巖土工程注漿技術與其應用研究

秦鵬飛，王為林，袁 媛

(鄭州鐵路職業(yè)技術學院鐵道工程學院，河南鄭州 451000)

0 引言

“一帶一路”新時代背景下，我國的堤壩、隧道、公路、鐵路等基礎設施建設發(fā)展迅速，而其安全運行所隱藏的各種病害如涌水滲水、塌方、開裂(圖1)等不容忽視，日益引起人們的關注(Kitazume and Maruyama，2005；Yanget al.，2011；Gustafson et al.，2013；Birdsell et al.，2015；馮嘯等，2017)。鄭州大學2017年成立了“壩道工程醫(yī)院”，旨在聚焦工程領域的各種病害和災害，利用互聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)等技術，為工程體檢、診斷、修復和搶險打造多學科交叉的服務平臺(鄒金鋒等，2006；李術才等，2013b；梁禹等，2015)。注漿技術因其在滲漏、突水突泥等災害治理及軟弱地質體加固方面的顯著優(yōu)勢，目前已在土木、水利等各項工程建設中得到了廣泛應用(李術才等，2013a；朱光軒等，2017)。

圖1 工程病害與注漿防治(據(jù)李術才等，2013b)

近年來，裂隙巖體分形幾何、模糊-云理論，NURBS-Brep精細地質建模和虛實耦合計算機技術的創(chuàng)建和發(fā)展，以及日漸成熟的隧道和樁基工程的施工工法，有力推動了注漿技術在巖土工程各項建設中的應用。本文從基于裂隙巖體分形幾何和模糊RES-云模型的可灌性分析理論、高聚物和微生物菌液注漿新材料、三維模型可視化和虛實耦合計算機技術等方面對壩基注漿技術進行了闡釋述評，并考慮漿液擴散模型、黏度時變規(guī)律和注漿復合體結構特征等對盾構隧道和海底隧道注漿技術進行了探討分析，最后對樁基后注漿加固原理和荷載-沉降特性等進行探索總結。

1 壩基工程注漿

帷幕注漿和固結注漿技術在減輕壩基溶蝕、提高水利工程服役壽命等方面具有不可替代的重要作用，壩基注漿是巖土工程注漿技術最具有活力和創(chuàng)新性的發(fā)展方向之一。

1.1 可灌性分析

鐘登華等(2017)基于分形理論建立了裂隙巖體灌漿注灰量的表達式，見式(1)、式(2)，并推導了巖體注灰量與導水率的關系。根據(jù)注灰量與導水率的關系曲線，將灌漿區(qū)域劃分為正常區(qū)域、微細裂隙區(qū)域和水力劈裂區(qū)域，分析結果可用于指導實際工程注灰量的設計和預測。

(1)

(2)

式中：CT1D、CT2D分別為一維和二維流動情況下的注灰量，ρg為漿液密度，Vtot為總灌漿量(m3)，wc為水灰比，ID為漿液的相對擴散距離，w為裂隙寬度(cm)，β為比例常數(shù)，Df為分形維數(shù)，lcrit、lmax分別為臨界跡長和最大跡長(cm)，Δp為注漿壓力差(kPa)，τ0為漿液屈服強度(kPa)。李曉超等(2017)提出基于模糊RES(巖石工程系統(tǒng)Rock Engineering System)-云模型的大壩基巖可灌性評價方法，實現(xiàn)了注漿過程中模糊性和隨機性等因素對巖體可灌性影響的分析。模糊RES理論可以降低專家經驗對半定量編碼方法的主觀作用，而基于定性概念與定量表示不確定轉換的云模型則在此基礎上實現(xiàn)了可灌性等級與評價指標值間的不確定映射，進一步深化了可灌性評價體系的內涵等。

1.2 新材料及工藝

作為水泥材料的替代品，有機高分子材料和生物材料等新型注漿材料相繼涌現(xiàn)。王復明等(2016，2018)、石明生等(2016)將非水反應高聚物材料應用于滲漏水處治實踐中，并探索總結出膜袋封閉反壓注漿與導管注漿(圖2)等多種有效治理方案，目前已在水庫溢洪道、海港堤防及其它地下工程中取得良好效果(材料性能見表1)。彭劼等(2018)、繆林昌等(2018)通過培育芽孢桿菌等微生物，并對菌液濃度、營養(yǎng)液鹽分、菌酶活性、環(huán)境溫度。pH值及注射方式等進行調節(jié)，實現(xiàn)了砂土的有效膠結和固化等。

表1 高聚物注漿材料主要性能

圖2 涌水封堵與微生物加固

1.3 數(shù)值模擬

計算機數(shù)值仿真具有簡潔直觀、精準高效等優(yōu)勢。伴隨著高性能計算機技術的發(fā)展，數(shù)值模擬已成為注漿技術研究的重要途徑。閆福根等(2012)采用NURBS-BREP混合技術建立三維精細地質模型，基于Struts+Hibernate技術采集灌漿數(shù)據(jù)實現(xiàn)了三維地質模型和灌漿孔模型的耦合，并通過三維剖切分析得到單位注灰量與不良地質體分布的規(guī)律及可視化。王曉玲等(2013)推導流固耦合作用下賓漢姆漿液的擴散方程(式3)，并采用離散元程序對單裂隙注漿規(guī)律進行數(shù)值模擬，研究發(fā)現(xiàn)注漿壓力和裂隙寬度是影響漿液擴散形態(tài)的主要因素，而裂隙傾角對注漿效果影響不大。

