非均质软弱围岩隧道注浆加固圈分布特性分析

非均质软弱围岩隧道注浆加固圈分布特性分析

王宇通

深圳地铁建设集团有限公司 广东深圳  518000

摘要：近年来，我国山岭隧道建设项目规模日渐扩大、数量日渐增多，呈现出良好的发展态势。但多数隧道工程都是在复杂的地质环境中修筑完成，这就对施工人员的技术水平提出了更高的要求。在隧道工程中，对软弱围岩地层的处理，一度是隧道工程施工的重点与难点。本文对非均质软弱围岩隧道注浆加固圈分布特性展开分析，以期为相关人员或工程提供参考。

关键词：非均质软弱围岩隧道；注浆加固圈；分布特性。

一、计算原理

本文以湖南洞头山隧道为研究对象，对注浆工程做出以下假设：

（一）在实际工程中，注浆段一般是指注浆孔底到孔口的这段距离，在处理注浆段时，如不计封闭段对注浆工程的影响，注浆会随着压力的作用，先填充完毕整个注浆孔，再逐渐向四周土体扩散。

（二）注浆孔全孔段的初始注浆压力具有一致性，均为设计注浆压力P，此处不计注浆泵到注浆孔的沿程注浆压力损失。

（三）在注浆的过程中，浆液不会产生任何变化。

由于这一数值模型具有高度的复杂性，计算难度大，因此这里只建立基本的二维平面数值模型做以讨论。在消除了边界效应以及尺寸效应的影响下

二、单根小导管注浆浆液扩散规律

（一）浆液扩散规律分析

在注浆过程中，浆液的扩散边界，一般是指浆液流速为0的地方，此时的注浆压力会小于浆液扩散的启动压力^[1]。目前，对于将浆液扩散压力作为判定浆液扩散范围的方法还未有定论，依据模型的计算结果，可先假设在围岩中浆液扩散压力大于0.1兆帕时，则可判定该处位于浆液的扩散范围。为获得注浆压力下注浆孔不同位置的浆液扩散距离，在注浆孔的孔口、孔中、孔底三个部位布置监测面，每位置布置2个，共6个，对不同时刻浆液的扩散距离展开监测

通过检测可知，在压力作用下，浆液会呈现出类似椭圆形的形状，向着周围岩内逐渐扩散，同时，浆液的具体扩散形态，也会在围岩参数的动态变化下而不断变化，呈现出一定的扩散过程。由此可看出浆液在非均质围岩内部呈现非对称性扩散形态，且在同一剖面上的浆液的扩散距离也并不一致，浆液会先在孔隙率大的优势作用下，向通道扩散，由此可见，孔隙率越大，浆液的扩散就越充足^[2]。故得出以下结论：在随机理论构建下的围岩地质模型中，围岩物性参数具有不均匀性，能够反映出浆液扩散的真实形态、范围。

对以上展开对比分析，可得：在注浆时间相同的情况下，浆液的分散范围与注浆压力成正比，在注浆时间较短（100秒）时，浆液会因为注浆压力小而出现扩散不充分的情况，而当注浆压力增大到1.0兆帕时，浆液的扩散范围又会呈现显著的增大趋势。结合检测可得：在注浆压力处在0.1至1.0兆帕之间时，随着注浆压力的增大，浆液的扩散能力得到增强，此时围岩的渗透性得到了一定的改善。在注浆压力大于1.0兆帕后，浆液的最大扩散半径，受到注浆压力的影响已经较不明显；当注浆时间处在0至100秒之内时，浆液在围岩内的扩散速率大，且受到注浆压力的影响明显，当注浆时间处在400秒至600秒之间时，浆液的扩散速率呈现出明显的降低趋势，即时间因素对浆液扩散的影响逐渐不明显。在注浆时间大于600秒后，在注浆时间延长的情况下，浆液的最大扩散范围逐渐稳定，此时延长注浆时间，已经无法对浆液扩散半径的扩大起到影响。

