赵国梁，申铁军

(1.山西路桥集团晋南项目管理有限公司，山西 太原 030006；2.山西路桥建设集团有限公司，山西 太原 030006)

0 引 言

山西省80%的国土面积为山区，地质构造复杂，地貌类型多样，地理环境独特。近年来，随着隧道工程技术难度越来越艰巨，公路隧道病害，特别是软岩隧道、涌水病害严重影响了公路隧道的建设、养护与运营。隧道涌水具有量大、势猛、危害性极大等显著特点。鉴于涌水隧道处治时存在注浆材料用量大、注浆封堵不完全、建设施工难度大、耗时长等问题，亟待开发高性能的涌水隧道高聚物注浆堵水加固材料、配套设备及快速修复技术，并将其应用于涌水隧道的快速修复。公路隧道常通过岩溶、破碎带岩体、风化岩体等软岩地区，特别在地下水位作用下，隧道围岩力学性质更加复杂，严重影响公路隧道工程施工建设和长期安全运营的长期稳定性。为促进中部地区经济快速发展，强化和优化交通资源配置，保障山西等中部地区公路隧道施工建设和安全运营等全生命周期的长期稳定性问题，解决水渗条件下软弱围岩变形破坏机理所涉及的关键理论与技术，形成软岩隧道水渗作用下的围岩长期稳定性评价体系，将潜在的安全隐患消除于隧道施工方案设计阶段，已成为目前亟待解决的关键问题。研究成果可为软岩隧道工程渗流条件下全生命周期的安全运营和灾害防控提供科学依据和技术支撑。

1 研究方法及应用意义

(1)采用理论分析、室内试验、数值模拟相结合的方法，对水渗条件下软岩的时效力学特性进行了研究，建立了软岩隧道围岩力学特性的粘弹塑性流变模型，提出了基于长期安全系数的软岩隧道围岩长期稳定性预测及分析方法。主要揭示了水渗条件下软岩隧道围岩时效变形机理，并提出了基于长期强度参数的长期稳定性分析评价方法，建立了渗流-应力-损伤耦合的长期稳定性分析模拟平台，为软岩隧道在渗水条件下的短长期稳定性预测与灾害防治提供了新的解决方案。对于关键部位的围岩塑性区支护结构进行了优化设计，保证了隧道支护的结构在富水条件下安全；通过调整侧墙锚杆和局部增设仰拱衬砌结构，防止侧向和底部围岩拉应力区的开展，并对隧道运营期的监测和养护进行了指导，保证了隧道的安全运营，对隧道的长期运营具有指导作用。成果推广具有较大的工程应用价值和良好的经济、社会效益，应用前景广泛。

(2)软岩隧道水渗条件下时效变形破坏机理及长期稳定性评价研究，采用理论分析、室内试验、数值模拟相结合的方法，突破交叉学科前沿理论，揭示了软岩渗流-应力耦合作用下时效变形破坏机理，提出了适用于软岩渗流-应力-损伤耦合作用下非线性统一弹塑性-黏塑性时效本构模型和计算方法，提出了基于长期强度参数的长期稳定安全系数计算方法和评判准则，建立了水渗条件下公路软岩隧道工程的长期稳定性评价体系，为水渗条件下隧道围岩结构、支护优化设计，施工建设、长期安全运营提供技术保障，经济、社会效益显著。

(3)涌水隧道高聚物注浆堵水加固材料的研究，是系统研究涌水隧道注浆加固材料和注浆封堵技术的创新性成果。项目对于涌水隧道病害面临的突出问题，成功研发了一种高性能的适用于涌水隧道快速修复的高聚物注浆堵水加固材料，揭示了高聚物在涌水隧道注浆过程中的堵水加固机理；开发了一台具有自主知识产权的高聚物注浆堵水加固材料膨胀力测试装置、一台高聚物注浆堵水加固材料愈合设备、改造升级了一台高聚物注浆加固材料专用注浆设备；形成了基于高聚物注浆材料的涌水隧道快速修复关键技术；提升了涌水隧道注浆处治技术，保障了涌水隧道建设、养护、运营的安全性。

