隧道与地下工程围岩裂隙水注浆治理设计方法

摘要

本发明公开了一种隧道与地下工程围岩裂隙水注浆治理设计方法，包括分析区域地质与水文地质条件、查明主控含导水裂隙基本地质特征、分析测试典型注浆治理材料的理化性质、构建裂隙通道内注浆扩散控制方程、基于注浆过程控制的注浆压力理论值计算、基于围岩稳定性分析的极限注浆压力计算、确定注浆终压与钻孔间距设计值、制定注浆结束标准、动态设计地下工程围岩裂隙水注浆治理方案等步骤。采用本设计方法后，可实现隧道与地下工程围岩裂隙水注浆封堵工程中关键技术参数的科学选取，取得良好的注浆效果。

说明书

技术领域

本发明属于地下工程突涌水害防治领域，尤其是隧道与地下工程围岩裂隙水注浆治理设计方法。

背景技术

隧道与地下工程建设过程中，节理裂隙破坏了岩体完整性，增加岩体的空隙度和渗透性，当地下工程开挖岩体后，含导水裂隙被揭露，地下水随之涌出甚至发生突水灾害，造成人员伤亡和重大财产损失。目前，注浆已成为隧道与地下工程围岩裂隙水水害控制的主要方法。然而，注浆工程隐伏性造成环形通道注浆治理方案制定和设计往往依赖经验，尤其是注浆压力和注浆孔间距选择由于缺乏科学指导而导致设计值偏差较大。若注浆压力过大，则高压注浆对围岩施加过大荷载，不利于岩体稳定而导致围岩破坏；若注浆压力过小或揭露同一裂隙通道的注浆孔间距过大，则含导水裂隙不能完全被封封而存在封闭不良区段，注浆效果较差。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种隧道与地下工程围岩裂隙水注浆治理设计方法。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

隧道与地下工程围岩裂隙水注浆治理设计方法，包括以下步骤：

A.分析区域地质与水文地质条件：综合运用地质分析及地球物理探查手段，分析区域地质与水文地质条件，定性分析研究区地质构造发育特征、节理裂隙发育特征、威胁地下工程建设的水源含水层与地下水补径排条件；圈定地下工程围岩中裂隙水富集区域。

B.查明主控含导水裂隙基本地质特征：利用已开挖地下工程空间，开展现场地质调查、测量及水文地质试验，确定主控含导水裂隙基本特征及其与次要节理裂隙间的水力联系。

C.分析测试典型注浆治理材料的理化性质：通过室内试验获取不同配比浆液粘度随时间变化规律及浆液凝胶时间。

D.构建裂隙通道内注浆扩散控制方程：概化边界条件建立裂隙通道内注浆扩散模型，进一步分析浆液扩散力学过程，推导浆液扩散控制方程。

E.基于注浆过程控制的注浆压力理论值计算：根据注浆扩散控制方程计算注浆压力理论最大值。

F.基于围岩稳定性分析的极限注浆压力计算：分析注浆作用下地下工程围岩变形及破坏特征，确定裂隙水注浆封堵工程的极限注浆压力值。

G.确定注浆终压与钻孔间距设计值：综合考虑注浆过程控制和围岩稳定性，确定注浆治理工程注浆终压及其对应的浆液扩散距离，进一步确定注浆孔间距，指导注浆孔布置形式。

H.制定注浆结束标准：基于注浆速率、注浆压力和注浆时间提出单次注浆结束条件。

I.动态设计地下工程围岩裂隙水注浆治理方案：从注浆材料选择、注浆压力控制、注浆结束标准确定、注浆孔布置等方面制定注浆方案；工程实施过程中根据反馈信息适时调整注浆压力、钻孔间距、钻孔数量等。

所述步骤A中分析区域地质与水文地质条件具体包括：

全面搜集研究区区域地质资料，分析围岩地层类型、岩性特征及其含水性，划分主要裂隙含水层和隔水层，确定威胁地下工程建设和安全运营的致灾裂隙含水层及其裂隙导水通道成因类型；运用构造地质学手段重点分析围岩中构造裂隙力学性质及产状，定性分析其含导水性。分析地下工程工程勘察资料，绘制大比例尺水文地质及工程地质剖面图，掌握致灾裂隙含水层和地下工程间的空间位置关系，分析地下水的补径排条件。运用地质分析与地球物理探查手段圈定围岩中富水区位置、规模。

