基于隧道水滲條件下的高聚物注漿材料的研究

趙國(guó)梁，申鐵軍

(1.山西路橋集團(tuán)晉南項(xiàng)目管理有限公司，山西 太原 030006；2.山西路橋建設(shè)集團(tuán)有限公司，山西 太原 030006)

0 引 言

山西省80%的國(guó)土面積為山區(qū)，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，地貌類型多樣，地理環(huán)境獨(dú)特。近年來(lái)，隨著隧道工程技術(shù)難度越來(lái)越艱巨，公路隧道病害，特別是軟巖隧道、涌水病害嚴(yán)重影響了公路隧道的建設(shè)、養(yǎng)護(hù)與運(yùn)營(yíng)。隧道涌水具有量大、勢(shì)猛、危害性極大等顯著特點(diǎn)。鑒于涌水隧道處治時(shí)存在注漿材料用量大、注漿封堵不完全、建設(shè)施工難度大、耗時(shí)長(zhǎng)等問(wèn)題，亟待開發(fā)高性能的涌水隧道高聚物注漿堵水加固材料、配套設(shè)備及快速修復(fù)技術(shù)，并將其應(yīng)用于涌水隧道的快速修復(fù)。公路隧道常通過(guò)巖溶、破碎帶巖體、風(fēng)化巖體等軟巖地區(qū)，特別在地下水位作用下，隧道圍巖力學(xué)性質(zhì)更加復(fù)雜，嚴(yán)重影響公路隧道工程施工建設(shè)和長(zhǎng)期安全運(yùn)營(yíng)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。為促進(jìn)中部地區(qū)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，強(qiáng)化和優(yōu)化交通資源配置，保障山西等中部地區(qū)公路隧道施工建設(shè)和安全運(yùn)營(yíng)等全生命周期的長(zhǎng)期穩(wěn)定性問(wèn)題，解決水滲條件下軟弱圍巖變形破壞機(jī)理所涉及的關(guān)鍵理論與技術(shù)，形成軟巖隧道水滲作用下的圍巖長(zhǎng)期穩(wěn)定性評(píng)價(jià)體系，將潛在的安全隱患消除于隧道施工方案設(shè)計(jì)階段，已成為目前亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)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(yùn)營(yíng)和災(zāi)害防控提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 研究方法及應(yīng)用意義

(1)采用理論分析、室內(nèi)試驗(yàn)、數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，對(duì)水滲條件下軟巖的時(shí)效力學(xué)特性進(jìn)行了研究，建立了軟巖隧道圍巖力學(xué)特性的粘彈塑性流變模型，提出了基于長(zhǎng)期安全系數(shù)的軟巖隧道圍巖長(zhǎng)期穩(wěn)定性預(yù)測(cè)及分析方法。主要揭示了水滲條件下軟巖隧道圍巖時(shí)效變形機(jī)理，并提出了基于長(zhǎng)期強(qiáng)度參數(shù)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性分析評(píng)價(jià)方法，建立了滲流-應(yīng)力-損傷耦合的長(zhǎng)期穩(wěn)定性分析模擬平臺(tái)，為軟巖隧道在滲水條件下的短長(zhǎng)期穩(wěn)定性預(yù)測(cè)與災(zāi)害防治提供了新的解決方案。對(duì)于關(guān)鍵部位的圍巖塑性區(qū)支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，保證了隧道支護(hù)的結(jié)構(gòu)在富水條件下安全；通過(guò)調(diào)整側(cè)墻錨桿和局部增設(shè)仰拱襯砌結(jié)構(gòu)，防止側(cè)向和底部圍巖拉應(yīng)力區(qū)的開展，并對(duì)隧道運(yùn)營(yíng)期的監(jiān)測(cè)和養(yǎng)護(hù)進(jìn)行了指導(dǎo)，保證了隧道的安全運(yùn)營(yíng)，對(duì)隧道的長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)具有指導(dǎo)作用。成果推廣具有較大的工程應(yīng)用價(jià)值和良好的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益，應(yīng)用前景廣泛。

