基于P-Q-t特征的隧道注漿動態(tài)控制方法研究

鄧澤城 馬 素 孫傳玉 藍(lán)雄東

（1.江西省交通投資集團(tuán)有限責(zé)任公司，江西 南昌，330036；2.濟(jì)南市交通工程質(zhì)量與安全中心，山東 濟(jì)南 250061；3.山東大學(xué)，巖土與結(jié)構(gòu)工程研究中心，山東 濟(jì)南 250061；4.江西理工大學(xué)，土木與測繪工程學(xué)院，江西 贛州 341000）

0 引言

隧道工程建設(shè)遭遇巖溶、斷層等不良地質(zhì)條件時(shí)，往往會發(fā)生突水、涌泥、塌方等工程災(zāi)害[1]。隧道運(yùn)營期間，由于地層自身?xiàng)l件及長期地下水作用極易造成隧道結(jié)構(gòu)的破壞。工程實(shí)踐及理論研究表明，注漿手段能夠達(dá)到有效治理地下工程災(zāi)害的目的[2]。但由于地質(zhì)條件的復(fù)雜性及地下工程的隱蔽性，且漿液擴(kuò)散規(guī)律等注漿理論研究尚未完善，實(shí)際注漿治理過程中漿液擴(kuò)散具有明顯的不可控性。

注漿過程中，被注地層介質(zhì)及漿液性狀的動態(tài)變化直接影響注漿壓力與注漿流量的大小及變化規(guī)律[3-4]，注漿壓力P與注漿流量Q隨時(shí)間的變化規(guī)律是漿液在地層介質(zhì)中擴(kuò)散加固過程的直接體現(xiàn)，可通過此變化特征來定性指導(dǎo)實(shí)際注漿工程。此前，有部分學(xué)者對注漿流量和壓力的相關(guān)作用機(jī)制進(jìn)行了一定研究，如張民慶[5]等對注漿特征信息控制方法展開相關(guān)研究，但多為對注漿結(jié)束控制標(biāo)準(zhǔn)及注漿效果評價(jià)等方面的研究，鮮有利用注漿壓力與注漿流量之間的動態(tài)關(guān)系進(jìn)行注漿施工動態(tài)調(diào)節(jié)的研究。

本文進(jìn)行了基于注漿流量與注漿壓力等特征信息條件的注漿實(shí)時(shí)動態(tài)控制方法的研究，分析注漿過程中注漿壓力和注漿流量等特征信息參數(shù)的對應(yīng)特征關(guān)系（以下簡稱P-Q-t特征），對五種常見的復(fù)雜P-Q-t特征信息模型進(jìn)行了研究，并初步創(chuàng)建了P-Q-t特征數(shù)據(jù)庫，將“隱式”注漿擴(kuò)散過程及其加固機(jī)理與“顯式”P-Q-t特征信息模型聯(lián)系在一起，實(shí)現(xiàn)注漿擴(kuò)散“黑箱”問題的“可視化”，提出特征信息條件下實(shí)時(shí)動態(tài)注漿控制方法，具有良好的工程應(yīng)用價(jià)值。

1 注漿壓力與注漿流量變化特征分析

實(shí)際注漿工程中，大部分漿液都可認(rèn)為是牛頓流體，其注漿量與注漿壓力可表示為：

式中：q——單位時(shí)間內(nèi)的注漿流量；

R——被注地層孔隙半徑；

Δp——實(shí)時(shí)動態(tài)有效注漿壓力；

μ——漿液粘滯系數(shù)；

r——漿液擴(kuò)散半徑。

漿液擴(kuò)散過程中，被注地層物理力學(xué)性質(zhì)受多種因素綜合作用會不斷發(fā)生改變，而被注介質(zhì)力學(xué)性質(zhì)的改變會反作用于注漿擴(kuò)散效率。隨著漿液的不斷擴(kuò)散，被注土體孔隙率、土體強(qiáng)度等力學(xué)特性發(fā)生改變。因此，工程有效注漿壓力Δp并非注漿泵所提供的壓力P，而是隨被注地層環(huán)境等因素不斷改變的變化量，其影響因素關(guān)系表達(dá)為：

式中：a——孔隙率、滲透性、裂隙張開度等參數(shù)的函數(shù)關(guān)系；

b——漿液配比、粘度、密度等參數(shù)的函數(shù)關(guān)系；

P——注漿泵壓力；

t——時(shí)間變量。

結(jié)合上述分析易得，漿液流動性受漿液粘滯力的影響，單位時(shí)間注漿流量與注漿壓力存在明顯的相關(guān)性，當(dāng)其他條件保持一定的情況下，單位時(shí)間內(nèi)的注漿流量與注漿壓力成正比。然而，隨著注漿過程的不斷深入，注漿擴(kuò)散半徑不斷增加，漿液擴(kuò)散需要克服更大的粘滯力，同等壓力條件下的漿液注入效率減小。隨著被注地層的不斷加固，被注地層的物理力學(xué)性質(zhì)不斷改變，其有效空隙半徑在不斷變化，同樣影響著注漿流量與注漿壓力之間的關(guān)系。

