某膨脹性軟巖隧道圍巖注漿加固規律研究

何 毅 李本奎,2 鄭俊偉 劉曉強 張曦呈 苑旭光

(1.山西江陽工程爆破有限公司;2.太原理工大學礦業工程學院)

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某膨脹性軟巖隧道圍巖注漿加固規律研究

何 毅1李本奎1,2鄭俊偉1劉曉強1張曦呈1苑旭光1

(1.山西江陽工程爆破有限公司;2.太原理工大學礦業工程學院)

某公路隧道處于較高地應力動壓作用下，且隧道圍巖膨化、松散，極易失穩、冒落。通過全面分析膨脹性隧道圍巖在振動壓力作用下的變化規律，采用隧道圍巖夯實注漿加固技術改善隧道圍巖的三向應力狀態并大大提高圍巖的承載能力。結果表明，周期性注漿壓力有效地提高了膨化、松散隧道圍巖裂隙結石度；漿液水灰比的大小直接影響注漿范圍的廣度與成效；注漿水灰比與注漿壓力在很大程度上決定了膨脹性隧道圍巖的應力狀態和巖體承載性能；膨脹性軟巖隧道圍巖最佳的加固方法是在周期性注漿壓力條件下采用水灰比0.8∶1漿液的聯合注漿方式。結果具有較好的現場指導作用。

膨脹性軟巖 注漿加固 周期性壓力 水灰比

我國軟巖隧道支護已形成以錨固與注漿加固為核心的安全高效施工技術[1]。對于膨化、松散、破碎的隧道圍巖，孤立的采用錨桿(索)支護，由于錨固劑與松散破碎圍巖的黏結力小，達不到支護設計的錨固力要求，錨桿(索)的力學性能不能充分發揮。在這種條件下，注漿加固是隧道圍巖控制的有效途徑。

長期以來，大量的國內學者對高應力、大變形膨脹性軟巖隧道的圍巖控制進行深入研究。高應力膨化、松軟巖隧道與硬巖隧道的變形特征截然不同，主要表現在3個方面：①圍巖變形量大,這是受高應力自身作用的緣故，主要表現為隧道幫部收斂、頂板大面積垮落和底鼓;②圍巖變形速率大,在高應力的作用下，變形趨向穩定后仍有較大的流變速度;③圍巖變形具有時效性,隧道圍巖變形不僅有明顯的空間效應,而且有明顯的時間效應[2]。如果在變形初期不能采取有效的支護措施，圍巖變形會急劇增大，勢必導致隧道圍巖的失穩破壞。

在圍巖的動態變形過程中，注漿動力的形式、注漿材料配合比、注漿擴散半徑、水灰比等之間存在著復雜的關系[3]，通過注漿試驗，分析隧道圍巖變形、變化規律，確定注漿水灰比、注漿動力的形式與注漿擴散半徑、注漿圍巖強度之間的變化關系，以隧道圍巖注漿加固技術為基礎，確定適合高應力膨化松散軟巖動壓隧道圍巖改性的相關注漿參數，為類似圍巖隧道加固工程提供借鑒經驗。

1 工程概況

京昆高速公路盂縣—石家莊段某隧道橫穿太行山脈底部，從地應力角度，屬于深埋隧道，該隧道頂底板圍巖基本為中砂巖、細砂巖，其中含泥質成分較高，極易風化，圍巖強度較低，屬于膨化松散軟巖隧道，且該隧道還受到一側的鐵路隧道振動影響，圍巖變形破壞程度較大，隧道掘進和維護存在很大的難題。該隧道圍巖X射線衍射測定表明[4]，圍巖主要由高嶺石、綠脫石、伊利石、石英、蒙脫石等礦物組成，表1為隧道圍巖各礦物含量，可見圍巖中黏土類礦物成分含量較多，高達79.8%，致使隧道圍巖強度較低，變形量較大，且極易破碎垮落。

