鄧洪亮，王守凡，李小鵬

(1.北京工業(yè)大學(xué)城市建設(shè)學(xué)部，北京 100124；2.北京市政路橋股份有限公司，北京 100045)

0 引言

目前，隧道及地下工程領(lǐng)域發(fā)展迅速，對(duì)注漿技術(shù)不斷提出新的要求。北京地鐵17號(hào)線工程西壩河站—太陽(yáng)宮站區(qū)間聯(lián)絡(luò)線段及渡線段開挖斷面地層為飽和承壓水砂層，砂層位于黏土層之間，含承壓水且砂層已達(dá)到飽和狀態(tài)，承壓水水頭位于黏土層上方。開挖斷面砂層自身穩(wěn)定性差，且存在承壓水，為隧道開挖帶來(lái)極大難題。此外，由于承壓水的影響，漿液在砂層中難以擴(kuò)散，飽和承壓水砂層注漿面臨新的難題。

砂土孔隙相比其他土體大，注漿時(shí)一般以滲透注漿為主，已有學(xué)者對(duì)滲透注漿理論和技術(shù)開展了大量研究?；谶_(dá)西定律建立的球形擴(kuò)散理論與柱形擴(kuò)散理論成為諸多學(xué)者研究滲透注漿理論的基礎(chǔ)。Bouchelaghem等[1]得到了基于Bear的空間體積平均統(tǒng)計(jì)模型的混相漿液在飽和變形多孔介質(zhì)中的傳播規(guī)律。Saada等[2]、周軍霞等[3]和李術(shù)才等[4]分別考慮了滲濾效應(yīng)和漿液黏度時(shí)變性對(duì)砂土滲透注漿的影響。葉飛等[5-6]、張連震等[7]分別考慮了驅(qū)替效應(yīng)以及動(dòng)水條件對(duì)滲透注漿的影響，并對(duì)動(dòng)水條件下的滲透注漿設(shè)計(jì)及工藝提出了改進(jìn)方法。此外，一些學(xué)者根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)對(duì)富水區(qū)地層注漿施工提出改進(jìn)方案[8-9]。即使如此，目前注漿理論與技術(shù)的發(fā)展仍然滿足不了工程的需要，對(duì)注漿技術(shù)的研究仍顯得十分重要。

誘導(dǎo)注漿技術(shù)是一種新興的注漿方法，其目的是通過(guò)物理以及化學(xué)作用，人為誘導(dǎo)漿液定向擴(kuò)散，達(dá)到預(yù)期的加固效果。黃明利等[10]通過(guò)在土體中布設(shè)誘導(dǎo)孔改變土體在注漿過(guò)程中的應(yīng)力狀態(tài)，從而控制劈裂縫擴(kuò)展方向，達(dá)到誘導(dǎo)劈裂注漿的目的。馮冰[11]提出了布設(shè)卸壓孔誘導(dǎo)注漿的方法，并采用理論計(jì)算與數(shù)值模擬的方法分析了最佳的布孔方式，研究了卸壓誘導(dǎo)注漿擴(kuò)散機(jī)制。此2種誘導(dǎo)注漿方法適用于具有一定強(qiáng)度的硬質(zhì)土層，對(duì)于飽和承壓水砂層，劈裂注漿難以達(dá)到需求的加固強(qiáng)度。Whiffin[12]首次將微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀(microbial induced calcite precipitation，MICP)方法應(yīng)用于土體加固中，發(fā)現(xiàn)該方法可以顯著提高砂土的剪切強(qiáng)度。彭劼等[13]通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了MICP注漿方法的可行性及加固效果。MICP方法適用的加固土層范圍較廣，但大量培養(yǎng)微生物需要高額花費(fèi)，不適用于隧道工程大規(guī)模注漿。