所述步骤B中查明主控含导水裂隙地质信息具体包括：

利用地下工程已开挖空间，开展现场地质调查及测量研究，分析地下工程围岩中裂隙组数、间距、产状、充填情况、裂隙宽度、延伸长度等基本特征。根据裂隙通道空间发育程度以及其与富水区的位置关系，辨识主控含导水通道。选择主控含导水通道揭露的涌水点或探放水钻孔开展压水试验，注入示踪剂，查找裂隙网络间的水力联系，确定次要含导水通道。

所述步骤C中分析测试典型注浆治理材料的理化性质具体包括：

以地下工程水害治理常用的水泥单液浆和水泥-水玻璃双液浆为对象，开展室内浆液凝胶试验，测定不用配比浆液的初凝时间。所述的水泥单液浆是指由干水泥和水搅拌混合而成的浆液，其配比用水灰比w/s表示，是指浆液中干水泥与水的质量比。所述的水泥-水玻璃双液浆是指由水泥单液浆和水玻璃混合而成的浆液，其配比用C:S表示，是指浆液中水泥单液浆与水玻璃浆的体积比。所述的初凝时间是指浆液配制时刻起，因粘度增大而由液态转化为固态的对应的时间。通过粘度测试试验获得水泥-水玻璃浆液的粘度随时间的变化曲线，经数据拟合后得到粘度时变函数；

经数据拟合后浆液粘度时变函数可用下式表示：

μ(t)＝ktⁿ+μ₀

式中，μ(t)—浆液粘度时变函数，t—注浆时间，μ₀—浆液初始粘度，k与n—浆液粘度时变参数。

所述步骤D中构建裂隙通道内注浆扩散控制方程具体包括：

建立含水裂隙中注浆扩散物理模型，基于静力平衡原理推导浆液运动平衡方程；结合浆液粘度时变函数与质量守恒原理，提出浆液扩散力学分析模型，进一步构建含导水裂隙中浆液扩散控制方程；如下式所示：

式中，p_g—注浆压力理论值，q—注浆速率，α—裂隙倾角，θ—浆液扩散方向方位角，b—裂隙宽度，τ₀—浆液屈服剪切力，k与n—浆液粘度时变参数，ρ—浆液密度，g—自由加速度，R—注浆压力对应的浆液扩散距离，r₀—注浆孔半径，p_w—地下水的静水压力。

所述步骤E中基于注浆过程控制的注浆压力理论值计算具体包括：

分析含导水裂隙通道内注浆扩散控制方程，确定影响浆液扩散过程的主要因素，获得粘度时变浆液注浆过程中注浆压力组成部分，所述的粘度时变性浆液是指水泥-水玻璃双液浆，所述的注浆压力由扩散区浆液粘滞力、浆液与裂隙侧壁摩擦力及静水压力组成。理论分析中，裂隙侧壁假设为光滑面，故浆液与通道侧壁摩擦力可忽略。根据研究区主控含导水裂隙尺寸及初始注浆速率，计算实际工程条件下水泥-水玻璃双液浆扩散过程中最大粘滞力，当注浆区静水压力测得后，注浆压力理论值即可求得。所述的含导水裂隙尺寸是指理想条件下裂隙隙宽。所述的注浆速率是指单位时间内注入到环形通道内的注浆量。所述的最大粘滞力是指水泥-水玻璃双液浆初凝时间对应的扩散区浆液粘滞力之和。所述的注浆压力理论值等于扩散区浆液最大粘滞力与注浆区静水压力之和。

所述步骤F中基于围岩稳定性分析的极限注浆压力计算具体如下：

根据工程地质勘察资料获取的地层的岩石基本力学参数，以主控含导水裂隙为原型，建立单裂隙高压注浆封堵三维数值分析模型，分析不同注浆压力下地下工程围岩变形及破坏规律，将注浆过程中围岩产生明显变形的注浆压力确定为极限注浆压力，注浆工程中注浆压力不可以超过该注浆压力。

所述步骤G中确定注浆终压与钻孔间距设计值具体如下：

根据研究区水文地质资料确定注浆治理区域地下水静水压力，据此确定注浆压力理论值。综合考虑注浆压力理论值和极限注浆压力，确定注浆工程中的注浆终压。

所述的注浆终压确定原则为：若注浆终压理论值小于极限注浆压力，则选取注浆终压理论值为注浆终压设计值；否则以极限注浆压力为注浆终压设计值。根据浆液扩散控制方程，计算与注浆终压设计值相对应的浆液扩散距离，并以此作为封堵同一含导水裂隙通道的相邻注浆孔间距。