表1 隧道圍巖試樣的礦物成分 %

2 注漿加固技術

注漿加固技術是一項實用性很強的工程技術，利用高壓泵作為漿液輸送的動力源，把某些能與巖土體固結的漿液注入到巖土體的裂隙中，通過液體壓力將漿液反復作用于注漿自由面，使漿液擴散均勻并且夯實于巖土體裂隙中，使巖土體成為強度高、抗滲性好的新結構體，從而改善巖土體的物理力學性能。

在原金屬支架基礎上，進行壓力注漿加固膨化松散圍巖，可以增強支護結構的整體承載能力[5]，保證支護結構的穩定性，注漿加固與原被動支護組成聯合支護體系，共同維護隧道圍巖的穩定。

3 注漿加固試驗

由于該隧道圍巖膨化松散且圍巖中黏土類礦物成分含量較多，同時受高應力地質條件及相鄰鐵路振動的影響較大，而且水泥-水玻璃雙液漿凝結時間可控[6-7]，因此注漿材料采用水灰比分別為1∶1、0.8∶1、0.6∶1的水泥-水玻璃雙液漿，材料配比參數見表2。

表2 注漿材料配合比參數

采用周期性壓力注漿試驗，計算機控制注漿管內漿液輸送壓力，注漿完畢后，鉆孔取芯并在壓力機上進行抗壓試驗，研究膨化松散巖體強度變化規律以及注漿擴散分布規律，綜合評價注漿效果。試驗用設備UB0.3型灰漿注漿泵見圖2。

圖1 注漿設備

4 試驗結果及分析

4.1 擴散半徑隨漿液水灰比的變化規律

將從該隧道中采集的巖樣裝入注漿室，并安裝壓力傳感器，通過高壓注漿管與注漿泵連接，開動注漿泵并設置周期性壓力，漿液注入注漿室內的巖體中，試驗按3種漿液水灰比依次進行，考察注漿擴散分布規律，測定結果見圖2。

圖2 不同水灰比的漿液擴散半徑隨時間的變化

由圖2可知，在周期性注漿壓力作用下，注漿擴散半徑隨注漿時間延長不斷擴大，最終趨于穩定[8]。當漿液水灰比為0.6∶1時，漿液在圍巖中的滲透擴散效果很不理想，漿液擴散范圍較小。隨著漿液水灰比的提高，漿液流動速率及擴散范圍明顯增大，當漿液水灰比為1∶1時，漿液擴散半徑達到2.3 m 之多，由此可知，漿液水灰比的提高勢必能夠增大漿液的擴散半徑，但考慮到實際工程情況，漿液擴散半徑過大或過小均不符合工程的經濟性施工，根據注漿錨桿間排距的要求，工程上一般認為擴散半徑為1.2～1.5 m時注漿工程的經濟效果最佳，因此，漿液采用0.8∶1水灰比較合適。

4.2 圍巖強度隨漿液水灰比的變化規律

待注漿完畢7 d后通過鉆孔取芯，用切割機、研磨機加工成標準試件，通過伺服壓力機測定試塊的抗壓強度。圖3為周期性壓力注漿后的3種不同漿液水灰比試件試驗加載過程中巖體的破壞形態，加載依次為5，15，25 MPa，水灰比依次為0.6∶1，0.8∶1，1∶1。

圖3 周期性注漿壓力時巖體試塊受壓破壞過程

由圖3可以看出，試件1-1和3-1在壓縮應力作用下產生較大變形，且有明顯的裂縫擴張，主要表現為縱向裂縫發展。試件2-1在壓縮應力作用下僅僅只產生較小的裂紋，說明注漿水灰比為0.8∶1時圍巖耐壓性能較好。

周期性正弦波形式的輸送壓力循環往復地作用于注漿自由面，能夠有效地使漿液夯實于膨化松散圍巖裂隙內。注漿水灰比為0.8∶1時，試樣力學特性得到了顯著的改善，內聚力、內摩擦角比注漿前明顯增大，抗壓強度明顯增大。水灰比為0.6∶1時，漿液較濃，難以注入，而水灰比為1∶1時，結石體抗壓強度略低。因而可以認為，膨化松散隧道圍巖注漿結石體的抗壓強度和漿液擴散半徑的范圍是漿液水灰比與注漿壓力形式共同作用的結果。

