随着我国城市化不断推进，地上空间的利用逐渐达到饱和，因此地下空间的开发正处于如火如荼的阶段。在过去的20年里，天津的地下工程发展迅速。以地铁工程为例，截至2022年底，地铁总运营里程265 km，共有7条地铁线路在运行，且在持续增加。天津市属于沿海城市，地下有大面积的软弱土层，分布有大面积粉土、粉砂、粉质黏土，且地下水位较高，在此类具有较高的地下水位地区进行轨道交通的建设，经常会出现由渗漏水而引发的周边环境变化以及盾构隧道内的涌水涌砂等隧道灾害[1]。盾构隧道在砂土中发生漏水漏砂灾害时，会导致渗漏点周围土压及孔隙水压力[2]分布会发生变化，进而引起地表沉降、隧道变形；在复合地层发生漏水漏砂灾害时，地层中会出现松动区以及侵蚀空腔[3-4]，空腔的出现会改变隧道管片的受力，使管片出现裂纹[5]甚至破坏。若空腔出现坍塌，会影响到地表，出现地表沉降[6]乃至塌陷。也有学者指出，可通过帷幕灌浆[7-8]以及加强隧道覆盖层与渗漏区之间的地层加固[9]减少此类险情发生的可能性。在出现涌水涌沙灾害时，可采用重力反压[10]、坑外应急降水[11]、修筑挡水坝、注浆加固、注浆封堵[12]等措施，但无论采用哪种措施，基本均要与注浆相结合才能快速有效地抑制险情，注浆材料和注浆理论仍然是地下工程应急抢险领域研究的重点。多位学者[13-15]已对现有的注浆材料如水泥浆液、水性聚氨酯等进行改性，增加了浆液的抗冲刷性以及承载能力，对围岩突涌水的治理以及围岩加固效果显著；苟长飞等[16]建立了壁后注浆扩散模型，可用来计算壁后注浆时浆液滤出水渗流范围、土体有效应力、孔隙水压力分布，以及浆液脱水系数；李术才等[17]进行裂隙岩体突涌水的动水注浆模型试验研究，形成以浆水流速比为核心控制因素的裂隙涌水注浆封堵方法，得出了浆液呈现近似椭圆的传播规律，ZHENG等[18-19]通过研究也有类似的发现；吴一帆等[20]通过对丙烯酸酯改性、环氧树脂改性、有机硅及有机氟改性和纳米改性等方面对水性聚氨酯改性的研究及应用情况综述，对今后水性聚氨酯改性研究及发展方向提出建议；姜瑜等[21]概述了注浆技术的发展及其应用研究现状，介绍了常见防渗堵漏类和补强加固类的注浆材料；刘永超等[22]分析不同注浆材料的堵漏效果及堵漏机理，并提出堵水比量化评价参数。由此可见，目前对注浆材料的研究主要集中在岩体裂隙注浆及岩体加固，对软土地区注浆材料及注浆理论的研究相对较少。而软土地区注浆与岩体注浆内有所不同，岩体裂隙中渗漏侵蚀的发展会受到岩体的限制；而软土地区隧道出现渗漏缝漏水漏砂后，土体流失迅速，易形成空腔，渗漏水流量大，浆液注入后易被稀释，不易留存。并且对盾构隧道抢险的研究多数只限于实际工程，对抢险材料的适用性以及封堵机理的研究较少。目前较常用抢险注浆材料中，聚氨酯类材料成本较高，且单液聚氨酯发泡速率较低；水泥基类注浆材料成本较低，但单液水泥浆凝固所需时间较长，在动水中注入后跑浆现象非常严重；水泥水玻璃双液浆虽然可以一定程度改善跑浆现象，但在高水压流动水条件下，抗冲刷能力依然较差，动水留存率较低，抢险时难以实现对灾害的快速控制。针对上述不足，本文基于一种新材料，提出了新的组合注浆抢险方法。通过室内模型试验，验证了此注浆方法的有效性，并探究了最佳的注浆策略与注浆封堵机理。研究表明，该方法能在渗漏灾害发生时，在承压层高水头大流速的环境下，对隧道渗漏裂缝及地层侵蚀空腔进行快速高效封堵，可为后续隧道抢险作业提供一种新思路。
1 注浆材料特性研究
1.1 高分子吸水树脂(SAP)
高分子吸水树脂(Super Absorbent Polymers)简称SAP，能吸收其自身重量数百倍，甚至上千倍的水，吸水速度不受温度影响[23-24]，具有很强的保水能力，又被称为超强吸水剂或高保水剂，主要应用在农业上。SAP遇水后，会和水形成果冻状聚合物，已在建筑材料中有所应用，如作为混凝土的内养护材料[25]或灌浆材料的内固化剂[26]。鉴于其吸水膨胀能力，考虑将其用在渗漏空腔封堵中。根据粒径大小，SAP分为A、B、C、D 4类。
