隧道裂隙突涌水過程中注漿技術研究進展及展望

許增光，熊 偉，柴軍瑞，線美婷，王彥召

(西安理工大學 西北旱區(qū)生態(tài)水利國家重點實驗室, 陜西 西安 710048)

1 研究背景

改革開放以來，我國隧道及地下工程領域取得了輝煌成就，對國民經(jīng)濟發(fā)展起到了重要的促進作用。據(jù)統(tǒng)計，近10年來我國公路隧道平均每年新增1 100 km以上，目前正在修建的高速鐵路共計41條，穿越隧道共計1 331座，長度累計達2 560 km。在隧道建設過程中會面臨諸多挑戰(zhàn)[1-3]，突水是隧道掘進常遇的災害之一，國內(nèi)隧道工程建設重大事故中各類災害占比如圖1所示，圖1中數(shù)據(jù)顯示，在國內(nèi)隧道工程建設期間所發(fā)生的重大安全事故里，因突水所導致的事故約占其77%。研究發(fā)現(xiàn)，地質斷層、巖溶等是隧道建設過程中常遇的不良地質，我國長巖溶隧道超過40%，中南和西南地區(qū)則高達65%[4-6]。據(jù)調查和以往的報道表明，國內(nèi)隧道工程50%都是在巖溶地區(qū)修建的，并且發(fā)生了多次由突水引發(fā)的重大事故，突水災害往往會導致圍巖失穩(wěn)從而降低隧道整體穩(wěn)定性，同時易造成設備儀器淹沒及人員傷亡等，對生態(tài)環(huán)境也會產(chǎn)生重大影響[7]。另一方面，若對突涌水等災害治理不到位、不徹底，后續(xù)在運營階段將會出現(xiàn)滲漏、塌方、斷裂和結構失穩(wěn)等問題，嚴重威脅隧道正常運營，因此對突水等災害的治理日益受到重視。

圖1 國內(nèi)隧道工程建設重大事故中各類災害占比

注漿作為隧道突水治理的主要措施，在治理隧道突水等災害中一直發(fā)揮著重要作用，例如，福建泰寧隧道[8]采取了超前預測手段以及帷幕注漿、模袋和索囊封堵注漿等技術,有效治理了隧道大流量突水；野三關隧道[9]施工時采取了上部排水引流降壓、下部注漿封堵加固等措施成功穿越了F18斷層，并充填了溶腔及暗河等不良地質；龍廈鐵路象山隧道[10]在面臨突水突泥以及地表沉降時，結合災害段水文地質情況在隧道洞身關鍵部位開孔注漿，封堵潰口固結溶腔，并在掌子面處進行帷幕注漿，最終有效治理了這次突水災害；國外例如韓國索蘭隧道[11]施工時，運用了多種超前探測技術，如TSP技術、電阻率測定法等，最終通過注漿穿越了喀斯特地區(qū)，有效避免了巖溶突水，以上案例均通過注漿避免或治理了突水等災害。

進入21世紀以來，我國地下工程建設的重心向地形地質更加復雜的西部轉移，隧道建設過程中更易遭遇突水等重大災害，注漿作為突水災害治理中的主要措施，對加固軟弱巖體、增強圍巖穩(wěn)定性有良好效果。注漿技術發(fā)明于1802年，如今已有200余年的發(fā)展歷史[12-13]。早些年，隧道建設以及注漿施工主要依靠人力，效率和質量均難以保證。隨時代的進步和生產(chǎn)力水平的提高，推動了相關領域的發(fā)展，注漿施工由機械取代了人力，再到后來各類電子設備，比如傳感器、探測器的加入，使施工的自動化程度和效率均得到進一步提高?？傮w來講，目前注漿技術已步入智能時代，智能注漿是指基于互聯(lián)網(wǎng)等相關技術，利用數(shù)據(jù)挖掘、智能分析等對注漿過程的信息進行實時感知與深度分析，為基礎注漿動態(tài)智能調控提供決策支持[14]。

注漿施工屬于多學科交叉領域，為了便于工程技術人員更好地掌握目前關于注漿的最新研究成果，本文擬從目前隧道工程注漿技術的相關內(nèi)容進行系統(tǒng)綜述，并結合現(xiàn)代化智能注漿領域進行評述，以期為隧道建設提供一些借鑒。