所述步骤H中制定注浆结束标准具体包括：

注入水泥单液浆达到终压后，注浆速率降低至50～60L/min且稳定30min，可结束注浆；若浆液为水泥-水玻璃双液浆，注浆压力达到终压，且两种浆液的总注浆速率降至100L～200L/min且稳定30min，可结束注浆。

所述步骤I中动态设计地下工程围岩裂隙水注浆治理方案包括：

从注浆材料配比选择、注浆压力控制、注浆结束标准确定、注浆孔布置、注浆过程控制等方面制定注浆方案，按照该方案在注浆区域内开展注浆治理工程，并根据注浆过程及时调整注浆压力、钻孔间距、钻孔数量等关键参数。

本发明的有益效果是：

1、节理裂隙是隧道与地下工程水害的重要致灾通道类型，常用的处治方法是注浆。在工程设计阶段，注浆压力、注浆孔间距、注浆结束标准是注浆设计的重要组成部分，它们的合理选择关系到注浆工程的成败。以往的裂隙水治理注浆设计中，这些关键参数的获取仅仅是依靠工程经验，缺乏合理的理论指导。本发明从注浆治理工程常用的浆液流变性入手，通过理论研究建立满足治理区工况条件的浆液扩散理论方程，获取了注浆压力、注浆速率及浆液扩散距离之间的定量关系，为注浆终压、注浆结束标准以及注浆孔间距选择奠定科学依据。

2、地下工程建设后，开挖空间揭露导水裂隙引起的涌水是最常见且难以根治的地质灾害。治理过程中，注浆孔从开挖空间侧壁向围岩内部施工，直至揭露裂隙；由于裂隙与地下工程侧壁斜交，裂隙与地下工程侧壁间距变化较大，注浆过程中围岩耐压程度差别显著。注浆工程实施期间，注浆压力以荷载形式施加在注浆孔侧壁上。若注浆压力过大，则高压注浆对围岩施加过大荷载，不利于围岩稳定而导致工程围岩失稳破坏，因此控制注浆压力在合理的范围之内，对围岩稳定性具有重要作用。本发明中结合理论分析和围岩稳定性分析综合确定合理的注浆压力设计值，对确保注浆过程中围岩安全稳定具有重要作用。

3、本发明基于理论分析，提出了一套隧道与地下工程围岩裂隙水注浆治理设计方法，结合现场工况条件，即可获取注浆关键技术参数，与以往工程经验结合后可以更好地应用于工程实践。

附图说明

图1是地下工程围岩裂隙水注浆治理设计方法示意图；

图2是含导水裂隙注浆扩散物理模型；

其中，2-1：含导水裂隙；2-2：围岩；2-3：注浆孔；2-4：地下水；2-5：注入浆液。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

某铁矿为典型的大水金属矿山，其矿体为矽卡型铁矿床。矿区内大理岩与岩浆岩穿插剧烈，岩溶作用强烈，矿井涌水量超过4×10⁴m³/d。2号矿体－270m水平巷道开拓中，揭露多个涌水点，迎头涌水量达到89m3/h。为防止法发生大的水害事故，需要对矿体及围岩中含导水裂隙进行注浆封堵。注浆治理方案即按照以下步骤制定。

A.分析区域地质与水文地质条件

全面搜集该矿地质与水文地质资料，分析可知本矿矽卡型铁矿床，矿体分布在岩浆岩与大理岩接触带上，且矿体被大理岩包围。岩性上本矿主要有铁矿床、大理岩及岩浆岩，其中大理岩内部岩溶发育，为良好的含水层，矿体及岩浆岩为隔水层。区内地质构造不甚发育，根据以往涌水资料分析，涌水点主要位于矿体与大理岩交界处，该矿涌水原因是接触裂隙带沟通了大理岩中的岩溶裂隙，造成岩溶水通过接触裂隙揭露点涌入矿井。由于前期的巷道及探查钻孔揭露接触裂隙带均有涌水发生，因此认为接触裂隙带区域即为地下水富集区。

