水泥-水玻璃双液浆注浆孔距的设计方法与流程

本发明涉及地下工程技术领域，尤其涉及一种水泥-水玻璃双液浆注浆孔距的设计方法。

背景技术：

近年来，随着我国城市地铁工程的大规模建设及城市轨道交通网络的不断完善，新建地铁线路穿越富水砂层、断层破碎带等不良地质条件的情况逐年增多。为了保证隧道的安全开挖，许多工程实践中采用了基于水泥-水玻璃双液浆渗透扩散的超前注浆形式对开挖断面周边围岩进行预加固。水泥-水玻璃双液浆作为典型的速凝型浆液，其能有效封堵地下水的渗流通道，提高围岩的整体稳定性，在隧道周边形成承载结构，保证隧道的施工安全。

注浆实践亦表明，水泥-水玻璃双液浆对不良地质(特别是在富水的情况下)的加固效果尤为显著。但是由于双液浆的速凝特性，即黏度时效性显著，在实际应用过程中其关键施工参数的选取并不像非速凝浆液一样具有一套合理、完善的设计方法，同时计算过程中未考虑到双液浆不同于单液浆的注入方式导致的黏度空间差异性。由于双液浆的渗透注浆扩散机制不明确，目前的隧道超前注浆设计时往往采用不考虑浆液黏度时效性的公式进行计算，而这将会过分预估浆液的扩散能力，导致渗透注浆的钻孔间距明显偏大，进而目标加固区域得不到有效的加固，增大了隧道开挖过程中的涌水溃砂风险，不利于施工安全。

因此，完善现有的双液浆渗透注浆钻孔间距的设计方法以充分加固围岩、节省造价，是当前隧道超前注浆设计领域亟待解决的问题。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是在于，针对现有的隧道超前注浆设计中未考虑到的因素(如：双液浆的黏度时效性及黏度空间效应)，提出一种水泥-水玻璃双液浆注浆孔距的设计方法。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种水泥-水玻璃双液浆注浆孔距的设计方法，包括以下步骤：

步骤一，设定水泥-水玻璃双液注浆的初始参数，并根据表征双液浆黏度时空效应的表达式并结合渗流力学基本理论建立考虑水泥-水玻璃双液浆黏度时空效应的柱形渗透扩散理论模型；

步骤二，将初始参数代入到理论模型中，计算不同注浆压力下浆液的扩散半径，并找出注浆压力线性变化时扩散半径出现非线性的突变点，以突变点对应的注浆压力和浆液扩散半径作为最佳值；

步骤三，采用两序次注浆方法，ⅰ序孔间距采用浆液扩散半径的两倍，ⅱ序孔布置于ⅰ序孔之间，距原ⅰ序孔的距离为浆液扩散半径值，对目标区域进行补充注浆。

所述的一种水泥-水玻璃双液浆注浆孔距的设计方法，所述的双液注浆的初始参数包括：初始扩散半径l，双液浆的屈服剪切力τ0，注浆点处的地下水压力pw，注浆压力p0，毛细管半径r0，双液浆黏度参数a和b，受注地层孔隙度φ，浆液柱形扩散的高度m，受注地层渗透率k，注浆管内浆液的流速v0。

所述的一种水泥-水玻璃双液浆注浆孔距的设计方法，步骤一中所述的水泥-水玻璃双液浆渗透扩散理论模型为：选取半径为r0的毛细管，在毛细管中取一段与管轴同轴的流体柱微元素，流体柱半径为r，且r≤r0，长度为dl，流体柱的左右两端分别作用压力p和p+dp，其中dp为p的增量，流体柱的表面上所受剪切应力为τ，其方向与浆液的流动方向相反；步骤一中所述的表征双液浆黏度时空效应的表达式为：

式中：μ(t)为浆液的黏度时变函数，μ(t)＝at^b，l0为注浆管半径；

启动压力梯度λ采用如下方法计算：

式中：τ0为浆液的屈服剪切力，用来表征浆液的塑性性质；

被注介质渗透率k采用如下方法计算：

所述的一种水泥-水玻璃双液浆注浆孔距的设计方法，步骤一中所述的浆液扩散半径l1的计算公式为：

式中：a、b均为常数，根据双液浆的黏度-时间曲线拟合得到；l0为注浆管半径；v0为注浆管内浆液的流速；m为浆液柱形扩散的高度；φ为受注地层的孔隙度；注浆压力和水压力之差δp＝p0-pw，p0为注浆孔处的注浆压力，pw为注浆点处的地下水压力；k为被注介质渗透率；λ为浆液的启动压力梯度。

