超细高性能水泥在富水地质隧道托挖施工中的流变力学性能研究前景分析

(重庆交通大学 重庆 400000)

超细高性能水泥在富水地质隧道托挖施工中的流变力学性能研究前景分析

宋何阳

(重庆交通大学重庆400000)

随着公民经济的发展，原有的隧道设计不满足现如今的交通需求，在富水地质隧道托挖施工中，地下水涌出影响施工安全。近年来灌浆技术成为隧道防水、治水的主要方法，其中超细高性能水泥灌浆具有较好的工作性、环保、成本低等特点，逐渐替代了化学材料灌浆。由于超细高性能水泥灌浆技术在理论还有不足，因此运用材料流变力学等知识进行研究。从而得到合理的灌浆条件与施工方法来满足工程需要。

超细水泥；托挖隧道；流变学；富水隧道

一、引言

进入21世纪以来，我国交通基础设施建设已具有一定规模，随着一带一路的提出，我交通基础设施建设的重心逐步转向地质环境极端复杂的中西部山区和岩溶地区，隧道与地下工程建设面临“构造复杂、地质环境多变、灾害频发”的严峻考验，施工中的突水灾害治理堪称世界级工程难题。

富水破碎带隧道扩挖是一个十分复杂物理力学演变过程，首先富水破碎带隧道扩挖施工是应力场和变形场复杂的重分布过程；二其过程也是水泥浆与地下水混合体等多相液体渗流过程；三水泥浆与地下水混合体将有胶凝、硬化等状态变化存在相变过程；最终结果是带相变的渗流场、变形场和应力场之间存在相互耦合作用。

在我国，研究人员希望通过大量先进技术手段和治理理念进行深入研究，从而达到根本治理的目的。其中注浆技术是隧道扩挖中常用的治理方法，超细高性能水泥又以性能优越、环保、成本低等特点，逐渐成为今后隧道注浆主要运用的材料之一。

通过流变学有关知识建立力学模型，预测分析富水破碎带隧道扩挖施工全过程的水和力问题，提出其扩挖设计参数、支护拆除工艺、掘进方法、径向或帷幕注浆等防排水参数与工艺、监控量测指标体系等亟需深入研究。

二、国内外研究现状

(一)在隧道扩挖(建)方面

在国外，LEE Chiahan等讨论了扩挖重建的影响因素[1]。

在国内，林从谋等人采用三维弹塑性有限元模型，研究CD工法开挖时软弱围岩的稳定性[2]。

以上学者采用不同方式方法，对隧道扩建的研究取得了一些成果。在新形势下，隧道扩建所处的地质环境很复杂，扩建过程中不能影响既有隧道的运行安全，对隧道扩建的防、治水工艺提出了新的挑战。

(二)在富水破碎带隧道方面

在国外，Bobet A通过分析获得了静载与动载作用下孔隙水压力对富水隧道支护结构的受力特征[3]。

在国内，王伟等人提出了:“以堵为主,限量排放”是高水位富水隧道设计应遵循的基本原则。原继伟和杨建华等对研究分析了三种施工工法下隧道围岩的位移场和应力场。

但从上述资料可以看出,关于破碎围岩随道的开挖,不同施工工法在治理地下水方面都有所欠缺，单纯排水是不能解决问题的，而且还会带来掩体内部结构的破坏岩体之间空隙加大。

(三)超细水泥灌浆方面

德国的P.Noske指出超细水泥可以制成水泥浆悬浮液应用于岩土灌浆工程,与化学灌浆相比更环保[4]。

加拿大K.Salen在研究中指出对于浮动裂隙或低温下进行灌浆还要保持结构完整性,则推荐使用超细水泥[5]。

在三峡工程中,施工缝灌浆等96%的灌浆工程材料都是使用超细水泥[6]。

国内外的超细水泥灌浆机理研究还相对较少，在灌浆水泥浆用量、强度设计、施工时间等方面仍处于经验控制阶段，因此需要理论支持，从而达到控制工程成本、合理设计施工方案的目的。

三、发展动态分析

综合国内外研究状态不难发现：超细水泥灌浆机理研究缺乏：考虑水泥浆胶凝、硬化全过程状态变化，同时考虑相变的多相渗流场、应力场和变形场耦合问题的计算理论没人研究。

本文建议，综合运用渗流力学、岩体力学、多孔介质力学及材料学等交叉学科的基本理论，采用理论分析、模型与现场试验、数值计算相结合方法，将水泥浆(包括双液浆)、水泥浆与地下水混合体、地下水作为三种不同性质的液体，建立考虑相变的多相渗流场、应力场和变形场耦合问题的计算模型。

应用上述模型，研究富水破碎带隧道扩挖、帷幕注浆、径向注浆施工过程中的水力动态行为，提出合理设计参数、扩挖方案、监控量测指标体系、合理防排水方案和注浆参数。

四、研究方案设计与分析

(一)不同水灰比水泥浆胶凝、硬化全过程水力学参数实验研究

1.建立静水和动水条件下注浆加固过程实验模型；2.确定水、水泥浆与水、水泥浆三种流体流动规律及比例；3.测定不同水灰比浓度水泥浆胶凝、硬化全过程中流变力学参数。

(二)富水破碎带隧道扩挖帷幕注浆水和力变化规律

1.计算富水破碎带隧道扩挖帷幕注浆水和力变化；2.富水破碎带隧道扩挖帷幕注浆对旧隧道的影响分析。

(三)富水破碎带隧道扩挖径向注浆水和力变化规律

1.计算富水破碎带隧道扩挖径向注浆水和力变化；2.富水破碎带隧道扩挖径向注浆对旧隧道、掌子面及初支的影响分析；3.富水破碎带隧道扩挖径向注浆注浆参数设计。

五、结论

1.富水隧道托挖过程中，不可比避免的会出现地下水带来的地质灾害，可提前采用注浆的方式阻止地下水的涌出；2.超细高性能混凝土灌浆技术与化学材料灌浆相比，前者更环保、成本低、耐久性好；3.怎样通过流变学将超细高性能混凝土灌浆技术与富水隧道托挖施工方法良好的结合，达到治理托挖工程中地下水危害工程效果的问题是今后研究的一个方向。

[1]Chiahan LEE,Huangkuei CHU,Menghui CHO,et al.Study on Enlarging and Reconstruction Technology of Existing[J].Tunnel Construction,2011:S1.

[2]黄晓明,杨忠华.高速公路隧道扩建力学分析及方案研究[J].交通建设与管理，2014:45-48.

[3]Bobet A.Effect of pore water pressure on tunnel support during static and seismic loading[J].Tunnelling and Underground Space Technology,2003,18(4):377-393.

[4]P.Noske.超细水泥灌浆在岩土工程中的应用.岩石与混凝土灌浆译文集,1995:48-52.

[5]K.Salen,T Mirza.Portland水泥和超细水泥为主的灌浆浆液的选择原则.岩石与混凝土灌浆译文集,1995:65-74.

[6]长江三峡水利枢纽永久建筑物基岩固结灌浆施工技术要求(修订本).水利部长江水利委员会三峡工程代表局文件.

宋何阳(1993.04-)，男，蒙古族，山东，研究生，重庆交通大学，研究方向隧道工程。