4.3 圍巖變形隨漿液水灰比的變化

圖4為高地應力作用下采用相同周期性注漿壓力和不同注漿水灰比時隧道膨化松散圍巖頂板、底板、巷幫的變形規律與特征。

圖4 不同注漿水灰比時隧道圍巖變形情況

由圖4可知，膨化松散隧道圍巖未注漿、注漿水灰比為0.6∶1和1∶1時，頂板中部較兩側下沉量大，最大下沉量分別為0.275，0.195和0.142 m，且下沉趨勢依次遞減；注漿水灰比為0.8∶1時，隧道頂板中央及兩側下沉量較小，且近似同步下沉(約0.02 m)，注漿加固效果極為顯著。未注漿、注漿水灰比為0.6∶1，0.8∶1和1∶1時，底板中部較兩側鼓起量大，最大底鼓量分別為0.61，0.41，0.11和0.32 m，兩幫最大收斂量分別0.95，0.65，0.10和0.38 m。顯然注漿水灰比為0.8∶1時，隧道底板鼓起量與兩幫收斂量均最小，隧道底鼓及巷幫內移得到有效控制。

從隧道膨化松散圍巖變形的角度對比分析不同配比的注漿材料在周期性注漿壓力作用下注漿加固效果，認為對隧道膨化松散圍巖注漿加固的漿液水灰比為0.8∶1時，注漿加固效果最佳，工程上既經濟又高效。

5 結 論

(1)膨脹性軟巖注漿加固時，影響漿液擴散半徑和注漿加固效果的主要因素是漿液的壓力輸送方式、漿液水灰配合比、漿液材料性質。

(2)周期性注漿壓力能夠有效保證松散圍巖裂隙結石度，漿液水灰比大小決定注漿的難易程度及合理的漿液擴散范圍，注漿水灰比在很大程度上影響著松散圍巖的整體承載性能。

(3)對膨化松散圍巖注漿結石體的強度和漿液擴散范圍的影響是漿液水灰比與漿液的壓力輸送形式共同作用的結果。采用周期性注漿壓力及漿液水灰比為0.8∶1時，注漿擴散范圍及加固效果最佳，在膨化松散圍巖工程治理中既經濟又高效。

[1] 康紅普,林 健,楊景賀,等.松軟破碎井筒綜合加固技術研究與實踐[J].采礦與安全工程學報,2010,27(4):447-452.

[2] 馮志強,康紅普,楊景賀.裂隙巖體注漿技術探討[J].煤炭科學技術,2005,33(4):63-66.

[3] 顏 峰,姜福興.裂隙巖體注漿加固效果的影響因素分析[J].金屬礦山,2009(6):14-17.

[4] 柴肇云,康天合,李義寶.物化型軟巖微結構單元特征及其脹縮性研究[J].巖石力學與工程學報,2006,25(6):1263-1268.

[5] 牛學良,付志亮.深井巷道巖石注漿加固試驗與隧道穩定性控制[J].金屬礦山,2007(11):18-21.

[6] 張永成.注漿技術[M].北京:煤炭工業出版社,2012.

[7] 朱維申,何滿潮.復雜條件下圍巖穩定性與巖體動態施工力學[M].北京:科學出版社,1996.

[8] 祁和剛,郭夕祥,于士芹,等.破碎大巷變形機制與注錨加固技術[J].煤炭學報,2008,33(11):1224-1229.

*國家自然科學基金項目(編號：51274145)，國家重點實驗室開發基金項目(編號：SKLGDUEK1311)。

2016-08-10)

何 毅(1968—)，男，總經理，高級工程師，030041 山西省太原市尖草坪區西留路18號。