高邊坡維護中超細水泥漿液的注漿工程應用研究*

李為華

(湖南水利水電職業技術學院水利建筑工程系，湖南 長沙 410131)

經過室內試驗后的漿液能否達到好的注漿效果，必須在施工現場選擇具有代表性的位置進行現場注漿實驗研究，以確定最優的施工材料和施工工藝，選擇某高邊坡作為實驗漿材的試驗現場.

1 地質條件

1.1 地層特性

該段地層由新至老分第四系全新統(Qh)、第四系更新統(Qp)、奧陶系中上統(O2+3)、奧陶系下統大灣組(O1d).其中奧陶系下統大灣組(O1d)為強風化瘤狀灰巖，特點為紫紅色，顯晶質結構，中厚層狀，含泥量較高，裂隙發育溶蝕現象明顯.易風化，地形上多呈緩地，巖質較軟，巖芯呈碎塊狀，巖體完整性差，揭露厚度為0.5～13.2m之間.弱風化瘤狀灰巖的特點為紫紅色，顯晶質結構，中厚層狀，含少量泥質，偶夾薄層狀灰巖，溶蝕裂隙及溶洞發育均有可塑－硬塑狀粘土充填.巖芯多呈柱狀，巖體完整性好，該層揭露厚度為35.3m.

1.2 邊坡區段工程地質特征

該邊坡巖層呈單斜狀構造，順向坡巖層產狀為:走向40°～60°，傾向為310°～330°，傾角在 42°～48°之間.巖層走向與路線方向相同，傾向和坡向、傾角和坡角基本一致，參見圖1.

發育著的節理主要分兩組，其產狀分別為:走向75°，傾向 SE;傾角60°～70°，走向350°;傾向 SW，傾角70°～75°，呈X型組合，前者隙面粗糙，隙寬1～2mm，無充填物，具微張特征.后者隙面光滑，隙寬2～4mm，粘土充填，延伸距離大于前者，延伸長在幾米到幾十米之間.最小節理密度為6條/m，最大節理密度為1條/m，大多數節理密度在3～5條/m.

1.3 不良地質現象

不良地質現象主要有:巖堆、順向坡、巖溶等，具體分述如下:

(1)瘤狀灰巖含泥成分較高，風化差異明顯，巖石脫水后，容易產生干裂而發生崩塌;此外，巖體節理裂隙發育，地下水沿節理活動，差異溶蝕現象嚴重.巖層結構面脆弱，巖塊穩定性差，一旦形成臨空面，即向低洼地帶產生崩塌，而形成巖堆.

圖1 邊坡滑坡情況

(2)坡向與巖層傾向傾角相一致，角度在45°左右，瘤狀灰巖含泥量較高，抗風化能力較差，此外兩組“X”節理發育，差異風化強烈，巖層常被切割成棱形塊體，開挖后沿層面容易發生滑移，對邊坡穩定極為不利.圖1是邊坡開挖不久發生的滑坡現象.

1.4 邊坡巖體力學性能參數

在上述對邊坡進行工程地質水文調查過程中，對具有代表性的巖石進行取樣，并根據邊坡穩定性分析計算要求.對典型巖石進行了物理力學參數試驗，實驗項目為巖石的單軸抗壓強度試驗、抗拉劈裂試驗、抗剪強度試驗以及弱面摩擦試驗，試驗結果見表1、2.取樣時，邊坡已經大部分開挖，邊坡輪廓基本出現，在開挖面選擇具有代表性的巖石進行人工撿石取樣.

表1 某高邊坡巖石物理力學參數表

表2 某高邊坡典型巖石弱面粘結力與摩擦角參數表

2 工程方案設計

2.1 施工漿材設計與制備

由于地質條件的不均勻性和復雜性，同類工程的注漿經驗往往僅能作為參考，不宜直接搬用，因此為了了解注漿特性，取得必要的注漿經濟技術數據，確定或修正注漿方案，使設計、施工更符合實際情況，布置更合理，地質條件復雜地區或有特殊要求的工程，應先期進行一定規模和深度的現場注漿試驗，并以此試驗成果作為注漿設計和施工的主要依據.

漿液在受注地層中應該具有良好的滲入性.即在一定的壓力下，能注入到一定寬度的裂隙中去.通常這種要求可按照計算進行，其計算公式見式(1)［1］:

式中N－被注地層的可注比;l－裂隙寬度，mm;d95－注漿材料中顆粒級別曲線上含量為95%的粒徑，mm.

