考虑浆液自重的盾构隧道管片注浆浆液渗透扩散模型

为研究盾构隧道管片注浆的渗透扩散模型,以宾汉姆浆液流体为研究对象,基于广义达西定律(毛管组理论),并运用相关流体力学理论,推导了考虑浆液自重的盾构隧道管片注浆渗透扩散模型的计算公式,并分析了其适用范围及各参数的确定方法。结合具体计算案例,讨论了注浆参数(注浆压力、注浆时间)、地层特性(地层渗透系数)等主要因素对浆液扩散半径的影响及浆液对管片总压力的影响。结果表明:考虑浆液自重后,浆液的扩散范围呈椭球形;相同的注浆压力下,顶部注浆孔的浆液扩散范围小于底部注浆孔浆液扩散范围(顶部注浆孔出现最小扩散半径,底部注浆孔出现最大扩散半径);注浆压力、注浆时间及地层渗透系数增大,浆液扩散半径也增大,但其增长速率均减小;注浆压力增大,管片所受的注浆压力增大,单位管片所受的浆液压力呈线性增长,考虑浆液自重后,上部单位管片所受的浆液压力大于下部单位管片所受的浆液压力;注浆压力越大,注浆时间越长,地层渗透系数越大,最大扩散半径与最小扩散半径的差值越大,即浆液自重对浆液扩散半径的影响越大。     

基于流体时变性的隧道劈裂注浆机理研究

水泥复合浆液流变参数的时变性对注浆扩散范围计算值影响很大。基于宾汉体流变方程和平板裂缝理想平面流模型,推导了考虑流体时变性的土体劈裂注浆扩散半径计算公式。由公式可知,土体劈裂压力、裂隙宽度、浆液流速、流变参数的时变性是影响扩散半径的重要因素。计算分析了劈裂注浆过程中劈裂压力随缝隙宽度的变化以及流变参数对扩散半径的影响规律。结果表明,忽略流体时变性注浆扩散半径计算值明显偏大,会给注浆工程设计带来隐患。结合厦门机场路隧道全风化花岗岩地层注浆试验,发现水泥复合浆液劈裂注浆加固效果良好,扩散半径理论计算值基本符合工程实际;研究成果对风化花岗岩地层劈裂注浆的设计和施工具有一定的指导意义。     

盾构同步注浆浆液固结及压力消散两相渗流理论模型研究

盾构隧道同步注浆过程中,由于浆液注入盾尾间隙后的压力高于地层静水压力,所以浆液会扩散到地层中发生渗流,并随着时间发生固结,浆液压力随之消散。在现有的分析模型中,浆液在地层中的渗流被看作单相流问题,忽略浆液与地下水在地层中渗流的差异性。在现有解析公式的基础上,将浆液在地层中的压力消散和渗流视为二维的两相流模型,分析浆液渗流以及驱替作用下地下水渗流引起的水头损失,并且考虑浆液黏度时变性的影响,推导盾构同步注浆浆液固结及压力消散的两相渗流理论模型。研究结果表明,浆液黏度时变性对浆液固结及消散的压力稳定值和体积损失率等计算结果有较大影响,浆液固结及压力消散理论模型中应根据固结时间和浆液扩散范围考虑浆-水两相渗流过程。     

分形插值不规则断层的浆液扩散规律研究

为研究浆液在不规则断层内的扩散规律,基于自仿射分形插值曲面理论构建不规则断层,结合裂隙岩体注浆理论对断层形态、浆液黏度和注浆孔的布置对浆液扩散的影响进行了深入研究。研究结果表明：断层凹凸不平使得断层宽度呈随机分布,导致浆液呈非圆（柱）形扩散,不能依据浆液扩散半径公式来设计和布置注浆孔间距;在断层窄处,节点注浆压力等值线间距小,压力梯度大,反之亦然;浆液黏度越大,浆液所谓的惰性越强,扩散距离明显缩短,在断层注浆工程中,应结合浆液流变试验和浆液扩散数值分析成果,来优化浆液选型及配比。     