目前，適用于飽和承壓水砂層的誘導(dǎo)注漿方法及理論較少。針對(duì)飽和承壓水砂層這一特殊地質(zhì)條件，本文提出排水誘導(dǎo)驅(qū)替注漿技術(shù)，在飽和承壓水砂層中施加注漿壓力與排水壓力，通過(guò)排水產(chǎn)生的抽吸壓力誘導(dǎo)漿液在飽和承壓水砂層中定向滲透擴(kuò)散，對(duì)飽和承壓水砂層預(yù)定區(qū)域進(jìn)行加固。同以往注漿方法相比，排水誘導(dǎo)驅(qū)替注漿技術(shù)可解決飽和承壓水砂層中承壓水導(dǎo)致的壓漿困難的問(wèn)題，且可同時(shí)達(dá)到定向誘導(dǎo)注漿的效果。本文基于達(dá)西定律和質(zhì)量守恒定律，推導(dǎo)注漿壓力與排水壓力作用下排水誘導(dǎo)驅(qū)替注漿滲流壓力梯度空間分布方程，并結(jié)合飽和砂土定向誘導(dǎo)注漿試驗(yàn)對(duì)注漿壓力與排水壓力作用下排水誘導(dǎo)驅(qū)替注漿的滲流壓力梯度空間分布進(jìn)行研究。

1 排水誘導(dǎo)驅(qū)替注漿可行性分析

1.1 飽和砂土可注性分析

漿液性質(zhì)及砂層自身性質(zhì)決定了砂層的滲透注漿可注性，水泥類顆粒型漿液的流動(dòng)性、穩(wěn)定性和顆粒粒徑等因素決定了這類漿液的可注性及適用范圍，只有在漿液顆粒粒徑小于巖土體孔隙的有效尺寸時(shí)，顆粒類漿液才具有可注性。

可注性判別由被注介質(zhì)孔隙直徑和注漿材料直徑之間的關(guān)系比來(lái)確定。當(dāng)漿液顆粒尺寸比被注介質(zhì)孔隙尺寸小時(shí)漿液可充分注入，反之則不能注入。Burwell[14]、Mitchell[15]提出了可注性的判別參數(shù)和相應(yīng)的判定標(biāo)準(zhǔn)。假定D15、D10分別為砂層顆粒級(jí)配曲線中顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于15%和10%所對(duì)應(yīng)的特征粒徑，d85、d95分別為漿液顆粒級(jí)配曲線中顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于85%和95%所對(duì)應(yīng)的特征粒徑，N=D15/d85，M=D10/d95。當(dāng)N﹥24時(shí)，可注；當(dāng)M﹥11時(shí)，可注；當(dāng)N﹤11時(shí)，不能充分注入；當(dāng)M﹤5時(shí)，不可注。但砂層復(fù)雜的孔隙結(jié)構(gòu)很難通過(guò)簡(jiǎn)單的參數(shù)確定，所以不同可注入標(biāo)準(zhǔn)之間存在一定的差異。

1.2 排水誘導(dǎo)驅(qū)替注漿原理

砂層為多孔介質(zhì)，一般而言，當(dāng)土體的滲透系數(shù)大于10-5cm/s時(shí)，漿液擴(kuò)散方式主要以滲透為主。當(dāng)砂層為飽和承壓水砂層時(shí)，承壓水作為填充砂層孔隙的流體介質(zhì)，具有傳遞壓力的作用。在飽和承壓水砂層中設(shè)置排水管，通過(guò)排水管在飽和承壓水砂層中施加抽吸力，在排水管附近形成負(fù)壓區(qū)域，誘導(dǎo)砂層中的承壓水向排水管流動(dòng)形成滲流通道，從而達(dá)到對(duì)漿液定向誘導(dǎo)的作用，其漿液鋒面擴(kuò)散示意如圖1所示。

圖1 排水誘導(dǎo)驅(qū)替注漿下漿液鋒面擴(kuò)散示意圖

在飽和承壓水砂層進(jìn)行排水誘導(dǎo)驅(qū)替注漿時(shí)，如果在飽和承壓水砂層內(nèi)部一定區(qū)域內(nèi)布置注漿管與排水管，注漿過(guò)程中持續(xù)施加注漿壓力與排水壓力，飽和承壓水砂層中將形成高低壓力場(chǎng)，漿液作為另一種流體將會(huì)向低壓區(qū)滲流，排水產(chǎn)生的抽吸壓力驅(qū)使?jié){液定向滲流，實(shí)現(xiàn)定向誘導(dǎo)注漿。