B.查明主控含导水裂隙基本地质特征

利用该矿巷道及探水钻孔，开展现场地质调查及测量研究，分析发现矿体及围岩中裂隙主要与接触裂隙带平行，规模较小，且多为方解石脉充填，为不导水裂隙。因此本矿的主控含导水裂隙是矿体与大理岩间的接触裂隙带。根据以往揭露情况，接触裂隙带主要有1～2条裂隙，宽度0.2～0.7cm。利用探放水钻孔开展了压水试验，注入水中选择高锰酸钾作为示踪剂，结果表明区域内接触裂隙带内地下水连通性好，大部分围岩中节理裂隙已被方解石脉充填，基本不具有沟通接触带的能力。

C.分析测试典型注浆治理材料的理化性质

以矿井水害防治常用的水泥单液浆和水泥-水玻璃双液浆为对象，开展室内浆液凝胶试验。注浆材料选用P.O32.5硅酸盐水泥，水玻璃波美度38，模数3.0。通过试验测得两种配比的水泥-水玻璃的理化性质：

(1)w/s＝1，且C:S＝1:1的水泥-水玻璃双液浆，初凝时间为85s；

(2)w/s＝1，且C:S＝2:1的水泥-水玻璃双液浆，初凝时间为50s；

通过粘度测试试验获得了以上两种浆液的粘度随时间的变化曲线，经数据拟合后浆液粘度时变函数可用下式表示：

μ(t)＝ktⁿ+μ₀

式中，μ(t)—浆液粘度时变函数，t—注浆时间，μ₀—浆液初始粘度，k与n—浆液粘度时变参数。

D.构建裂隙通道内注浆扩散控制方程

概化主控含导水裂隙边界条件，提出基本理论假设，建立注浆扩散物理模型,物理模型中裂隙2-1两侧为理想化围岩2-2，裂隙宽度为b，注浆孔2-3半径为r0，地下水2-4的静水压力为pw，注入浆液2-5产生的注浆压力为pg，浆液扩散距离为R，注浆速率为q；根据静力平衡原理提出浆液运动平衡方程，结合浆液粘度时变函数与质量守恒原理，建立浆液扩散力学分析模型，进一步推导出含导水裂隙通道内浆液扩散控制方程，如下式所示

式中，p_g—注浆压力理论值，q—注浆速率，α—裂隙倾角，θ—浆液扩散方向方位角，b—裂隙宽度，τ₀—浆液屈服剪切力，k与n—浆液粘度时变参数，ρ—浆液密度，g—自由加速度，R—注浆压力对应的浆液扩散距离，r₀—注浆孔半径，p_w—地下水的静水压力。

E.基于注浆过程控制的注浆压力理论值计算

分析含导水裂隙通道内注浆扩散控制方程，确定影响浆液扩散过程的主要因素有注浆参数(即注浆速率q)、注浆材料配比(即粘时变参数n和k)、裂隙尺寸(即b)以及地下水静水压力(即p_w)，且注浆压力的产生是不断增加的浆液粘滞力与地下水压力叠加的结果。根据实际工程，将A中参数带入到浆液扩散控制方程中，可计算水泥-水玻璃双液浆初凝时扩散区浆液最大粘滞力，当注浆区静水压力测得后，注浆压力理论值即可求得。

F.基于围岩稳定性分析的极限注浆压力计算

根据工程地质勘察资料获取的地层的岩石基本力学参数，以矿体与大理岩接触裂隙为原型，建立单裂隙高压注浆封堵三维数值分析模型，分析不同注浆压力下地下工程围岩变形及破坏规律，将注浆过程中围岩产生明显变形的注浆压力确定为极限注浆压力，注浆工程中注浆压力不可以超过该注浆压力。

G.确定注浆终压与钻孔间距设计值

根据矿井水文地质观测孔确定注浆施工区域地下水静水压力，据此确定注浆压力理论值。注浆终压确定原则为：若最大理论值小于极限注浆压力，则选取注浆压力理论最大值为注浆终压设计值；否则以极限注浆压力为注浆终压设计值。根据浆液扩散控制方程，计算与注浆终压设计值相对应的浆液扩散距离，并以此作为相邻注浆孔间距。

H.制定注浆结束标准

注入水泥单液浆达到终压后，注浆速率降低至50～60L/min且稳定30min，可结束注浆；若浆液为C-S双液浆，注浆压力达到终压，且两种浆液的总注浆速率降至100L～200L/min且稳定30min，可结束注浆。

I.动态设计地下工程围岩裂隙水注浆治理方案

从注浆材料配比选择、注浆压力控制、注浆结束标准确定、注浆孔布置等方面制定注浆方案，按照该方案在注浆区域内开展注浆治理工程，并根据注浆过程及时调整注浆设计方案。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。