2 隧道高聚物注浆堵水加固材料研究分析

高聚物注浆堵水加固材料适用于隧道工程领域，具体涉及涌水隧道高聚物注浆堵水加固材料的制备及其应用。在隧道涌水病害治理方面取得了一系列的创新和突破，形成了集材料研发、设备开发与升级、快速修复为一体的成套技术。从材料组成、结构、加工、性能四个方面提出高聚物材料基因工程设计思路，运用蓖麻油/温轮胶/豆油(部分替代聚醚多羟基化合物)、脂肪族二异氰酸酯、PAPI、二丁醇、辛酸亚锡、三乙醇胺、丙酮、正戊烷等材料研发制备一种植物油基/生物多糖涌水隧道高聚物的注浆材料；采用分子模拟结合模型的试验揭示了高聚物注浆材料不透水聚合物网络结构机理；黄土、高聚物、岩石固结体封堵隧道涌水的高聚物网络结构封堵机理；通过辐射加热原理借助红外加热愈合具有Diels-Alder反应的高聚物注浆材料的裂缝和病害，快速实现高聚物注浆材料的功能恢复[1]。主要创新性如下：(1)开发了具有自主知识产权的高聚物膨胀力测试装置(测试精度≥0.1 N)、高聚物愈合设备(愈合深度值0～200 mm，愈合速率值5～10 mm/min)及高聚物注浆专用设备(注浆压力值最高可达10 MPa)；(2)成功研发了一种以豆油/蓖麻油/温轮胶部分替代聚醚多元醇的适用于不同工况的涌水隧道高聚物注浆堵水加固材料，其抗压强度值大于5 MPa，固化时间值控制可控(15 s～30 min)，构建了水分在高聚物固结体中的扩散模型，揭示了高聚物在涌水隧道注浆过程中的堵水加固机理；(3)从注浆、技术设计、施工准备、注浆效果检验等角度出发，形成集隧道病害检测、注浆设计、涌水量计算、施工一体化的涌水隧道病害快速修复关键技术。

3 研究成果分析

3.1 加固注浆技术

注浆加固是目前解决岩溶隧道的突水涌水灾害最有效方法之一，注浆加固通过浆液材料的封堵、加固作用实现堵水加固效果，达到隧道围岩条件的改善，注浆技术是涉及多种学科综合性学科，注浆材料在注浆加固技术中起关键的作用[1]。

3.2 高聚物浆液材料

高聚物浆液材料作为注浆堵水材料的一种，2020年以来由于其所具有优越材料特性而受关注。研究分析高聚物浆液的扩散机理，试验研究高聚物浆液材料的力学性能，通过数值模拟对浆液材料加固效果进行分析，结合隧道工程中的应用[2]，得出如下结论:(1)参考隧道裂隙水渗流的理论公式，研究浆液材料在裂隙中渗流规律，并建立浆液渗流模型，推导出浆液材料所需注浆量公式；建立以高聚物复合材料在动水条件下扩散模型，推导出高聚物复合材料在动水条件下扩散距离公式[3]。(2)试验分析了高聚物浆液材料的力学性能，包括极限抗拉强度试验、极限抗压强度试验、极限抗剪强度试验，分析了高聚物浆液在不同类型、不同掺量性能变化，得到试验条件下最佳掺量比[4]。(3)建立数值模型，通过FLAC3D软件分析了隧道开挖后，对围岩破碎位置进行注浆加固，研究了在不同工况下，即形成注浆圈分别在不同条件下应力场与位移场变化情况[5]。(4)结合山西隧道注浆堵水加固工程，将关键孔的注浆方案应用于隧道工程施工中，对于不同类型不同位置的突水灾害制定不同的技术方案；对于高聚物浆液可注性问题，提出新型浆液制备系统；通过用涌水量监测、检查孔法、围岩变形监测分析浆液注浆效果[6]。

3.3 应用意义分析

此项成果掌握了复杂渗流应力耦合加载条件下软岩时效变形规律和渗透演化规律，揭示了软岩渗流-应力耦合作用下时效变形破坏机理以及渗流力学模型与数值计算方法；建立了软岩渗流-应力-损伤耦合作用下非线性统一黏弹-塑性时效变形理论体系，实现了工程结构计算软件的二次开发和应用；提出了基于长期强度参数的长期稳定安全系数计算方法和评判准则，搭建了大型岩石工程结构-渗流-应力-损伤-流变多因素多工况多模块协同作用分析计算平台，形成了水渗条件下公路软岩隧道工程的长期稳定性评价体系。研究成果已成功应用于山西省多项公路隧道工程，为水渗条件下隧道围岩结构、支护优化设计提供技术保障。研究成果丰富和发展了隧道工程长期稳定性分析方法，在公路隧道工程全生命周期的安全运营方面有重要的指导作用，研究成果已在相关公路隧道工程中得到应用，取得了显著社会效益、经济效益、环境效益，并具有广阔的推广应用前景。

4 结束语

研究成果已在山西省临汾至长治高速公路盘秀山隧道、山西省榆社至和顺高速公路康家楼隧道、山西省吕梁环城高速公路梨树塔隧道、湖北省汉十高速公路梁家沟隧道、太原西北二环高速公路虎山特长隧道等工程中进行了应用，采用该研究成果，根据隧道软弱围岩的长期力学性能指标，尤其对长临高速公路盘秀山隧道、榆和高速公路康家楼隧道和太原西北二环高速公路虎山特长隧道涌水潜在部位进行了及时加固，累计产生约3 000万元经济效益，同时，消除了潜在的安全风险和隐患；为富水区软弱围岩隧道的长期稳定性能评价提供了技术支撑，取得了良好的社会经济效益。此项技术2021年经过山西省交通运输厅组织有关专家对该项目成果进行评审，认为成果总体达到国际先进水平。研究成果的应用，一定程度上推动了山西省乃至我国涌水隧道高聚物注浆堵水加固新材料的发展，加速了涌水隧道建设、养护与运营技术的进步。