2 排水誘導(dǎo)驅(qū)替注漿理論

2.1 基本假定

1)假定飽和承壓水砂層內(nèi)部為封閉空間，與外界無(wú)法進(jìn)行氣體交換；

2)假定地下水初始?jí)毫统袎核辉谧{過(guò)程中保持不變，且注漿過(guò)程中不考慮排水注漿對(duì)承壓水初始?jí)毫顟B(tài)的影響；

3)假定飽和承壓水砂層內(nèi)部各向均勻分布；

4)假定初始狀態(tài)下砂層中承壓水為地下靜水，單一注漿或單一排水狀態(tài)下，管壁周圍流體滲流區(qū)域呈柱形分布，且管壁周圍任意方向上流體的流速相等；

5)假定注漿過(guò)程中漿液不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。

2.2 注漿壓力與排水壓力空間分布方程

砂層在天然狀態(tài)下為多孔介質(zhì)，漿液在砂層中的擴(kuò)散方式以滲透為主。根據(jù)基本假定，與注漿管垂直的任意平面上，漿液以圓形向周圍擴(kuò)散。根據(jù)達(dá)西定律，漿液的滲流運(yùn)動(dòng)方程為

(1)

式中：vg為漿液滲流速度，cm/s；kg為漿液在土體中的滲透系數(shù)，cm/s；ρg為漿液密度，g/cm3；g為重力加速度，m/s2；pg為注漿壓力，kPa；rg為漿液滲流半徑，cm。

根據(jù)質(zhì)量守恒定律，在相同時(shí)間內(nèi)，擴(kuò)散面A與擴(kuò)散面B處漿液的流量相等，如圖2所示。設(shè)Rg為注漿孔鉆孔半徑，vg0為注漿管管壁周圍的漿液初始滲流速度，其計(jì)算可參考文獻(xiàn)[16]。根據(jù)質(zhì)量守恒定律可得

圖2 漿液滲流擴(kuò)散平面圖

2πRgvg0=2πrgvg。

(2)

根據(jù)式(2)，漿液擴(kuò)散區(qū)域任一點(diǎn)的流速用漿液初始滲流速度表示為

(3)

由式(1)和式(3)可得注漿壓力梯度空間分布方程為

(4)

將式(4)移項(xiàng)積分可得注漿壓力空間分布方程為

(5)

設(shè)初始注漿壓力為pg0。當(dāng)rg=Rg時(shí)，pg=pg0，將邊界條件代入式(5)，可得

(6)

將式(6)代入式(5)中，可得注漿壓力空間分布方程為

(7)

根據(jù)文獻(xiàn)[17]，漿液在砂層中的滲透系數(shù)計(jì)算公式為

(8)

式中：kw為水在砂層中的滲透系數(shù)，cm/s；μw為水的動(dòng)力黏度，mPa·s；μg為漿液動(dòng)力黏度，mPa·s。

將式(8)代入式(7)，可得注漿壓力空間分布方程為

(9)

對(duì)于飽和承壓水砂層排水時(shí)，水在砂層中的滲流運(yùn)動(dòng)符合達(dá)西定律，排水壓力梯度方向與注漿時(shí)方向相反，故排水壓力梯度空間分布方程為

(10)

式中：pw為排水壓力，kPa；rw為排水滲流半徑，cm；vw0為排水管管壁周圍水的初始滲流速度，cm/s；ρw為水密度，g/cm3；Rw為排水孔鉆孔半徑，cm。

排水過(guò)程中排水壓力空間分布方程為

(11)

式中pw0為初始排水壓力，kPa。

2.3 排水誘導(dǎo)驅(qū)替注漿滲流壓力場(chǎng)空間分布方程

在自然狀態(tài)下，注漿管周圍的土體各個(gè)方向上的孔隙水壓力相等。在注漿管周圍的壓力區(qū)內(nèi)部布置排水管并施加排水壓力，飽和承壓水砂層內(nèi)部排水管周圍產(chǎn)生負(fù)壓區(qū)域，負(fù)壓通過(guò)承壓水向注漿管附近傳遞，此時(shí)，在注漿管和排水管之間出現(xiàn)低壓區(qū)。注漿管與排水管之間的滲流壓力由注漿壓力和排水壓力組成，滲流壓力場(chǎng)分布如圖3所示。

