隧道砂卵石圍巖超前小導管注漿參數優化研究

凌森林,田世雄,路軍富,張 釗

(1.地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室(成都理工大學),成都 610059； 2.甘肅省交通規劃勘察設計院股份有限公司,蘭州 730030)

引言

在砂卵石地層隧道開挖過程中，掌子面易發生失穩，常會采用注漿加固技術來提高砂卵石地層的承載能力，同時達到防滲和超前支護的目的[1-4]。目前砂卵石層隧道開挖時多采用超前小導管注漿加固技術[5-9]，但是實際工程中常依靠經驗或工程類比法來設計注漿參數[10-12]。在砂卵石層中采用超前小導管注漿加固時，合理地選擇注漿參數是注漿加固成功與否的關鍵。純水泥漿雖然經濟實惠，便于施工，常用在砂卵石地層注漿加固中，但是水泥漿液存在易沉降，凝結時間長，結石體易收縮等缺點；注漿孔間距設計對于注漿效果至關重要，孔距過大或過小，均會影響注漿效果；注漿孔的間距又必須依漿液的擴散距離而定；漿液擴散距離又與注漿壓力、漿液流動性及卵石土的滲透系數等因素有關，如不能很好地處理這些問題，將嚴重影響注漿加固效果。國內外學者[13-16]通過理論分析、試驗及數值計算對注漿參數的選取及其作用效果進行了研究，并取得了一定的成果。針對白鶴橋隧道砂卵石層圍巖結構松散，粗顆粒較多，透水性強的特點，通過室內漿液基本性能測試，改性單水泥漿性能，并對砂卵石層進行室內注漿加固模型試驗。根據試驗結果分析，得到最優的注漿參數，并提出了相應的注漿控制標準，以便指導工程實踐。

1 注漿材料性能試驗

1.1 試驗材料及方法

1.1.1 試驗材料

(1)水泥：P.O 42.5硅酸鹽水泥。

(2)懸浮劑：自主研制的水泥漿懸浮劑A。

(3)速凝劑：水玻璃，波美度為38Be′。

1.1.2 試驗方法

(1)使用維卡儀測試不同水灰比下水泥漿的初凝、終凝時間。

(2)流動度與可泵時間采用水泥凈漿流動試模進行測定。

(3)用量程為250 mL的量筒取試樣漿液250 mL，將量筒靜置，待析出水體液面穩定后，計算漿液析水率。

(4)采用ZNN-D6型六速旋轉黏度計，進行不同水灰比下水泥漿液黏度測試。

(5)將試樣制成70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm標準水泥立方體試模，然后置于溫度為20 ℃，相對濕度為90%以上的標準養護箱中養護。試驗采用YAS-300型微機液壓伺服壓力試驗機分別測定試塊3，7，14，28 d養護齡期的結石體單軸抗壓強度。

(6)用量程為250 mL的量筒取250 mL漿液，加入適量懸浮劑，靜置2 h待漿液上部懸浮液穩定后，對比量筒內懸浮液體積，進而得出懸浮劑效果。

1.2 試驗結果與分析

1.2.1 凝結時間試驗

注漿材料的初、終凝時間決定了注漿材料的可操作性與可泵性，為了選取最優初、終凝時間，分別以水灰比為0.5，0.7，0.8和1.0的純水泥漿進行試驗，其試驗結果如圖1所示。

圖1 初、終凝時間曲線

由圖1可知，初凝時間與水灰比成線性遞增關系；終凝時間分兩個變化階段，水灰比在0.5～0.8，終凝時間近似成線性遞增關系，水灰比在0.8～1，終凝時間增長趨勢有所減緩。為改善水泥凈漿的初、終凝時間，可加入適量速凝劑(如水玻璃)，進而縮短初、終凝時間。

1.2.2 流動度與可泵時間試驗

可泵時間的長短，對現場注漿作業影響重大，受現場施工條件的影響，可泵時間過短和過長，均不利于現場注漿作業的開展，所以選取合適的可泵時間與流動度具有十分重要的現實意義。

由圖2和圖3所示，漿液的可泵時間和初始流動度均隨著水灰比的增大而增大。雖然水灰比越大，漿液的可泵時間和初始流動度越大。

圖2 可泵時間曲線

圖3 初始流動度曲線

1.2.3 析水率試驗

研究表明，析水率越大，漿液穩定性越差。漿液的穩定性標準是2 h內的析水率不超過5%。如圖4所示，水泥漿的析水率隨水灰比增大而增大，析水率越大，注漿結石體體積收縮越大，對注漿效果影響越大。為改善漿液易發生水泥顆粒沉降和析水的現象，可在水泥凈漿中加入適量懸浮劑。