2 裂隙注漿擴散模型

裂隙注漿擴散模型是近幾年的研究熱點，由于裂隙巖體注漿具有較大的非可控性，基于注漿參數(shù)、地質參數(shù)以及漿液性能指標等建立的擴散模型與計算機技術相結合，能有效預測漿液擴散的范圍和規(guī)律，進而綜合考慮各參數(shù)對擴散距離的影響權重，可有效加強對注漿施工的控制。

劉人太等[15]在考慮漿液黏度時變性的前提下建立了動水條件下裂隙注漿擴散的數(shù)值模型，總結了漿液擴散規(guī)律，并且分析了不同黏度時變性、動水流速和注漿速率對漿液擴散過程的影響效果。孫小康[16]基于單裂隙研發(fā)了一套可視化注漿試驗系統(tǒng)，推導了漿液在一維平板裂隙內(nèi)的擴散模型和方程，對裂隙開度、注漿速度、粗糙度等參數(shù)和漿液擴散半徑之間的關系進行了總結。王麗娟等[17]基于廣義達西定律及相關力學理論推導得出考慮膏漿自重的漿液擴散方程，并進行室內(nèi)試驗對擴散公式進行驗證，最后以地鐵車站基坑堵漏工程為背景，驗證了擴散方程的合理性。李曉龍等[18]以一種密度隨時間變化的自膨脹漿液為注漿液，考慮了漿液初始擴散半徑、裂隙開度、注漿壓力等因素，建立了漿液在單裂隙中的擴散模型，并通過CFD軟件Fluent模塊建立了軸對稱分析模型，而且對模型的合理性與正確性進行了驗證。Zhang等[19]考慮了漿液黏度時變性，應用質量守恒方程和徑向灌漿流動特性規(guī)律推導得出水泥-水玻璃(C-S)漿液在平面裂隙中擴散的表達式，揭示了C-S漿液的流變性與其他參數(shù)(如注入壓力、注入速率和裂縫孔徑寬度)和漿液擴散距離的關系。裴啟濤等[20]將C-S漿液看成是具有黏度時變性的賓漢流體，搭建傾斜裂隙模型進行室內(nèi)試驗，最終建立了漿液擴散模型，并且推導了注漿壓力與注漿時間及漿液擴散距離的關系式。Hu等[21]針對裂隙含水層注漿進行研究，建立了漿液在傾斜管狀裂縫中擴散的理論模型，針對流變系數(shù)、裂縫寬度、注漿壓力、裂縫傾角和水流速度等參數(shù)對漿液擴散距離的影響規(guī)律進行分析，最后給出了含各參數(shù)的擴散方程。

國外學者如Hirokazu等[22]提出了含有有限幾何參數(shù)的平行板漿液徑向流動模型，并且基于非牛頓流體探討了臨界雷諾數(shù)和擴散半徑、注漿壓力等之間的關系，給出了在低臨界雷諾數(shù)情況下將湍流-層流傳遞半徑調整為目標注漿半徑時的注入條件，該模型對智能化注漿施工具有一定的參考價值。Rafi等[23]基于彈性頂升機理建立了注漿擴散模型，針對注漿壓力及裂縫孔徑變化對漿液擴散距離和注漿封堵效率的影響進行了研究。Mohajerani等[24]提出了漿液在巖石節(jié)理中傳播的完全顯式算法模型，該模型能夠模擬孔隙流體壓力，與以往的方法相比該算法模型幾乎適用所有類型的流體，在不同流動狀態(tài)下進行計算可有效提高評估的準確性。

以上研究多數(shù)基于水平單裂隙、傾斜單裂隙，推導漿液分別在靜水和動水條件下的擴散模型和方程，考慮的參數(shù)包括裂隙粗糙度、注漿壓力、漿液粘度、模型裂隙開度和注漿時間等。但實際工程中，地下裂隙是一個十分復雜的網(wǎng)絡系統(tǒng)，對其擴散規(guī)律和擴散模型進行研究時面對的困難很大，目前可將網(wǎng)絡裂隙視為多個單裂隙組合的情況分別進行研究和計算。已有學者對復雜裂隙注漿的擴散規(guī)律進行了初步研究，劉濱等[25]開發(fā)的可視化網(wǎng)絡裂隙注漿試驗系統(tǒng)，可模擬在不同注漿壓力、漿液黏度和裂隙開度情況下的漿液流動過程。另外還有依托國家自然科學基金展開的課題：天津城建大學主持的三維裂隙網(wǎng)絡巖體動水注漿擴散及封堵機理研究，以及鄭州大學主持的多因素作用下高聚物巖體裂隙動水注漿擴散機理研究等，目前均處于研究階段。