圖3 排水誘導(dǎo)驅(qū)替注漿下的滲流壓力場(chǎng)分布

設(shè)注漿管與排水管之間的距離為L(zhǎng)，注漿管半徑與排水管半徑均為R，注漿管與排水管中心連線為滲流場(chǎng)壓力中心線，土體中漿液擴(kuò)散半徑為r，則rw=L-r。滲透注漿過(guò)程中，滲流壓力場(chǎng)中注漿壓力與排水壓力相互影響。假設(shè)注漿壓力與排水壓力同時(shí)作用下滲流壓力為ph，根據(jù)式(4)、式(8)和式(10)可得滲流壓力場(chǎng)中心線上滲流壓力梯度空間分布方程為

(12)

對(duì)式(12)求導(dǎo)，可得滲流壓力梯度空間分布方程的導(dǎo)數(shù)為

(13)

(14)

將一元二次方程移項(xiàng)變換，式(14)可變換為

(15)

(16)

對(duì)于滲透注漿而言，通常以壓力梯度作為滲透注漿發(fā)生的判別依據(jù)，當(dāng)土體內(nèi)部滲流壓力梯度大于啟動(dòng)梯度時(shí)，飽和承壓水砂層內(nèi)部即可實(shí)現(xiàn)滲透注漿。流體在多孔介質(zhì)中流動(dòng)時(shí)，多孔介質(zhì)中的孔隙可以等效為半徑r0的毛細(xì)管，依據(jù)楊志全等[18]的研究，等效毛細(xì)管的半徑可表示為

(17)

式中φ0為砂層孔隙率。

假設(shè)λ0為漿液?jiǎn)?dòng)梯度，依據(jù)楊秀竹等[19]的研究，流體在多孔介質(zhì)中的啟動(dòng)梯度

(18)

式中τ0為流體的屈服應(yīng)力，可參考文獻(xiàn)[20]取值。

將式(17)代入式(18)，則飽和承壓水砂層注漿啟動(dòng)梯度計(jì)算公式為

(19)

根據(jù)公式推導(dǎo)結(jié)果可知，當(dāng)滲流場(chǎng)壓力梯度λ大于啟動(dòng)梯度λ0時(shí)，漿液可貫通滲流場(chǎng)。

2.4 理論適用條件

假設(shè)滲流場(chǎng)同時(shí)施加注漿壓力與排水壓力下漿液滲流擴(kuò)散速度為vh，將式(12)代入式(1)并簡(jiǎn)化可得

(20)

根據(jù)文獻(xiàn)[21]，流體雷諾數(shù)計(jì)算公式為

(21)

式中d為土體顆粒的有效直徑，一般用d10表示，mm。

本文推導(dǎo)的理論公式基于達(dá)西定律，根據(jù)文獻(xiàn)[22]可知，達(dá)西定律適用于雷諾數(shù)小于5的滲流運(yùn)動(dòng)。對(duì)于本文推導(dǎo)理論，式(21)計(jì)算雷諾數(shù)小于5，即可滿足本文理論公式的使用條件。

3 數(shù)值分析

北京地鐵17號(hào)線工程西壩河站—太陽(yáng)宮站區(qū)間渡線段與聯(lián)絡(luò)線段開挖飽和承壓水砂層為中粗砂層，渡線段滲透系數(shù)kw=0.02 cm/s，漿液黏度為10.24 mPa·s，計(jì)算得到漿液在飽和承壓水砂層中的滲透系數(shù)kg=0.002 cm/s。令初始注漿壓力pg0等于初始排水壓力pw0，其取值與初始滲流速度取值見表1。管間距L分別取70 cm、80 cm和90 cm。

表1 初始?jí)毫εc初始滲流速度取值

根據(jù)本文推導(dǎo)的滲流壓力梯度空間分布方程，不同初始注漿壓力與排水壓力條件下的滲流壓力梯度空間分布如圖4所示。

(a)L=70 cm

由于漿液的啟動(dòng)梯度很小，可認(rèn)為以上計(jì)算滲流壓力梯度滿足貫通要求。根據(jù)圖4中不同初始注漿壓力與排水壓力條件下滲流壓力梯度空間分布曲線可知：

