淺析裂隙巖體中隧道注漿加固理論研究及工程應(yīng)用

（中交四公局海外事業(yè)部，北京 100022）

淺析裂隙巖體中隧道注漿加固理論研究及工程應(yīng)用

劉嶺忠

（中交四公局海外事業(yè)部，北京 100022）

為了保證隧道工程建設(shè)的質(zhì)量和安全，必須對(duì)裂隙巖體中的隧道進(jìn)行注漿加固。本文對(duì)裂隙巖體中隧道注漿加固理論進(jìn)行了研究，并探討了其在工程中的應(yīng)用問(wèn)題。

裂隙巖體；隧道注漿；加固

由于我國(guó)地質(zhì)情況比較復(fù)雜，尤其是西南部地區(qū)，地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)相對(duì)頻繁，在隧道施工中，存在大量的裂隙巖體，不僅給隧道施工帶來(lái)困難，而且在隧道建成后還會(huì)出現(xiàn)襯砌結(jié)構(gòu)破壞等現(xiàn)象，影響隧道運(yùn)營(yíng)的安全性和穩(wěn)定性。因此，有必要對(duì)其注漿加固理論及工程應(yīng)用進(jìn)行研究。

一、裂隙巖體隧道注漿加固理論研究現(xiàn)狀

受地下復(fù)雜地質(zhì)條件的限制，實(shí)驗(yàn)室里很難模擬出注漿介質(zhì)和注漿工藝，目前國(guó)內(nèi)外裂隙巖體隧道注漿加固理論研究主要集中在以下幾方面：①裂隙巖體隧道注漿材料的流變特性；②滲透注漿理論研究；③巖體劈裂注漿理論。后兩種理論在城市地鐵隧道注漿加固工程中應(yīng)用比較多，并且這兩種理論研究逐漸發(fā)展成為當(dāng)今該領(lǐng)域內(nèi)主要的理論研究方向。但是目前裂隙巖體隧道加固理論研究還不夠深入，使得注漿工藝因缺乏有效理論指導(dǎo)而停滯不前。

目前我國(guó)裂隙巖體隧道工程注漿加固材料主要采用的是水泥和化學(xué)注漿，兩種注漿材料各有優(yōu)缺點(diǎn)。水泥注漿材料優(yōu)點(diǎn)：制造成本較低、原材料來(lái)源豐富、晶體具有較高強(qiáng)度和漿液配置簡(jiǎn)單等；缺點(diǎn)：注漿顆粒粒徑較大，難以滿足裂隙巖體裂縫要求（注漿實(shí)體裂縫應(yīng)控制在0.2mm以內(nèi)）?；瘜W(xué)漿液優(yōu)點(diǎn)：流動(dòng)性能較好且材料粘度低，能夠?qū)⒆{實(shí)體裂縫控制在要求范圍以內(nèi)；缺點(diǎn)：制造成本較高，具有一定毒性。

在裂隙巖體隧道工程施工中，各種注漿加固技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用，但是在注漿加固理論方面還有待深入研究才能滿足隧道工程實(shí)踐注漿的需要，引導(dǎo)注漿加固技術(shù)得到更大的發(fā)展。

二、裂隙巖體中隧道注漿加固機(jī)理分析

注漿是指在一定的機(jī)械輔助下，將化學(xué)漿液或水泥漿液注入到工程實(shí)體中，以實(shí)現(xiàn)止水目的。要想獲得較好的注漿加固效果，在工程施工前，應(yīng)充分掌握工程實(shí)體的水文地質(zhì)情況，并分析地下水運(yùn)動(dòng)規(guī)律；了解注漿材料特性，并仔細(xì)研究其在工程實(shí)體中的流動(dòng)及擴(kuò)散規(guī)律。

注漿加固理論是研究漿液在裂隙巖體工程中的流動(dòng)規(guī)律，展示工程注漿工藝同地質(zhì)條件及注漿材料性質(zhì)間的關(guān)系，為巖體工程注漿加固技術(shù)提供科學(xué)的理論依據(jù)。地下水的運(yùn)動(dòng)規(guī)律同巖土中灌注漿液流動(dòng)及擴(kuò)散規(guī)律較為接近，不同的是其運(yùn)動(dòng)阻力比地下水較為復(fù)雜，流變性也有差異。漿體的流動(dòng)性會(huì)因注漿材料性質(zhì)而發(fā)生變化。如果采用較為粘稠的漿液進(jìn)行灌注，漿液則會(huì)受到不同壓力和地層影響，產(chǎn)生不同的擴(kuò)散方式。主要有滲透注漿、壓密注漿和劈裂注漿等注漿理論，如圖1所示。

