改性復(fù)合注漿材料的制備及精準(zhǔn)注漿加固測量試驗

王楠　周鑫　郭達(dá)奇　劉丹　李海峰

摘 要：注漿加固是解決電力工程結(jié)構(gòu)不穩(wěn)最常用的一種方法，但電力工程具有較高的隱蔽性和復(fù)雜性，針對隱蔽工程中注漿加固的精準(zhǔn)性的問題，提出一種實時監(jiān)測的雙液注漿加固工程模型試驗。首先設(shè)計并制作了雙液注漿模型裝置，以TDS-630數(shù)據(jù)采集儀為主要設(shè)備，對裝置上布置的測試元件參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測和分析。研究結(jié)果表明，漿液在模型內(nèi)部的擴散模式為非均勻擴散，在注漿10 min時，最大溫度值和最大壓力值分別為96.5 ℃和8.4 MPa，在注漿15 min時，模型中部位置出現(xiàn)最大應(yīng)力值95.8 MPa。

關(guān)鍵詞：改性聚氨酯；模型試驗；雙液注漿；TDS-630數(shù)據(jù)采集

中圖分類號：TQ530 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1001-5922（2023）06-0048-04

Preparation of double slurry grouting material and precise reinforcement measurement test in concealed works

WANG Nan，ZHOU Xin，GUO Daqi，LIU Dan，LI Haifeng

（State Grid Beijing Construction Consulting Company，Beijing 100164，China）

Abstract：Grouting reinforcement is the most commonly used method to address the instability of coal mining structures.However，coal mining projects are characterized by high concealment and complexity.To address the precision issue in grouting reinforcement in hidden engineering，a real-time monitoring dual liquid grouting reinforcement coal body model test is proposed.Firstly，a double liquid grouting model device was designed and manufactured.Taking tds-630 data acquisition instrument as the main equipment，the parameters of the test elements arranged on the device were monitored and analyzed.The results showed that the diffusion mode of slurry in the model was non-uniform diffusion.When grouting for 10 min，the maximum temperature value and maximum pressure value were 96.5 ℃ and 8.4 MPa respectively.When grouting for 15 min，the maximum stress value in the middle of the model was 95.8 MPa.

Key words：modified polyurethane；model test；double liquid grouting；Tds-630 data acquisition

受我國地質(zhì)形貌的影響，在電力工程建設(shè)過程中，可能出現(xiàn)頂板變形等結(jié)構(gòu)不穩(wěn)的問題，給電力工程帶來極大的安全隱患。注漿加固是解決電力工程結(jié)構(gòu)不穩(wěn)最常用的一種方法，傳統(tǒng)注漿方法大部分建立在各種假設(shè)依據(jù)上，難以準(zhǔn)確還原實際現(xiàn)場注漿工況，注漿結(jié)果往往不盡人意。尋找一種高效精準(zhǔn)的注漿量計量方法是目前較為重要的研究課題。對此，國內(nèi)部分學(xué)者也進(jìn)行了很多研究，如設(shè)計了一種裂隙巖體室內(nèi)模擬注漿加固試驗系統(tǒng)，采用“邊注邊抽”的方法對注漿效果進(jìn)行提升［1］。研究了注漿材料的加固效果和作用機制，結(jié)果證明了水泥材料在低法向應(yīng)力水平下效果較為明顯［2］。以上學(xué)者的研究為注漿加固技術(shù)提供了各方面的參考，但始終沒有解決難以準(zhǔn)確還原實際現(xiàn)場注漿工況的問題?；诖耍芯吭O(shè)計并制作了雙液注漿模型裝置，通過雙液注漿加固試驗對現(xiàn)場注漿情況進(jìn)行模擬，為注漿加固技術(shù)在隱蔽工程的應(yīng)用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

本試驗主要材料：多苯酚多亞甲基多異氰酸酯（PAPI）（CP），廣州遠(yuǎn)達(dá)新材料有限公司；乙酸（CP），山東聞韶化工有限公司；鄰苯二甲酸二丁酯（DBP）（CP），濟南普萊華化工有限公司；二甲基環(huán)己胺（CP），山東百耀化工有限公司。

本試驗主要設(shè)備：TDS-630數(shù)據(jù)采集儀，廣州歐美大地儀器設(shè)備有限公司；OZBQ24/10礦用氣動雙液注漿泵，中煤（煙臺）智能制造科技有限公司。