所述的一种水泥-水玻璃双液浆注浆孔距的设计方法，所述的步骤二中，找出注浆压力线性变化时扩散半径出现非线性的突变点，是基于随着注浆压力的不断增大，双液浆扩散半径亦随之增大的原理，来计算注浆压力每增加1mpa时，浆液扩散半径的增加量；并找到增加量快速减小的突变点，以此突变点所对应的注浆压力和浆液扩散半径作为最佳值。

所述的一种水泥-水玻璃双液浆注浆孔距的设计方法，在执行步骤三前，还包括判断所选择的注浆压力是否满足现场的安全施工要求的步骤，若不满足，则返回步骤一调整注浆设计参数重新计算，若满足，则根据此注浆压力对应的浆液扩散半径进行钻孔间距的设计。

所述的一种水泥-水玻璃双液浆注浆孔距的设计方法，所述的最佳注浆压力应大于注浆点处的地下水压力，并小于试验段保证地表隆起不超限时的最大压力和注浆泵所能施加的最大压力，以此来判断是否满足安全要求。

所述的一种水泥-水玻璃双液浆注浆孔距的设计方法，所述的注浆点处的地下水压力采用如下方法计算：

pw＝ρgh

式中：ρ为水的密度；h为注浆段的埋深；

所述的试验段保证地表隆起不超限时的最大压力，通过增加注浆压力至地表隆起接近限值时记录得到；

所述的注浆泵所能施加的最大压力，通过注浆泵铭牌得到。

本发明的考虑水泥-水玻璃双液浆黏度时空效应时注浆孔距的设计方法，与现有的隧道超前注浆设计方法相比，其优点在于：传统的隧道超前注浆设计中并没有考虑水泥-水玻璃双液浆的黏度时效性，而这将会过分预估浆液的扩散能力，导致渗透注浆的钻孔间距明显偏大，进而目标加固区域得不到有效的加固。而本发明中，充分考虑了双液浆的黏度时效性和黏度空间效应，其理论计算结果能够较为真实的反映出浆液的扩散能力，保证了设计参数的合理性与经济性，最大限度的降低了隧道开挖过程中的涌水溃砂风险。本发明适用性强，对于隧道工程预注浆的设计与施工均具有较高的指导性意义。

附图说明

图1为本发明的注浆孔距设计流程图。

图2为本发明的水泥-水玻璃双液浆柱形扩散示意图。

图3为浆液在毛细管道中的流动示意图。

图4为水泥-水玻璃双液浆的黏度-时间曲线。

图中：

1—a浆液、2—b浆液、3—注浆压力p0、4—地下水位、5—止浆岩盘、

6—加固体、7—水泥-水玻璃双液浆的黏度-时间曲线、8—初凝、9—终凝。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明进行进一步说明。

如图1所示，本设计方法分为以下步骤：

(1)根据工程经验初步确定双液注浆的初始参数，建立考虑水泥-水玻璃双液浆黏度时空效应的柱形渗透扩散理论模型；

(2)将相关初始参数代入到理论模型中，计算不同注浆压力下浆液的扩散半径，根据计算结果绘制注浆压力-浆液扩散半径曲线图，根据此曲线的变化情况选择最佳的注浆压力和浆液扩散半径；