1)注漿管與排水管周圍滲流壓力梯度較大，滲流壓力梯度曲線在注漿管與排水管周圍變化較為顯著，在滲流場(chǎng)中央變化較為平緩。

2)不同初始注漿壓力和排水壓力條件對(duì)滲流壓力梯度有顯著影響；滲流場(chǎng)可疊加的前提下，由于注漿壓力與排水壓力同時(shí)作用于滲流場(chǎng)，不同初始注漿壓力與排水壓力條件下，滲流壓力梯度空間分布曲線均呈現(xiàn)先遞減后遞增的規(guī)律。滲流壓力梯度空間分布曲線最低點(diǎn)大于啟動(dòng)梯度時(shí)，可實(shí)現(xiàn)定向誘導(dǎo)滲透注漿。

4 飽和砂土定向誘導(dǎo)注漿試驗(yàn)及結(jié)果分析

4.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

4.1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖洳捎糜袡C(jī)玻璃制成，外加加固梁。注漿管和排水管均采用半徑為3 cm且側(cè)面開孔的有機(jī)玻璃管，孔隙水壓力傳感器采用規(guī)格為400 kPa的振弦式壓力傳感器，注漿泵采用QDX系列750C型潛水泵，排水泵采用QDX系列370C型潛水泵。試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D5所示。

圖5 飽和砂土定向誘導(dǎo)注漿試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

4.1.2 試驗(yàn)材料

飽和砂土定向誘導(dǎo)注漿試驗(yàn)主要采用石英砂作為多孔介質(zhì)材料。由土質(zhì)分析得到砂層粒徑分布曲線，如圖6所示。根據(jù)土質(zhì)分析結(jié)果，試驗(yàn)所用砂層屬于礫石，砂層滲透系數(shù)kw=8×10-2cm/s，土體顆粒的有效直徑d=0.8 mm。

圖6 試驗(yàn)砂土粒徑分布曲線

試驗(yàn)注漿材料水灰比為1.0，漿液密度為ρg=1.52 g/cm3。水泥采用普通硅酸鹽水泥(PC32.5R)。現(xiàn)場(chǎng)采用漏斗黏度計(jì)測(cè)量漿液漏斗黏度為14.62 s。根據(jù)文獻(xiàn)[23]的研究結(jié)果可知，漿液漏斗黏度與漿液動(dòng)力黏度換算關(guān)系為

(22)

式中A為漿液的漏斗黏度，s。

根據(jù)式(22)可得漿液動(dòng)力黏度為11.56 mPa·s。

4.1.3 試驗(yàn)方法及數(shù)據(jù)采集

本文飽和砂土定向誘導(dǎo)注漿試驗(yàn)中，數(shù)據(jù)測(cè)量裝置共設(shè)置5個(gè)土壓力傳感器、8個(gè)孔隙水壓力傳感器。所有傳感器均為振弦式壓力傳感器，其布置于飽和砂土內(nèi)部同一平面內(nèi)，如圖7所示。

圖7 試驗(yàn)傳感器平面布置示意圖

注漿過(guò)程中，各個(gè)傳感器實(shí)際測(cè)量所得的數(shù)據(jù)為振弦頻率，各個(gè)傳感器的振弦頻率與滲流壓力變化值轉(zhuǎn)換公式為

(23)

式中：p為傳感器換算壓力值，kPa；K為傳感器率定系數(shù)，kPa/Hz2；f0為傳感器初始頻率，Hz；fi為傳感器測(cè)量頻率，Hz。

試驗(yàn)中各個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)采集頻率為每5 s 1個(gè)，土壓力傳感器與孔隙水壓力傳感器測(cè)得的頻率通過(guò)式(23)換算可得土壓力與孔隙介質(zhì)壓力的變化值。

本文主要研究注漿管與排水管之間滲流壓力梯度空間分布規(guī)律，故對(duì)以上試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行簡(jiǎn)化，對(duì)相應(yīng)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行編號(hào)。簡(jiǎn)化后試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膫鞲衅鞅O(jiān)測(cè)點(diǎn)編號(hào)分別為DMKY-1、DMKY-2和DMKY-3，其平面布置示意如圖8所示。本文飽和砂土定向誘導(dǎo)注漿試驗(yàn)采用振弦式孔隙水壓力傳感器測(cè)量試驗(yàn)過(guò)程中砂土中孔隙介質(zhì)的壓力變化值，其在一定程度上反映了注漿過(guò)程中的滲流壓力梯度值。

