中国科学院武汉岩土力学研究所(中国科学院武汉岩土力学研究所地址)
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作 者
胡少银１，刘泉声２，李世辉１，桑昊旻３，康永水３
单 位
1.淮河能源控股集团煤业公司；2.武汉大学 岩土与结构工程安全湖北省重点实验室；3.中国科学院武汉岩土力学研究所
开挖卸荷作用下，岩体内部节理、裂隙易发生扩展贯通，极易发生失稳破坏，从而影响工程岩体稳定性。工程实践证明，注浆是修复裂隙岩体、提高围岩稳定性重要的手段。在收集整理国内外研究资料的基础上,对裂隙岩体注浆领域的研究现状进行了全面的归纳和总结，得到了以下关键结论：数十年来，裂隙岩体浆液扩散运移规律取得了较大进展，离散裂隙网络介质理论已成为研究的主流方向，浆液在裂隙内流动的本质是多相流作用下的应力－渗流耦合动态响应与反馈的过程；注浆通过浆液与破碎岩体形成的固结体，显著改善裂隙岩体的物理力学特性，增加整体强度，达到胶结加固的目的；采用离散单元法对裂隙岩体注浆进行数值模拟，能够更好地反映浆液在裂隙中流动扩散的本质。同时，目前关于裂隙岩体注浆问题的研究尚未成熟，现有理论落后于工程实践，其成果大多对实际注浆工程的指导价值有限。因此，结合已有的裂隙岩体注浆理论，运用合理的数值模拟方法，采用适当的模拟试验对岩体注浆关键问题进行深入研究，进而指导现场注浆工艺。对裂隙岩体注浆的发展趋势进行预测，认为以下３个方向是今后研究的重点：①建立应力－渗流耦合控制方程，并实现这一动态过程的模拟仿真；②建立裂隙岩体工程的锚固注浆联合作用理论；③建立适用于深部裂隙岩体注浆的理论体系。
研究背景
21世纪是地下空间大规模开发利用的时代。岩土工程由于其涉及的工程地质及施工现场的复杂性，极易发生失稳破坏。大量工程实践表明，岩体工程的失稳破坏与其内部节理、裂隙等扩展和贯通有关。且随着我国地下空间逐渐向深部发展，深部围岩高应力与低强度的矛盾愈加突出，严重影响围岩稳定与工程安全。通过向裂隙岩体注浆，可填充修复岩体裂隙，进而提高围岩的整体性，因此被广泛应用。
将注浆材料采用一定配比制成浆液，通过注浆设备将其注入到岩体的节理、裂隙中，待浆液固化从而达到充填、胶结、加固以及堵水的目的。目前，裂隙岩体注浆理论和注浆现场实践发展存在２个突出难题：① 裂隙岩体注浆理论远远落后于注浆实践的发展；② 岩体注浆落后于土体注浆的发展。例如，因浆液在岩体裂隙网络中的扩散运移机制尚处于摸索阶段，实际注浆工程现场浆液配比、注浆孔布设以及注浆扩散距离等还过于依赖经验，经常造成注浆材料的浪费且加固及封堵效果不佳；目前关于岩体注浆的模型大多借鉴土体注浆理论模型，例如，在简化裂隙岩体时采用多孔介质理论，将裂隙岩体看作是一个多孔结构，孔隙之间互相连通，而实际岩体中存在的裂隙与孔隙相差甚远，裂隙是一种导水性很强的网络结构，且岩体的强度要高于土体，因此借鉴土体注浆理论得到的结论必然会存在局限性。国内外学者在裂隙岩体注浆理论及工程应用方面做了大量的研究，并得到了诸多有益的结论。
内容概要
１ 裂隙岩体注浆理论研究现状及关键问题
图1 裂隙岩体注浆加固机理关键问题示意
1.1 裂隙岩体浆液迁移扩散理论
１）多孔介质理论。
２） 等效连续介质理论。
３） 离散裂隙网络介质理论。
４） 裂隙－孔隙双重介质理论。
1.2 单一裂隙浆液流动扩散规律及关键问题
基于离散裂隙网络介质理论，若研究浆液在裂隙网络中的扩散迁移规律，首先要掌握浆液在单一裂隙中的流动扩散规律，如图2所示。
图2 单一裂隙浆液流动扩散示意
1.2.1 等厚光滑平板裂隙注浆模型
1.2.2 考虑裂隙及浆液参数的注浆模型
1.3 裂隙网络浆液流动扩散规律及关键问题
1.4 裂隙岩体注浆胶结加固机理及关键问题
图3 裂隙岩体注浆前后概化模型示意
２ 裂隙岩体注浆模拟试验研究现状与关键
2.1 注浆模拟试验概述
在实际的注浆工程中，浆液被注入到裂隙岩体内部，难以直观地观测到浆液在裂隙内的流动和分布情况，造成了注浆工程特有的隐蔽性和不确定性。注浆在岩体裂隙内部流动是一个复杂的过程，通常涉及压力场、渗流场以及两者的相互耦合、浆液的迁移扩散方向及路径等多个信息。同时，由第 １ 节提出的注浆扩散与胶结加固理论也需要在试验中得到进一步的验证。而注浆的现场原位试验由于工程本身的复杂性使得上述多项参数难以获取，且试验成本较高，因此，国内外学者常采用注浆模拟试验来研究浆液岩体裂隙内部的流动规律。