测定了目前市面上常见的A、B、C、D 4类SAP吸水树脂的吸水速率，干燥状态下A类粒径5～10目(1.7～4 mm)，B类粒径10～20目(0.85～1.7 mm)，C类20～40目(0.85～0.377 mm)，D类40～80目(0.377～0.18 mm)，目数越大，粒径越小。吸水质量随时间变化如图1所示。
对比4条曲线可知，SAP粒径越小，吸水速度越快，越能较快达到饱和。D类在1.6 min基本吸水完成，曲线出现明显转折点，5 min达到饱和；C类在4 min左右出现转折点，10 min以后吸水速度较缓慢；B类在8 min左右出现转折点，15 min以后还未达到饱和。A类高分子粒径最大，吸水速度最为缓慢，10 min时吸水64 g，20 min吸水100 g左右，4 h后曲线才逐渐变平缓。但由于粒径最大，也是最不容易被水冲走的一类SAP。1 g SAP最终吸水质量在300～320 g之间，吸水后体积膨胀为300 cm3以上，膨胀率可达300倍。
试验中一并测量了SAP的吸水膨胀粒径以及24 h失水收缩率，由于D类SAP吸水后粒径较小，大部分为直径约为2 mm的球状颗粒，所以精细测量了A、B、C这3类SAP吸水后的颗粒尺寸：A类SAP吸水后粒径约为3.3 cm×2 cm×1.6 cm，B类SAP约为1.74 cm×1.17 cm×0.97 cm，C类SAP约为1.09 cm×0.65 cm×0.39 cm。A、B、C这3类SAP颗粒吸水后为三棱柱，少部分为长方体。A类SAP颗粒失水收缩率为0%，B类SAP颗粒失水收缩率38.46%，C类SAP颗粒失水收缩率44.44%。A类SAP虽然吸水速度和膨胀速度慢，但保水性非常强，能长时间维持性状稳定不收缩。将SAP用于抢险中时，由于发生险情的区域位于地下水位以下，因此SAP膨胀后不会出现失水收缩现象。
1.2 双液浆凝结时间试验
用倒杯法测量双液浆胶凝时间[27]，理论上倒杯法测定的是双液浆凝结时间，本试验中利用倒杯法近似测定初凝时间，测试方法为：在用倒杯法测定凝结时间过程中，浆液流动性减弱，开始出现变黏稠倾向(开始失去塑性)的时间。即，倒杯法实施过程中，杯壁开始出现固体残留物所需时间。初凝时间可以在注浆时作为浆液是否会在注浆管中凝固的参考指标，双液浆凝结时间汇总如表1所示。
| 普通双液浆 | SAP双液浆 | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 水灰比 | 水泥浆与水玻 璃体积比 | 初凝时间/s | 凝结时 间/s | 水灰比 | 水泥浆液与 SAP体积比 | 水泥浆液与水 玻璃体积比 | 初凝时间/s | 凝结时间/s |
| 1∶1 | 1∶1 | 109 | 165 | 0.8∶1 | 1∶1 | 1∶0.5 | 105 | 130 |
| 1∶0.8 | 93 | 115 | 1∶1 | 150 | 185 | |||
| 1∶0.5 | 45 | 67 | 0.6∶1 | 1∶1 | 1∶0.5 | 65 | 85 | |
| 1∶0.25 | 大于210 | 时间过长 | 1∶1 | 85 | 105 | |||
| 0.8∶1 | 1∶1 | 105 | 160 | 0.5∶1 | 1∶1 | 1∶0.5 | 35 | 50 |
| 1∶0.8 | 79 | 102 | 1∶1 | 47 | 68 | |||
| 1∶0.5 | 40 | 78 | 0.4∶1 | 1∶1 | 1∶0.5 | 30 | 45 | |