如果要保證注漿切實可行，必須通過計算使得N＞5;在當N＜3時，認為漿液完全不可注.考慮到層理間裂隙開度不大為1至2mm之間，假設取N值為9.0，則要求注漿材料的細度為12～24μm，同時由于存在高液限粘土或者硅質巖膠結層，需要采用細顆粒注漿材料，以便注漿效果更好，根據實驗室試驗注漿原材料的選取可以得知該注漿材料粒徑滿足該地質條件對粒徑的要求.

根據賓漢流體在巖體柱形滲透中的注漿時間的表達式(2)［2］:

式中rc－鉆孔半徑，cm;r1－漿液擴散半徑，cm;n－巖體孔隙率;λ－始動壓力梯度，MPa/m;t－注漿時間，s;Δp－鉆孔壓力與注漿層地下水壓力之差，MPa.

根據巖石的性質分析和初步預期要達到的注漿效果，n=0.001初步選取rc=40cm，r1=100cm，λ =0.1MPa/m，Δp=0.5MPa，K=10－3cm/s，這樣初步估算出的注漿時間為25min左右，所以要將漿液的凝膠時間控制在30min以上為佳.

根據漿液的實驗結果與工程地質條件的分析，設計漿液的水灰比為:1:1、1:1.5、1:2;粉煤灰的摻量為25%;粘土的摻量為15%;石灰的摻量為7.5%;激發劑NaOH的摻量為3%;水玻璃(波美度35)的摻量為漿液體積:水玻璃體積=1:0.3.漿液的主要性能見表3，漿液的制備具體過程如圖2，注漿試驗孔采用梅花型布置，排距與孔距均為2.5m，如圖3.

表3 漿液的主要性能

圖2 漿液制備過程

圖3 注漿試驗孔平面布置圖

2.2 施工設備

主要的設備有:YT—24型鉆機一臺;BWT—8Y液壓注漿泵一臺，其最大輸出壓力為1.5MPa;壓力表兩個，其最大量程為0～4MPa;立式水泥攪拌機兩臺，其攪漿能力為167～250L/min;水泥漿輸送和回漿管各一根.

2.3 注漿施工

根據設計的目的，此次注漿試驗既要解決好漿液的擴散范圍，達到控制注漿的目的;同時又要把施工爆破產生的破碎巖石充填粘結;同時對層狀巖層層理面間的粘土進行改良，增強層理面粘結力和水穩性.

由于地層的不均勻性，對有些注漿孔采用逐步加壓的方式進行注漿，對有些注漿孔采取恒壓的方式進行注漿［3－8］，具體注漿壓力與注漿量的關系、注漿壓力與注入率之間的關系見表4、圖4和表5.

表4 注漿量與注漿壓力的關系

圖4 注漿量與注漿壓力的關系

表5 恒壓注漿壓力與注漿量關

3 現場監測

3.1 現場監測的意義

(1)指導施工，預報險情:做出工程預報，確定施工對策;監視險情，安全施工.

(2)掌握工程營運中的安全狀況;及時發現險情，采取相應的補救措施.

(3)校核理論，完善工程類比方法.為工程類比提供參數指標，為注漿工程設計與施工累計資料［8－10］.

3.2 現場監測內容及結果

注漿施工屬于隱蔽工程，因此，質量控制主要靠施工過程的監控.傳統的控制方式主要有流量控制法、壓力控制法等.實際上流量和壓力都是隨著時間而波動的，單純靠一個指標，即注漿量或注漿終壓來控制注漿過程都是不科學的.目前，國內外已發展了注漿過程監控手段，可動態跟蹤監測注漿過程流量和壓力的變化.

(1)注漿中地表位移監測及注入量的確定

過高的注漿壓力會劈裂地層，發生不利的變形，使漿液呈脈狀過度擴散，造成浪費.在注漿過程中，需要對周圍地表抬動變形和水平位移監測.事先將觀察孔打入地層6米深(比注漿孔要深)，在孔中插入長鐵管(10m)，將鐵管下半部固緊以作為不動點，然后在鐵管露出坡面部分安一根橫向鋼管，橫向鋼管升到注漿孔位置附近，再安裝JMDL—2110智能數碼位移計進行位移監測，防止巖層發生過大的抬動.注漿過程中必須對地表抬動連續進行觀測記錄，防止地層破壞.地表位移變化監測見表6.