未來在三維裂隙、平面網(wǎng)絡裂隙注漿方面需要多做研究，考慮粗糙度、傾角和注漿壓力等參數(shù)，在動水條件下建立裂隙網(wǎng)絡注漿擴散模型是下一步努力的方向，同時也要加強對巖體結構面的細觀研究，巖體裂隙的不規(guī)則程度對漿液擴散有很大影響，而裂隙結構面的分布情況具有較大的隨機性，這些方面未來還需做進一步分類。建立高壓強、高地應力條件下的注漿擴散模型需依托大型實驗設備進行，進而綜合構建更加符合實際地質情況的注漿理論模型?？傮w來看，今后需基于動態(tài)水流、三維裂隙、平面網(wǎng)絡裂隙、高壓環(huán)境、不規(guī)則結構面等，展開室內(nèi)理論研究和模型推導，以便更加真實地指導實際注漿施工。再者，目前基于數(shù)學算法建立注漿擴散模型的研究較少，未來需作進一步探索。

3 注漿材料現(xiàn)狀

注漿材料的各方面性能均對工程質量起決定性作用。目前除了繼續(xù)研發(fā)新的漿材外，在對現(xiàn)有材料性能的改進方面也做了大量研究。例如近幾年依托國家自然科學基金開展的課題：非水反應類高聚物注漿材料強度機理的多尺度模擬與試驗研究、底泥轉化型地質聚合物聚合及注漿加固機理研究、凍融環(huán)境下納米增強水泥基注漿材料物性演化微觀機理等。

隨著各類生物技術和化學技術的進步，帶動了注漿材料的研發(fā)和應用，各類新型注漿材料已進入到工程建設中，有效解決了傳統(tǒng)水泥基漿液黏度大且顆粒性較強，難以進入細微裂縫的難題。

3.1 高分子類注漿材料

近年來我國研發(fā)了各類高分子漿材，如聚氨酯(PU)、環(huán)氧樹脂等。李雅迪等[26]制備了納米二氧化硅增強親水性聚氨酯注漿材料，經(jīng)過井下堵水試驗后發(fā)現(xiàn)該注漿材料具有較高的堵水效率，注漿封堵效果良好。曾娟娟等[27]研制的環(huán)氧樹脂漿液固化速度快，可在動水條件下直接注漿堵漏，同時也可對整體結構等進行加固。裴須強等[28]研發(fā)的改性聚氨酯漿液初始黏度小于50 mPa·s，凝膠時間約為4.5 min，具有黏度低、固化時間短的特點，可保證注漿液具有良好的施工性能，在某高鐵軌道板離縫修補工程中取得了良好效果。周磊等[29]研發(fā)的改性聚氨酯類漿材具有無顆粒性、可注性強的優(yōu)點，能進入圍巖體中的細小裂隙，在對滇黔隧道破碎巖體注漿堵水及加固中發(fā)揮了良好的治理效果。

研究表明，高分子類漿液普遍具有收縮變形小、輕度高、穩(wěn)定性高、反應可調節(jié)等特點，很適合處理斷層等微細裂縫，高分子類注漿材料在國內(nèi)工程中也有不少應用，如：廣州珠江隧道治理貫穿性裂縫和江漢航線新城船閘的13條貫穿性涌水裂縫治理工程，經(jīng)CW環(huán)氧樹脂灌注處理后均取得了良好效果[30]。圖2展示了高分子類注漿材料(改性脲醛樹脂漿液)在巖體裂隙中形成的漿脈。

圖2 裂隙巖體高分子漿液注漿實例[31]

目前研發(fā)各類新型高分子類漿材屬于熱點，但多數(shù)處于實驗室等小規(guī)模試用階段，大型注漿工程實例多數(shù)仍然選用水泥基漿材，采用高分子漿材的案例較少?？紤]到我國“綠色健康可持續(xù)發(fā)展方針”，對于高分子類漿材的成本、運輸和環(huán)保性等問題未來需要進行更加精細化地研究和改進。根據(jù)不同災害類型，有針對性地研發(fā)專用高分子漿材是下一步努力的方向。