圖4 析水率曲線

1.2.4 漿液的黏度試驗

通過水泥漿液的表觀黏度隨時間變化曲線可以表征水灰比對水泥漿液黏度時變性的影響，如圖5所示，硅酸鹽水泥漿液的表觀黏度隨時間的改變呈現指數函數形式，表現為表觀黏度隨時間的增大而增加，但是表觀黏度的增大趨勢在減?。欢铱梢钥闯龉杷猁}水泥漿液凝結時間非常長。

圖5 水灰比對水泥漿液黏度時變特性的影響

如圖6所示，水泥漿液的黏度值隨水灰比的增大而減小，表明水灰比越大，漿液流動性越好，當水灰比為1.0時，漿液流動性最好，也更加符合注漿漿液所需的性能。

圖6 黏度值曲線

1.2.5 抗壓強度試驗

水灰比是影響水泥漿液抗壓強度的關鍵因素。其他條件相同時，水泥漿水灰比越小，其抗壓強度則越高。由圖7可知，隨著養護齡期的增大，抗壓強度也不斷增大，且水灰比越小，其抗壓強度則越高。對注漿工程中，采用水灰比為1∶1的水泥漿，其抗壓強度完全滿足注漿工程的運用。

圖7 不同齡期抗壓強度曲線

1.3 漿液改性研究

根據上述漿液的基本性能測試結果，結合卵石土的基本物理特性，本次注漿模擬試驗可選用水灰比為1∶1的水泥漿進行，其基本性能見表1。

表1 水灰比為1∶1的水泥漿基本性能

為改善普通硅酸鹽水泥凈漿性能，可選用如下外加劑進行改性試驗。

(1)速凝劑

為縮短水泥凈漿初終凝時間，讓注漿后的膠結體在短期內達到一定的強度值，同時縮短工期，可在水泥凈漿中加入適量的速凝劑，本試驗添加3%的水玻璃作為速凝劑，加入速凝劑后水泥性能如表2所示。

表2 加入速凝劑后水泥漿基本性能

(2)懸浮劑

為提高水泥漿的穩定性，減少漿液中水泥顆粒沉降，避免發生注漿堵管問題，自主研制了一種共聚物水泥懸浮劑A，以提高水泥漿的穩定性，使顆粒不易沉降。共進行了8組懸浮劑測試試驗，并且以水泥凈漿和加入3%的水玻璃作為對照組進行試驗，檢驗懸浮劑效果。見表3和圖8。

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表3 懸浮劑試驗方案

注：水玻璃和懸浮劑用量均是指占水泥質量的百分數。

圖8 懸浮劑試驗

對比各組試驗結果，發現試驗組5的漿液懸浮效果最佳。即注漿材料選用水灰比為1∶1的水泥漿，外加劑選用3%的水玻璃及1.4%的懸浮劑，其綜合性能良好，適用于卵石土注漿模型試驗中使用。

2 注漿模擬試驗研究

2.1 試驗裝置

由于現場注漿試驗不易開展，國內許多學者開展了室內注漿模擬試驗[17-21]。為了確定白鶴橋隧道現場注漿作業的最優注漿參數，以便更好的開展現場注漿工作，本文提出室內注漿模擬試驗的方法，并根據現有的砂卵石土注漿模擬裝置存在的問題，優化、改進了注漿裝置。該模型裝置主要由空氣壓縮機、土體模擬試驗箱、漿液存儲裝置等部分組成。

(1)土體模擬試驗箱：主要應用于模擬砂卵石層，考慮試驗中漿液的擴散距離和邊界效應，土體模擬試驗箱采用PP塑料箱，其尺寸為 800 mm(長)×590 mm(寬)×500 mm(高)。

(2)動力裝置：采用空氣壓縮機作為動力裝置，型號：OTS-550；公稱容積流量：40 L/min；額定壓力：0.7 MPa；轉速：1 380 r/min。

(3)注漿管：采用PPR管制成，總長度為55 cm，注漿管直徑為20 mm，管道上下各開1個孔，開孔位置處于管道中間部位，兩孔間距為 50 mm，開孔直徑為8 mm，該注漿管結構如圖9所示。

圖9 注漿管結構(單位：mm)

本注漿加固裝置的研發主要針對砂卵石土注漿加固的模擬，該注漿模型試驗裝置如圖10所示。

圖10 注漿模型試驗裝置

2.2 試驗材料及方案設計

試驗所用砂卵石土均根據甘肅省隴南市渭武高速公路白鶴橋隧道現場篩分試驗測定的卵石土顆粒級配進行配制，試驗主要從控制砂層滲透系數，孔隙度和級配情況來模擬以下兩種不同的砂卵石層，見表4。

