摘要
随着国家“交通强国”战略的深入推进，目前我国已由隧道大国步入向隧道强国转变的轨道,出现了一批超长、超埋深、高地热环境下的重大隧道工程。其中，高温富水裂隙岩体是高地温隧道工程建设中的主要地质灾害源之一，在隧道施工过程中极易诱发高温裂隙型突涌水灾害。注浆方法是控制高温富水裂隙岩体地质灾害的最常用方法，水泥基速凝类浆液由于其速凝、早强，动水条件下浆液留存率高等特点在裂隙岩体注浆堵水工程中应用广泛。受高温富水环境的干扰性、浆液流固相变过程的复杂性以及注浆工程的隐蔽性影响，高温富水环境下裂隙岩体注浆治理仍旧处于经验性、盲目性较强的阶段，难以指导工程实践。本文针对高温富水环境下速凝浆液裂隙岩体注浆控制难题，通过理论分析、算法开发与室内试验、模拟试验相结合的研究方法，以水泥-水玻璃浆液（C-S浆液）作为典型的速凝浆液，以高温富水环境下“C-S速凝浆液流变特性试验→平板裂隙岩体注浆理论分析→裂隙岩体注浆模拟试验→工程应用验证”为主线开展研究，本文主要工作及创新成果如下: （1）以水泥-水玻璃浆液（C-S浆液）作为典型速凝浆液，提出了可适应高温环境下速凝浆液极短流固相变时间的浆液流变特性测试方法，测试了C-S浆液流固相变过程中的剪切应力～剪切速率关系，揭示了环境温度、浆液水灰比W/C、C∶S体积比对浆液流固相变过程中流变性能的影响规律，从浆液剪切破坏状态、浆液相变时间、浆液本构关系、流变参数时变性、浆液细观结构等方面分析了高温环境下速凝浆液的流固相变特性，建立了C-S浆液流固相变过程中的流变本构关系方程及流变参数时变方程。 （2）建立了可解释高温环境浆液速凝特性与工程实践中浆液连续长时间注入之间矛盾的裂隙注浆“圆形扩散-突围扩散”两阶段理论模型，构建了注浆扩散过程中浆液-围岩热交换过程中的浆液温度控制方程，提出了考虑热交换-流固相变联合影响的浆液流变参数计算方法，开发了可描述高温富水裂隙岩体速凝浆液注浆扩散过程的步进式算法，实现了高温富水裂隙岩体速凝浆液注浆扩散过程的完整描述。 （3）从浆液温度、流变参数及压力时空分布方面揭示了圆形扩散阶段与各突围扩散阶段的速凝浆液裂隙注浆扩散机制，阐述了高温富水裂隙岩体速凝浆液注浆扩散过程中的随机性特征，在此基础上，分析了围岩环境温度、裂隙开度、C-S浆液配比及注浆流量等因素对裂隙注浆扩散过程的影响规律。 （4）研制了高温富水环境裂隙注浆可视化模拟试验系统，实现了20～100℃高温富水环境、不同粗糙度三维裂隙的真实模拟，以及注浆压力、裂隙内部温度数据、速凝浆液扩散迹线的实时采集捕捉等功能。 （5）开展了高温富水环境速凝浆液平板裂隙与粗糙裂隙注浆扩散过程模拟试验，从裂隙内部浆液压力场与温度场时空分布、浆液扩散形态动态发展过程等方面揭示了高温富水环境速凝浆液裂隙注浆扩散机制，通过模拟试验数据与理论计算结果的对比，验证了理论模型的正确性。 （6）基于高温富水裂隙岩体速凝浆液注浆扩散机理研究成果，从注浆材料选型与配比优化、注浆钻孔布置、注浆参数确定、注浆过程控制工艺等方面形成了实用有效的注浆控制方法，研究成果在某深埋高地温煤矿裂隙岩体涌水注浆治理工程、某深埋高地温隧道裂隙水注浆治理工程中进行了成功应用，取得了良好的效果，可为类似工程提供一定借鉴。
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