3.2 非水反應類高聚物

目前,高聚物注漿材料在工程領域應用較為廣泛，主要分為膨脹型和滲透型兩種。膨脹型高聚物注漿材料在注漿后體積會迅速膨脹并且生成高強度和高韌性的泡沫狀高分子固體，從而快速充填裂隙空洞，達到防滲堵漏和穩(wěn)定加固的目的。王復明等[32]將非水反應類高聚物運用到多個工程中，均取得了良好的效果，并且提出了針對施工期突水的膜袋封閉反壓注漿法(可防止?jié){液在動水環(huán)境下被沖走)以及針對運行期滲漏的導管注漿處治方案，有效解決了隧道滲漏問題。Sun等[33]以親水性氨基樹脂為基料，研制了一種新型聚合物發(fā)泡灌漿材料，在充填節(jié)理面、膠結裂隙等方面獲得了良好效果。Zhang等[34]自行研制的聚合物泡沫(PF)注漿材料，對圍巖變形具有很強的適應性，有利于圍巖長期加固。相關研究表明，滲透型高聚物黏度可低至5～10 mPa·s，該種漿材普遍具有黏度低、施工便捷、造價低和對環(huán)境無污染的優(yōu)點[35]，圖3為某實際隧道工程采用高聚物處理前后的效果對比。目前針對非水反應類高聚物的研究已取得許多成果，但其材料具有一些特殊性，最直觀的是注漿后體積迅速膨脹，材料對巖體的作用機理未來還需研究。同時需要針對具有特殊性能的改性高聚物多做研究，結合材料和化學等領域，將其運用到更多的工程實例中。

圖3 宜萬鐵路某隧道采用高聚物處理前后效果對比[32]

3.3 微生物漿液

微生物注漿加固技術(MICP)是近些年新發(fā)展起來的一種新型注漿加固方法，它是指利用一些特定的微生物(如脲酶菌、球式芽孢桿菌)，通過為之提供豐富的營養(yǎng)鹽使其生成碳酸鹽、硫酸鹽等物質來膠結巖土體，從而達到加固的目的。2001年報道了第1例微生物加固巖體的實例[36]，Dworatzek等[37]在礦區(qū)進行了微生物表面膠結固化實驗，其實驗現(xiàn)場如圖4所示。微生物注漿材料具有較強的流動性和滲透性，同時具備灌注壓力小、環(huán)境污染小等優(yōu)點[38]，是一種可持續(xù)發(fā)展的綠色漿材，在實際工程中應用于加固軟弱地基、裂縫修復等。王敬奎等[39]以巴氏芽孢桿菌為原料，尿素做營養(yǎng)液，氯化鈣為鈣源溶液，在室內(nèi)進行裂隙巖體注漿實驗，注漿實驗后巖樣滲透系數(shù)減小率均達到90%，表明了微生物誘導碳酸鈣沉淀技術對裂隙的封堵及防滲具有良好的效果。國外已有微生物注漿工程實例，我國在這方面還需要多做研究。微生物注漿技術目前屬于全新的研究領域，主要應用于土體加固，對于封堵突水等動態(tài)水流的適用性還需工程實例驗證，例如地下裂隙水流的溫度通常較低，對微生物的活性影響如何、水流速度與微生物反應固結速度能否匹配以及經(jīng)濟成本和環(huán)境影響等問題，目前還沒有統(tǒng)一定論，這些問題后續(xù)還需要通過大量實驗和案例來驗證，但可以預見其具有巨大的潛在研究價值和實際使用價值。

圖4 微生物膠結砂土實驗現(xiàn)場[37]

