一种注浆堵水试验实训装置的设计

庞波

摘 要：注浆法是一种应用于有水害威胁的特殊地质条件的特殊施工手段，其应用范围非常广泛，适用于地基加固、隧道施工、巷道施工等施工条件，用以改善岩土层性质，堵漏涌突水通道，减少地下水对工程施工的威胁。目前，注浆法施工的相关试验实训装置类型较少，无法较好地为实训教学和科学研究服务。因此，本文提出一种注浆堵水试验实训装置的设计方案。该装置具有模拟化、可视化的特点，能直观展示注浆堵水过程，并可对注浆参数进行数据采集，进而开展研究，分析注浆扩散规律。

关键词：地下工程;注浆堵水;试验实训装置;设计方案

中图分类号：TU753文献标识码：A文章编号：1003-5168（2020）32-0057-03

Abstract： The grouting method is a special construction method applied to special geological conditions threatened by water hazards， its application range is very wide， which is suitable for construction conditions such as foundation reinforcement， tunnel construction， roadway construction， etc.， to improve the nature of the rock and soil layer， block leakage and water inrush channels， and reduce the threat of groundwater to engineering construction. At present， there are few types of related experimental training devices for grouting construction， which cannot serve well for training teaching and scientific research. Therefore， this paper proposed a design scheme of a grouting water blocking experimental training device. The device has the characteristics of simulation and visualization， can visually display the process of grouting and water blocking， and can collect data on grouting parameters， and then conduct research and analyze the law of grouting diffusion.

Keywords： underground engineering;grouting water blocking;experimental training device;design plan

地下工程行業中使用注浆法施工的历史已有200多年，其主要用于处理地下裂隙区域突水涌水的封堵、地基工程的渗漏防治等现象，是现场施工中一种重要的水害防控手段。注浆法施工就是向水害区域岩土层打钻孔，借助注浆泵提供的压力，使浆液通过钻孔或管道压入地下岩土层的裂隙或空隙中，由于浆液具有流动性，在注浆泵压力的驱使下，浆液在岩层中产生扩散，随后发生凝固和硬化，从而提高岩层的强度、密实性和不透水性，以达到封堵截断地下涌突水通道、胶结地层的作用，使岩土层性质满足工程需求[1]。注浆本身是一个复杂的过程，涉及流体力学、材料学、化学等学科，同时不同施工环境下岩层物理模型差异极大，以致已有注浆理论一直落后于注浆施工现场的工艺实践，对于如何防治工程施工中存在的突水涌水灾害，现实的处理手段往往具有很大的主观性和经验性[2]。

具体来讲，注浆法施工中存在以下需要解决的问题：地下水运动规律、注浆速率、注浆压力与注浆倍线之间联系的研究较少，以致注浆设计方案缺少理论支撑，较多依赖施工经验;由于缺少模型试验的理论，缺少现场试验实践，能够揭示浆液注浆扩散规律的验证性研究同样缺乏;面向裂隙带岩土层中静水注浆和动水注浆扩散一般形式的系统分析不多;能够直观展示浆液在地下岩土层中扩散形态的研究比较缺乏[3]。延伸到相关专业的教育教学来看，现有注浆法施工的实训教学装置绝大多数为演示性模型，构造过于简单，不能很好地展示注浆过程，开展注浆施工的相关试验和研究更是无从谈起。

1 注浆堵水试验实训装置设计目标

本装置的设计目标有三。一是模拟裂隙注浆。通过改变裂隙的形状以及注浆压力等参数，观察和研究浆液的扩散规律与岩土层裂隙赋存条件、注浆压力、注浆倍线等工程基础和施工条件之间的关系，分析影响注浆工艺扩散效果的内在、外在因素。二是模拟静水状态下的注浆。通过改变注浆压力等参数，对浆液在静水状态下的流动状态进行观测和研究。三是模拟动水状态下的注浆。通过改变注浆压力等参数，对浆液在动水状态下的流动状态进行观测和研究。

2 设计思路

本研究设计的注浆试验实训装置主体部分为长方体容器，具体结构如图1、图2所示。容器分为左、中、右三个部分，可分别模拟不同类型岩层的裂隙体，其中，左侧、中间两个容器为钢板维护结构，不可透视。最右侧部分为钢框架结构，能够实现可视化的注浆试验。容器外壳由钢框架、钢板等材料组装或拼装而成，注浆完成后可通过拆解裂隙体来观察裂隙体内浆液扩散流动情况。