1.2 注漿加固過程

注漿加固試驗是在一定動力作用下，在被注體的孔隙裂縫中填充漿體，排出多余空氣和水分，漿液在孔隙縫隙中固結(jié)，對被注體進(jìn)行加固。注漿加固主要分為4個階段，分別為充填、滲透、壓密、劈裂［3］。

（1）對注漿材料施加壓力，注漿材料進(jìn)入被注體后，從注漿管附近朝周圍和后方延續(xù)進(jìn)行填充；

（2）被注體填充規(guī)律為先填充大裂縫，后填充小孔隙和裂縫。在填充裂縫時，需要對流動阻力進(jìn)行克服，流量減少，待壓力和流量相同，到達(dá)滲透階段；

（3）漿液反應(yīng)固結(jié)后有漿泡生成，受注漿壓力的影響慢慢進(jìn)行擴展，壓力增加，壓密被注體；

（4）當(dāng)注漿壓力達(dá)到一定值，被注體出現(xiàn)剪切裂縫，漿液隨劈裂面到達(dá)被注體中，形成加固網(wǎng)絡(luò)與骨架，進(jìn)而對被注體進(jìn)行有效加固。

1.3 試驗準(zhǔn)備

1.3.1 雙液注漿材料的配制

（1）將1 g乙酸、120 g DBP和1 g N，N-二甲基環(huán)己胺混合均勻。然后加入350 g PAPI，攪拌均勻，反應(yīng)一段時間，得到聚氨酯；

（2）將相同體積的聚氨酯和水玻璃混合攪拌均勻，得到聚氨酯/水玻璃雙液注漿材料［4］。

1.3.2 模型設(shè)計的及裝配

選擇長為1 800 mm，直徑為200 mm的薄壁圓筒為模型裝置。在試驗進(jìn)行時，模型受注漿壓力的作用可能會出現(xiàn)變形，在制作模型裝置時需要提前計算模型壁厚。

模型壁厚（δ）表達(dá)式為［5］：

式中：S為安全系數(shù)；σ為模型抗拉強度；P為模型內(nèi)部壓力；為圓筒外徑。

設(shè)定注漿壓力為4 MPa，則安全系數(shù)為8。模型裝置材料選擇Q235鋼，抗拉強度為400 MPa，通過計算得到模型壁厚為8 mm。

注漿過程中無法對模型內(nèi)部情況進(jìn)行了解，因此需要在模型內(nèi)外表面布置測試元件，對注漿效果進(jìn)行實時監(jiān)測，測試設(shè)備和注漿設(shè)備參數(shù)［6］：TDS-630數(shù)據(jù)采集儀：應(yīng)變測量分辨率為0.1×10-6;A/D轉(zhuǎn)換器，測量數(shù)值為0.04 s／通道。OZBQ24/10礦用氣動雙液注漿泵：最大流量30 L/min，最大壓力15 MPa，耗氣量0.8 m3/min。

1.3.3 被注材料

本研究被注介質(zhì)泥漿，為達(dá)到理想的試驗結(jié)果，選擇粒徑約8 mm的煤進(jìn)行裝填，在裝填的過程中，沒300 mm的裝填數(shù)量為6.9 kg，使裝填密度和裝填總質(zhì)量分別為41.1 kg和0.75 g/cm3。按照水0.38∶水泥1∶砂1.11∶石子2.72的比例混合制作C30混凝土封端，確保注漿密封性和壓力［7］。

1.4 模型試驗步驟

（1）提前進(jìn)行抽水測試，打開注漿泵空抽幾秒，測試機器性能，避免雜質(zhì)影響測試結(jié)果［8］。在2個裝水桶中同時放入抽水管，并用手固定水管，以注漿泵特征曲線為依據(jù)對壓力值進(jìn)行調(diào)節(jié)，10 s后將注漿泵關(guān)閉，通過桶內(nèi)余量確定抽水管抽漿比例是否為1∶1;

（2）抽水測試結(jié)束后，連接注漿泵出水管和注漿管，并用卡扣進(jìn)行固定。在TDS-630測試通道上連接測點連接線，通過設(shè)置參數(shù)對模型內(nèi)部情況進(jìn)行實時監(jiān)測;