| 1∶0.25 | 小于10 | 32 | 1∶1 | 50 | 69 | |||
总体上，初凝时间与凝结时间随水玻璃比例以及水灰比减小而减小。实际工程抢险中双液浆凝结时间多数为60 s左右，水灰比为1∶1[28]；本实验中水灰比取0.8∶1[29]，水泥浆液与水玻璃体积比取1∶0.5，初凝时间40 s，较适合在动水中凝结，也不容易堵塞注浆管。由于动水注浆时，水会对水泥与水玻璃造成稀释，实际的注浆试验中浆液凝结时间会比凝结试验中略长。
1.3 SAP双液浆凝结时间试验
按照所需要的水灰比配置水泥浆液，搅拌均匀后，加入0.8倍水泥浆液体积的饱和吸水后的SAP颗粒，再次搅拌。随后按照体积比加入水玻璃，利用倒杯法，测定初凝时间与凝结时间。试验结果如表1所示。在不加入SAP时，水灰比0.5∶1和0.6∶1的水泥浆液会过于黏稠，注入时易出现堵管现象。在加入等体积SAP颗粒的情况下，SAP会释放出部分吸收的水，对原本的水泥浆液进行稀释。根据终凝时间来看，被稀释过的水泥浆液水灰比大概为0.8∶1，此水灰比在动水条件下注浆较为适用(后文试验7中进行了验证)；原水灰比为0.8∶1时，在加入SAP后水泥浆液会被过分稀释，实际注浆时可能会出现不凝固的现象(后文试验6出现此现象)，影响封堵效果及注浆体强度；水灰比为0.4:1时，在加入SAP后，水泥浆液中依然会出现沉淀物。
综上，将SAP加入到水泥浆液中，连同双液浆一起注入的注浆策略，水灰比应在0.5∶1到0.6∶1之间，水泥浆液与水玻璃配比根据实际需要，可以在1∶0.5到1∶1之间。观察试验中的注浆体可发现，SAP均匀分布，双液浆包裹吸水膨胀后的SAP颗粒，二者的结合度较好，如图2所示。
通过对SAP与双液浆特性的研究可以发现，SAP吸水速度快，注入空腔后能快速膨胀，填充空腔封堵渗漏水，但强度与刚度较差、承载力较小；双液浆凝结后强度[30]高于SAP，能承担荷载，对地层支撑作用较好，单独注入时动水留存率较低。两者联合使用，能在封堵渗漏空腔的同时，对地层和结构有足够的支撑作用。
2 注浆封堵试验设计
2.1 试验流程
为了研究本注浆材料对隧道底部渗漏缝漏水漏砂引发隧道外地层空腔时的封堵作用，自主设计研发了动水注浆装置，动水注浆结构图、试验模型箱如图3所示。动水注浆装置主要由4个部分组成：1) 注水系统：共有3个主要装置，分别为储水箱，水泵和加压水箱。加压水箱通过吊车抬升，用于模拟地层中的承压水，通过阀门控制进水流速，通过进水口向模型箱提供有压水。加压水箱还设置2根溢水管连接储水箱，以防水泵供水速度过快造成外溢；2) 模型箱：模型箱主要由有机玻璃和角铁构成，能够实现可视化注浆，三角区模拟隧道底部漏水漏砂后地层中出现的空腔，空腔体积0.023 m3。底箱中的水模拟承压层中的水，承压水通过均布小孔的三角折板进入地层空腔，然后通过盖板上可调节宽度的开缝进入顶箱，通过溢水管流进收集系统；3) 注浆系统：由2台螺杆注浆泵组成，能满足试验所用注浆材料的泵送，通过三通接头连接注浆口后进行注浆；4) 收集系统：由模型箱顶箱的2根溢水管与收集系统组成，能够实现水的循环利用，并在出水箱中完成固液分离。
按照结构图连接仪器，准备好注浆材料。先向储水箱中注水，开启水泵，将加压水箱提升到预设高度；打开阀门2通过注水口向模型箱中注水，待模型箱充满水后，调节阀门2同时观察流速计读数，将流速调整到需要的大小并使其保持稳定，此为初始进水流速；打开阀门3，按照工况将预先配置好的浆液通过注浆口注入，每间隔一定时间记录流速计读数，并观察记录浆液在空腔中的凝结状态以及封堵渗漏水的情况；注浆完成后，待流速计读数稳定，可停止试验，保存数据，清理试验装置，准备下一次试验。
2.2 试验分组
SAP未吸水膨胀时为干燥固体颗粒，无法用注浆机直接注入，需要选择一种材料作为载体，备选的载体有甘油、水和水泥浆液，按照载体不同将实验分为3组，分别研究3种载体的可行性与最终封堵效果，验证3种载体的优点，探究其缺陷与不足，工况如表2所示。
