数字施工下土溶洞地基回填注浆数值模拟

《KSCE Journal of Civil Engineering》：Numerical Simulation on Backfill Grouting of Soil-Cave Foundation under Digital Construction

　　

摘要翻译：
回填注浆的精确实施对土溶洞地基处理至关重要。然而，地下工程固有的隐蔽性使得实际注浆与充填状况的评估十分困难。数字施工技术能够对浆液流量、注浆压力及水灰比等注浆参数进行动态监测，为分析土溶洞内浆液扩散规律提供关键现场数据。研究人员利用这些数字监测数据，开展了基于计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics, CFD）的数值模拟，以研究注浆过程中浆液的流动、扩散及充填模式。通过集成地下地质条件、动态注浆孔数据和地形信息，建立了用于土溶洞地基处理的基础三维地质模型。将该地质模型与实时注浆监测数据耦合，并采用宾汉（Bingham）本构模型描述水泥浆液，提出了一种数字施工下低等级混凝土浇筑与袖阀管注浆两阶段耦合的一体化数字模拟方法。该方法综合运用有限差分法（Finite Difference Method, FDM）、真实流体体积法（True Volume of Fluid, Tru-VOF）及孔隙介质理论。此外，还进行了敏感性分析，以考察注浆压力和水灰比对充填过程中浆液扩散时间及注入量的影响。结果表明，溶洞内浆液流动、充填和扩散的模拟值与现场实测值高度一致（两阶段灌注量误差分别为6.4%和5.0%）。该集成方法为优化注浆参数提供了有效途径，并可在土溶洞地基注浆全过程实现全面质量控制。

论文解读：

**一、研究背景与问题**
土溶洞地基广泛存在于岩溶发育地区，其内部空洞和不均匀填充常导致地基承载力不足，工程建设中需采用回填注浆进行加固处理。常规工艺为先向溶洞空腔灌注低强度等级混凝土，再通过袖阀管注入水泥浆液，形成整体固结体以增强地基稳定性。然而，土溶洞地基具有高度隐蔽性和复杂性：地层类型多样且分布不规则，溶洞的位置、几何形态随机，充填状态差异显著。这导致施工过程中难以实时掌握浆液在溶洞内的扩散路径和填充程度，无法客观评价注浆效果。同时，地下条件的动态变化使得注浆压力、流量等关键参数不能根据现场实际情况及时调整，容易引发质量隐患。数字施工技术通过实时监测注浆参数（如浆液流量、压力、水灰比）提供了丰富现场数据，但如何有效利用这些数据动态模拟浆液实际充填行为，进而指导施工参数调整，仍是亟待攻克的技术瓶颈。传统数值模拟研究大多基于理想化随机裂隙网络或简化均质地层模型，未考虑真实地质结构与裂隙分布的空间耦合；普遍采用静态设计参数，未整合现场实测动态施工参数；且多为孤立模拟单一注浆阶段，缺少混凝土浇筑和水泥注浆连续过程的耦合建模。因此，建立基于数字监测数据驱动、耦合真实地质模型和两阶段施工过程的数值模拟方法，对土溶洞地基注浆质量精准控制具有重要意义。