(3)判断所选择的注浆压力是否满足现场的安全施工要求，若不满足，则调整注浆设计参数重新计算，若满足，则可以根据此注浆压力对应的浆液扩散半径进行钻孔间距的设计；

(4)采用两序次注浆方法，ⅰ序孔间距采用浆液扩散半径的两倍，ⅱ序孔内插于ⅰ序孔，对目标区域进行补充注浆，其间距采用浆液扩散半径值。

双液注浆的初始参数包括：初始扩散半径l0，双液浆的屈服剪切力τ0，注浆点处的地下水压力pw，注浆压力p0，毛细管半径r0，双液浆黏度参数a和b即水泥和水玻璃的黏度参数，受注地层孔隙度φ，浆液柱形扩散的高度m，受注地层渗透率k，注浆管内浆液的流速v0。

l0为注浆管半径；屈服剪切力τ0可采用旋转黏度计或毛细管黏度计测定得到；地下水压力pw由公式pw＝ρgh计算得到(ρ为水的密度，h为注浆段的埋深)；注浆压力p0采用在注浆孔附近安装压力表，由现场测试数据得到；渗透率k由公式k′＝kρg/μw计算得到(k′为渗透系数，μw为水的黏度)；孔隙度φ可在室内或现场测定得到；在已知k和φ的前提下可计算出毛细管半径r0；黏度参数a和b可由室内浆液特性试验得出相关数据后拟合得到；柱形扩散的高度m可根据工程设计要求获得；浆液的流速v0可由现场实测得到。

如图2所示，a浆液1和b浆液2在注浆管口处混合，然后在注浆压力3的作用下注入地层中。由于上部有止浆岩盘5的阻隔，混合后的浆液只能在目标加固区域内渗透扩散，最终形成柱形加固体6，地下水位4位于止浆岩盘的上方。

如图3所示，水泥-水玻璃双液浆渗透扩散理论模型为：选取毛细管半径为r0，在毛细管中取一段与管轴同轴的流体柱微元素，流体柱半径为r(r≤r0)，长度为dl，流体柱的左右两端分别作用压力p和p+dp，流体柱的表面上所受剪切应力为τ，其方向与浆液的流动方向相反。

根据表征双液浆黏度时空效应的表达式并结合渗流力学基本理论，可得浆液扩散半径的计算公式为：

式中：a、b均为常数，可根据双液浆的黏度-时间曲线拟合得到；l0为注浆管半径；v0为注浆管内浆液的流速；m为浆液柱形扩散的高度；φ为受注地层的孔隙度；δp＝p0-pw，p0为注浆孔处的注浆压力，pw为注浆点处的地下水压力；k为被注介质渗透率；λ为浆液的启动压力梯度。

如图4所示，图4中的曲线为水泥-水玻璃双液浆的黏度-时间曲线，从纵轴上所作的接近原点且与x轴平行的虚线表示初凝，另一条离原点较远的虚线表示终凝，水泥-水玻璃双液浆的黏度随时间的增长符合幂函数变化规律。工程中一般采用水泥浆水灰比为1且双液体积比也为1的浆液，此时，双液浆的黏度时变函数为：μ(t)＝at^b＝0.003182t^2.23。

表征双液浆黏度时空效应的表达式为：

式中：μ(t)为浆液的黏度时变函数。

启动压力梯度λ采用如下方法计算：

式中：τ0为浆液的屈服剪切力，用来表征浆液的塑性性质。

被注介质渗透率k采用如下方法计算：

注浆压力-浆液扩散半径曲线图中，随着注浆压力的不断增大，双液浆扩散半径亦随之增大。根据曲线的走势，计算注浆压力每增加1mpa时，浆液扩散半径的增加量；找到增加量快速减小的突变点，以此突变点所对应的注浆压力和浆液扩散半径作为最佳值。

最佳注浆压力应大于注浆点处的地下水压力，并小于试验段保证地表隆起不超限时的最大压力和注浆泵所能施加的最大压力，以此来判断是否满足安全要求。

注浆点处的地下水压力采用如下方法计算：

pw＝ρgh

式中：ρ为水的密度；h为注浆段的埋深。

试验段保证地表隆起不超限时的最大压力，通过增加注浆压力至地表隆起接近限值时记录得到。

注浆泵所能施加的最大压力，通过注浆泵铭牌得到。

具体注浆方法采用两序次注浆即分两次进行注浆。ⅰ序孔即第一次注浆的多个孔洞之间的间距采用浆液扩散半径的两倍，ⅱ序孔内插于ⅰ序孔即ⅱ序孔布置于ⅰ序孔之间，对目标区域进行补充注浆(补充加固各注浆体之间的未注浆区域)，其间距采用浆液扩散半径值。