| 试验组号 | 注浆方式 | 试验编号 | 水灰比 | 初始进水流速/(m3∙h-1) | 温度/℃ | 注入SAP种类 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 先以甘油为载体注入SAP，后注入双液浆 | 1 | 0.8∶1 | 1.8 | 26 | A、B、C、D类 |
| 2 | 0.8∶1 | 2.5 | 32 | A、B、C、D类 | ||
| 3 | 0.8∶1 | 3.1 | 22 | A、B、C、D类 | ||
| 2 | 先以水为载体注入SAP，后注入双液浆 | 4 | 0.8∶1 | 2.5 | 20 | A类 |
| 5 | 0.8∶1 | 2.5 | 16 | B、C、D类 | ||
| 3 | 以水泥浆液为载体注入SAP，即SAP与双液浆同时注入 | 6 | 0.8∶1 | 2.5 | 8 | A类 |
| 7 | 0.6∶1 | 2.5 | 10 | B类 | ||
| 8 | 0.6∶1 | 4.6 | 23 | B类 | ||
| 对照组 | 仅注入双液浆 | 9 | 0.8∶1 | 2.5 | 18 | 无 |
第1组试验中以甘油作为载体，将A、B、C、D类SAP与甘油均匀混合后注入。甘油不与SAP发生反应且能溶于水，故甘油可携带未吸水膨胀的SAP注入空腔中，使干燥的SAP在注入后与水发生反应，最大程度发挥其吸水膨胀能力；将不同粒径的SAP颗粒混合能使其具有更优的级配，膨胀后对空腔的填充更为密实。从A到D类SAP，吸水速度逐渐增加，膨胀后粒径逐渐减小。D类SAP吸水膨胀速度较快，注入后可以短时间内降低渗漏水流速，提供早期堵水作用，但其膨胀后粒径小，有被冲走的可能，所以混合使用时适当增加用量；ABC类SAP膨胀后粒径大，但吸水速度低于D类SAP，提供后期的堵水作用。所以最终A、B、C、D这4类SAP共1 kg按质量比1∶1∶1∶2均匀混合。注浆时先注入SAP，待渗漏水流速稳定后注入双液浆。
第2组试验以水作为载体，由于吸水速率不同将A类SAP与B、C、D类分开进行试验。试验4中将A类SAP预吸水至饱和状态，注入后只发挥动水留存性；试验5将B、C、D类SAP吸水至半饱和状态，可以使SAP注入后能再次吸水膨胀，发挥其动水留存性和吸水膨胀性。与第1组试验相同，待注入SAP且渗漏水流速稳定后，再注入双液浆。
第3组试验以水泥浆液作为载体，需先将SAP预吸水至完全饱和，再按照体积比0.8∶1加入到水泥浆液中均匀混合，一同注入空腔中。此方法将2步注浆简化为1步注浆，发挥SAP的动水留存能力，同时增加SAP与双液浆的整体结构性。
试验中，双液浆由水泥浆液与水玻璃组成。除试验7、8水泥浆液水灰比为0.6∶1外，其余试验水灰比为0.8∶1，所有试验水泥浆液与水玻璃体积比均为1∶0.5。试验箱渗漏缝为1 mm，水头为4 m，通过阀门调节渗漏初始流速，每次试验时记录试验室的温度。
本文定义堵水率n来反映不同工况下的堵水效果[19]，以此作为评价不同注浆方式堵水效果的指标。试验过程中在进水管处安装手持超声波流速计，准确测量整个试验过程注水流速的变化，并计算注浆稳定后的堵水率n，令n=(注浆前渗漏流速平均值-注浆稳定后渗漏流速平均值)/注浆前渗漏流速平均值。
3 注浆封堵试验分析
3.1 SAP(以甘油为载体)与双液浆先后注入
3.1.1 试验现象
以甘油为载体将SAP颗粒注入空腔后，SAP会先堆积在空腔区底部，如图4(a)所示。随着甘油的溶解，SAP逐渐与水接触并吸水膨胀，所需时间较长，且部分SAP仍被甘油包裹，吸水膨胀率较低，流速计读数缓慢减小。