在注漿材料研發(fā)方面我國緊跟世界步伐。傳統(tǒng)水泥漿材可注性較差，但是固結后強度較高，化學漿液普遍可注性好，但價格方面除了脲醛樹脂外其他化學漿液的價格較昂貴，同時在毒性方面，雖然已進行了許多低毒甚至無毒的改進，但仍遠遠不夠?？偟膩砜?，傳統(tǒng)水泥漿材的超細化以及化學漿液的廉價性和環(huán)保性改進仍是未來主要方向，而微生物漿液還處于實驗室階段，未來還需要做大量研究。同時也要注重對現(xiàn)有材料的改進，如超細水泥漿就是在以往水泥漿材基礎上改進成功的，并且在工程中發(fā)揮著重要作用，再例如改性脲醛樹脂、改性環(huán)氧樹脂等均是以往材料的改進產(chǎn)品，其性能相較于以往得到了很大提高。因此研發(fā)新材料和改進現(xiàn)有材料是當下研究的首要課題。不同注漿材料的特點和適用范圍均不一樣，在實際工程施工中應根據(jù)工程質量需要并結合環(huán)保等其他因素選取合適的漿材及相應的注漿工藝。同時也要完善各類注漿材料的施工工藝和方法，制定相應的規(guī)范，便于新材料、新技術的推廣和使用。

4 超前探測技術及注漿控制系統(tǒng)

4.1 超前探測技術

近年來, 我國在建隧道穿越地質更加復雜西部地區(qū)，掘進時由于對掌子面前方地質情況和周圍巖體特征信息掌握不足而導致的事故常有發(fā)生，同時，注漿堵水和加固也需要掌握前方地質信息，不能盲目進行注漿。因此對掌子面前方進行超前預報，關乎施工人員和設備的安全以及隧道的施工進度，超前預報已成為隧道建設過程中一個不可或缺的關鍵環(huán)節(jié)。國家自然科學基金在這方面也支持了許多項目，如山東大學主持的隧道掘進機施工期三維地震波超前探測理論研究項目、施工期超長跨海隧道不良地質體的精細超前探測與防災技術項目以及北京航空航天大學主持的大數(shù)據(jù)驅動的不良地質段跨海隧道結構災變預報與控制項目等，目前這些項目均處于研究階段，未來可大大推動超前探測領域的進步。

超前探測技術較為常用的方法有TSP探測法、TRT預報系統(tǒng)、紅外超前探水法、地質雷達探測法和激發(fā)極化法等[6,40-44]。本文對每種方法的探測距離、特點和待改進點等進行總結與對比，如表1所示。各種超前探測技術方法的原理、適用范圍和優(yōu)缺點均不相同，目前大多集中于采取單一的探測技術，這樣只能獲得地質體的某一性質，導致單一探測方法對地質預報的準確度較低，同時不同探測技術對不同的地質缺陷預報效果也不盡相同，目前還沒有任何一種預報方法能準確預報各種地質災害。這就需要對各種探測方法的優(yōu)缺點進行比較，將不同探測技術合理結合使用并相互驗證，以提高探測結果的準確性。周東等[45]依托嶺腳隧道在洞內(nèi)將陸地聲納法、瞬變電磁法和地質雷達法組合使用，在洞外則采用陸地聲納法、微分電測法和瞬變電磁法進行綜合探測，最終準確地確定了不良地質體的位置和范圍。楊繼華等[46]基于厄爾多瓜電站水工隧洞，將地質分析法、物探法、超前鉆探等綜合使用，探測結果相對于僅使用單一探測技術明顯更加準確。戴世鑫等[47]將地質雷達法、瞬變電磁法、TST技術相結合，成功探測到桃園隧道掌子面前方巖溶的存在。上述綜合超前地質預報方法均為多種單一超前預報方法組合，最后將每個方法探測的結果進行綜合比對分析，可顯著提高預報結果的準確性和可靠性。本文總結了以下兩點原則：

(1)長、短距離結合探測。從表1可以看出不同方法的可探測距離均不相同，探測時應遠距離模糊探測，近距離精確探測，例如首先采取TSP法(100～150 m)進行整體初步探測，然后逐步采取地質雷達法(20～25 m)進行近距離探測，組合使用以提高結果精確性。

表1 超前探測技術幾種常用方法對比

(2)分區(qū)探測。該原則要求對掌子面前方水文地質首先有大致判斷，在面臨斷層、溶洞等不良地質時，分別選擇對此地質較為敏感的探測技術。例如采用瞬變電磁法確定溶洞等位置、采用激發(fā)極化法估算含水量。針對斷層區(qū)則采用TSP法，充分發(fā)揮每一種探測技術的特點。

