李剑超 卢超波 姜洪亮 杨庭伟 Chu Viet Thuc

摘要：注浆是隧道工程裂隙岩體加固的主要手段之一，为对其浆液迁移扩散机制进行研究，文章通过自研发的透明“Y”型二维裂隙试验系统进行注浆浆液的物理扩散试验。结果表明：裂隙张开度组合对裂隙注浆的扩散充填过程起重要的影响作用，浆液在不同裂隙张开度组合的条件下出现了不同的扩散物理特征。

关键词：隧道裂隙岩体;浆液扩散机理;“Y”型二维裂隙

文献标识码：U457+.2-A-20-063-3

0 引言

注浆作为隧道工程裂隙岩体的主要加固手段，广泛应用于堵水、提高围岩强度以及增强围岩抗变形工程中[1-2]。大多学者认为浆液以渗透为主，渗透注浆是渗流的延伸[3-4]，岩体注浆是浆液在裂隙中的流动，渗流是水在裂隙中流动，将浆液等同于水流动考虑，浆液的流动符合裂隙水力学公式，将渗流理论直接引入注浆中。郝哲等[5]认为裂隙注浆与渗流不同，渗流处理的是已建立的稳定流场，而注浆本身却是流场的建立过程，二者类似而不尽相同。HSSLER等[6-7]用圆管网络代替裂隙面，将2D辐射流简化为1D直线流，给出了浆液的运动方程。周维垣等[8]利用自发研制的平板型，通过注浆试验，建立了牛顿流体在水平光滑裂隙面内的扩散方程，得出了扩散半径与注浆压力、浆液黏度及注浆时间之间的关系。

目前，裂隙岩体渗透注浆理论都有着各自的假设条件和适用范围，但均具有很大的局限性。部分模型是基于连续介质条件下得出的，而对离散条件下得出的模型仅给出了单个裂隙的使用范围或是将裂隙结构笼统杂糅在一起，对裂隙岩体的普适性较差，基于裂隙网络的更具普适性的扩散迁移模型有待建立。为研究隧道裂隙岩体注浆工程中水泥浆液的扩散机理，通过自研发的“Y”型二维裂隙试验系统进行注浆浆液的物理扩散过程试验，以期揭示隧道裂隙岩体注浆工程中水泥浆液在裂隙中的动态扩散物理规律，并为复杂裂隙岩体的注浆扩散机制研究提供试验平台及新思路。

1 试验模型介绍

由于在隧道工程实际注浆中岩体的非可视性，为了能观察水泥浆液在裂隙岩体中的扩散进程，采用如下页图1所示的“Y”型二维裂隙试验系统进行室内注浆浆液扩散试验研

隧道裂隙岩体注浆浆液扩散机理试验研究/李剑超，卢超波，姜洪亮，杨庭伟，Chu Viet Thuc

究，“Y”型裂隙由1块等边三角形和2块直角梯形板采用固定螺栓固定在长方形表面板构成，3条裂隙AB、BC、BD的长分别为LAB=300 mm、LBC=613 mm、LBD=613 mm;裂隙的单位宽度w均为25 mm，各裂隙张开度在1～3 mm范围内均可调节，“Y”型裂隙直立放置，以避免流体在重力作用下在裂隙的单位宽度上产生影响。

由于室内试验平台构造的裂隙长度限制，加压情况下浆液过快扩散导致试验“瞬间”结束，试验采用定高差加压的方式进行，储浆罐出浆口与裂隙AB起始点A的垂直高差为1 610 mm，与裂隙BC、BD的终点C、D垂直高差为710 mm。

为模拟现场注浆启动模式，采用手捏导浆软管防止浆液流出，待储浆罐挂设到位，导浆管摆动相对停止后，松开导浆管，浆液从出浆口流出，经导浆管流至亚克力“Y”型裂隙平台的进浆口，通过缓冲腔进入AB裂隙，试验结束的标准为浆液一端到达BC、BD的任一端点C或D。

2 “Y”型裂隙浆液扩散试验

为研究隧道裂隙岩体注浆浆液的扩散机制，室内试验调节“Y”型裂隙各宽度（见图2），由于系统加工精度的限制，平台中预构造的裂隙在固定过程中可能存在轻微的滑动导致裂隙的宽度发生微小变化。注浆扩散试验的具体参数详见表1。实验采用普通的硅酸盐水泥，浆液的水灰比均为1.0∶1.0。

3 试验结果

浆液在1.5 s后发生的扩散距离分离主要是试验系统误差造成的。由于裂隙较小，均在1 mm左右，即使是发生0.1 mm的误差，也会存在造成裂隙宽度发生轻微变化的可能，因此产生了试验误差。通过裂隙宽度仪测量发现，“Y”型三条裂隙AB、BC、BD在各点的实际值为a=1.05～1.12 mm，b=1.01～1.08 mm，c=1.05～1.12 mm，试验系统存在一定误差。FA1在1.2 s后期浆液在扩散速率方面的差异主要为裂隙宽度造成。

对于FA1方案，结合图3的扩散距离进程图，可知在“Y”型裂隙系统中，AB阶段扩散速率随时间的增加呈降低趋势，在“Y”型裂隙的扩散进程亦是如此，这与实际注浆规律相吻合。见图4。