注入双液浆后，双液浆自下而上凝固，将SAP挤压到上层，如图4(b)所示，二者并不会完全交融，只在交界处有少量SAP被双液浆包裹。随着双液浆的注入及凝固，SAP会被压碎，从开缝处溢出，少部分残留在顶板开缝外，大部分随动水流走，无法完全封堵空腔区域，如图5所示，注浆体与盖板之间依然存在空腔。
3.1.2 试验结果
当初始进水流速不发生大幅度波动时，定义为试验开始，即0 min。第1组试验的流速变化及堵水率分别如图7、表3所示，试验过程可分为注入SAP阶段、SAP膨胀阶段、注入双液浆阶段(注浆阶段)、双液浆凝固阶段以及全部浆液注入完成后的稳定阶段。试验1在23 min达到稳定，堵水率85.51%；试验2在12.5 min达到稳定，堵水率78.92%；试验3在74 min达到稳定，堵水率68.16%。
试验 组号 | 试验 编号 | 初始进水流速/(m3∙h-1) | 稳定后流速/(m3∙h-1) | 堵水率/% |
|---|---|---|---|---|
| 1 | 1 | 1.800 | 0.261 | 85.51 |
| 2 | 2.500 | 0.527 | 78.92 | |
| 3 | 3.097 | 0.986 | 68.16 |
总体上，3次注浆试验均能产生一定的封堵效果，但随着初始进水流速的增加，最终堵水率有所下降。每次试验中，SAP用量1 kg，甘油用量9 kg。试验中发现，以甘油为载体的注浆策略，虽然能将干燥的SAP颗粒注入到空腔区中，但甘油会隔绝SAP与水，增加SAP吸水膨胀所需时间。甘油溶解速度受温度制约，进行试验2时，温度最高，所以试验2的膨胀阶段持续时间最短；进行试验3时水温较低，甘油溶解速度较慢，SAP只能小部分逐渐吸水膨胀，膨胀后的SAP又会因为小颗粒被水冲走而导致流速回升，最终流速曲线产生波动式下降。
3.2 SAP(以水为载体)与双液浆先后注入
3.2.1 试验现象
以水为载体注入SAP，将吸水后的SAP与水一同加入到注浆机中，注入到三角区内，注入后SAP颗粒能立即发挥堵水作用，如图8(a)所示。注入双液浆后，浆液自下而上凝固，将SAP挤压密实，增强封堵效果，如图8(b)所示。试验后观察三角区，SAP被凝固后的双液浆挤压到空腔区的上层，二者有明显的分界线，如图6所示。
3.2.2 试验结果
第2组试验的流速变化及堵水率分别如图9、表4所示，试验4在3 min停止注入SAP后即完成封堵，堵水率100%；试验5在23 min达到稳定，堵水率88.06%。每次试验SAP用量均为100 g。A类SAP吸水速度慢，预吸水至饱和状态后随水注入，注入后立即封堵渗漏水，因此试验4封堵空腔所需时间较短，效果较好；试验5中B、C、D类SAP，吸水至半饱和后随水注入，注入后再次膨胀加强封堵作用，但由于小粒径的SAP会被动水冲走，封堵效果与试验4相比略差。
试验 组号 | 试验 编号 | 初始进水流 速/(m3∙h-1) | 稳定后流 速/(m3∙h-1) | 堵水率/% |
|---|---|---|---|---|
| 2 | 4 | 2.535 | 0.000 | 100 |
| 5 | 2.596 | 0.310 | 88.06 |
3.3 以双液浆中的水泥浆液为载体注入SAP
3.3.1 试验现象
本组试验中，按照既定水灰比配置水泥浆液，然后将吸水饱和后的SAP加入到水泥浆液中，搅拌均匀，与水玻璃一同注入到空腔中。试验6完成后观察三角区发现：此次填充，比以往的试验填充得更为密实，且双液浆包裹SAP，二者整体性比之前的试验有明显增强。但观察注浆体发现，双液浆并未完全凝固，只是变为黏稠状液体，可明显看到A类SAP颗粒之间有空隙，如图10所示。