(2)注漿過程中注漿壓力與注漿量的關系

注漿過程中，必須間隔為5分鐘左右記錄注漿量和壓力以及地表的位移情況、時間.注漿壓力或注入率突然改變時，應該立即查明原因，采取相應的措施進行處理.典型的注漿壓力與注漿量的關系見表4、圖4.

表6 地表位移變化

3.3 注漿效果檢測

注漿效果檢測是評價注漿工程的主要手段.目前，國內外關于注漿效果的檢測大體上通過取樣試驗和現場檢測進行.表 7 是使用較多的幾種檢測方法［11，12］.

表7 注漿效果探察方法分類表

本工程采取鉆孔取芯的直接檢測方式進行注漿效果檢測.在注漿孔中隨機的鉆芯取樣，巖芯取樣如圖5.

圖5 取樣巖芯

從巖樣中發現漿液在巖體中大致呈兩種擴散，一種是沿著垂直注漿孔軸向方向的裂隙呈線狀擴散，另一種是沿著層理面呈面狀擴散.線狀擴散的擴散半徑在0.7～1.2m之間;面狀擴散的擴散半徑為0.7～2.0m之間.線狀擴散的水泥漿液對表層垂直裂隙起粘結作用，增強表層巖體的整體性;面狀擴漿液劈裂粘土充填在層面間，包裹著粘土中的砂礫.漿液和粘土之間的離子交換作用，提高了粘土的水穩性;漿液與巖層的粘結作用，提高了巖層面間的抗滑性能.

取樣后將巖芯帶回實驗室進行分析，分析發現表層由于爆破形成的破碎巖層被漿液膠結為整體，巖層孔隙的充填率達到95%以上，充填效果很好.對巖芯進行注漿前后巖層粘結力和摩擦角的對比試驗，試驗結果見表8，注漿以后巖層粘結力和摩擦角分別都有較大的提高.分析結果顯示該漿液對該工程具有較好的注漿效果，證明此次的注漿材料具有較好的可注性，此次注漿工程是一個成功的注漿工程.

表8 漿前后典型巖石弱面粘結力與摩擦角參數表比較

4 小結

本文對工程地質條件進行了分析，結合漿液性能，對工程進行了注漿設計;同時在試驗現場進行了施工監測，通過對試驗數據的分析，得出了該地質條件下注漿壓力與注漿量的關系;對注漿效果、注漿半徑進行了檢測，對注漿前后巖體性能的改變做出了比較.試驗研究表明，該漿液對該工程具有較好的注漿效果，此次注漿工程是一個成功的注漿工程.

［1］熊厚金.化學注漿的明天——淺談21世紀化學注漿的發展戰略［A］.國際巖土錨固與注漿新進展［C］.北京:中國建筑工業出版社，1996.

［2］王星華.粘土水泥(固化)漿液流變性及其注漿工藝研究［D］.長沙:中南工業大學博士學位論文，1995.

［3］勾攀峰，張義順.“水泥－粘土－粉煤灰－生石灰”固化漿液性能試驗［J］.煤炭學報，2002，(4):148－151.

［4］管學茂，胡曙光，丁慶軍.超細水泥基注漿材料性能研究［J］.煤礦設計，2001，(3):28 －31.

［5］鐵大武，李生慶.摻粉煤灰的硫鋁酸鹽水泥混凝土的配制［J］.混凝土，1994，(3):49 －51.

［6］李瓊，王子明，劉艷露，等.SL型液體低堿速凝劑的速凝機理研究［J］.混凝土，2003，(4):28－30.

［7］賀國梁.不同細度和摻量的粉煤灰對水泥性能的影響［J］.水泥，2004，(8):4 －5.

［8］陳禮儀，朱宗培，楊俊志，等.高活性粉煤灰注漿材料的防滲特性及在帷幕灌漿工程中的應用［J］.探礦工程，2000，(5):42－44.

［9］程良圭，張作媚，楊志銀.巖土加固實用技術［M］.北京:地震出版社，1994.

［10］熊厚金.中國化學注漿的成就［A］.國際巖土錨固與注漿新進展［C］.北京:中國建筑工業出版社，1996.

［11］張景秀.壩基防滲與注漿技術［M］.北京:水利電力出版社，1992.

［12］李為華.水泥－粘土－粉煤灰漿材的工程性質研究［D］.長沙:中南大學碩士學位論文，2005.