基于隧道水滲條件下的高聚物注漿材料的研究

趙國梁，申鐵軍

(1.山西路橋集團晉南項目管理有限公司，山西 太原 030006；2.山西路橋建設集團有限公司，山西 太原 030006)

0 引 言

山西省80%的國土面積為山區，地質構造復雜，地貌類型多樣，地理環境獨特。近年來，隨著隧道工程技術難度越來越艱巨，公路隧道病害，特別是軟巖隧道、涌水病害嚴重影響了公路隧道的建設、養護與運營。隧道涌水具有量大、勢猛、危害性極大等顯著特點。鑒于涌水隧道處治時存在注漿材料用量大、注漿封堵不完全、建設施工難度大、耗時長等問題，亟待開發高性能的涌水隧道高聚物注漿堵水加固材料、配套設備及快速修復技術，并將其應用于涌水隧道的快速修復。公路隧道常通過巖溶、破碎帶巖體、風化巖體等軟巖地區，特別在地下水位作用下，隧道圍巖力學性質更加復雜，嚴重影響公路隧道工程施工建設和長期安全運營的長期穩定性。為促進中部地區經濟快速發展，強化和優化交通資源配置，保障山西等中部地區公路隧道施工建設和安全運營等全生命周期的長期穩定性問題，解決水滲條件下軟弱圍巖變形破壞機理所涉及的關鍵理論與技術，形成軟巖隧道水滲作用下的圍巖長期穩定性評價體系，將潛在的安全隱患消除于隧道施工方案設計階段，已成為目前亟待解決的關鍵問題。研究成果可為軟巖隧道工程滲流條件下全生命周期的安全運營和災害防控提供科學依據和技術支撐。

1 研究方法及應用意義

(1)采用理論分析、室內試驗、數值模擬相結合的方法，對水滲條件下軟巖的時效力學特性進行了研究，建立了軟巖隧道圍巖力學特性的粘彈塑性流變模型，提出了基于長期安全系數的軟巖隧道圍巖長期穩定性預測及分析方法。主要揭示了水滲條件下軟巖隧道圍巖時效變形機理，并提出了基于長期強度參數的長期穩定性分析評價方法，建立了滲流-應力-損傷耦合的長期穩定性分析模擬平臺，為軟巖隧道在滲水條件下的短長期穩定性預測與災害防治提供了新的解決方案。對于關鍵部位的圍巖塑性區支護結構進行了優化設計，保證了隧道支護的結構在富水條件下安全；通過調整側墻錨桿和局部增設仰拱襯砌結構，防止側向和底部圍巖拉應力區的開展，并對隧道運營期的監測和養護進行了指導，保證了隧道的安全運營，對隧道的長期運營具有指導作用。成果推廣具有較大的工程應用價值和良好的經濟、社會效益，應用前景廣泛。

(2)軟巖隧道水滲條件下時效變形破壞機理及長期穩定性評價研究，采用理論分析、室內試驗、數值模擬相結合的方法，突破交叉學科前沿理論，揭示了軟巖滲流-應力耦合作用下時效變形破壞機理，提出了適用于軟巖滲流-應力-損傷耦合作用下非線性統一彈塑性-黏塑性時效本構模型和計算方法，提出了基于長期強度參數的長期穩定安全系數計算方法和評判準則，建立了水滲條件下公路軟巖隧道工程的長期穩定性評價體系，為水滲條件下隧道圍巖結構、支護優化設計，施工建設、長期安全運營提供技術保障，經濟、社會效益顯著。

(3)涌水隧道高聚物注漿堵水加固材料的研究，是系統研究涌水隧道注漿加固材料和注漿封堵技術的創新性成果。項目對于涌水隧道病害面臨的突出問題，成功研發了一種高性能的適用于涌水隧道快速修復的高聚物注漿堵水加固材料，揭示了高聚物在涌水隧道注漿過程中的堵水加固機理；開發了一臺具有自主知識產權的高聚物注漿堵水加固材料膨脹力測試裝置、一臺高聚物注漿堵水加固材料愈合設備、改造升級了一臺高聚物注漿加固材料專用注漿設備；形成了基于高聚物注漿材料的涌水隧道快速修復關鍵技術；提升了涌水隧道注漿處治技術，保障了涌水隧道建設、養護、運營的安全性。

