富水破碎岩体脉动注浆加固技术研究综述

赵芳芳

关键词：脉动注浆;注浆压力;浆液性质;孔隙通道;流固耦合

岩体破碎含水是工程地质领域时常遇到的不良地质体之一，由于岩体破碎，中间夹杂着碎屑和泥质胶结物，遇水开挖后会有坍塌及涌水现象发生，给地下工程施工带来极大的安全隐患。

针对不良地质条件，注浆既能加固岩体、又可以防渗堵水、控制岩体破坏与失稳，在地下工程防灾治理等领域应用广泛，特别是在破碎含水地层，常应用预注浆的方式，改善地层，提高岩体强度，增加隔水性，保证施工能够安全可靠进行。

随着地下工程的不断建设与发展，不良地质体，尤其是富水破碎地层越来越复杂，工程建设过程也提出了更高的要求，以往的预注浆方式已经不能适应新的发展需求。为提高注浆效果，工程实际中出现了一次、二次、三步注浆法、深浅孔注浆法、逐段注浆法，但这些注浆方法，在实际注浆实施过程中常出现注浆量大、浅层易冒浆以及施工周期长等诸多问题。尽管也有一些学者想通过提高浆液材料等方式提高注浆效果，如然环氧树脂、聚氨酯等一些化学浆液，不易被水冲刷流失，可以有效地进入岩体孔隙及微裂隙中，提高了注浆治理效果，但从实际工程需要，除满足较好的注浆效果外，绿色环保经济可靠也是重点要考略的因素。化学类浆液成本高，结石体耐久性较差等原因难以大面积推广。脉动注浆以其可输出周期性脉冲压力为特点，将浆液以一定频率间隔注入地层，实现可控性注浆，成为一种可用于岩土体防渗加固的新方法。

1脉动注浆技术的提出及作用原理

脉动注浆主要是将输入脉动泵中的浆体通过脉动压力使其形成具有周期频率的浆液输出到岩体的孔隙通道中去，一方面，浆液以交变应力方式使孔隙通道中的堵塞物重新获得初始速度，小颗粒进一步进入微小孔隙，较大颗粒重新分布到其他孔隙通道或在周期频率的作用下疲劳破碎，另一方面，地层在脉动压力作用下，地层中能保持有效的压力梯度，促使浆液渗透扩散;在脉动压力的作用下，能够疏通孔隙通道，提高浆液渗透扩散的路径，起到更有好的防渗加固效果，避免了跑浆串浆、离析分层、分布不均匀等缺点。

当前脉动注浆研究，多处于实践阶段，如：文献[4]一[8]分别通过研发新式脉动压力试验装置、实验室实验、现场试验、数值仿真等方式验证了脉动注浆良好的注浆效果，以及脉动注浆用于破碎岩体注浆防渗的可行性。以上研究表明，脉动注浆存在一定的优势，但总体上还处于初级阶段，对于机理的研究还不明确。

与稳压注浆不同，脉动压力作用的过程为：浆液压力从零点到设计的频率之间周期变換，推动浆液以脉动波的形式进入岩体介质当中去，当脉动压力达到最高峰值时，岩土体中的裂隙，大的渗透性得到增强，裂隙小受到压力作用闭合。当脉动压力到达最小值，即间歇段时，浆液压力为零，岩体应力得到释放，岩体裂隙中的浆液受到岩体的挤压，浆液脱水，这一过程增强了浆液结石体强度，提高了注浆后岩土体的密实度，达到控制注浆的目的。

脉动注浆时，由于施加给岩土体荷载的延滞效应和脉动叠加作用，使得地应力与注浆压力之间，总是存在波动的压力差，如此，浆液在岩土介质中的渗透更加充分，结石体强度高。而这一渗透扩散过程，除了是注浆压力，注浆持续时间及间隔时间，浆液的性质，孔隙率大小等因素的影响作用外，还是浆液一固体相互耦合作用的结果。

2注浆影响效果研究

2.1注浆压力对注浆效果影响研究

z.Saada，Zebovitz等对水泥浆液进行了渗透注浆模拟试验，得到了注浆压力对于岩土体注浆的影响效果明显。TL.Dreese通过数值模拟，研究单一裂隙状态下，浆液的流动特性，得到了注浆压力、注浆速度与注浆方向上深度增加的关系。胡巍等通过开展了动水条件下注浆试验，地层的可注性与注浆压力有直接的关系，较大的注浆压力，浆液的扩散半径有所增加。

以上研究表明，富水破碎岩土体的注浆的加固，浆液压力对其在地层中的扩散、充填及结石体强度具有显著的影响。因此，研究注浆压力对注浆效果的影响对工程实践具有重要指导意义。