綜合使用探測技術超前探測隧道地質已成必然趨勢，如何更好地處理勘探數(shù)據(jù)資料，改進探測結果模糊性和不可靠性是下一步應努力的方向。近幾年，國內(nèi)外研究熱點集中于多元地球物理信息的聯(lián)合反演。劉斌等[48]對約束聯(lián)合反演理論進行了研究，通過數(shù)值模擬和實際探測結果驗證了約束聯(lián)合反演的顯著作用和良好的應用前景。Li等[49]在這方面也做了大量研究，提出了一種結構約束反演的廣義聯(lián)合反演方法。何展翔等[50]基于人工魚群算法實現(xiàn)了對TFEM勘探水平電場和垂直磁場的聯(lián)合約束反演，并且提出了分布反演方案，最終結果表明人工魚群算法和分步反演方案能夠很好地克服反演的非唯一性并且提高了探測精度，有較強的實用性。總體來看，目前基于聯(lián)合參數(shù)反演的隧道綜合超前地質預報技術的相關研究仍較少，未來需要針對這方面開展更多研究，形成基于聯(lián)合參數(shù)反演的隧道綜合超前地質預報系統(tǒng)，提高預測結果的精度和可靠性。同時，預報結果的準確性受操作人員綜合素質影響較大，今后也要注重操作人員和數(shù)據(jù)分析人員的技能培訓及管理?？傊?，對各個環(huán)節(jié)進行優(yōu)化，降低外界因素的干擾，提高探測技術實施的規(guī)范性，進而提高預測精度。

4.2 注漿控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)掌控注漿施工的每個環(huán)節(jié)，對施工質量的優(yōu)劣以及施工安全等起著控制性作用。隨著科技的進步，在注漿系統(tǒng)方面，日本熊谷組公司開發(fā)了一套隧道注漿可視化系統(tǒng)[51]，該系統(tǒng)可以根據(jù)工作面地質資料和預注漿資料等施工資料生成三維模型，大大提高了注漿的可控性。Still等[52]提出了一種實時注漿控制方法，該方法對注漿材料進入巖體的過程進行控制，可以通過對注漿過程的在線監(jiān)測來預測漿液擴散和流動的軌跡，并且可以評估隆起和頂升的風險，最后通過瑞典的4個隧道工程驗證了此方法可適用于實際注漿設計和控制。韓國索蘭隧道通過注漿治理突水事故時取得了良好的效果[12]，在總結工程經(jīng)驗的基礎上開發(fā)了一套降低隧道風險的系統(tǒng)，可為類似工程提供借鑒。閆福根等[53]基于Struts和Hibernate技術，依托注漿分析系統(tǒng)，將這些注漿數(shù)據(jù)轉化為三維注漿孔模型，實際工程表明，該方法可對注漿工作進行有效指導，并且能對注漿效果做到及時、有效的反饋。馮曉琳[54]從流量控制、雙液注漿比例控制和流量穩(wěn)定實現(xiàn)3個方面開發(fā)了基于互聯(lián)網(wǎng)的注漿監(jiān)控系統(tǒng)，并且研發(fā)了注漿監(jiān)控設備對注漿過程中的數(shù)據(jù)進行記錄，最后通過網(wǎng)絡將注漿數(shù)據(jù)傳送給上位機進行室內(nèi)監(jiān)控。新疆大學主持的基于地鐵隧道立體變形監(jiān)測與動態(tài)可視化系統(tǒng)項目，目前也正在研究階段。

以上控制系統(tǒng)的加入均可提高注漿施工的效率和質量，并且可以看出以互聯(lián)網(wǎng)技術為載體研發(fā)控制系統(tǒng)是當下的大趨勢。目前在三維地質模型方面的研究還不夠精細，未來還需依托三維模型制定方案并結合計算機技術，盡可能以三維畫面顯示鉆孔照片、周邊地質情況、實時注漿效果圖以及各向位移等參數(shù)，以便對注漿施工進行更加自動化和智能化的控制。本文根據(jù)以往工程經(jīng)驗結合智能注漿系統(tǒng)總結了一套隧道智能控制施工方案，首先超前探測獲得地形地質信息，并且確定不良地質狀況，然后有針對性地制定分區(qū)治理方案，選擇關鍵鉆孔并注漿，期間智能監(jiān)測和動態(tài)反饋調節(jié)機制實時監(jiān)測動態(tài)參數(shù)(如注漿量、圍巖變形參數(shù)等)，最后進行注漿效果評定，其具體流程如圖5所示。