（3）試驗過程為，將漿閥門打開，在漿料桶中放入雙管，打開TDS-630開始對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。雙液注漿泵開始工作后，水玻璃和聚氨酯以相同體積吸出，進(jìn)入混合裝置充分混合，注入至模型中。觀察模型端部出漿龍頭和彎管壓力表變化，待漿液從出漿口流出，即刻將出漿口閥門關(guān)閉，待彎管壓力表指針指向4 MPa時，即可停止注漿，拆除注漿泵并立刻清洗。模型在該時刻狀態(tài)為密封加壓，待模型內(nèi)部溫度降至室溫，停止采集數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，模型試驗示意見圖2。

2 結(jié)果與討論

2.1 溫度測試結(jié)果

用TDS-630對模型內(nèi)外布置的熱電偶、應(yīng)變片、壓力傳感器等數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并對結(jié)果進(jìn)行分析。圖1、圖2分別表示左側(cè)和右側(cè)測點溫度-時間曲線。結(jié)合圖1、圖2可知，在剛開始注漿的時候，測點溫度快速增加至最高點，然后慢慢的降低，當(dāng)注漿時間達(dá)到10 min，在環(huán)境溫度為14.3??? ℃的條件下，4號點位的溫度達(dá)到最高點為96.5 ℃。達(dá)到聚氨酯和水玻璃的最高反應(yīng)溫度，說明在該時段聚氨酯和水玻璃已經(jīng)完全混合了，混合后漿液與被注材料互相固結(jié)，形成一個整體，溫度逐漸下降，直至到達(dá)溫度恒值［9］。曲線證明了模型內(nèi)部漿液固化正常。由圖3可知，多數(shù)測點溫度峰值為10 min，只有少部分測點溫度峰值出現(xiàn)在其他時間點，且與注入端距離越大，溫度更低，這證明漿液在模型內(nèi)的擴散方法為非均勻擴散。

2.2 壓力測試結(jié)果

壓力傳感器的測定值為壓力值，在進(jìn)行注漿試驗之前需要提前標(biāo)定傳感器受力面積，對注漿壓力進(jìn)行計算并繪制成曲線圖。圖4為模型內(nèi)部壓力-時間曲線圖，由圖4可知，模型內(nèi)部壓力變化與溫度變化規(guī)律相似度較高，以注漿10 min為分界線，10 min前內(nèi)部壓力持續(xù)上升，注漿時間達(dá)到10 min時，模型內(nèi)部1號點位壓力值約為8.4 MPa，然后壓力慢慢降低，直至達(dá)到壓力恒定值。由圖5可知，注漿口壓力值最大，模型內(nèi)部和尾部的壓力相對較小，且壓力最大值出現(xiàn)的時間與溫度最大值出現(xiàn)的時間相差不大，證明漿液在剛注入模型時反應(yīng)最劇烈，在漿液反應(yīng)的過程中，模型內(nèi)部反應(yīng)溫度不穩(wěn)定，較高溫度對壓力產(chǎn)生印象，因此曲線中間會發(fā)生一些改變。

2.3 應(yīng)變測試結(jié)果

圖6為模型內(nèi)部應(yīng)力-時間曲線圖; 圖7為應(yīng)變片部分時間段測點應(yīng)力。

通過圖6對鋼管內(nèi)部壓力峰值進(jìn)行計算，結(jié)算結(jié)果為7.7 MPa，介于壓力傳感器測點測出的壓力極值之間，證明與應(yīng)變片測試結(jié)果與壓力傳感器測試結(jié)果差別不大。從圖7可以看出，在注漿時間為15 min前，應(yīng)力表現(xiàn)出急速上升的趨勢，達(dá)到的峰值后開始緩慢下降，直至達(dá)到應(yīng)變穩(wěn)定值。這就證明模型內(nèi)部，剛注漿時，漿液反應(yīng)較為劇烈，溫度升高，內(nèi)部產(chǎn)生膨脹，對模型造成壓力。同時，漿液反應(yīng)會產(chǎn)生氣體，氣體也會增加模型內(nèi)部壓力，在兩種壓力共同作用下，內(nèi)部壓力達(dá)到一定值，裝置表面有應(yīng)力產(chǎn)生［10］。此時，在模型中部的2號點位產(chǎn)生最大應(yīng)力值95.8 MPa，這是因為漿液在模型內(nèi)部發(fā)生劇烈反應(yīng)而發(fā)泡膨脹，在邊界效應(yīng)的作用下，漿液反應(yīng)生成的氣體有小部分朝模型中部流去，因此在模型中部出現(xiàn)應(yīng)力峰值。