2.2浆液性质对注浆效果影响研究

Atle Johansen等人通过试验证明了水泥基浆液中颗粒渗透速率与水泥孔隙度与水灰比有关。并通过研究发现加大水灰比对于提高渗透率，颗粒分散降低堵塞发生也有很大的效果。Olivier等通过砂土注浆实验量取注浆压力与浆液流通量的关系来研究水泥基浆液对渗透性的影响，实验表明，随着水灰比的增高，注浆流通量增大，注浆压力也随着增大，对渗透效应的影响越大。郭密文等通过试验模拟研究在高压封闭条件下砂层注浆过程中浆液的凝固渗透过程，试验结果表明水灰比越高，“絮凝时间”越慢。侯克鹏等通过对松散介质的室内水泥注浆加固模拟试验，发现水灰比在影响注浆量及浆液扩散半径的因素中影响力最大。

浆液的流动性能直接影响浆液运移、扩散特性。水灰比又是浆液流动性能的重要因素，因此研究水泥水灰比对于水泥注浆的影响具有重要意义。

2.3孔隙通道对注浆效果影响研究

李术才等用自主研发的恒压注浆装置进行砂土介质水泥注浆试验，试验发现砂土孔隙对水泥颗粒产生过滤作用，使得水泥颗粒产生不均匀扩散。杨伟军等通过砂土注浆模拟试验，研究在不同颗粒级配下，不同注浆参数对浆液扩散半径的影响，并得到浆液扩散公式。根据上述学者研究成果，在一定试验条件下，孔隙直径大小直接影响地层的可注性。周子龙，杜雪明等以分形理论和幂律流体理论为基础，建立孔隙通道的曲折效应方程及浆液扩散模型，对比分析了考虑孔隙曲折率与不考虑孔隙曲折率对浆液压力的影响，研究表明，两者在浆液压力随扩散距离变化的趋势及幅度上都有明显的区别。张庆松，王洪波等研制了一套装置用于模拟多孔介质渗透注浆实验，考虑不同渗透速率及不同介质渗透率下，注浆压力的时空变化规律，研究结果表明：多孔介质渗透中，在不考虑浆液扩散的路径时，高估了在注浆扩散过程的浆液压力值，所以考虑浆液扩散路径的多孔介质注浆是非常必要的。

2.4浆液一岩体耦合效应对注浆扩散过程影响研究

注浆过程是水、浆液、岩体之间相互的力学作用过程，注浆浆液、地下水在渗透扩散过程中产生的渗透力及浆液压力作用在岩体骨架上影响应力场的分布，同时岩土体的变形使得孔隙通道的变化，导致浆液渗透性的降低。因此考虑浆液一岩体的相互耦合作用对于研究浆液的注浆效果、注浆体耐久性等均有重要的意义。国内外研究学者对注浆过程多场耦合问题做了相关研究。

张连震、张庆松等建立了考虑浆一岩耦合效应的裂隙注浆扩散理论模型，在此基础上研究不同裂隙开度条件下浆一岩耦合效应对裂隙注浆扩散过程的影响程度。张丁阳等考虑渗流场、应力场和温度场耦合三场耦合条件下以裂隙岩体为研究对象，推导出裂隙岩体动水注浆三场耦合方程。郑卓、李术才等基于平板裂隙浆液运移方程，建立考虑浆液对岩体单向耦合作用下的裂隙岩体注浆理论模型，对注浆过程中浆液与围岩的相互作用开展研究。程鹏达等以高压富水区孔隙地层为研究对象，建立了应力场和渗流场的耦合作用注浆数学模型，引入孔隙率和渗透率的动态参数，对浆液注浆过程中的流固耦合物理特性以及其对浆液扩散半径的影响进行分析。

在浆液流动过程中，浆液一岩体的耦合作用影响浆液扩散距离以及最终的注浆封堵效果，而这种影响在何种程度上可以忽略，以及怎样避免岩体变形对注浆造成的不利影响，是接下来学者研究的方向。

3结论及建议

本文整理分析了国内外关于脈动注浆技术的研究以及注浆压力、浆液性质、孔隙通道、流固耦合等对注浆效果的影响，指明了脉动注浆技术还需要完善的内容，以期为完善脉动注浆作用机理研究，促进技术的推广应用提供支撑，但现有研究还存在较多不足，脉动注浆技术研究在以下几个方面亟待解决：

（1）室内注浆试验，能够模拟再现注浆全过程，可反映浆液在受灌体中的渗透扩散规律，是研究注浆机理的有效途径和方法，以往的室内试验大多考虑稳压注浆，对于可提供周期性压力的脉动注浆方式在国内比较少，还应进行进一步的室内试验研究。

（2）对于注浆过程的流固耦合问题，涉及渗流场与应力场两个场，考虑到他们之间的相互作用，需要把渗流方程和固体力学方程建立在同一个框架也是脉动注浆中要解决的问题。

（3）由于现场工程中，对注浆效果的影响因素复杂，现场需要根据不同的工况合理调整注浆参数，对于脉动注浆，现场应用较少，所以进行不同富水压力，不同浆液性质，不同孔隙介质下脉动注浆的数值模拟十分必要。