裂隙岩体注浆中的浆液–岩体耦合效应分析

基于岩体卸荷–加载理论与平板裂隙浆液运移方程,建立考虑浆液对岩体单向耦合作用的裂隙岩体注浆理论模型,对注浆过程中浆液与围岩的相互作用展开研究。研究表明,裂隙岩体注浆伴随着浆液压力对岩体卸荷与重新加载过程,岩体完全卸荷后,隙宽将随浆液压力增加,对于近似水平展布的裂隙,隙宽增量随扩散距离近似呈线性衰减,裂隙越小衰减速率越快。岩体受浆液卸荷影响范围大于浆液扩散范围,裂隙越小受浆液–岩体耦合作用越显著。裂隙组中相邻的裂隙在注浆过程中相互影响,较大裂隙进一步张开,较小裂隙趋于闭合,导致浆液在微小裂隙中的扩散范围减小或无法注入,并在较大裂隙中大量无效扩散,单纯提高注浆压力不会改善对较小裂隙的注浆封堵效果。研究结论对裂隙岩体注浆工程提供了一定指导与借鉴。     

基于浆液黏度时空变化的水平裂隙岩体注浆扩散机制

 速凝类浆液的双液混合注浆方式及其黏度时变特性导致浆液扩散区内黏度空间分布不均匀。基于此,认为速凝类浆液流型为具有黏度时变性的宾汉流体,研究其在静水条件下水平裂隙中的注浆扩散过程,建立了恒定注浆速率条件下考虑浆液黏度时空变化的水平裂隙注浆扩散理论模型,推导了浆液扩散区内的黏度及压力时空分布方程,进而得到注浆压力与注浆时间及浆液扩散半径的关系。通过与不考虑黏度空间不均匀性所得结果进行比较,说明考虑黏度空间不均匀的必要性。通过在数值计算模型中预定义黏度空间分布函数,实现了考虑黏度空间分布不均匀性的裂隙注浆数值模拟。通过理论分析、数值模拟与试验结果三者的对比,验证了理论分析及数值模拟的合理性,希望为实际注浆工程中注浆参数的确定提供一定借鉴。     

水泥浆析水性能试验研究

分别开展了水泥浆在重力和压力作用下的析水试验,研究了不同水灰比(mW/mC)条件下水泥浆的析水过程,获得了水泥浆析水对浆液密度和黏度等物理力学性能的影响规律,分析了重力和压力作用下试验结果存在差异的原因;同时结合土体线性压缩劈裂注浆扩散公式,分析了析水作用对注浆扩散范围的影响.结果表明:水泥浆极易发生析水,且析水率高,析水速率快,当mW/mC≥1.5时,析水率达40%以上,造成水泥浆密度和黏度值显著提高;当mW/mC≥1.0时,水泥浆密度值提高10%以上,黏度增大3倍以上;若不考虑水泥浆析水特性,会显著低估其扩散阻力,导致注浆扩散范围计算结果偏大、注浆压力计算结果偏小.     

基于浆液–岩体耦合效应的微裂隙岩体注浆理论研究

在微裂隙岩体注浆工程中,浆液–岩体耦合效应对注浆扩散过程影响显著。基于宾汉流体浆液本构模型并引入两阶段裂隙变形控制方程,建立考虑浆–岩耦合效应的裂隙注浆扩散理论模型。利用质量守恒条件实现浆液扩散锋面追踪与注浆流量分配,通过试错法实现压力场与速度场的迭代求解,建立可完整描述注浆扩散过程的步进式算法。利用所创建的理论模型及步进式算法,分析浆液压力场及裂隙开度的分布规律,并从浆液扩散半径、裂隙变形所吸收的浆液量两个方面分析不同裂隙开度条件下浆–岩耦合效应对裂隙注浆扩散过程的影响程度。研究结果表明:在微裂隙岩体注浆工程中,裂隙宽度越小,浆–岩耦合效应对注浆扩散过程的影响越显著,注浆压力取代裂隙初始隙宽成为影响浆液扩散半径的主控因素。最后结合青岛地铁花岗岩微裂隙注浆工程实例验证了理论模型及步进式算法的正确性。     