3 結(jié)語

本研究設(shè)計并制作了雙液注漿模型裝置，進(jìn)行了雙液注漿加固工程模型試驗。通過TDS-630對模型上安裝的測試元件數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，分析了模型內(nèi)部溫度、壓力和應(yīng)變等參數(shù)的變化。

（1）選擇泥漿為被注材料，對現(xiàn)場注漿情況進(jìn)行模擬，通過TDS-630數(shù)據(jù)采集儀對注漿參數(shù)進(jìn)行記錄，對注漿過程中模型內(nèi)部變化進(jìn)行實時監(jiān)控。雙液注漿模型裝置實現(xiàn)了實際現(xiàn)場注漿狀況的模擬；

（2）在注漿10 min時，模型內(nèi)部4號點位的溫度達(dá)到最高值96.5 ℃，然后溫度開始慢慢降低。多數(shù)測點溫度峰值在10 min時出現(xiàn)，小部分測點溫度峰值在其他時間點出現(xiàn)，且接近模型尾部，溫度越低，證明漿液的擴散模式為非均勻擴散；

（3）壓力-時間曲線變化趨勢接近于溫度-時間曲線，在注漿時間為10 min時，1號點位壓力達(dá)到最高值8.4 MPa，然后壓力開始慢慢降低。壓力最大值在注入端附近出現(xiàn)，且出現(xiàn)時間與溫度最大值出現(xiàn)的時間基本一致，說明漿液在剛注入模型時反應(yīng)最為劇烈；

（4）對模型表面應(yīng)變值進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換壓力值與壓力傳感器測試數(shù)值基本相符。當(dāng)注漿時間達(dá)到15 min時，應(yīng)力急速上升達(dá)到峰值后開始下降，這證明了在剛開始注漿時，內(nèi)部漿液劇烈反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)物增大了模型內(nèi)部壓力，使裝置表面應(yīng)力產(chǎn)生變化。在注漿15 min，模型中部位置的2號測點出現(xiàn)最大應(yīng)力值95.8 MPa。

【參考文獻(xiàn)】

［1］張培森，李騰輝，趙成業(yè)，等.裂隙巖體室內(nèi)模擬注漿加固試驗系統(tǒng)設(shè)計及應(yīng)用［J］.煤炭工程，2021，53（10）：122-125.

［2］盧海峰，朱晨東，劉泉聲.不同注漿材料作用下結(jié)構(gòu)面剪切力學(xué)特性研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2021，40（9）：1803-1811.

［3］潘銳，程樺，王雷，等.深部巷道錨注支護(hù)效果及組合式高強錨注控制技術(shù)研究［J］.采礦與安全工程學(xué)報，2020，37（3）：461-472.

［4］高陽，董威，曹甲甲，等.長距離小間距管廊施工對既有區(qū)間盾構(gòu)隧道的影響［J］.隧道與地下工程災(zāi)害防治，2021，3（2）：77-85.

［5］查麗娟，馬智永.考慮水泥-水玻璃雙液漿黏度時空效應(yīng)的隧道預(yù)注漿研究［J］.西安建筑科技大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2021，53（4）：594-601.

［6］許昌毓，韓立軍，田茂霖，等.耦合注漿加固機理及圍巖力學(xué)參數(shù)位移反分析［J］.煤礦安全，2020，51（11）：155-160.

[7］蔡順枝.隧道加固用聚氨酯復(fù)合注漿材料制備及性能試驗分析[J].粘接，2023，50（3）：114-117.

［8］劉健美，梁粵華，易詩軒.富水復(fù)雜地層中豎井深基坑開挖導(dǎo)致土體沉降原因分析與處治［J］.施工技術(shù)，2020，49（16）：86-91.

［9］林元俊，韓立軍.軟巖巷道注漿擴散及松動圈加固數(shù)值模擬［J］.煤炭技術(shù)，2020，39（8）：16-19.

［10］秦鵬飛.地下工程注漿技術(shù)研究新進(jìn)展［J］.現(xiàn)代隧道技術(shù)，2020，57（2）：55-60.

收稿日期：2022-08-10；修回日期：2023-04-15

作者簡介：王 楠（1990-），男，工程師，碩士，研究方向：電力工程技術(shù)管理；E-mail：WangYangU66@126.com

引文格式：王 楠，周 鑫，郭達(dá)奇，等.改性復(fù)合注漿材料的制備及精準(zhǔn)注漿加固測量試驗[J].粘接，2023，50（6）：48-51.