“Y”型三条裂隙AB、BC、BD在各点的实际值分别为a=1.02～1.10 mm，b=2.03～2.11 mm，c=1.03～1.09 mm。在FA2裂隙张开度组合下，注浆压差不变，浆液在裂隙分叉后的BC、BD扩散充填前期阶段，张开度大的裂隙中扩散充填速率比张开度小的裂隙中扩散充填速率大，浆液扩散充填BC末端后，BD裂隙仍未充满。浆液在裂隙分叉后的BC、BD扩散充填后期阶段，其在裂隙张开度大的裂隙中扩散充填速率比在裂隙张开度小的裂隙中充填扩散速率小，笔者认为主要是浆液充填导致的压力降低所致，可以认为是压差减小导致的实验误差。但是，最终浆液在裂隙张开度大的裂隙中先扩散充填完毕，流体优势流的特点在裂隙注浆中也存在。因此在隧道裂隙岩体注浆加固中，对存在较大差异张开度的裂隙，要尽量缩小注浆孔间距或采取多步钻孔注浆工序，避免大张开度裂隙冒浆后出现小张开度裂隙无法有效扩散充填浆液，影响隧道注浆加固效果。见图5、图6。

浆液在1.5 s后发生的扩散距离分离主要是试验系统误差造成。“Y”型三条裂隙AB、BC、BD在各点的张开实际值分别为a=0.53～0.6 mm，b=1.02～1.07 mm，c=1.01～1.09 mm。在FA3裂隙张开度组合下，注浆压差不变，浆液扩散到BC、BD裂隙一定距离后停止，后期随着时间的增加不再扩散，充分证明了颗粒浆液细微裂隙可注性问题的客观存在，在实验过程中，通过提升浆液储存罐的高度后也未继续发生扩散。这在实际隧道裂隙岩体注浆中，对微小张开度裂隙应进行浆液可注性评价，避免注浆浆液无法有效迁移扩散，影响注浆加固范围或注浆失效。见图7、图8。

4 结语

通過采用自研发的透明“Y”型二维裂隙试验系统对隧道裂隙岩体注浆浆液的物理扩散机理进行研究，主要研究结果如下：

（1）在裂隙系统中，浆液扩散的距离在定压条件下扩散速率随时间呈降低趋势，对实际隧道工程注浆，为使得隧道加固、堵水取得预期效果，需对裂隙均匀性进行调查，合理布置注浆孔，以提高注浆效率。

（2）注浆在裂隙分叉后的BC、BD扩散充填前期阶段，张开度大的裂隙中扩散充填速率比张开度小的裂隙中扩散充填速率大，浆液扩散充填BC末端后，BD裂隙仍未充满，浆液在裂隙分叉后的BC、BD扩散充填后期阶段，其在裂隙张开度大的裂隙中的扩散充填速率比在裂隙张开度小的裂隙中的充填扩散速率小、实际隧道工程钻孔注浆过程中宜充分考虑通过加密钻孔进行注浆，提高注浆扩散均匀性，不能盲目采用高压注浆提高注浆扩散效率。

（3）注浆压差不变，在较小裂隙中，浆液扩散到BC、BD裂隙一定距离后停止，后期随着时间的增加不再扩散，充分证明了颗粒浆液细微裂隙可注性问题的客观存在，通过提升浆液储存罐的高度后也未继续发生扩散。因此，在实际隧道裂隙岩体注浆加固、堵水过程中，浆液存在可注浆性的问题，或者在微开度部位发生浆液堵塞，堵塞可能无法通过提高注浆压力解决浆液扩散范围，降低了预计的隧道裂隙岩体注浆加固、堵水效果。

参考文献

[1]刘长武，陆士良.水泥注浆加固对工程岩体的作用与影响[J].中国矿业大学学报，2000，29（5）：454-458.

[2]韩立军，王延宁，张后全，等.高压涌水作用破碎围岩巷道综合施工技术[J].采矿与安全工程学报，2008，25（4）：379-383.

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[4]杨米加，贺永年，陈国锋.水泥注浆渗透机理初探[J].力学与实践，1997，19（5）：45-47.

[5]郝 哲，李 木，赵 营.岩体裂隙注浆与渗流的关系评述[J].沈阳大学学报，2007，19（4）：18-22.

[6]HSSLER L.，STILLE H.，HKANSSON U..Simulation of grouting in jointed rock[C].Proc 6th International Conference on Rock Mechanics，Montreal，1987.

[7]HSSLER L.，HKANSSON U.，STILLE H..Computer-simulated flow of grouts in jointed rock[J].Tunnelling & UnderGround Space Technology，1992，7（4）：441-446.

[8]周维垣，杨若琼.二滩拱坝注浆电镜扫描结果及分析[A].熊厚金编.国际岩土灌浆及锚固新进展[C].北京：中国建筑工业出版社，1997.

收稿日期：2021-03-18

基金项目：广西自然科学青年基金项目（编号：2015GXNSFBA139224）

作者简介：

李剑超（1985—），工程师，主要从事公路工程建设项目管理与岩土工程监测工作。