河流下浅埋砂泥岩互层超前预注浆时变模型及工程应用

李 基，吴 鑫，赵红霞，李国辉，王雪梅

(四川师范大学 工学院，四川 成都 610101)

由于施工简便且高效，注浆技术已成为一种常见的地基治理和防渗技术，在矿山、水利及建筑等领域得到了广泛应用。在1826年阿斯普丁发明了普通硅酸盐水泥后，水泥逐渐成为最主要的注浆材料之一[1]。因此，国内外许多学者针对普通水泥浆的浆液扩散原理进行研究，并取得了大量成果[2-6]。但近年来各种新型双液浆、化学浆等不断出现，实现了水化速度可控制的注浆过程，因此浆液黏度的时变性成为注浆扩散模型不可忽略的因素[7]。BOLISETTI等[8]研究了浆液的胶凝时间与注浆时间的比例，并建立具有时变黏度的浆液流动和扩散数值模型。李术才等[9]通过试验分析得到不同水泥浆水灰比和不同浆液混合体积比下的黏度时变方程。CHENG等[10]采用多孔介质应力分析了注浆过程中的流固耦合，考虑耦合物理变量，建立了孔隙度、渗透率和黏度的动力学模型。ZHANG W等[11]研究了水泥和硅酸钠浆(C-S注浆)的黏度时间性，并通过质量守恒方程和径向注浆流动及时变黏度来推导出扩散方程。ZHANG J等[12]开发了一种新SJP水泥浆液，通过添加剂改变水化速度，并建立水化模型。HAO等[13]考虑聚氨酯浆液黏度时变性，采用有限体积法(FVM)和流体体积法(VOF)相结合模拟了灌浆扩散半径，压力分布和速度场等扩散规律。阮文军等[14]考虑了浆液的时变性，并建立了岩体裂缝注浆的扩散时变模型。

砂泥岩互层地层属于非均质结构，其浆液扩散过程更为复杂。李相辉等[15]认为非均质断层破碎带介质可分为松散型、软弱型与密实型3种介质，浆液分别以渗透、压密、劈裂等扩散形式为主。雷进生等[16]利用精细化的流固耦合力学模型，考虑土体物性参数动态变化和浆液时变效应的影响进行注浆扩散模拟，研究了非均质土层中浆液扩散范围和结石体的真实形态。WU等[17]通过考虑渗透率的各向异性来研究多孔弹性土的平面应变固结。李国富等[18]对泥质类膨胀软岩巷道注浆强化防水控制进行研究，得出不同类型的孔隙比与渗透系数关系。

新维煤矿斜井从镇舟河河床底部近距离穿过，为防止出现施工过程的大规模涌水事故，采用了超前预注浆技术进行围岩加固防水。为模拟河流下浅埋砂泥岩互层超前预注浆的扩散过程与影响范围，就必须考虑地层的复杂性和浆液的时变性，并以此作为注浆施工参数设计的基本依据。

1 砂泥岩互层时变性注浆模型

新维煤矿位于四川省筠连矿区，矿井采取斜井开拓，3条斜井间距在30～42 m，主斜井、副斜井、管道斜井分别施工到247～303，203～249，165～226 m时横穿镇舟河底部。斜井顶板至镇舟河河床强风化层最近距离仅约10 m。斜井主要穿越宣威组(P2x)粉砂岩夹泥岩，局部夹煤线，现场以砂泥岩互层状为主。工程围岩为镶嵌结构，岩体完整性为中等～差，围岩级别为Ⅴ级，围岩裂隙极有可能与河床下方的风化裂隙导通，使河水进入斜井，进而造成大规模涌水事故。

砂泥岩互层结构各向异性非常明显，一般顺层渗透性大于切层(差别可达2～3个数量级[7])。由于注浆段地层近水平，在平行于层面渗流方向，整个地层的水平方向平均渗透系数kx将取决于透水性最好岩层的渗流，也就是砂岩的渗透系数，由于砂岩与泥岩渗透性相差很大，地层水平向渗透系数可近似地表达为

kx=ksHs/H

(1)

在垂直于层面渗流方向，整个地层的垂直方向平均渗透系数kz将取决于透水性最差岩层的渗流，也就是泥岩的渗透系数，同样地层渗透率可近似表示为

(2)

式中，kx和kz分别为水平方向和竖直方向的等效平均渗透系数;ks和kn分别为砂岩和泥岩的平均渗透系数;Hs,Hn和H分别为砂岩、泥岩及总厚度。

由于浆液的黏度会随时间发生变化，引起浆液在地层中的渗透系数改变，从而直接影响到注浆的扩散半径等，设浆液的渗透系数随时间的变化规律[14]为

(3)

(4)

式中，Kg和Kw分别为浆液和水的渗透系数;β为与介质渗透系数有关的参数;α为与浆液性质及介质孔隙率有关的参数;t为注浆时间;μg为浆液的黏度系数;μw为水的黏度系数。

假设浆液呈球形扩散，在r与r+dr间浆液稳定渗透扩散，渗流运动方程为

(5)

