在采矿沉降区域，对聚氨酯灌浆修复技术用于天然气管道的模型测试研究

《TUNNELLING AND UNDERGROUND SPACE TECHNOLOGY》：Model test study of polyurethane grouting repair for gas pipelines in mining subsidence areas

地下煤气管道在采矿沉陷区因地面变形导致渐进式位移，本研究通过单点与多点聚氨酯注浆实验，分析注浆体积（300-1500ml）和距离（15/20/25cm）对管道变形及应力的修复效果。结果表明，单点注浆易引发局部抬升和应力集中，而多次注浆可将最大位移从7.9mm降至3.9mm，应变从1400.3με降至259.6με。

　　

杜子博|田浩东|马建国|李林|张景伟|周创

郑州大学土木工程学院，中国河南省郑州市科学大道100号，450001

摘要

在矿区，由于煤炭开采后地面的长期变形，地下燃气管道经常受到渐进性位移的影响。使用聚氨酯进行非开挖灌浆是一种可行的方法，可以修复管道并防止进一步的损坏。在本研究中，进行了一系列单点灌浆测试和多点灌浆测试，以全面研究灌浆对管道的机械响应，特别关注灌浆对管道变形和应变演变的影响。在单点灌浆测试中，分析了各种灌浆参数（包括灌浆量300至1500毫升）和灌浆距离（15厘米、20厘米和25厘米），以评估它们对修复效果的影响；而多点灌浆测试则重点关注不同过程中的灌浆效果以及整体修复效果。利用测试结果，通过计算纵向弯矩和界面剪切应力来评估管道-土壤相互作用机制。结果表明，增加灌浆量和减少灌浆距离可以提高沉降和应变减少的效果。然而，单点灌浆过量会导致局部不均匀的隆起和应力集中。相比之下，多点灌浆技术可以有效缓解局部变形并进一步减轻高应变条件。最终，多点灌浆测试将管道的最大位移从7.9毫米减少到3.9毫米，管道的最大纵向应变从1400.3微米减少到259.6微米。这些结果将为矿区沉降区燃气管道的聚氨酯灌浆修复技术提供理论基础。

引言

作为中国能源基础设施的重要组成部分，长距离输气管道的里程正在不断增加。然而，作为连续线性结构，这些燃气管道不可避免地会穿过勘探区、矿区和已开采区（Wang等人，2021年）。由于采矿活动后的残余沉降（Ren等人，2024年），无论是在煤炭开采之前还是之后建造的燃气管道，都一直受到地层渐进变形的威胁。管道的过度沉降可能导致严重后果，如裂缝、管道介质泄漏，甚至爆炸（Piotr，2019年；Zheng等人，2021年）。因此，在最大沉降或应变超过管道保护要求规定的允许值之前，应采取有效的修复措施以确保管道的安全。现有的修复方法包括挖掘管道沟槽、焊接保护和及时使用机械设备提升管道（Yao和Feng，2011年；Wang等人，2021年），但这些方法通常成本高昂且耗时。与这些方法相比，非开挖灌浆是一种更经济、更方便的方法。它在需要立即干预的急性管道沉降情况下便于快速修复。因此，非开挖灌浆被认为是矿区沉降区管道修复的一种可行方法。

目前，灌浆技术已广泛应用于各种结构提升工程项目（Kummerer等人，2007年；Zhang等人，2012年；Farrell，2015年）。然而，由于修复采空区燃气管道需要较大的提升量，传统的灌浆材料可能难以满足要求。聚氨酯灌浆材料是一种固化速度快、体积膨胀显著（高达10-20倍）且膨胀压力高的材料（Harikrishnan和Khakhar，2007年；Fang等人，2022年）。它在管道灌浆提升项目中显示出应用潜力。如今，聚氨酯材料越来越多地被用于非开挖提升修复应用，特别是在公路路面提升工程（Wei等人，2017年；Dong等人，2023年）、地下混凝土管道修复（Fang等人，2018年；Wang等人，2019年；Li等人，2021年；Li等人，2022a）和铁路板轨道提升项目（Bian等人，2021年；Huang等人，2024a）中。密度为0.10-0.56克/立方厘米的聚氨酯材料的抗压屈服强度在20-400兆帕范围内（Li等人，2020b；Liu等人，2022年），这足以保持修复结构的长期稳定性。从环境影响角度来看，聚氨酯的原材料及其聚合过程对环境无害，不会产生毒性或污染（Chattopadhyay和Raju，2007年；Sternberg和Pilla，2020年）。一旦固化，灌浆材料具有长期稳定性，不会通过分解释放有害物质或微塑料（Chaudhari等人，2013年；Wang等人，2016年）。因此，聚氨酯材料可以满足管道灌浆提升应用的基本要求。

在管道保护方面，当前研究在地下管道监测和管道-土壤相互作用领域取得了显著进展。对于管道监测，已经广泛应用了分布式光纤传感器（Feng等人，2018年）、数字孪生（Wang等人，2025年）和多传感器融合（Li等人，2020a）等新技术。例如，Li等人（2022c）将布里渊光纤传感器与移动增强现实相结合，重建了一个基于数据物理驱动的数字孪生模型，实现了对管道安全状态的直观和定量评估。为了应对采空区沉降等极端地质灾害，Wang等人（2026年）提出了一种基于旋转角度的逆向有限元方法，有效解决了监测管道大变形的挑战。在研究管道-土壤相互作用问题方面，先进的数值方法已成为关键方法。Peng等人（2025年）采用了离散元方法与有限元方法（DEM-FEM）来研究非饱和颗粒土壤中的管道-土壤向上相互作用，揭示了颗粒粘附如何影响接触力分布、颗粒碰撞以及管道周围的土壤拱形。Xie等人（2024年）应用了材料点方法（MPM）来模拟表面加载下的管道-土壤系统，有效捕捉了土壤破坏模式的演变和管道周围的土压力重新分布。Huang等人（2024b）提出了一种基于土壤本构模型的管道-土壤相互作用模型，使用有限元方法对非线性土壤弹簧进行了校准，以模拟轴向、侧向和垂直阻力，从而能够分析可塌陷黄土地区的管道沉降。这些研究表明，先进的数值方法在捕捉管道-土壤相互作用的复杂力学方面具有越来越强的能力，从连续应力分析到微观力学洞察。然而，关于管道灌浆提升及其相关机制（包括管道-土壤相互作用）的研究仍然相对有限。管道灌浆修复方法中的几个关键问题也需要进一步研究，包括确定纵向提升范围、特定位置的提升量、实现这些大提升量的方法以及相关的灌浆操作技术。因此，本研究调查了管道在聚氨酯灌浆作用下的机械响应。