速凝浆液裂隙动水注浆扩散数值模拟与试验验证EI北大核心CSCD

针对动水注浆中常用的2种速凝浆液,水泥–水玻璃浆液与高聚物改性水泥浆液,考虑浆液黏度时变特性,应用有限元计算软件COMSOL Multiphysics建立动水条件下裂隙注浆扩散的数值模型,研究动水条件下裂隙注浆扩散规律并分析不同黏度时变特性、初始动水流速与注浆速率对注浆扩散过程的影响,并将数值模拟结果与模型试验进行对比,验证数值模拟方法的有效性。研究结果表明:浆液扩散形态在逆水方向和顺水方向表现出明显的差异性;进水边界处的压力逐渐趋近于远端的地下水压强,注浆初期在裂隙边界附近及绕流区内流速较高,注浆后期整个裂隙内的流速变化幅度不大;在试验条件下,初始动水流速与注浆速率的提高均会导致裂隙内压力及流速的增加,注浆速率对裂隙内压力分布的影响比初始动水流速显著;C-S浆液与GT–1浆液扩散规律类似,但由于两者黏度时变性的差异导致两者扩散规律稍有差别。     

考虑浆-土参数动态变化的砂卵石土柱面渗透注浆机制研究

基于FLAC3D fish语言实现考虑浆液和砂卵石土参数动态变化的渗流场与应力场耦合下注浆扩散过程模拟,研究浆液在砂卵石土中柱面渗透扩散机制,并研究地层渗透系数K、浆液水灰比W/C及注浆压力P等注浆参数变化对浆液扩散半径L的影响,并将注浆参数应用于浅埋暗挖隧道工程,基于现场工程施工检测结果验证本文注浆参数的合理性;研究结果表明:考虑浆液、土层参数的动态变化的流固耦合作用数值模拟方法可以很好地分析砂卵石土中浆液扩散过程。在注浆前期较小一段时间内扩散半径随时间增加而增大的幅度明显大于后期且扩散半径存在极限值;渗透系数K为0.20,0.40cm/s时,K变化对扩散半径L影响最为明显;在水灰比W/C为0.8~0.9时,W/C变化对扩散半径L影响最为明显,W/C为0.8~0.9可作为注浆时水灰比控制的范围;提高注浆压力对注浆前期浆液扩散速率有较大的促进作用,注浆压力宜控制为1.0~2.0 MPa。     

速凝浆液裂隙动水注浆扩散数值模拟与试验验证

针对动水注浆中常用的2种速凝浆液,水泥–水玻璃浆液与高聚物改性水泥浆液,考虑浆液黏度时变特性,应用有限元计算软件COMSOL Multiphysics建立动水条件下裂隙注浆扩散的数值模型,研究动水条件下裂隙注浆扩散规律并分析不同黏度时变特性、初始动水流速与注浆速率对注浆扩散过程的影响,并将数值模拟结果与模型试验进行对比,验证数值模拟方法的有效性。研究结果表明:浆液扩散形态在逆水方向和顺水方向表现出明显的差异性;进水边界处的压力逐渐趋近于远端的地下水压强,注浆初期在裂隙边界附近及绕流区内流速较高,注浆后期整个裂隙内的流速变化幅度不大;在试验条件下,初始动水流速与注浆速率的提高均会导致裂隙内压力及流速的增加,注浆速率对裂隙内压力分布的影响比初始动水流速显著;C-S浆液与GT–1浆液扩散规律类似,但由于两者黏度时变性的差异导致两者扩散规律稍有差别。     