(6)

(7)

式中，P为浆液压力;r为径向距离;v为平均渗透速度;q为浆液的流量;C为积分常数。

当r=R时，P=PR：

(8)

当r=r0时，P=P0：

(9)

式(8),(9)相减可得

(10)

(11)

(12)

代入式(1)，(2)，可得到砂泥岩互层在垂直及水平方向浆液扩散半径与时间关系为

(13)

式中，RV与Rl分别为垂直及水平方向上渗透半径;r0为注浆孔径，cm;P0为管底压力，kPa;PR为距注浆孔距离为R处的压力，kPa;H为注浆层的厚度，cm。

选择典型现场环境温度为20 ℃，此时水黏度μw=1.005 mPa·s，浆液黏度取μg=6 mPa·s，孔隙率10%，渗透系数K=0.2 mm/s，α取0.01，r0为0.1 m。分析注浆压力(P0-PR)分别为1，3，5，7，9 MPa时的扩散范围，结果如图1所示。因此，浆液扩散半径与时间关系为:

图1 不同注浆压力下的时间与扩散半径关系

(1)随注浆时间的增加，浆液扩散半径不断增大，但单位时间内扩散半径增加值不断减小，最终趋近于0，也就是浆液扩散过程停止。

(2)注浆压力差越大，则浆液扩散半径越大，不过，注浆压力增大值带来的扩散范围增加值也会逐渐减小。

此外，由于新维矿砂泥岩互层近水平分布，水平裂隙较为发育，地层渗透率分布近似横观各向同性，渗透率在水平方向远大于垂直方向，取Hs=Hn，再分别取浆液在泥岩中的渗透系数是砂岩的0.10，0.02倍，可以得到如图2所示的注浆扩散形态。渗透率大的方向浆液扩散距离显然更远，浆液扩散距离与渗透率呈非线性关系。

图2 注浆扩散范围模拟

2 井筒超前预注浆技术

2.1 注浆材料

注浆材料的选用，应根据工程地质条件、水文地质条件、注浆目的、注浆工艺、设备和成本等因素确定[19]。经对比分析并综合考虑环保性、经济性等因素后，选用水泥单液浆、水泥-水玻璃双液浆。在注浆中如果遇到单液水泥浆跑浆的情况，可改换使用双液浆。普通水泥单液浆形成的结石体具有较高的抗压、抗剪强度，但由于粒径较大在致密的黏土及微小裂隙中渗透困难;普通水泥-水玻璃双液浆凝胶时间短且容易控制，具有早强的特点，但是胶结体后期强度较低[20]。

2.2 超前预注浆技术

基于钻孔数量、注浆效率、注浆压力、扩散半径及终孔位置等参数关系[21]，在斜井掘进断面布置16个注浆孔，设计注浆压力6 MPa，如图3所示。注浆孔钻进采用2台KQJ-100型潜孔钻机平行作业，选用2TGZ-60/21型双液调速注浆泵注浆系统。预注浆范围30 m，采用分段下行式注浆方式，从后往前一段一段地钻注至终深，注浆段长度定为5 m一段，反复注浆，反复扫孔。

图3 工作面超前预注浆钻孔布置

完成本阶段超前预注浆后，井筒掘进工作面采用浅循环作业，两层立体打眼，钻爆法开挖，超前支护，现浇钢筋砼拱，再进行结构防水、三缝防水，每次开挖长度20 m为1个循环，完成后在掘进工作面上喷浆，形成止浆墙后，继续下一阶段的超前预注浆。

2.3 注浆P-q-t曲线检验

为分析单次注浆的效果，在注浆过程中记录注浆的压力、流量和时间参数，根据P-q-t(注浆压力-注浆流量-注浆时间)曲线对注浆的效果和完成阶段进行评价。以下以管道斜井205 m处碛头位置注浆曲线为例进行注浆效果分析。

以图4(a)为例，注浆压力在前6 min以较快的速度增加，直到4 MPa后冲破了裂隙通道，压力下降，在3 MPa左右保持了约50 min，而后，注浆流量持续下降，在最后10 min注浆压力达到6 MPa，且浆液流量持续下降，因此注浆结束。第I阶段为充填阶段，浆液主要聚集在注浆管孔附近挤压介质，该阶段内吃浆量开始较大，随后减少，而压力增加较快。曲线在t1时刻产生了第1个峰值点，初次劈裂压力约4 MPa;进入第II阶段后，初次劈裂压力迅速回落并维持在3 MPa左右，裂隙继续发展;t2时刻附近，注浆压力快速增大并回落，发生二次劈裂，压力约6 MPa，此后进行第III阶段，注浆压力维持在较高水平。

图4 P-q-t曲线

图4(b)注浆压力在前10 min快速增加，在3 MPa左右达到平衡，第60分钟后突破峰值并回落，一般是因为浆液对裂隙的压裂作用引起，第100分钟后压力快速达到8 MPa并再次回落，最后20 min压力基本稳定在7 MPa左右，且浆液流量持续下降，注浆结束。如出现浆液压力较长时间上不去、注浆流量无法降低、跑浆等情况，可采用水泥-水玻璃双液浆替代作业。