(2)軟巖隧道水滲條件下時(shí)效變形破壞機(jī)理及長(zhǎng)期穩(wěn)定性評(píng)價(jià)研究，采用理論分析、室內(nèi)試驗(yàn)、數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，突破交叉學(xué)科前沿理論，揭示了軟巖滲流-應(yīng)力耦合作用下時(shí)效變形破壞機(jī)理，提出了適用于軟巖滲流-應(yīng)力-損傷耦合作用下非線性統(tǒng)一彈塑性-黏塑性時(shí)效本構(gòu)模型和計(jì)算方法，提出了基于長(zhǎng)期強(qiáng)度參數(shù)的長(zhǎng)期穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算方法和評(píng)判準(zhǔn)則，建立了水滲條件下公路軟巖隧道工程的長(zhǎng)期穩(wěn)定性評(píng)價(jià)體系，為水滲條件下隧道圍巖結(jié)構(gòu)、支護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，施工建設(shè)、長(zhǎng)期安全運(yùn)營(yíng)提供技術(shù)保障，經(jīng)濟(jì)、社會(huì)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(tǒng)研究涌水隧道注漿加固材料和注漿封堵技術(shù)的創(chuàng)新性成果。項(xiàng)目對(duì)于涌水隧道病害面臨的突出問(wèn)題，成功研發(fā)了一種高性能的適用于涌水隧道快速修復(fù)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(guò)程中的堵水加固機(jī)理；開發(fā)了一臺(tái)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高聚物注漿堵水加固材料膨脹力測(cè)試裝置、一臺(tái)高聚物注漿堵水加固材料愈合設(shè)備、改造升級(jí)了一臺(tái)高聚物注漿加固材料專用注漿設(shè)備；形成了基于高聚物注漿材料的涌水隧道快速修復(fù)關(guān)鍵技術(shù)；提升了涌水隧道注漿處治技術(shù)，保障了涌水隧道建設(shè)、養(yǎng)護(hù)、運(yùn)營(yíng)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(lǐng)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(yīng)用。在隧道涌水病害治理方面取得了一系列的創(chuàng)新和突破，形成了集材料研發(fā)、設(shè)備開發(fā)與升級(jí)、快速修復(fù)為一體的成套技術(shù)。從材料組成、結(jié)構(gòu)、加工、性能四個(gè)方面提出高聚物材料基因工程設(shè)計(jì)思路，運(yùn)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(fā)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(jié)合模型的試驗(yàn)揭示了高聚物注漿材料不透水聚合物網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)機(jī)理；黃土、高聚物、巖石固結(jié)體封堵隧道涌水的高聚物網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)封堵機(jī)理；通過(guò)輻射加熱原理借助紅外加熱愈合具有Diels-Alder反應(yīng)的高聚物注漿材料的裂縫和病害，快速實(shí)現(xiàn)高聚物注漿材料的功能恢復(fù)[1]。主要?jiǎng)?chuàng)新性如下：(1)開發(fā)了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高聚物膨脹力測(cè)試裝置(測(cè)試精度≥0.1 N)、高聚物愈合設(shè)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(shè)備(注漿壓力值最高可達(dá)10 MPa)；(2)成功研發(fā)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(qiáng)度值大于5 MPa，固化時(shí)間值控制可控(15 s～30 min)，構(gòu)建了水分在高聚物固結(jié)體中的擴(kuò)散模型，揭示了高聚物在涌水隧道注漿過(guò)程中的堵水加固機(jī)理；(3)從注漿、技術(shù)設(shè)計(jì)、施工準(zhǔn)備、注漿效果檢驗(yàn)等角度出發(fā)，形成集隧道病害檢測(cè)、注漿設(shè)計(jì)、涌水量計(jì)算、施工一體化的涌水隧道病害快速修復(fù)關(guān)鍵技術(shù)。

3 研究成果分析

3.1 加固注漿技術(shù)