该装置1号（左侧）容器中设置裂隙模拟模块，外部有砂浆进行围护，模拟模块由黏土砖、水泥砖或类似砌块材料构建，水泥砂浆以点结方法布置在砌块间，用以模拟裂隙通道的分布。裂隙模拟模块内均匀布置注浆管路、供水管路、压力及流速、流量等传感器。

装置2号（中间）容器部分的模拟模块由不规则的较大石块堆积构成，以岩石自然堆积状态模拟裂隙通道。其内部同样布置注浆管路和各种传感器。

装置3号（右侧）容器为透明部分，其中包含上、下两个模拟裂隙层面，由不锈钢制成的框架和高强度强化玻璃制成上部框架，下部位承力层由不锈钢框架钢板制成，承力层表面选择耐高温、耐腐蚀的乙烯基树脂进行找平，和1号容器相同，内部同样预埋各类数据采集所需要的传感器。浆液成分不同，浆液流动速度也不相同，为保证浆液在模拟注浆管道和裂隙模拟模块内不发生淤积，其间加入了可以对裂隙宽度进行调节的功能。以常用硅酸盐类浆液为例，裂隙宽度可以设置为3～9 mm。同时，裂隙下层内布置有注浆孔、供水管路，容器底部布置有注浆管路。该可视化容器内裂隙模拟模块可自由制作，在注浆泵和水泵的配合下可分别进行静水注浆和动水注浆，对在静压和动压两种不同状态条件下的浆液的流动形态和规律进行观测分析。

布置数据采集接口，通过通信电缆以RS485通信协议与各传感器连接。其中，注浆压力传感器测压范围为0～2 500 kPa。

在可视化试验台架上安装实时录像系统，记录浆液流动现象。

该装置同时可以通过改变容器内的材料组成来达到不同类型注浆试验的目的，具体途径包括两种。一是设置随机裂隙模拟模块，容器外部环绕安装能实现冷却降温功能的低温盐水循环管道，用砂浆和锡条两种材料混合搅拌成充填材料，将其充填进容器内部，充填材料在容器内成型后，启动盐水降温锡条，低温下（-13.2 ℃）锡条会转变为粉末，可以模拟产生随机裂隙模拟模块。二是选取不同岩土力学性质的土样，将其充填入容器内，装配注浆管路后在静压或动压下运行，可以进行充填注浆、挤密注浆和劈裂注浆等不同注浆分布形态的注浆试验。

3 注浆试验流程

装填裂隙体，可按照工程要求模拟相关岩土层参数进行装填;打开注浆系统，根据试验实训需要选择静压或动压注浆，同时可打开注水管道来模拟地下水影响下的注浆试验，试验实训系统如图3所示;全过程观察和记录注浆量、注浆时间、注浆压力、注浆速度等参数的变化;注浆完毕，打开容器后破坏左侧、中间容器的岩土层裂隙模拟模块，观察裂隙、空隙内部的浆液分布及充填情况，并进一步分析、总结注浆规律。

4 试验实训装置预期效果

相对于以往的试验实训装置，该装置可直观展示浆液在地下岩层裂隙内的运动基本形态，可以显著提高实训教学质量。该装置可依据实际工程现场注浆施工过程中的工艺流程和问题，采取相似模拟的试验方法，研究对比不同注浆工艺参数下的施工效果，通过注浆参数的采集、整理和分析计算，开展注浆时間、注浆压力、注浆倍线等参数和注浆效果之间关系的分析。在静水和动水两种不同的技术条件下，人们要依据数值分析方法动态模拟浆液在岩土层中的扩散过程，并在数值分析的基础上探究裂隙注浆扩散的内部规律，总结和优化裂隙注浆现场工艺，开展相关科学研究。

参考文献：

[1]秦鹏飞，符平.砂砾石土渗透注浆浆液扩散规律试验研究[J].中国农村水利水电，2014（4）：147-150.

[2]刘人太.水泥基速凝浆液地下工程动水注浆扩散封堵机理及应用研究[D].济南：山东大学，2012：25-26.

[3]刘健，刘人太，张霄，等.水泥浆液裂隙注浆扩散规律模型试验与数值模拟[J].岩石力学与工程学报，2012（12）：2445-2452.