（二）注浆影响下围岩位移响应分析

在实际的注浆过程中，围岩一般会在注浆压力、浆液絮凝沉积的影响下，呈现出明显的位移响应，对注浆压力、注浆时间下围岩位移变化情况展开分析

通过分析可得，浆液在扩散时，会导致围岩出现抬升变形的情况，同时，不同位置处，围岩的位移变形情况也并不相同，但在本分析实验下，围岩位移整体较小。在相同的注浆时间内，注浆压力的增大会导致同一位置处围岩的位移变大，出现变形现象^[3]。比较以上图片又可得，在相同的注浆压力下，注浆时间的延长，会导致同一位置围岩的位移变大，且此种变化会随着注浆压力的增大而越发明显。综上所述，在实际的注浆过程中，为保证围岩不会出现变形的情况，注浆压力的增大，和注浆时间的延长，都会导致浆液扩散范围的扩大。而经过计算可以进一步得出，对于本文所述隧道工程，合理的注浆时间应当控制在400秒以内，而注浆压力应当控制在1兆帕以内，才能够保证最优化的注浆加固效果。

3. 小导管全断面注浆加固圈分布规律

为对小导管布置对注浆加固圈的形成产生的影响展开探讨，现建立不同小导管长度L和小导管设置角度S下的注浆扩散模型。

1. 小导管设置角度对注浆加固圈的影响

依据单根小导管的注浆扩散规律，现对注浆压力为1兆帕、注浆时间为400秒、小导管长度为3.5米的参数下的工程中，小导管设置角度对注浆加固圈的影响，在隧道顶部设置一根小导管，其余按照预设角度分别布设在其对应两侧，角度分别为10度、15度、20度、25度、30度、35度、40度，保证两侧布设范围不超过90度。

由此可知，小导管的设置角度对注浆加固圈的分布具有直接的影响，在小导管的设置角度从10度增大至30度时，注浆加固圈厚度逐渐缩小，即在这一设置角度下，浆液在围岩内部能够形成具有一定厚度的完整注浆加固圈，且随着小导管设置角度增大而逐渐缩小。在小导管设置角度大于30度时，浆液无法形成加固圈，由此可见，在实际的工程中，小导管的设置角度不应大于30度。

2. 小导管设置长度对注浆加固圈的影响

依据注浆扩散规律，对注浆压力在1兆帕、注浆时间为400秒、小导管设置长度为30度的施工参数下，小导管设置长度对注浆加固圈的影响展开分析。

下图为不同小导管设置长度下注浆加固圈的形态：

由图可知，小导管的设置长度对注浆加固圈的分布具有显著的影响作用，当小导管长度从0.5米逐渐增加至3.5米时，浆液从无法形成加固圈，逐渐变为能够形成具有一定厚度的注浆加固圈，最终能够形成厚度达1.7米的注浆加固圈，可见注浆加固圈的厚度随着小导管长度的增大而增大，当小导管长度小于2.5米时，无法形成注浆加固圈，由此可见，在本文所述工程中，小导管的设置长度不应小于2.5米。

结语

综上所述，在非均质软弱围岩中，浆液的扩散形态随着注浆压力、注浆时间、浆液黏度、围岩参数的变化而变化，最终稳定，适当增加注浆压力，延长注浆时间，有利于扩大浆液扩散范围；注浆加固圈的厚度与小导管的设置角度、长度具有密切的关联性，适当增大小导管的设置角度与长度，有利于扩大浆液扩散范围。在实际的注浆工作中，施工人员可综合考虑具体的工程参数，对以上理论加以应用，保证工程施工的质量。

参考文献

[1]朱世奎,丁可.基于注浆加固圈厚度的富水巷道支护参数优化[J].煤矿安全,2021,52(07):193-199+206.

[2]唐超,傅鹤林,任志高.岩溶富水隧道Ⅴ级围岩段涌水及注浆加固圈研究[J].公路与汽运,2019(06):140-142.

[3]黄杰,刘阳.公路隧道防渗水注浆圈形成特性研究[J].四川建筑,2018,38(06):102-105.