试验7根据1.3节调节水泥浆液的水灰比为0.6∶1，并将SAP种类换为B类，试验现象总体上与试验6类似，观察注浆体发现：双液浆与SAP颗粒的整体性较好，SAP被双液浆均匀包裹，注浆体已凝固，空腔三角区的几乎被完全填充，如图12(a)所示；有部分注浆体已经通过开缝溢出到顶板外，溢出的注浆体也能够包裹SAP凝固，如图12(b)所示。
试验8将流速增大到4.6 m3/h，试验中，可清楚地观察到模型箱顶箱水位明显下降，证明渗漏水无法通过渗漏缝进入顶箱，注浆体在大流速渗漏水的条件下能够将渗漏缝封堵，且封堵效果较好，注浆体如图11所示。
3.3.2 试验结果
第3组试验的流速变化及堵水率分别如图13、表5所示，本组试验将2步注浆过程合并为1步，试验过程分为注入双液浆阶段(注浆阶段)、双液浆凝固阶段、稳定阶段。3次试验在注浆开始6 min后都进入到稳定阶段，堵水率基本达到100%。
试验 组号 | 试验 编号 | 初始进水流 速/(m3∙h-1) | 稳定后流 速/(m3∙h-1) | 堵水率/% |
|---|---|---|---|---|
| 3 | 6 | 2.505 | 0.000 | 100 |
| 7 | 2.495 | 0.000 | 100 | |
| 8 | 4.583 | 0.044 | 99.04 |
将SAP与双液浆共同注入，简化了注浆过程，缩短了封堵空腔所需时间。每次试验注入浆液后，堵水率均达到100%。试验6中双液浆并未完全凝固，原因有2点：1) A类SAP颗粒粒径较大，与水泥浆液共同注入，导致水泥浆液能够填充的空隙较小，整体性和强度下降；2) SAP加入到水泥浆液中，相当于一定程度上增大了水灰比，水泥浆液被稀释，影响其凝结效果。经过改进后，试验7对三角空腔的填充率基本接近100%，为更优的注浆策略。试验中还发现：1) 原本需要100 g SAP才能填充空腔，但与水泥浆液混合后，只用了50 g左右的SAP就实现了对渗漏水的完全封堵；2) 前2组试验中，水泥浆液总用量基本在15 kg左右，而本组试验中只需要9.6 kg水泥便实现了空腔的完全填充。且根据1.1节可知，B类SAP在使用前，只需要浸泡20 min左右即可达到饱和，在抢险中比A类SAP更具有时效性。试验8中将初始进水流速提高到了4.6 m3/h，通过流速变化反映出最终封堵效果很好，6 min基本完成封堵。证明本注浆策略，在大流速下依然能实现对侵蚀空腔的快速封堵。3次试验中双液浆与SAP均能均匀混合，形成结构性整体。双液浆变黏稠失去流动性之后，填充了SAP的间隙，并使SAP颗粒间具有黏结性，更不易因流动水的冲击而破碎和松散，在灾害发生初期，能实现侵蚀空腔封堵。
3.4 双液浆封堵
试验9作为对照组，只注入双液浆，水灰比0.8:1，其他条件不变，试验中注浆体、流速变化及堵水率分别如图14、表6所示。由对照组试验可发现，在只注入双液浆的情况下也可以产生一定的封堵效果，但堵水率较低，封堵效果较差。从注浆体来看，试验中准备的浆液基本够填充整个空腔三角区，而实际上留存下来的浆液只填充了空腔底层，填充率不足50%，证明大部分双液浆在注入后没有足够时间凝结，出现严重的“跑浆”现象。流速在降至最低点后出现回升，证明部分注浆体被冲散，封堵效果下降。对照组的试验，再次证明了SAP颗粒对提高双液浆动水留存率有着不可或缺的作用。
| 试验组号 | 试验编号 | 初始进水流 速/(m3∙h-1) | 稳定后流 速/(m3∙h-1) | 堵水率/% |
|---|---|---|---|---|
| 4 | 9 | 2.430 | 1.233 | 49.3 |
4 不同注浆方式的地层侵蚀空腔封堵机理
隧道渗漏封堵抢险时的地层状态大致可分为2类：渗流型和空腔型[31]。渗流型是指渗流、管涌阶段，土骨架保持稳定。渗流型持续发展则会转变为空腔型，此时土颗粒持续流失，渗漏点附近形成空洞，动水流速大，SAP与双液浆联合使用的注浆方式，主要针对空腔堵漏，机理分析中以隧道底部空腔为例。