2 常見復(fù)雜工況對應(yīng)的P-Q-t 特征及其調(diào)控措施

實(shí)際隧道注漿工程中被注地層具有不均勻性、各向異性等特點(diǎn)，且經(jīng)常會遇到斷層、巖溶、富水破碎地層等特殊不良地質(zhì)。因此，漿液擴(kuò)散中對應(yīng)的P-Q-t特征具有較大的復(fù)雜性，除典型單一擴(kuò)散形式及其組合形式外，還會出現(xiàn)多種特殊工程地質(zhì)條件對應(yīng)的非典型的PQ-t信息特征。

本文通過對湖北利萬高速齊岳山隧道、湖南龍永高速大壩隧道、江西吉蓮高速永蓮隧道及濟(jì)南玉函路隧道等多項(xiàng)實(shí)際注漿工程中近千個(gè)注漿孔實(shí)際注漿情況總結(jié)分析，提出了在實(shí)際注漿工程中五種常見的PQ-t特征信息模型及其對應(yīng)的特殊工況，并提出相對應(yīng)的實(shí)時(shí)處理措施，初步建立了注漿工程P-Q-t特征信息數(shù)據(jù)庫，見表1。實(shí)際注漿施工過程中，有可能遇到更為復(fù)雜的工程地質(zhì)情況，未能涉及的工況可類比上述五種常見P-Q-t特征類型的分析方法，指導(dǎo)注漿工程動態(tài)優(yōu)化調(diào)節(jié)。

表1 常見隧道注漿工程P-Q-t特征表

3 基于P-Q-t特征的隧道注漿動態(tài)控制方法

本文充分考慮被注地層介質(zhì)及漿液性質(zhì)的動態(tài)變化，提出基于P-Q-t特征的實(shí)時(shí)動態(tài)注漿控制方法。通過分析漿液擴(kuò)散過程中實(shí)時(shí)表征信息載體——注漿壓力和注漿流量時(shí)變特征，判斷被注地層介質(zhì)實(shí)時(shí)條件，結(jié)合P-Q-t特征數(shù)據(jù)庫和相關(guān)注漿機(jī)理，實(shí)時(shí)調(diào)整注漿施工參數(shù)（工藝、材料、設(shè)備、控制標(biāo)準(zhǔn)等），實(shí)現(xiàn)注漿工程的動態(tài)控制。

通過地質(zhì)雷達(dá)法（探測距離淺部圍巖）、激發(fā)極化法（探測距離約30～50m）、瞬變電磁法（探測距離約50～80m）等多種地球物理探測方法，并采取鉆孔取芯法對其探測結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證和補(bǔ)充，結(jié)合多元精細(xì)化探查方法綜合分析被注地層的工程及水文地質(zhì)條件，判斷該區(qū)域地質(zhì)特征。根據(jù)探測結(jié)果設(shè)計(jì)注漿方案，選擇合理的注漿材料、注漿工藝和注漿效果評價(jià)方法，基于漿液可注性驗(yàn)算及注漿孔設(shè)計(jì)方案，得出合理注漿參數(shù)。注漿施工過程中，利用三參數(shù)記錄儀全程記錄P-Q-t特征，當(dāng)順利達(dá)到注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，則該孔注漿結(jié)束；存在特殊地質(zhì)的情況下，如果注漿壓力或注漿總量無法滿足注漿結(jié)束的要求，那么就會出現(xiàn)無法達(dá)到注漿結(jié)束要求的情況。此時(shí)，應(yīng)結(jié)合注漿孔鉆孔巖性及水文地質(zhì)探查結(jié)果，對比P-Q-t特征數(shù)據(jù)庫，對該注漿區(qū)域地質(zhì)條件進(jìn)行分析，進(jìn)而對注漿材料及注漿參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，實(shí)現(xiàn)注漿動態(tài)調(diào)節(jié)，以達(dá)到更好的注漿效果。注漿完成后，結(jié)合多種物理探查手段檢驗(yàn)治理區(qū)域是否達(dá)到注漿加固效果。

4 結(jié)束語

綜上所述，本文利用牛頓流體流動性理論分析了注漿量和注漿壓力的變化特征，發(fā)現(xiàn)二者與被注地層及漿液的時(shí)變特性存在明顯的對應(yīng)關(guān)系。結(jié)合注漿工程典型工況，建立并分析了五種常見的復(fù)雜P-Q-t特征及其對應(yīng)工況，初步建立了注漿工程P-Q-t特征數(shù)據(jù)庫。結(jié)合多元精細(xì)化探查方法，綜合分析被注地層的工程及水文地質(zhì)條件，提出了基于P-Q-t特征的注漿動態(tài)控制方法。