水下隧道破碎带地层注浆参数确定方法研究

对水下隧道破碎带地层注浆参数确定方法进行了分析,从注浆加固范围、注浆压力、浆液扩散半径、注浆孔终孔间距、注浆量和注浆速度各方面进行了论述和研究,从而得出了具有一定针对性的注浆参数。     

考虑滤过效应的卵砾石层浆液扩散研究

 渗透注浆过程中水泥颗粒对土体孔隙的堵塞会产生滤过效应,滤过效应在浆液扩散过程中起着非常重要的作用。基于此,研究滤过效应对卵砾石层中注浆浆液扩散的影响。在总结浆液可注入性标准的基础上,考虑浆液滤过过程中水、水泥和土体的质量平衡,引入线性滤过定律,给出一种球孔扩散条件下考虑滤过效应的水泥浆浆液扩散模型,并通过模型理论结果和现场实测数据的对比,说明该方法的合理性和考虑滤过效应的必要性。不同注浆时间和水灰比条件下滤过效应对渗透注浆的影响分析表明,滤过效应导致土体的渗透阻力逐渐增大,土体中注浆压力随时间逐渐增加。浆液水灰比越小,注浆压力越大,滤过效应也越显著。     

深埋盾构隧道同步注浆施工扰动力学问题研究

为研究深埋盾构隧道施工过程中同步注浆对周边土体及既有连拱隧道的扰动影响,将同步注浆浆液对土体的作用简化为无限空间土体中的柱孔扩张问题,基于柱形扩孔理论和统一强度理论,考虑同步注浆时浆液渗流对土体的作用,建立了同步注浆施工扰动力学模型,推导了同步注浆扰动下周围土体弹塑性区内应力场、应变场及位移场的理论计算公式。并以西安地铁四号线航—航区间盾构隧道为例进行了算例分析,研究表明:(1)注浆渗透压力对塑性区范围的影响显著大于注浆压力对塑性区范围的影响,可通过控制注浆渗透压力来减少注浆扰动范围;(2)新建盾构隧道在近距离侧穿既有连拱隧道时,同步注浆产生的施工扰动影响显著,可实时调整同步注浆的注浆压力、注浆量及采取隔离加固措施,确保安全通过。     

富水砂卵石地层注浆加固试验研究

通过自行研制的模拟饱水条件下注浆加固和堵水的试验装置进行单孔注浆试验,分析了注浆压力和浆液扩散规律,试验结果表明:注浆压力存在"脉冲"现象,孔隙水压力越大,"脉冲"现象越明显;凝胶注浆材料在地层中扩散分为两个阶段,地层中水压力越大,浆液扩散半径越小。     

盾构隧道松散地层可控注浆机制及工程应用

 盾构穿越松散地层时,需事先采用开挖(钻孔)回填、压力注浆、旋喷加固等方式对地层进行预处理,以保证盾构施工安全。针对盾构掘进的要求,基于传统袖阀管注浆工艺可控的特点,结合研制的2种可控浆液(可控填料和可控水泥膏状浆液),提出一种具有操作性强、提管便利、加固范围可控以及加固体强度适宜等优点的双控注浆新方法。依据双控注浆新方法的工作原理,重点推导了可控浆液扩散方程及可控填料封孔止浆可控表达式,并定量分析可控浆液的扩散和止浆能力,最后将研究成果成功应用于越江盾构隧道松散地层注浆工程。研究成果表明：提出的可控注浆方法可行,注浆后地层连续性和整体性得到了显著提高,加固区域内检查孔取芯过程钻进平稳,回水正常,芯样完整,加固体28 d抗压强度与渗透系数均达到设计标准;理论推导虽与现场实测值存在一定误差,但能满足工程要求;结合理论推导和现场试验结果,为达到最佳注浆效果,单次注入可控填料封孔高度应综合考虑孔深与分段次数,且不宜大于15 m,径向扩散距离应小于孔排距的25%,可控填料塑性强度宜控制在0.3～0.5 MPa。     