以甘油或水为载体将SAP注入，分2步注浆，SAP与双液浆先后注入：先注入SAP，SAP吸水膨胀后首先填充空腔封堵渗漏水，如图15(a)所示。在接触面主要依靠SAP间以及SAP与接触面间的挤压作用，形成接触面正应力，阻止渗漏水向开缝处汇集；在开缝处，主要依靠SAP自身强度及抗渗性提供正应力直接对抗水压。正应力对应的压力水头大于地下水总水头时，渗漏缝外侧的水无法进入到隧道内部，达到封堵或减少渗漏水的目的，图15(a)中箭头所表示的是渗漏缝处及盖板下表面(接触面)受力示意图。随后注入双液浆，双液浆在空腔中自下而上凝固，将吸水后的SAP自下而上压缩。最终一部分SAP被压碎，从开缝处挤出空腔；一部分SAP被挤压密实，提供更强的堵水效果，使接触面正应力远大于地下水总水头，阻断渗流通道。凝固后的双液浆代替SAP填充空腔，类似于置换，SAP与双液浆的混合度较低，空腔顶层的SAP无法被完全置换。如图15(b)所示，注浆结束后，空腔内被双液浆填充的部分，双液浆利用自身的抗渗性以及较高的强度，承担渗流力，提供长期的堵水效果以及承担荷载的能力，在封堵渗漏水的同时也对地层损失进行弥补；而渗漏缝及接触面处，依然由SAP承担水头压力。
以水泥浆液为载体将SAP注入，1步注浆，SAP与双液浆同时注入。将吸水后的SAP加入到水泥浆液中，随双液浆一同注入，吸水后的SAP类似于混凝土中的骨料，在注入后形成骨架，为双液浆在动水中留存提供前置条件，成为双液浆凝固的载体，如图16所示。最终凝结后，二者形成有结构性的整体，共同发挥封堵作用。凝固后的注浆体利用自身较强的抗渗性以及较高的强度，提供堵水作用同时承担隧道结构和地层的荷载。注入的SAP主要用来弥补双液浆动水中无法凝固的缺陷，双液浆能弥补SAP强度不高的弱点，使其不会因动水长时间冲刷而损坏，二者相辅相成。此注浆方案中SAP与双液浆混合度较好，试验中对空腔的填充率大于2步注浆。
在实际工程进行抢险时，若传统双液注浆机无法注入混合了SAP的水泥浆液，则可以将SAP以水为载体注入，SAP的注浆管与双液浆的注浆管通过同一个钻孔插入到地层中，使得SAP在注浆管出口可以与双液浆迅速混合，一起注入至地层中。
5 结论
1) SAP具有膨胀时间短、膨胀率高、吸水膨胀不受温度影响、膨胀后颗粒大、动水留存率高等优点，SAP吸水膨胀填充空腔后，其颗粒不易通过隧道渗漏缝流失，可以达到封堵或者减小渗漏水流速的目的，为双液浆凝固提供条件；双液浆凝固后可以弥补SAP强度较低的缺点，具有地层支撑性和长期的堵水能力。因此SAP与双液浆联合使用可以达到较好的注浆封堵效果。
2) 本文试验条件下，以水泥浆液为载体注入SAP是已知最优的SAP与双液浆联合抢险注入方式。水灰比0.6∶1的水泥浆液与吸水后的B类SAP(干燥状态下粒径0.85～1.7 mm)均匀混合后，与水玻璃进行双液注浆，能减少跑浆、串浆现象的发生，并且在4.6 m3/h的大流速渗漏水条件下依然能实现地层空腔的完全封堵。
3) 以水泥浆液为载体注入SAP有3个优点：① 简化注浆流程，在抢险中实施起来更加迅速；② 使SAP与双液浆均匀混合，极大提高封堵效果以及注浆凝固体的整体性；③ 减少水泥浆液与SAP用量，降低抢险成本。为了更加适用于目前实际工程中的抢险设备等条件，也可将SAP以水为载体与双液浆同时注入，使其在注浆管出口处混合后一同注入地层。本文提出的SAP与双液浆联合使用新型注浆方式可为后续基坑与隧道等地下工程抢险作业提供一种新思路。
程雪松,崔肇琳,郭景琢等.SAP联合双液浆对软土地区隧道漏水漏砂封堵效果试验研究[J].铁道科学与工程学报,2024,21(10):4187-4200.
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