**二、研究内容与关键方法**
研究人员依托广州白云国际机场三期扩建工程试验段，构建了集注浆设备监测模块、制浆站数据采集模块、云服务器和远程监控平台于一体的实时监测系统，获取了土溶洞充填与注浆过程中注浆孔坐标、泵送流量、压力、水灰比等动态参数。据此建立了包含真实地层、土溶洞和动态注浆孔的三维工程地质模型，其中模型区域为16 m × 16 m，含两个土溶洞，共10个注浆孔。基于该模型和实时监测数据，提出了数字施工下土溶洞地基充填注浆一体化模拟方法，方法核心技术包括：(1) 采用有限差分法（FDM）和真实流体体积法（Tru-VOF）追踪浆液与气体的动态界面；(2) 利用孔隙介质理论描述浆液在地层中的渗流扩散，并引入修正Darcy定律以考虑宾汉(Bingham)流体启动压力梯度；(3) 通过宾汉本构模型表征水泥浆液的非牛顿流变特性，并建立密度、塑性粘度、屈服应力与水灰比的定量关系；(4) 将监测数据经滑动窗口滤波处理后映射至地质模型，动态设定数值模型的边界条件和浆液物性参数；(5) 分阶段激活溶洞内自由流动区域和孔隙介质区域，实现低强度等级混凝土浇筑和水泥浆注浆的时序耦合模拟。计算采用六面体结构化网格，溶洞核心区和注浆孔附近局部加密，总网格数分别达204,288和648,000，时间步长取1×10?? s，最大库朗数控制在0.5以下。

**三、主要研究结果**
*模拟与实测对比验证*：低强度等级混凝土浇筑阶段，现场实测灌注量为264 m3，模拟值为281 m3，相对误差6.4%；实测灌注时长约780 min，模拟值788 min，相对误差1.0%。水泥浆液注浆阶段，现场实测总注入量157.53 m3，模拟值150.19 m3；现场注浆总时长约31.7 h，模拟值33.04 h，误差极小。溶洞周围三个验证钻孔的浆液首次返流时间相对误差分别为8.2%、11.5%和9.7%，表明模拟浆液扩散顺序与现场监测结果定量一致。

*浆液扩散规律分析*：在单孔注浆条件下，浆液呈放射状向外扩散，扩散半径随时间延长而增大，但增速逐渐放缓，呈倒漏斗状分布。扩散半径R(t)与时间t满足幂函数关系R(t)=k·tⁿ，经拟合n≈0.3，拟合决定系数R2=0.98，符合Darcy渗流定律和非牛顿流体特性。不同观测断面上浆液扩散形态呈现明显不对称性，主要受溶洞边界约束、重力作用导致下部地层优先饱和以及多孔序贯注浆渗流场叠加影响。

*注浆参数敏感性分析*：当注浆压力从0.4 MPa增至0.5 MPa时，总注浆量增加4.0%，注浆时长缩短16.1%；而压力从0.5 MPa增至0.6 MPa时，注浆量仅增加0.44%，时长缩短10.6%，扩散性能趋于饱和，表明存在经济最优注浆压力。当水灰比从1.1:1降至0.9:1时，浆液粘度增大，注浆时长从约27.6 h延长至41.9 h（增加51.8%），总注浆量从149.81 m3降至146.28 m3，较低水灰比会导致浆液在注浆孔附近过早积聚堵塞，抑制后续扩散。综合浆液强度和注浆效率，推荐施工参数为注浆压力0.5 MPa、水灰比1.0:1。

**四、结论与讨论**
研究得到以下主要结论：(1) 模拟得到的浆液总注入量和注浆时长与现场实测高度吻合，相对偏差均控制在5%工程阈值以内，验证了该模拟框架的可靠性、准确性和工程适用性；(2) 浆液扩散半径随时间延长而增大，但增速逐渐降低，浆液在溶洞内达到最优覆盖需使充填过程处于高效阶段；(3) 敏感性分析表明，注浆压力0.5 MPa和水灰比1.0:1条件下注浆效果最优。该方法为地基注浆过程的精准调控和回填注浆全流程质量管控提供了新的技术途径。讨论部分指出当前模型尚存三方面局限：未显式考虑水泥水化反应的时变效应和注浆后浆液固结过程；地层渗透性采用现场调查平均值，未解析天然地质体固有的空间非均质性和各向异性；未充分求解高速流动浆液与周围孔隙土体之间的双向流固耦合作用。未来研究将集成水泥水化动力学模块、高分辨率地质非均质性表征方法和双向流固耦合求解器，以增强模型的预测能力和工程通用性。