2.4 钻孔取芯检验

为进一步评价超前预注浆的效果，注浆结束后对管道斜井过河段重点部位围岩钻孔取芯。设计两条钻孔取芯方向，第1个孔在掘进碛头上沿斜上方钻孔(1号孔)，另1个水平向右(2号孔)，如图5所示。将岩芯做对比分析，查看井筒壁后围岩中注浆结石体的形成范围发现:

(1)1号孔岩芯在1-3号和1-4号岩芯处发现水泥浆与围岩形成的结石体，而2号孔在2-4，2-6，2-13～2-18号全都发现了水泥浆形成的结石体，此外1号孔终孔见水，而2号孔终孔未见水。以上结果反映出在水平层状地层中，水平方向渗透占优，要远大于垂直方向的渗透距离，围岩中的浆液扩散范围近似呈椭圆形分布。

(2)通过岩芯观测发现，浆液与裂隙岩体形成了较好的结石体，并具有一定强度。水泥单液浆和水泥-水玻璃双液浆在设计注浆参数下，能够在围岩中形成较厚的注浆帷幕，提高了围岩的强度并降低了渗透性，对井筒安全施工提供了可靠的保护。

图5 钻孔取心示意

3 围岩渗透性分析

3.1 注浆前围岩渗透性

围岩渗透率是分析注浆防渗效果的一个重要指标，因此对注浆前后的围岩渗透率进行对比分析，可作为注浆效果的评价依据。注浆前，在施工现场围岩的渗透性通过压水试验获得，对ZK4，ZK7两个钻孔进行了压水试验，计算得到压水试验获得岩体渗透率分别为0.239和0.204 m/d,见表1。

表1 压水试验结果

3.2 注浆后围岩渗透性

在注浆过程中对注浆的压力、流量、时间等进行现场记录，针对单孔注浆计算岩体渗透率的过程可以参考单孔压水试验，根据巴布金经验公式计算岩体渗透系数[1]:

(14)

式中，K为渗透系数;Q为压水孔水量;L为压水段长度;H0为压水段水头;r为压水孔半径。

一般L大约5 m，当用单位吸水量ω(L/(min·m·m))计算渗透系数时，若K的单位为m/d，则二者之间的关系为

(15)

压水钻孔的直径一般为100 mm左右，因而式(15)可进一步改写成

K=1.12ω

(16)

若将K的单位换算成标准单位,m/s;则式(16)可以表示为

(17)

根据注浆时间、注浆总量近似计算得到各注浆孔各阶段注浆的流量。

3.3 渗透性对比

由于现场实验数据离散性较大，将16个注浆孔的各类数据在6个阶段(0～5，5～10，10～15，15～20，20～25，25～30 m)上分别得到算数平均值后再进行分析，得出以下几点结论:

(1)注浆流量与上一循环注浆覆盖区域相关。图6(a)表明注浆流量在0～5，5～10 m两个阶段很小，原因在于0～10 m属于上一个循环超前预注浆范围;超出上阶段注浆保护圈后，10～20 m注浆流量逐步增大;20～30 m注浆流量达到最大值并保持稳定。

图6 注浆参数与注浆后渗透性

(2)注浆时间与注浆总量呈现较好的正相关。图6(b)展示了不同阶段每个孔的注浆时间与总量的关系，2者都随注浆段的推进而增加，同样这也与远离上阶段的注浆保护有关。

(3)注浆后的围岩渗透系数大大地降低。按照巴布金经验公式近似计算得到的围岩渗透系数如图6(c)所示，注浆后渗透系数在3 mm/d左右，与注浆前压水试验得到的岩体渗透系数(0.239和0.204 m/d)相差近2个数量级。

4 结 论

(1)建立了复杂地层中的浆液扩散时变性模型。根据井筒过河段的砂泥岩互层特征，并考虑浆液黏度的时变性，建立了浆液扩散时变性模型，进而评价注浆参数并对理论浆液扩散范围进行预测。

(2)完成超前预注浆的方案和参数设计。采用水泥单液浆和水泥-水玻璃双液浆作为材料，在掘进工作面设置16个注浆孔，注浆压力6 MPa，采用分段下行式注浆方式，从后往前分段钻注至终深，注浆段长为5 m，反复注浆，反复扫孔。

(3)基于P-q-t曲线和钻孔取芯进行注浆效果检验。单孔注浆采用P-q-t检验，以注浆压力上升和注浆流量下降作为保障注浆效果的主要依据;取心检验表明在设计注浆参数下，可形成近椭圆形帷幕以保障井筒施工，并与前述理论模型接近。

(4)超前预注浆后围岩渗透率大大降低。按照巴布金经验公式近似计算得到注浆后围岩渗透系数大致为3 mm/d，与注浆前压水试验得到的岩体渗透系数(0.239和0.204 m/d)相比，减小了近2个数量级。