基于黏度时变性的水泥–玻璃浆液扩散机制研究

工程地质灾害治理中,注浆是最常用的方法,浆液的扩散运移规律对工程设计和施工具有重要的意义。采用SV振弦式黏度计测定水泥–玻璃(C-S)浆液的黏度时变性,通过函数拟合获得黏度函数曲线;采用广义宾汉流体本构方程,推导C-S浆液在单一平板裂隙中的压力分布方程;通过平板裂隙注浆模拟试验研究,分析定注浆流量条件下的C-S浆液扩散的压力场分布规律;运用数值计算方法,研究定注浆速率条件下的浆液扩散形态及压力场时空变化规律。结合理论分析、模拟试验和数值计算结果分析C-S浆液扩散机制,希望能够为C-S浆液的工程应用提供一定的借鉴。     

大断面异形盾构同步注浆两阶段复合扩散机制及压力时空分布模式

异形盾构在隧道断面形式多样化发展的情势下越来越多地出现在地铁建设中，因其自身几何形状特性所对应的非常规盾尾间隙和复杂的浆液流动路径让注浆施工控制较为困难，长时间的拼装过程亦使得浆液压力重分布更难明晰。在分析盾构同步注浆充填运动特征和渗透扩散机理的基础上，通过考虑浆液的非预定填充轨迹、黏度时变性以及驱替/渗滤效应，建立更加符合实际情况的浆液填充与渗透复合扩散模型，推导浆液压力和时空扩散距离的理论计算式。由此统一注浆过程中浆液的填充扩散与渗透扩散两阶段，整合浆液压力的传递和消散过程，依托类矩形盾构工程实例获得压力沿管片的3D时空分布规律。研究表明：浆压的传递与消散对管片总的及单位面积受力均有显著影响，填充扩散的计算结果呈上小下大，重力主导的趋势，竖向梯度约为16kPa/m,压力曲线更加饱满，压力槽现象不太明显；该地层和参数条件下的渗透消散计算结果呈非线性变化特征，前期较快后期较慢，达到稳定时间更短，不透水层的形成使得最终浆压与静水压力的差值达到初始渗透压差的46%左右。文中提出的两阶段注浆扩散模型与现场实测结果更加接近，浆液压力分布的局部趋势、波动特征及消散规律与传统方法计算出的结果有显著...     

海底沉管隧道基础注浆扩散规律的试验研究

基础注浆的扩散规律是注浆基础沉管隧道注浆孔设计的重要依据。通过对舟山沈家门海底隧道注浆基础模型试验研究,分别记录了单孔注浆和双孔注浆模式下随注浆试验时间进程的浆液扩散距离和注浆量,分析了注浆浆液扩散距离与时间的关系以及注浆量与时间的关系,总结了注浆扩散的规律。试验结果表明,本文所选用注浆材料和注浆设备在较低注浆压力条件下,扩散半径可达600cm,确保隧道基底空间密实充填,并对注浆孔布置间距提出了建议。其对类似注浆基础沉管隧道工程的注浆扩散半径确定具有借鉴价值。     

渗透注浆浆液扩散半径计算方法研究及应用

为了解决工程实践中渗透注浆浆液扩散半径计算公式相对缺乏及应用性差的问题,在相关假设的基础上,根据达西定律推导出新的渗透注浆浆液扩散半径的计算公式。推导分为注浆孔穿越及未穿越被注岩层两种情况,综合考虑了注浆孔与被注岩层层面夹角及浆液的黏度时变性因素。公式在宁夏某煤矿立井工作面预注化学浆工程中试用,通过在现场工程实践检验,公式具有较好的实用价值。研究对渗透注浆的设计及质量评价具有应用价值。