圖8 簡(jiǎn)化試驗(yàn)?zāi)Ｐ涂紫端畨毫鞲衅髌矫娌贾檬疽鈭D

本文飽和砂土定向誘導(dǎo)注漿試驗(yàn)總共6組，第1組至第5組砂層采用均質(zhì)石英砂，第6組采用河砂。本文采用前3組注漿試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)理論規(guī)律進(jìn)行分析，3組試驗(yàn)的注漿設(shè)計(jì)參數(shù)見表2。試驗(yàn)過(guò)程中，注漿壓力和排水壓力均為恒壓。

表2 注漿試驗(yàn)設(shè)計(jì)參數(shù)

根據(jù)以上試驗(yàn)設(shè)計(jì)參數(shù)，通過(guò)式(21)分別計(jì)算注漿過(guò)程中各監(jiān)測(cè)點(diǎn)處漿液滲流雷諾數(shù)，計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 注漿過(guò)程中各監(jiān)測(cè)點(diǎn)處漿液滲流雷諾數(shù)

根據(jù)表3中雷諾數(shù)計(jì)算結(jié)果可知，漿液滲流符合達(dá)西定律使用條件，故滿足本文公式適用性。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果處理與分析

試驗(yàn)過(guò)程中的孔隙介質(zhì)壓力變化值反映了注漿過(guò)程中的滲流壓力梯度。由于試驗(yàn)過(guò)程中存在大量的無(wú)效數(shù)據(jù)，因此本文對(duì)無(wú)效數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除，處理后每min數(shù)據(jù)量為7～9個(gè)，然后對(duì)每min的數(shù)據(jù)取平均值。根據(jù)注漿監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，注漿初始階段由于飽和砂土中漿液與水不均勻分布，試驗(yàn)監(jiān)測(cè)值波動(dòng)較大。在注漿30 min之后3組試驗(yàn)的孔隙水壓力傳感器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)趨于穩(wěn)定。此時(shí)，滲流壓力梯度空間分布試驗(yàn)值與理論值對(duì)比如圖9所示。

(a)第1組試驗(yàn)

由圖9可知：

1)在一定誤差允許范圍內(nèi)，本文推導(dǎo)的理論公式計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果一致性較好，本文理論公式可在一定程度上反映飽和承壓水砂層在注漿壓力與排水壓力作用下排水誘導(dǎo)驅(qū)替注漿滲流壓力梯度空間分布規(guī)律。

2)試驗(yàn)監(jiān)測(cè)結(jié)果普遍大于本文推導(dǎo)的理論公式計(jì)算結(jié)果，理論值與試驗(yàn)值誤差處于4.4%～29.0%。誤差主要原因?yàn)樵囼?yàn)過(guò)程中砂土的滲透系數(shù)和漿液黏度變化，導(dǎo)致試驗(yàn)監(jiān)測(cè)值偏大。鑒于砂層注漿存在較大不確定性，誤差處于可接受范圍內(nèi)。

3)試驗(yàn)初始注漿階段，試驗(yàn)監(jiān)測(cè)值波動(dòng)幅度較大；漿液貫通滲流場(chǎng)后試驗(yàn)監(jiān)測(cè)值逐漸趨于穩(wěn)定；注漿結(jié)束后，在飽和砂層中可形成預(yù)期的定向加固區(qū)域。

5 工程應(yīng)用分析

本文排水誘導(dǎo)驅(qū)替注漿技術(shù)主要為解決北京地鐵17號(hào)線工程西壩河站—太陽(yáng)宮站區(qū)間聯(lián)絡(luò)線段及渡線段飽和承壓水砂層注漿加固問(wèn)題。聯(lián)絡(luò)線段及渡線段開挖土層的飽和承壓水砂層為中粗砂層，滲透系數(shù)kw=0.02 cm/s，漿液在飽和承壓水砂層中的滲透系數(shù)kg=0.002 cm/s。工程施工中，注漿材料為水泥-水玻璃漿液，水泥漿的水灰比為1∶1，水泥漿與水玻璃體積比為1∶1，水玻璃溶液波美度為35 °Bé，雙液漿的膠凝時(shí)間約為20 min，水泥-水玻璃漿液的屈服應(yīng)力τ0取10 Pa。注漿過(guò)程中注漿泵壓力值控制在300～800 kPa。由于飽和承壓水砂層中承壓水的影響，工程中滲透注漿半徑取50 cm。