2 隧道高聚物注漿堵水加固材料研究分析

高聚物注漿堵水加固材料適用于隧道工程領域，具體涉及涌水隧道高聚物注漿堵水加固材料的制備及其應用。在隧道涌水病害治理方面取得了一系列的創新和突破，形成了集材料研發、設備開發與升級、快速修復為一體的成套技術。從材料組成、結構、加工、性能四個方面提出高聚物材料基因工程設計思路，運用蓖麻油/溫輪膠/豆油(部分替代聚醚多羥基化合物)、脂肪族二異氰酸酯、PAPI、二丁醇、辛酸亞錫、三乙醇胺、丙酮、正戊烷等材料研發制備一種植物油基/生物多糖涌水隧道高聚物的注漿材料；采用分子模擬結合模型的試驗揭示了高聚物注漿材料不透水聚合物網絡結構機理；黃土、高聚物、巖石固結體封堵隧道涌水的高聚物網絡結構封堵機理；通過輻射加熱原理借助紅外加熱愈合具有Diels-Alder反應的高聚物注漿材料的裂縫和病害，快速實現高聚物注漿材料的功能恢復[1]。主要創新性如下：(1)開發了具有自主知識產權的高聚物膨脹力測試裝置(測試精度≥0.1 N)、高聚物愈合設備(愈合深度值0～200 mm，愈合速率值5～10 mm/min)及高聚物注漿專用設備(注漿壓力值最高可達10 MPa)；(2)成功研發了一種以豆油/蓖麻油/溫輪膠部分替代聚醚多元醇的適用于不同工況的涌水隧道高聚物注漿堵水加固材料，其抗壓強度值大于5 MPa，固化時間值控制可控(15 s～30 min)，構建了水分在高聚物固結體中的擴散模型，揭示了高聚物在涌水隧道注漿過程中的堵水加固機理；(3)從注漿、技術設計、施工準備、注漿效果檢驗等角度出發，形成集隧道病害檢測、注漿設計、涌水量計算、施工一體化的涌水隧道病害快速修復關鍵技術。

3 研究成果分析

3.1 加固注漿技術

注漿加固是目前解決巖溶隧道的突水涌水災害最有效方法之一，注漿加固通過漿液材料的封堵、加固作用實現堵水加固效果，達到隧道圍巖條件的改善，注漿技術是涉及多種學科綜合性學科，注漿材料在注漿加固技術中起關鍵的作用[1]。

3.2 高聚物漿液材料

高聚物漿液材料作為注漿堵水材料的一種，2020年以來由于其所具有優越材料特性而受關注。研究分析高聚物漿液的擴散機理，試驗研究高聚物漿液材料的力學性能，通過數值模擬對漿液材料加固效果進行分析，結合隧道工程中的應用[2]，得出如下結論:(1)參考隧道裂隙水滲流的理論公式，研究漿液材料在裂隙中滲流規律，并建立漿液滲流模型，推導出漿液材料所需注漿量公式；建立以高聚物復合材料在動水條件下擴散模型，推導出高聚物復合材料在動水條件下擴散距離公式[3]。(2)試驗分析了高聚物漿液材料的力學性能，包括極限抗拉強度試驗、極限抗壓強度試驗、極限抗剪強度試驗，分析了高聚物漿液在不同類型、不同摻量性能變化，得到試驗條件下最佳摻量比[4]。(3)建立數值模型，通過FLAC3D軟件分析了隧道開挖后，對圍巖破碎位置進行注漿加固，研究了在不同工況下，即形成注漿圈分別在不同條件下應力場與位移場變化情況[5]。(4)結合山西隧道注漿堵水加固工程，將關鍵孔的注漿方案應用于隧道工程施工中，對于不同類型不同位置的突水災害制定不同的技術方案；對于高聚物漿液可注性問題，提出新型漿液制備系統；通過用涌水量監測、檢查孔法、圍巖變形監測分析漿液注漿效果[6]。

3.3 應用意義分析

此項成果掌握了復雜滲流應力耦合加載條件下軟巖時效變形規律和滲透演化規律，揭示了軟巖滲流-應力耦合作用下時效變形破壞機理以及滲流力學模型與數值計算方法；建立了軟巖滲流-應力-損傷耦合作用下非線性統一黏彈-塑性時效變形理論體系，實現了工程結構計算軟件的二次開發和應用；提出了基于長期強度參數的長期穩定安全系數計算方法和評判準則，搭建了大型巖石工程結構-滲流-應力-損傷-流變多因素多工況多模塊協同作用分析計算平臺，形成了水滲條件下公路軟巖隧道工程的長期穩定性評價體系。研究成果已成功應用于山西省多項公路隧道工程，為水滲條件下隧道圍巖結構、支護優化設計提供技術保障。研究成果豐富和發展了隧道工程長期穩定性分析方法，在公路隧道工程全生命周期的安全運營方面有重要的指導作用，研究成果已在相關公路隧道工程中得到應用，取得了顯著社會效益、經濟效益、環境效益，并具有廣闊的推廣應用前景。

4 結束語

研究成果已在山西省臨汾至長治高速公路盤秀山隧道、山西省榆社至和順高速公路康家樓隧道、山西省呂梁環城高速公路梨樹塔隧道、湖北省漢十高速公路梁家溝隧道、太原西北二環高速公路虎山特長隧道等工程中進行了應用，采用該研究成果，根據隧道軟弱圍巖的長期力學性能指標，尤其對長臨高速公路盤秀山隧道、榆和高速公路康家樓隧道和太原西北二環高速公路虎山特長隧道涌水潛在部位進行了及時加固，累計產生約3 000萬元經濟效益，同時，消除了潛在的安全風險和隱患；為富水區軟弱圍巖隧道的長期穩定性能評價提供了技術支撐，取得了良好的社會經濟效益。此項技術2021年經過山西省交通運輸廳組織有關專家對該項目成果進行評審，認為成果總體達到國際先進水平。研究成果的應用，一定程度上推動了山西省乃至我國涌水隧道高聚物注漿堵水加固新材料的發展，加速了涌水隧道建設、養護與運營技術的進步。