圖5 隧道智能控制施工方案流程圖

5 注漿效果評價技術

注漿效果的評定屬于收尾性工作，同時對整個施工環(huán)節(jié)起到反饋作用，對注漿施工質量的檢驗具有重要意義。由于注漿施工具有較強的隱蔽性，導致注漿效果難以得到精確掌控，因此，為了保證隧道正常掘進以及后續(xù)安全運營，對其進行準確評價顯得尤為重要。目前注漿效果的評定方法已形成5大體系，分別為分析法(P-Q-t曲線法、注漿量分布特征法、涌水量對比法、漿液填充率反算法)、檢查孔法(檢查孔觀察法、檢查孔取芯法、檢查孔P-Q-t曲線法、滲透系數(shù)測試法)、開挖取樣法(加固效果觀察法、注漿機制分析法、力學指標測試法)、變位推測法(水位推測法、變形推測法)和物探法。

關于注漿效果評價體系的研究主要集中在對以上各方法的具體使用[55]，但往往只能得到初步的定性分析結果，缺乏定量的標準，而且單一方法的評價結果比較片面且難以得到不同方法綜合使用下的結果，具有較大的盲目性和不準確性，因此應組合運用。王德明等[56]將傳統(tǒng)方法及物探法綜合使用，利用層次分析法針對斷層帶隧道注漿提出了一種新的評價方法，并且依托永蓮隧道得到了驗證。周海強等[57]將鉆孔取芯、標準貫入實驗和瞬態(tài)面波法等檢測方法結合，對高速鐵路地基注漿效果進行了評價。Bai等[58]和Huang等[59]結合工程實例，將分析法、開挖取樣法和物探法組合運用檢測注漿質量。以上案例結合多種評價方法使用均提高了評價結果的精確性，目前關于不同評價方法的組合方案還沒進行歸納整理，今后應結合大量實例進行總結。

目前流行的物探法具有無損探測、快速便捷等優(yōu)勢，表2總結了部分物探技術方法及其評定標準。物探技術評價的準確性相較于傳統(tǒng)方法得到了提高，但受周圍地理環(huán)境影響較大，大部分物探技術僅對水體比較敏感，對漿液的變化情況則相對模糊，在隧道施工中應用還不夠成熟，未來還需要研發(fā)新型物探技術，減少環(huán)境對探測結果的影響。

表2 部分物探技術方法及其評定標準

隨著科技和生產(chǎn)力的進步，注漿效果評價方法也越來越智能化。以往關于注漿評價的研究大多只考慮單一因素，針對注漿質量和效率的綜合評價研究較少，既沒有考慮指標間復雜關系帶來的模糊性問題，也沒有考慮主觀意識造成的隨機性問題。為此，Zhu等[60]提出了一種考慮評價過程不確定性的灌漿評價方法，其主要包括3個部分：在常規(guī)灌漿效率評價指標的基礎上，引入可灌性作為新的評價指標；提出一種基于云模型的模糊綜合評價方法；計算模糊熵來表征注漿效率水平的復雜性，最終綜合提高了評價結果的科學性和客觀性。Li等[61]提出了一種基于自適應神經(jīng)模糊推理系統(tǒng)的注漿效果預測與評價方法，以地質因素(斷裂強度、LU值、灌漿前RQD)、有效灌漿作業(yè)因素(有效灌漿壓力、有效灌漿時間和有效灌漿體積)等作為預測模型的輸入?yún)?shù)，以注漿后的LU值、RQD和FF作為評價注漿質量的輸出參數(shù)，最終驗證了該方法在預測注漿效果和評價注漿施工質量方面具有較高的準確性。Lin等[62]采用時域有限差分方法(FDTD)對探地雷達探測正演模擬和反投影成像進行了數(shù)值實驗，建立了基于典型襯砌病害的探地雷達檢測解釋準則，并且根據(jù)隧道襯砌注漿前后的介電差異，將探地雷達引入隧道襯砌注漿滲漏評價中，結果表明，探地雷達成像能很好地識別注漿前后介質的變化，更直觀地評價注漿加固效果。Zadhesh等[63]為評價注漿質量，采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(ANN)和線性回歸方法對二次滲透性進行預測，用統(tǒng)計學方法建立了試驗變異函數(shù)及其數(shù)學模型，結果表明人工神經(jīng)網(wǎng)絡可用于固結灌漿質量評價。后錢峰等[64]基于GRE模糊評價方法選取11個指標建立了針對運營隧道的注漿堵漏效果評價體系，該評價體系與單一評價方法相比計算效率和計算結果的精確度均有所提高，還彌補了人為主觀評判的缺點。然而，上述模型和方法均具有一定的局限性，室內(nèi)試驗無法完全模擬實際工程情況，故評價結果的可靠性不足；再者，目前理論方面研究還不夠，數(shù)值模擬和室內(nèi)理論分析受制于此，使其適用性有所降低，這些問題未來還需進行深入研究和改進。