(3)

式中：q為單寬裂隙流流量(m3/s)，μ為漿液動力黏度(Pa·s)，Δp為注漿壓力差(Pa)，uh0為初始水力隙寬(m)，f為裂隙粗糙度對漿液流動的影響系數(shù)，Δum為隙寬變形量(m)，τ0為漿液屈服強度(Pa)，L為裂隙跡長(m)。

雷進生等(2015)利用Diamond-square方法構建非均質地層分形模型，采取Delaunay方法將所構建模型剖分為有限元網(wǎng)格，然后通過Comsol兩相流/動網(wǎng)格分析技術實現(xiàn)了滲流場和應力場耦合作用下漿液的擴散模擬(圖3)。王乾偉等(2017)基于賓漢姆流體的k-ε紊流數(shù)學模型(式4)對注漿過程 進行數(shù)值模擬，并采用球形和橢球型元球構建漿液的擴散曲面，借助光滑粒子流體動力學(SPH)方法和紋理映射技術實現(xiàn)了模擬結果的三維可視化(圖4)。

圖3 非均質土層注漿模擬

圖4 三維注漿可視化分析

(4)

式中:ρ為漿液密度(kg/m3)，t為注漿時長(s)，z為豎向坐標值，φ為任一輸運量，v、w為速度(m/s)，r為擴散半徑(m)，Г為廣義擴散系數(shù)(cm2/s)，θ為角度(°)，S為方程的源相。可視化等數(shù)值模擬成果可以準確指導現(xiàn)場注漿施工進程，為全面提升注漿質量和管理水平提供了重要保障。

2 隧道工程注漿

高鐵山嶺隧道、地鐵隧道、越江及海底隧道在交通運營領域發(fā)揮著重要作用，注漿是防治隧道涌水突泥、塌方等病害，保證工程安全的有效方法。通過注漿填充隧道掘進時土層損失產生的孔隙，可以減輕對土體應力場的擾動，同時形成帷幕屏障，實現(xiàn)隧道防水抗?jié)B的需要(圖5)。

圖5 隧道涌水(a)與盾尾注漿(b)(據(jù)葉飛等，2012)

2.1 盾構隧道

李志明等(2010)計算表明漿液沿隧道橫斷面填充擴散時，注漿壓力由上而下逐漸增加，漿液沿隧道縱向擴散時，注漿壓力隨擴散距離增加而逐漸減小，考慮黏度時變性影響時注漿壓力衰減加快(圖6)。

圖6 注漿壓力沿隧道分布

葉飛等(2009，2013，2017)考慮漿液的黏度時變性計算了盾尾注漿時漿液的擴散半徑及管片壓力的大小，見式(5)、式(6)，分析表明漿液的擴散半徑及管片壓力受漿液黏度時變性的影響非常顯著，通過調整漿液配比則可以有效降低這種影響。

(5)

(6)

式中：kw為水體在土層中的滲透系數(shù)(cm/s)，Δp為漿水壓力差(kPa)，β0為漿水初始黏度比，ρ為漿液密度(g/cm3)，g為重力加速度(m/s2)，n’為等效孔隙率，r、r0分別為漿液擴散半徑和注漿管半徑(m)，t為注漿時長(s)，α為與漿液和介質孔隙率相關的參數(shù)，F(xiàn)g為漿液對管片產生的壓力(kN)，Pr、Pg分別為r、r0處漿液壓力(kPa)。

茍長飛(2013)假定壓密注漿過程中漿體呈半球形擴散，應用彈塑性理論計算了土體的塑性區(qū)擴張率ζ、漿體擴張率ξ及注漿對管片產生的總壓力Fs的大小，見式(7)～(9)。結果表明，壓密注漿對管片產生的壓力與土體的泊松比呈正相關，而與土體的彈性模量、粘聚力和內摩擦角呈負相關，注漿壓力嚴格控制在0.33 MPa以下有利于地層結構和管片襯砌的穩(wěn)定。

(7)

(8)

(9)

(10)

式中：σr、σθ分別為徑向、環(huán)向應力(kPa)，α為介質常數(shù)，y為坐標值，c為粘聚力(kPa)，φ為內摩擦角(°)，ζ、ξ、δ為比例常數(shù)，R0、Ru和Rp分別為漿體初始半徑、壓密擴張后漿體半徑和土體塑性區(qū)半徑，β為土體塑性區(qū)半徑與壓密擴張后漿體半徑之比，ν為泊松比，E為彈性模量(MPa)，Pp為彈塑性交界面擴張壓力(kPa)，F(xiàn)g、Fp分別為漿體和土體對管片產生的壓力(kPa)。