注漿加固是目前解決巖溶隧道的突水涌水災(zāi)害最有效方法之一，注漿加固通過(guò)漿液材料的封堵、加固作用實(shí)現(xiàn)堵水加固效果，達(dá)到隧道圍巖條件的改善，注漿技術(shù)是涉及多種學(xué)科綜合性學(xué)科，注漿材料在注漿加固技術(shù)中起關(guān)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(lái)由于其所具有優(yōu)越材料特性而受關(guān)注。研究分析高聚物漿液的擴(kuò)散機(jī)理，試驗(yàn)研究高聚物漿液材料的力學(xué)性能，通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)漿液材料加固效果進(jìn)行分析，結(jié)合隧道工程中的應(yīng)用[2]，得出如下結(jié)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(guī)律，并建立漿液滲流模型，推導(dǎo)出漿液材料所需注漿量公式；建立以高聚物復(fù)合材料在動(dòng)水條件下擴(kuò)散模型，推導(dǎo)出高聚物復(fù)合材料在動(dòng)水條件下擴(kuò)散距離公式[3]。(2)試驗(yàn)分析了高聚物漿液材料的力學(xué)性能，包括極限抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)、極限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、極限抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)，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(yàn)條件下最佳摻量比[4]。(3)建立數(shù)值模型，通過(guò)FLAC3D軟件分析了隧道開挖后，對(duì)圍巖破碎位置進(jìn)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(yīng)力場(chǎng)與位移場(chǎng)變化情況[5]。(4)結(jié)合山西隧道注漿堵水加固工程，將關(guān)鍵孔的注漿方案應(yīng)用于隧道工程施工中，對(duì)于不同類型不同位置的突水災(zāi)害制定不同的技術(shù)方案；對(duì)于高聚物漿液可注性問(wèn)題，提出新型漿液制備系統(tǒng)；通過(guò)用涌水量監(jiān)測(cè)、檢查孔法、圍巖變形監(jiān)測(cè)分析漿液注漿效果[6]。

3.3 應(yīng)用意義分析

此項(xiàng)成果掌握了復(fù)雜滲流應(yīng)力耦合加載條件下軟巖時(shí)效變形規(guī)律和滲透演化規(guī)律，揭示了軟巖滲流-應(yīng)力耦合作用下時(shí)效變形破壞機(jī)理以及滲流力學(xué)模型與數(shù)值計(jì)算方法；建立了軟巖滲流-應(yīng)力-損傷耦合作用下非線性統(tǒng)一黏彈-塑性時(shí)效變形理論體系，實(shí)現(xiàn)了工程結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件的二次開發(fā)和應(yīng)用；提出了基于長(zhǎng)期強(qiáng)度參數(shù)的長(zhǎng)期穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算方法和評(píng)判準(zhǔn)則，搭建了大型巖石工程結(jié)構(gòu)-滲流-應(yīng)力-損傷-流變多因素多工況多模塊協(xié)同作用分析計(jì)算平臺(tái)，形成了水滲條件下公路軟巖隧道工程的長(zhǎng)期穩(wěn)定性評(píng)價(jià)體系。研究成果已成功應(yīng)用于山西省多項(xiàng)公路隧道工程，為水滲條件下隧道圍巖結(jié)構(gòu)、支護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供技術(shù)保障。研究成果豐富和發(fā)展了隧道工程長(zhǎng)期穩(wěn)定性分析方法，在公路隧道工程全生命周期的安全運(yùn)營(yíng)方面有重要的指導(dǎo)作用，研究成果已在相關(guān)公路隧道工程中得到應(yīng)用，取得了顯著社會(huì)效益、經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益，并具有廣闊的推廣應(yīng)用前景。

4 結(jié)束語(yǔ)

研究成果已在山西省臨汾至長(zhǎng)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(huán)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(huán)高速公路虎山特長(zhǎng)隧道等工程中進(jìn)行了應(yīng)用，采用該研究成果，根據(jù)隧道軟弱圍巖的長(zhǎng)期力學(xué)性能指標(biāo)，尤其對(duì)長(zhǎng)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(huán)高速公路虎山特長(zhǎng)隧道涌水潛在部位進(jìn)行了及時(shí)加固，累計(jì)產(chǎn)生約3 000萬(wàn)元經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)，消除了潛在的安全風(fēng)險(xiǎn)和隱患；為富水區(qū)軟弱圍巖隧道的長(zhǎng)期穩(wěn)定性能評(píng)價(jià)提供了技術(shù)支撐，取得了良好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。此項(xiàng)技術(shù)2021年經(jīng)過(guò)山西省交通運(yùn)輸廳組織有關(guān)專家對(duì)該項(xiàng)目成果進(jìn)行評(píng)審，認(rèn)為成果總體達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。研究成果的應(yīng)用，一定程度上推動(dòng)了山西省乃至我國(guó)涌水隧道高聚物注漿堵水加固新材料的發(fā)展，加速了涌水隧道建設(shè)、養(yǎng)護(hù)與運(yùn)營(yíng)技術(shù)的進(jìn)步。