如今在隧道注漿材料以及施工方法等方面的研究較為深入，但是對注漿加固效果的評價稍顯片面，還需要開發(fā)新的評價體系，將傳統(tǒng)方法、物探法以及智能評價方法進行有效地結合，并且邊注漿邊評價，提高評價的精確性和施工質量，還需有針對性地開發(fā)新的評價技術和指標。今后首先應結合工程質量要求選擇合理的評定技術，其次不能只停留于表面現(xiàn)象，例如突水和裂隙等是否已經(jīng)堵漏無滲水等，應結合整個工程，進一步進行整體性探測，并出具圍巖支護等穩(wěn)定性報告，防止注漿破壞內(nèi)部結構致其失穩(wěn)失效，影響到整個工程。

6 結論與展望

我國巖石裂隙注漿領域的部分研究已取得巨大進步，室內(nèi)理論方面，基于單裂隙建立的各類注漿擴散模型和方程已對注漿施工產(chǎn)生重要指導意義，目前高分子類漿材和非水反應類高聚物在工程中逐漸獲得廣泛應用，微生物漿液也逐漸進入實際工程，各類超前探測技術的發(fā)展極大提高了對不良地質預測的準確性，以互聯(lián)網(wǎng)技術為載體開發(fā)的注漿控制系統(tǒng)可有效提高注漿施工的效率和質量，隨著科技和生產(chǎn)力的進步，注漿效果評價方法也更加智能化，物理方法和數(shù)學模型的結合使用保證了評價結果的可靠性?？偟膩碚f，可系統(tǒng)總結為注漿前的超前地質預報、注漿中的實時監(jiān)控和智能反饋，以及注漿后的效果評價。本文在對目前研究成果總結的基礎上，結合各方面的現(xiàn)狀展望了未來的發(fā)展趨勢，今后應在以下幾個方面多做研究：

(1)基于網(wǎng)絡裂隙建立在動水條件和高壓條件下的注漿擴散模型是未來需要研究的問題。結合我國綠色環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展的方針，工程建設需要一種性能更優(yōu)，且經(jīng)濟、環(huán)保、可再生的漿材，微生物漿液作為目前新型材料應多做研究，其次應針對不同地質災害研發(fā)具有針對性的高效注漿材料，如復合材料、瀝青漿材等，同時也要注重對已有材料的改進。

(2)利用電子信息技術和遠程操控技術建立信息反饋調節(jié)機制和更加智能化的控制系統(tǒng)。并且開發(fā)機械化、智能化、數(shù)字化程度更高的超前探測設備和注漿設備, 同時也要注重操作人員的素質提升，綜合提高注漿施工的精準度和可操作性。

(3)關于注漿質量評價指標目前仍沒有統(tǒng)一標準，大多憑借工程經(jīng)驗和理論分析來評價，需要確定統(tǒng)一、定量的指標。目前物探技術較為先進，但仍然受地質環(huán)境的影響較大，后續(xù)需繼續(xù)研究改進。由于地下結構的復雜性，建議傳統(tǒng)方法和智能模型結合使用，綜合提高對注漿質量控制的精準度。同時要優(yōu)化對探測信息的計算分析，進行參數(shù)聯(lián)合反演，提高信息的可靠度。

(4)注漿領域無論是施工技術還是監(jiān)測控制等，都應向智能化方向發(fā)展，結合大數(shù)據(jù)、云計算和互聯(lián)網(wǎng)等技術，智能調控各個環(huán)節(jié)，綜合提高注漿施工質量。同時，注漿屬于一個多學科交叉領域，涉及生物化學、機械設備、數(shù)字智能和優(yōu)化管理等，需要多關注其他領域的研究成果，結合自身領域共同進步。