蔡德國等(2014)通過壁后注漿模型試驗發(fā)現(xiàn)，隨水灰比增加，漿液中水化物顆粒間的黏滯阻力減小，漿液的流動性能提升，有效擴散范圍擴大，漿液的充填率隨之增加，但水灰比增加的同時也提高了漿液的泌水率，漿液的損耗系數(shù)相應增大；砂樣的分維數(shù)越高，則漿液迂回流動的路徑越長，漿液的有效加固范圍相應減小等。

2.2 海底隧道

近年來，隨著沿海經濟的發(fā)展和軍事戰(zhàn)備的需要，海底隧道成為海灣地區(qū)工程建設的重要項目。港珠澳海底隧道、廈門翔安海底隧道及青島膠州灣海底隧道等工程已相繼興建，并發(fā)揮著重要的作用。李術才等(2011)采用注漿壓力-注漿量-注漿時間(P-Q-t)方法控制注漿結束標準，TSP物探法評定加固體的力學強度，檢查孔法觀測漿液充填量，數(shù)字鉆孔攝像技術分析三維虛擬巖心試樣等多種方法對青島膠州灣海底隧道注漿效果進行了綜合檢驗，結果表明注漿加固后隧道圍巖等級由Ⅴ級提升至Ⅳ級，注漿對海底隧道等工程建設效果同樣顯著。孫鋒等(2012)結合廈門翔安海底隧道進行現(xiàn)場注漿試驗，研究發(fā)現(xiàn)HSC漿液基本以劈裂方式擠壓、加固全風化圍巖，注漿后巖層內形成縱橫交錯的網(wǎng)狀漿脈，巖體物理力學性能顯著改善，滿足開挖設計的強度要求。張頂立等(2018)通過材料復合和工藝復合構筑了海底隧道復合注漿理念，根據(jù)漿脈搭接特征將漿脈骨架分為滑動連接、活動鉸接、剛性連接、固定鉸接4種形式，并采用殼體理論對注漿復合體的安全性進行了科學評價(圖7)。

圖7 注漿加固體力學模型分析

3 樁基工程注漿

鉆孔灌注樁等樁基工程中，樁周泥皮和樁底沉渣對樁基承載力的發(fā)揮影響較大，通過后注漿技術則可以顯著改善這一狀況(黃生根和龔維明，2006；曾志軍等，2014；朱楠和崔自治，2014)。漿液注入后產生填充、滲透、壓密和劈裂等作用，可有效提高樁基的力學性能，減小樁基的沉降量(圖8)。

圖8 樁基后注漿加固原理及沉降分析

鄒金鋒等(2012)指出樁基后注漿可以增加樁端直徑，擴大樁體承載面積，進而有效改善樁體的受力性能和沉降特性，現(xiàn)場測試表明樁側樁端聯(lián)合注漿可有效減少樁體沉降量30%以上。房凱等(2012)通過現(xiàn)場載荷試驗發(fā)現(xiàn)：當樁頂荷載分別達到設計承載力特征值和極限承載力標準值時，未注漿樁與注漿樁沉降量的比值分別為1～2和3～4，統(tǒng)計分析表明注漿樁承載力提高系數(shù)β服從正態(tài)分布(式11)。分段(樁頂沉降為1%d)

(11)

式中β=Qb/Qa，即相同樁頂位移下兩者承載力的比值(圖8b)，d為樁體直徑。郭院成等(2013)應用BOTDR光纖測量技術測試了后注漿樁樁側摩阻力的分布規(guī)律，發(fā)現(xiàn)在細砂層和局部粉質黏土層中樁側產生負摩阻力，注漿設計和施工中需作為重點區(qū)域加以關注。戴國亮等(2018)發(fā)現(xiàn)樁端樁側聯(lián)合注漿可有效提升鉆孔灌注樁的承載能力，現(xiàn)場測試表明深厚細砂地層中注漿樁的極限承載力提高幅度可達66.03%～96.40%，同時沉降量也得到了有效控制，試驗還發(fā)現(xiàn)由于注漿對端承力影響的復雜性，樁端阻力提高系數(shù)存在較大的離散性等。

4 結論

注漿技術因其在滲漏、突水突泥等災害治理方面的顯著優(yōu)勢，在巖土工程項目建設和運營維護中應用非常廣泛，近些年來注漿技術獲得了巨大的發(fā)展進步，取得了明顯的社會和經濟效益。

(1)從可灌性理論分析、注漿新材料和計算機技術方面對堤壩工程注漿進行了闡釋述評，指出壩基注漿是注漿技術最具有活力和創(chuàng)新性的發(fā)展方向之一。

(2)從盾構和海底隧道兩方面對隧道注漿技術進行了探討分析，揭示了注漿在隧道工程建設中的加固機理。

(3)對樁基注漿技術進行了梳理總結，分析了后注漿技術在樁基承載力提高方面的力學機制。