表4 試驗用卵石土的顆粒含量

注漿材料為普通硅酸鹽水泥及外加劑，見表5。

表5 注漿材料的選用

試驗共分8組進行，由于影響注漿加固效果的因素很多，為此本次試驗將注漿壓力和注漿量作為主要研究對象，探究不同注漿參數下漿液在同一地層模型下的擴散特征和加固效果，具體試驗方案如表6所示。

表6 注漿試驗方案

2.3 注漿試驗結果分析

2.3.1 試驗觀察分析

注漿完成后，待漿液固結硬化，拆除模型，并清除未膠結的土體，挖出結石體，觀察結石體形態并計算漿液擴散半徑，注漿前后結石體形態如圖11和圖12所示。

圖11 注漿前結石體形態

圖12 注漿后結石體形態

在注漿試驗過程中，常常出現出漿不穩定的情況，一方面是因為水泥漿易發生水泥顆粒沉降，導致堵塞出漿口及出漿管道；另一方面是因為漿液是以滲透注漿的形式在砂卵石層中擴散，有時在細顆粒中擴散，有時在粗顆粒中擴散，這樣交替出現，導致出漿量及出漿速度不穩定。

由于注漿模型試驗存在一定的邊壁效應，所以存在部分漿液通過沿模型箱邊壁及注漿小導管外壁的注漿。在拆除模型箱，觀察注漿效果及結石體形態時發現：漿液以注漿管的出口為中心向周圍擴散，由于砂卵石土滲透系數較大，所以漿液擴散范圍均較大，且漿液充填密實、漿液與卵石土膠結良好，結石體強度較大；在注漿量為15 L時，整個模型箱的結石體主要存在于中下部位置，土體上部漿液較少，且注漿管前端形成較大結石體，說明注漿過程中，漿液易沿著注漿管外壁流動；在注漿量為20 L時，土體中上部結石體較15 L時多，且近似成橢球形；在注漿量為25 L時，幾乎整個模型箱內土體充滿漿液，注漿加固體形態規則，維持了整個模型初始形狀，整個卵石土體穩定，僅有少量未膠結的卵石土掉落。所以漿液的注入量對固結體的形態存在影響，即注漿量越大加固體形態越規則，體積越大。

2.3.2 試驗數據分析

試驗得到的漿液擴散半徑如表7所示。

注漿壓力與漿液擴散半徑的關系如圖13所示。

表7 注漿擴散半徑的結果

圖13 注漿壓力與擴散半徑關系

由圖13可知：漿液的擴散半徑隨著注漿壓力、滲透系數、注漿時間的增加而隨之增大，且漿液擴散半徑與注漿壓力近似成線性遞增關系；在注漿壓力為0.15 MPa下，水泥凈漿的擴散半徑略大于改性后的漿液，這是因為添加了水玻璃和懸浮劑的水泥液的黏度較水泥凈漿的黏度大，導致漿液注入介質會相對困難；雖然當注漿壓力為0.2 MPa時，粗粒含量為70%和50%的卵石土中，所測注漿半徑均為40 cm，但是由于模型箱尺寸限制，其真實擴散半徑可能大于40 cm；綜合考慮，當注漿壓力為0.2 MPa時，漿液擴散半徑較大，且注漿效果較好，注漿壓力過大則易造成跑漿，導致浪費。

在上述8組注漿模型試驗中，注漿擴散半徑大于30 cm的為87.5%，所以在實際注漿過程中，為了能使注漿效果最佳，相鄰超前小導管的間距宜設置為30 cm。

3 結論

(1)通過注漿漿液試驗研究發現：注漿材料選用水灰比為1∶1的水泥漿，外加劑選用3%的水玻璃及1.4%的懸浮劑，其綜合性能良好，適用于卵石土注漿模型試驗中使用。

(2)漿液的擴散半徑隨著注漿壓力、滲透系數、注漿時間的增加而隨之增大，且漿液擴散半徑與注漿壓力近似成線性遞增關系。

(3)在注漿模型試驗中，所有漿液均已注入模型箱內的卵石土中，所以試圖完全通過注漿壓力來控制注漿工藝，不能很好地解決現場注漿作業中所遇到的問題，也不能得到真正的最優注漿參數。

(4)注漿壓力越大，漿液擴散半徑越大，但為了保證漿液為滲透注漿擴散形式，注漿壓力也不可過大。因此取注漿壓力為0.2 MPa；在上述8組注漿試驗當中，漿液擴散半徑大于30 cm的為87.5%，再結合現場隧道開挖和注漿條件，根據漿液的擴散半徑并且基于安全考慮，選取注漿小導管間距為30 cm。