关于盾构隧道灌浆的研究与管道灌浆修复有一定的相似性，这为本研究提供了宝贵的参考。这些研究包括理论分析、数值模拟和实验研究。在理论分析方面，Fu等人（2020年）利用圆柱形腔体膨胀理论和图像方法计算作用在隧道上的提升力，同时基于Timoshenko梁放置在Vlasov基础上的模型分析了隧道的纵向响应。Meng等人（2024年）将灌浆简化为多个等直径球体的叠加，并结合土壤结构特性来计算盾构隧道的两阶段位移（提升-沉降）。在数值模拟方面，通常采用两种方法来模拟灌浆，即内部压力和体积应变，这两种方法都是通过土壤柱的体积膨胀实现的（Zhang等人，2019年；Wang和Zheng，2022年；Zhang等人，2022年）。然而，理论方法和数值模拟不可避免地涉及许多简化和假设，导致与实际情况存在一定差异，尤其是灌浆传播模式。在实验研究方面，实验室模型测试是研究灌浆影响的有效方法（Gong等人，2018年；Hua等人，2025年）。Gong等人（2018年）使用加载仪器提升模型隧道来模拟灌浆提升效果，并分析了上覆土壤的响应特性。Hua等人（2025年）在隧道模型下方进行了灌浆操作，并分析了各种灌浆参数对隧道纵向结构行为的影响，包括隧道接头变形的特性。尽管已经广泛研究了盾构隧道的灌浆效果，但盾构隧道是由垂直和水平连接的段和螺栓组成的复合结构，而燃气管道是焊接的X80钢管。因此，盾构隧道和燃气管道在灌浆提升响应方面存在显著差异。此外，在隧道提升项目中，主要关注的是监测位移变化（Zhang等人，2017年；Liu等人，2018年；Fu等人，2024年）。但燃气管道的提升需要全面评估位移演变和结构应力响应（Orynyak等人，2019年；Xu等人，2020年）。为了研究燃气管道的聚氨酯灌浆修复方法，本研究采用了实验室模型测试。

本研究旨在揭示燃气管道灌浆提升的效果，因此进行了一系列模型测试，以研究地层沉降和灌浆对管道位移变化和应变响应的影响。基于挖掘出的灌浆体分析了灌浆扩散模式，并讨论了灌浆量、注入距离以及单点或多点灌浆对管道结构行为的影响。此外，计算了管道的弯矩和管道-土壤界面的剪切应力，并检查了管道-土壤的相对位移，以分析管道与土壤之间的相互作用模式。

测试设备

模型测试设备如图1（示意图）、图2和图3（照片）所示，主要包括一个模型容器、一个管道模型、灌浆设备和各种测量仪器。以下简要描述了每个部分。

测试程序

如表4所示，本研究进行了一系列具有不同参数的灌浆测试。其中，A1～A5、B1～B5和C1～C3测试是单点灌浆测试。灌浆量分为五个级别，即300毫升、600毫升、900毫升、1200毫升和1500毫升，如图6(a)所示。需要注意的是，测试中的灌浆量是根据挖掘出的灌浆体的重量计算的，其中包括粘附在外部的土壤颗粒的重量。

灌浆对管道变形响应的影响

在单点灌浆测试A1、A2、B1和C1中，管道没有发生提升。在本节中，选择了四个典型的测试案例（测试A3、B4、B5和C3）进行详细分析。这些测试中挖掘出的灌浆体用于研究管道下方的灌浆扩散模式。通过比较不同测试条件下的管道位移，分析了灌浆量、灌浆距离和多次灌浆对管道纵向变形行为的影响。

管道的机械响应

本节介绍了管道在不同测试条件下的机械响应，包括纵向应变、周向应变、管道弯曲行为以及管道-土壤界面的剪切应力。将分析不同灌浆参数对管道机械响应的影响，同时也会讨论管道-土壤相互作用机制。

讨论

应该注意的是，实验模型不可避免地会与实际情况存在一定偏差。在本研究中，由于沉降过程中管道-土壤分离的存在，土壤-管道相互作用机制可能与现场观察结果有所不同。此外，实际案例中的聚氨酯灌浆通常使用钻孔和密封灌浆方法，这在沙质土壤中难以实施。因此，本研究中的灌浆传播模式

结论

本研究进行了管道沉降和聚氨酯灌浆修复的实验模拟。研究了管道响应机制，包括管道位移、应变和弯曲行为的演变。还分析了管道与土壤之间的相互作用模式。主要结论如下：

(1)

在单点灌浆中，管道表现出局部隆起。随着灌浆量的增加和

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（资助编号：U22A20598）、河南省重点研发项目（资助编号：241111322500）、河南省自然科学基金（资助编号：262300421091）和国家自然科学基金（资助编号：52578385）的财政支持。