基于P-Q-t特征的隧道注浆动态控制方法研究

邓泽城 马 素 孙传玉 蓝雄东

（1.江西省交通投资集团有限责任公司，江西 南昌，330036；2.济南市交通工程质量与安全中心，山东 济南 250061；3.山东大学，岩土与结构工程研究中心，山东 济南 250061；4.江西理工大学，土木与测绘工程学院，江西 赣州 341000）

0 引言

隧道工程建设遭遇岩溶、断层等不良地质条件时，往往会发生突水、涌泥、塌方等工程灾害[1]。隧道运营期间，由于地层自身条件及长期地下水作用极易造成隧道结构的破坏。工程实践及理论研究表明，注浆手段能够达到有效治理地下工程灾害的目的[2]。但由于地质条件的复杂性及地下工程的隐蔽性，且浆液扩散规律等注浆理论研究尚未完善，实际注浆治理过程中浆液扩散具有明显的不可控性。

注浆过程中，被注地层介质及浆液性状的动态变化直接影响注浆压力与注浆流量的大小及变化规律[3-4]，注浆压力P与注浆流量Q随时间的变化规律是浆液在地层介质中扩散加固过程的直接体现，可通过此变化特征来定性指导实际注浆工程。此前，有部分学者对注浆流量和压力的相关作用机制进行了一定研究，如张民庆[5]等对注浆特征信息控制方法展开相关研究，但多为对注浆结束控制标准及注浆效果评价等方面的研究，鲜有利用注浆压力与注浆流量之间的动态关系进行注浆施工动态调节的研究。

本文进行了基于注浆流量与注浆压力等特征信息条件的注浆实时动态控制方法的研究，分析注浆过程中注浆压力和注浆流量等特征信息参数的对应特征关系（以下简称P-Q-t特征），对五种常见的复杂P-Q-t特征信息模型进行了研究，并初步创建了P-Q-t特征数据库，将“隐式”注浆扩散过程及其加固机理与“显式”P-Q-t特征信息模型联系在一起，实现注浆扩散“黑箱”问题的“可视化”，提出特征信息条件下实时动态注浆控制方法，具有良好的工程应用价值。

1 注浆压力与注浆流量变化特征分析

实际注浆工程中，大部分浆液都可认为是牛顿流体，其注浆量与注浆压力可表示为：

式中：q——单位时间内的注浆流量；

R——被注地层孔隙半径；

Δp——实时动态有效注浆压力；

μ——浆液粘滞系数；

r——浆液扩散半径。

浆液扩散过程中，被注地层物理力学性质受多种因素综合作用会不断发生改变，而被注介质力学性质的改变会反作用于注浆扩散效率。随着浆液的不断扩散，被注土体孔隙率、土体强度等力学特性发生改变。因此，工程有效注浆压力Δp并非注浆泵所提供的压力P，而是随被注地层环境等因素不断改变的变化量，其影响因素关系表达为：

式中：a——孔隙率、渗透性、裂隙张开度等参数的函数关系；

b——浆液配比、粘度、密度等参数的函数关系；

P——注浆泵压力；

t——时间变量。

结合上述分析易得，浆液流动性受浆液粘滞力的影响，单位时间注浆流量与注浆压力存在明显的相关性，当其他条件保持一定的情况下，单位时间内的注浆流量与注浆压力成正比。然而，随着注浆过程的不断深入，注浆扩散半径不断增加，浆液扩散需要克服更大的粘滞力，同等压力条件下的浆液注入效率减小。随着被注地层的不断加固，被注地层的物理力学性质不断改变，其有效空隙半径在不断变化，同样影响着注浆流量与注浆压力之间的关系。

2 常见复杂工况对应的P-Q-t 特征及其调控措施

实际隧道注浆工程中被注地层具有不均匀性、各向异性等特点，且经常会遇到断层、岩溶、富水破碎地层等特殊不良地质。因此，浆液扩散中对应的P-Q-t特征具有较大的复杂性，除典型单一扩散形式及其组合形式外，还会出现多种特殊工程地质条件对应的非典型的PQ-t信息特征。

本文通过对湖北利万高速齐岳山隧道、湖南龙永高速大坝隧道、江西吉莲高速永莲隧道及济南玉函路隧道等多项实际注浆工程中近千个注浆孔实际注浆情况总结分析，提出了在实际注浆工程中五种常见的PQ-t特征信息模型及其对应的特殊工况，并提出相对应的实时处理措施，初步建立了注浆工程P-Q-t特征信息数据库，见表1。实际注浆施工过程中，有可能遇到更为复杂的工程地质情况，未能涉及的工况可类比上述五种常见P-Q-t特征类型的分析方法，指导注浆工程动态优化调节。

表1 常见隧道注浆工程P-Q-t特征表

3 基于P-Q-t特征的隧道注浆动态控制方法

本文充分考虑被注地层介质及浆液性质的动态变化，提出基于P-Q-t特征的实时动态注浆控制方法。通过分析浆液扩散过程中实时表征信息载体——注浆压力和注浆流量时变特征，判断被注地层介质实时条件，结合P-Q-t特征数据库和相关注浆机理，实时调整注浆施工参数（工艺、材料、设备、控制标准等），实现注浆工程的动态控制。

通过地质雷达法（探测距离浅部围岩）、激发极化法（探测距离约30～50m）、瞬变电磁法（探测距离约50～80m）等多种地球物理探测方法，并采取钻孔取芯法对其探测结果进行验证和补充，结合多元精细化探查方法综合分析被注地层的工程及水文地质条件，判断该区域地质特征。根据探测结果设计注浆方案，选择合理的注浆材料、注浆工艺和注浆效果评价方法，基于浆液可注性验算及注浆孔设计方案，得出合理注浆参数。注浆施工过程中，利用三参数记录仪全程记录P-Q-t特征，当顺利达到注浆结束标准时，则该孔注浆结束；存在特殊地质的情况下，如果注浆压力或注浆总量无法满足注浆结束的要求，那么就会出现无法达到注浆结束要求的情况。此时，应结合注浆孔钻孔岩性及水文地质探查结果，对比P-Q-t特征数据库，对该注浆区域地质条件进行分析，进而对注浆材料及注浆参数进行相应的调整，实现注浆动态调节，以达到更好的注浆效果。注浆完成后，结合多种物理探查手段检验治理区域是否达到注浆加固效果。

4 结束语

综上所述，本文利用牛顿流体流动性理论分析了注浆量和注浆压力的变化特征，发现二者与被注地层及浆液的时变特性存在明显的对应关系。结合注浆工程典型工况，建立并分析了五种常见的复杂P-Q-t特征及其对应工况，初步建立了注浆工程P-Q-t特征数据库。结合多元精细化探查方法，综合分析被注地层的工程及水文地质条件，提出了基于P-Q-t特征的注浆动态控制方法。