采用注浆模拟试验进行研究时，要能够解决以下问题：为保证浆液在试验模型的流动环境与实际工程中相似，需合理设计模型以及浆液流动通道；在试验模型中要考虑需要测量的物理量，以便预先布设足够的传感器去获取试验数据；模拟试验中所得结论能够进行合理的转化并应用到实际工程中。
2.2 国内外注浆模拟试验研究现状及关键问题
图4 圆管型等隙宽单裂隙注浆试验台
３ 裂隙岩体注浆数值仿真研究现状与关键问题
3.1 裂隙网络模拟数值仿真
3.1.1 蒙特卡洛法
3.1.2 分形法
图5 JRC与剖面线分形维数的关系
图6 节理表面分形维数与剖面线平均JRC的关系
3.2 注浆数值模拟研究现状
要实现浆液在岩体裂隙网络中的流动的数值模拟，首先是通过流体的N-S方程对单裂隙内浆液的流动进行数值模拟，联立流体运动的连续性方程及边界条件等解出数值解。N-S方程是非线性的偏微分方程，因此解决数值模拟问题的关键就在于求解偏微分方程，笔者总结目前采用的方法主要有：
１）有限元法。
２）有限差分法。
３）边界单元法。
４）离散单元法。
讨 论
在岩土工程中，注浆对于充填岩体裂隙、提高岩体强度、维护工程稳定性等方面具有不可替代的作用。笔者归纳总结了国内外学者在裂隙岩体注浆领域所取得的成果后，裂隙岩体注浆理论研究取得了很大发展，但目前关于裂隙岩体注浆问题的研究还远未成熟。由于现场岩体所处地质条件的复杂性，使得现有理论远落后于工程实践，大量科学研究成果难以转化为实际的注浆工程应用。要达到理论研究指导工程实践的目的，尚有许多关键问题亟待解决，主要存在以下5个难点：
１）在裂隙网络的浆液扩散理论及数值模拟中，裂隙网络的精细化建模以及裂隙界面效应参数表征是一大难点。
2）裂隙网络扩展至三维裂隙是今后研究注浆问题的关键，同时考虑三维裂隙的粗糙度、裂隙开度以及地下水等多种参数对注浆效果的影响。
３）浆液在岩体裂隙内的流动实质上是在多相流作用下涉及应力场、渗流场以及两者相互耦合作用的动态过程，因而，建立注浆条件下裂隙岩体应力－渗流耦合控制方程是一大难点。
4）建立裂隙岩体工程的锚固注浆理论将会成为今后该领域的发展方向之一，考虑锚杆（索）轴力作用下产生的裂隙法向应力分量，以及杆(索)体增强裂隙的抗剪滑移能力，研究压剪条件下裂隙填充浆层受力变形机制，建立岩石－裂隙充填浆层-锚杆(索)协调变形控制方程都将是锚固注浆理论将要解决的难题。
５） 建立起适应于深部裂隙岩体注浆的理论体系，包括深部裂隙岩体浆液扩散流动规律、胶结加固机制以及数值模拟方法等，将上述因素充分考虑，进而指导深部裂隙岩体的注浆工程。
结 论
１）在进行裂隙岩体中浆液扩散运移理论研究中，离散裂隙网络介质理论因其能够真实描述岩体裂隙的本质特征，已成为研究的主流方向。浆液在裂隙网络中的流动规律，受到注浆压力、注浆速度、浆液自身性质、岩体裂隙的开度和粗糙度以及地下水等多种因素的影响，其本质是多相流作用下的应力－渗流耦合动态响应与反馈的过程。
２）注浆对裂隙岩体胶结加固的本质是：通过浆液扩散沉积形成固结体充填破碎岩体的裂隙，改善岩体结构面力学特性；同时胶结作用的发挥提高了裂隙岩体的抗剪切能力，增加了整体的机械强度。实践表明，将注浆加固机制与岩体锚固机制结合起来，可以显著增加岩体的强度、刚度以及稳定性。
３）裂隙岩体注浆数值模拟是直观描述浆液在裂隙内流动规律，预测浆液扩散范围以及验证注浆模拟试验的关键方法，采用离散单元法进行的数值分析更符合浆液在裂隙中流动扩散的本质。在数值模拟中，浆液沿扩散路径的压力变化是问题的关键。
引用格式
胡少银，刘泉声，李世辉，等.裂隙岩体注浆理论研究进展及展望［J］.煤炭科学技术,2022,50（1）：112-126.HU Shaoyin，LIU Quansheng，LI Shihui， et al.Advance and review on grouting critical problems in fractured rock mass［J］.Coal Science and Technology，2022，50（1）：112-126.
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