①滲透注漿。粘稠漿液在壓力作用下會(huì)滲入工程實(shí)體裂隙中，這一過(guò)程會(huì)排擠出巖體裂隙中的水分和氣體，漿液在裂隙中還會(huì)凝結(jié)固化，最終達(dá)到注漿加固的目的。滲透注漿理論研究條件是工程實(shí)體在較小的注漿壓力下結(jié)構(gòu)不會(huì)遭到破壞。②壓密注漿。這種方式的注漿主要是利用鉆孔向工程實(shí)體中注入濃度較高的漿液，從而加密工程實(shí)體以提高其承載力。這種形式的注漿適用于軟弱土層中。③劈裂注漿一般采用壓力比較高的漿液進(jìn)行裂隙注漿加固，利用壓力擴(kuò)大巖體裂隙可注漿范圍，從而增加漿液也工程實(shí)體接觸面積，起到很好的加固作用。這種形式的注漿在較為發(fā)育的軟弱巖層中能起到較好的應(yīng)用效果。

三、裂隙巖體中隧道注漿加固工程應(yīng)用

在實(shí)際隧道工程中，注漿壓力會(huì)隨巖體裂隙長(zhǎng)度變化，規(guī)律如下：

①注漿壓力與巖體裂隙長(zhǎng)度之間存在非線性遞減的關(guān)系。當(dāng)巖體裂隙長(zhǎng)度達(dá)到1.5米時(shí)，注漿壓力基本不會(huì)受巖體長(zhǎng)度變化影響。為了不破壞裂隙巖體原有整體性，在裂隙巖體隧道中注漿壓力控制應(yīng)充分考慮巖體裂隙長(zhǎng)度，并注意填滿有限的裂隙巖體縫隙，避免產(chǎn)生新裂隙。

圖1 漿液的三種擴(kuò)散形式

②隧道巖體中裂隙長(zhǎng)度不同，則注漿加固壓力在隨裂隙長(zhǎng)度減小的非線性變化中減小趨勢(shì)比較明顯。即裂隙長(zhǎng)度與注漿壓力成正比關(guān)系，當(dāng)裂隙長(zhǎng)度減小到1米時(shí)，注漿加固壓力較小速率最為明顯。因此在裂隙巖體中隧道注漿加固過(guò)程中，注漿壓力和注漿速率都應(yīng)隨裂隙長(zhǎng)短進(jìn)行調(diào)整，還應(yīng)考慮影響破壞原有巖體的因素。

③裂隙長(zhǎng)度和沿該方向上的注漿壓力衰減幅度也有某種必要的聯(lián)系，當(dāng)裂隙足夠小時(shí)，其注漿壓力衰減基本不隨裂隙長(zhǎng)度而發(fā)生變化。

④裂隙巖體的劈裂能會(huì)隨裂隙長(zhǎng)度的增加呈現(xiàn)非線性增加趨勢(shì)，同一裂隙長(zhǎng)度中裂隙劈裂能不再發(fā)生變化，說(shuō)明該能量即為裂隙巖體劈裂能量。在注漿壓力消耗能量中，裂隙擴(kuò)展實(shí)際上需要的能量只是一小部分，其余大部分能量均用來(lái)克服裂隙巖體及注漿管的摩擦阻力。

⑤在裂隙巖體劈裂過(guò)程中，裂隙巖體裂隙張開(kāi)度與裂隙巖體中產(chǎn)生的塑性變性能成正比關(guān)系，當(dāng)裂隙張開(kāi)度大于0.04米時(shí)，裂隙巖體中所產(chǎn)生的塑性變性能呈非線性增加特性；而當(dāng)裂隙張開(kāi)度足夠小時(shí)，其塑性變形能基本不隨巖體裂隙長(zhǎng)度發(fā)生變化。此時(shí)的裂隙中心點(diǎn)與其所消耗的塑性變性能成正比關(guān)系。

結(jié)語(yǔ)

總之，對(duì)裂隙巖體中隧道進(jìn)行注漿加固是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的研究課題，如果能建立相應(yīng)的漿液流體模型研究相關(guān)參數(shù)將有助于豐富和發(fā)展隧道力學(xué)理論，解決斷層碎帶隧道工程技術(shù)難題，并為隧道建設(shè)工程提供可靠的理論依據(jù)，擴(kuò)大其在隧道工程應(yīng)用范圍，并在具體工程應(yīng)用中發(fā)揮其重要作用。

[1]黃戡．裂隙巖體中隧道注漿加固理論研究及工程應(yīng)用[D]．中南大學(xué)，2011．

[2]張付濤．裂隙巖體注漿材料研究及應(yīng)用[D]．山東科技大學(xué)，2011．

U415.6

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