充分證明了顆粒漿液細微裂隙可注性問題的客觀存在，在實驗過程中，通過提升漿液儲存罐的高度后也未繼續發生擴散。這在實際隧道裂隙巖體注漿中，對微小張開度裂隙應進行漿液可注性評價，避免注漿漿液無法有效遷移擴散，影響注漿加固范圍或注漿失效。見圖7、圖8。

4 結語

通過采用自研發的透明“Y”型二維裂隙試驗系統對隧道裂隙巖體注漿漿液的物理擴散機理進行研究，主要研究結果如下：

（1）在裂隙系統中，漿液擴散的距離在定壓條件下擴散速率隨時間呈降低趨勢，對實際隧道工程注漿，為使得隧道加固、堵水取得預期效果，需對裂隙均勻性進行調查，合理布置注漿孔，以提高注漿效率。

（2）注漿在裂隙分叉后的BC、BD擴散充填前期階段，張開度大的裂隙中擴散充填速率比張開度小的裂隙中擴散充填速率大，漿液擴散充填BC末端后，BD裂隙仍未充滿，漿液在裂隙分叉后的BC、BD擴散充填后期階段，其在裂隙張開度大的裂隙中的擴散充填速率比在裂隙張開度小的裂隙中的充填擴散速率小、實際隧道工程鉆孔注漿過程中宜充分考慮通過加密鉆孔進行注漿，提高注漿擴散均勻性，不能盲目采用高壓注漿提高注漿擴散效率。

（3）注漿壓差不變，在較小裂隙中，漿液擴散到BC、BD裂隙一定距離后停止，后期隨著時間的增加不再擴散，充分證明了顆粒漿液細微裂隙可注性問題的客觀存在，通過提升漿液儲存罐的高度后也未繼續發生擴散。因此，在實際隧道裂隙巖體注漿加固、堵水過程中，漿液存在可注漿性的問題，或者在微開度部位發生漿液堵塞，堵塞可能無法通過提高注漿壓力解決漿液擴散范圍，降低了預計的隧道裂隙巖體注漿加固、堵水效果。

參考文獻

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[7]HSSLER L.，HKANSSON U.，STILLE H..Computer-simulated flow of grouts in jointed rock[J].Tunnelling & UnderGround Space Technology，1992，7（4）：441-446.

[8]周維垣，楊若瓊.二灘拱壩注漿電鏡掃描結果及分析[A].熊厚金編.國際巖土灌漿及錨固新進展[C].北京：中國建筑工業出版社，1997.

收稿日期：2021-03-18

基金項目：廣西自然科學青年基金項目（編號：2015GXNSFBA139224）

作者簡介：

李劍超（1985—），工程師，主要從事公路工程建設項目管理與巖土工程監測工作。