本文結(jié)合實(shí)際工程施工情況，對(duì)聯(lián)絡(luò)線段飽和承壓水砂層采用排水誘導(dǎo)驅(qū)替注漿方法進(jìn)行注漿加固，注漿過(guò)程中，在飽和承壓水砂層一定范圍內(nèi)施加注漿壓力與排水壓力。工程施工中，抽水泵壓力宜控制為200～400 kPa。根據(jù)以上參數(shù)，通過(guò)滲流壓力梯度空間分布方程與啟動(dòng)梯度對(duì)最大管間距進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖10所示。

圖10 不同初始注漿壓力條件下最大管間距

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，工程實(shí)際注漿條件下漿液擴(kuò)散范圍在54～105 cm。對(duì)于排水誘導(dǎo)驅(qū)替注漿方法而言，排水壓力產(chǎn)生的抽吸力不僅減小了承壓水的影響，而且對(duì)漿液滲流擴(kuò)散提供了誘導(dǎo)作用。根據(jù)本文試驗(yàn)結(jié)果與工程施工經(jīng)驗(yàn)可知，不同的注漿材料擴(kuò)散效果與范圍存在差異。因此，建議根據(jù)不同注漿材料合理選擇管間距，以達(dá)到預(yù)期的定向注漿效果，當(dāng)注漿材料為雙液漿時(shí)，根據(jù)不同的工程地質(zhì)砂層狀況，注漿管與排水管間距建議控制在50～90 cm。

6 結(jié)論與討論

1)本文依據(jù)達(dá)西定律與質(zhì)量守恒定律建立了排水誘導(dǎo)驅(qū)替注漿相關(guān)理論，推導(dǎo)了在注漿壓力和排水壓力作用下排水誘導(dǎo)驅(qū)替注漿滲流壓力梯度空間分布方程，通過(guò)飽和砂土定向誘導(dǎo)注漿試驗(yàn)得到了在注漿壓力和排水壓力作用下孔隙介質(zhì)的壓力變化規(guī)律，理論公式計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的一致性較好。

2)本文理論計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果誤差在4.4%～29.0%，誤差處于可接受范圍內(nèi)。本文推導(dǎo)的理論公式基本符合飽和承壓水砂層中注漿壓力與排水壓力作用下排水誘導(dǎo)驅(qū)替注漿滲流壓力梯度空間分布規(guī)律。

3)飽和承壓水砂層在排水誘導(dǎo)驅(qū)替注漿過(guò)程中，由于注漿壓力與排水壓力同時(shí)作用于滲流場(chǎng)，滲流壓力梯度空間分布曲線在注漿管與排水管周圍走勢(shì)較陡，在滲流場(chǎng)中央走勢(shì)較為平緩。滲流壓力梯度空間分布曲線最低點(diǎn)大于啟動(dòng)梯度時(shí)，可實(shí)現(xiàn)定向誘導(dǎo)滲透注漿。實(shí)際工程注漿中，根據(jù)本文推導(dǎo)的理論公式可計(jì)算排水誘導(dǎo)驅(qū)替注漿的最大管間距及其相關(guān)注漿參數(shù)。

4)由于排水壓力的誘導(dǎo)作用，漿液在注漿管與排水管之間可實(shí)現(xiàn)定向滲透擴(kuò)散，在飽和承壓水砂層內(nèi)部形成預(yù)期的定向加固區(qū)域。本文根據(jù)現(xiàn)有的注漿施工經(jīng)驗(yàn)與試驗(yàn)研究，建議當(dāng)注漿材料為雙液漿時(shí)排水誘導(dǎo)驅(qū)替注漿最大間距控制在50～90 cm。

5)通過(guò)本文推導(dǎo)的理論公式可確定注漿壓力和排水壓力作用下排水誘導(dǎo)驅(qū)替注漿滲流壓力梯度的空間分布規(guī)律，并可分析工程應(yīng)用中的相關(guān)參數(shù)，但對(duì)于注漿管與排水管之間的最大管間距與工程應(yīng)用有待進(jìn)一步深入研究。