全強風化花崗巖地層注漿參數(shù)優(yōu)化試驗研究

鐘棟材

(中鐵二十四局集團新余工程有限公司 江西新余 338025)

1 引言

隨著我國經(jīng)濟建設蓬勃發(fā)展，隧道修建數(shù)量不斷增加，不同地質條件給隧道施工帶來挑戰(zhàn)。全強風化花崗巖是隧道施工中常見的地層，由于其工程性質的多變性、較低強度及穩(wěn)定性和工程地質因素的區(qū)域性而受到極大關注[1－3]。

全強風化花崗巖圍巖隧道施工困難主要有:(1)圍巖顆粒小以砂土層為主，力學性能與穩(wěn)定性受含水量影響較大，易產(chǎn)生難以控制的較大變形，隧道施工風險大；(2)顆粒分布緊密，滲透系數(shù)低，注漿漿液難以有效擴散滲透，注漿加固范圍與效果難以控制。目前注漿工程的主要理論、材料研究、施工工藝及設備等仍不完善且效果控制一定程度上依賴經(jīng)驗[4－6]。袁敬強[7]進行的注漿室內試驗結果及翔安海底隧道注漿經(jīng)驗表明，在全強風化花崗巖地層中注漿時漿液擴散形態(tài)以劈裂、滲透與擠出壓密型為主，但漿液結石體形狀不穩(wěn)定且粘結融合不充分[8－11]。

本文以云南大臨鐵路勐麻隧道為依托，針對其注漿加固效果不理想的問題，制作了室內注漿模擬系統(tǒng)并通過改進注漿漿液性能、調整注漿壓力及注漿量3個注漿影響因素，結合地勘報告、巖樣篩分及滲透系數(shù)測定試驗結果，配置出全強風化花崗巖模擬巖樣并進行室內靜壓注漿試驗，通過各試驗組注漿半徑及漿液分布情況確定最優(yōu)注漿參數(shù)，對現(xiàn)場注漿施工提供合理建議。

2 工程概況

勐麻1號隧道位于云貴高原西部臨滄地區(qū)，隧道進口里程DK201＋732，出口里程DK204＋060，全長2 328 m，最大埋深174 m，最小埋深6 m，全強風化花崗巖地層段占隧道總長的89%。隧址區(qū)屬中山構造剝蝕侵蝕地貌，河流下切強烈，沖溝發(fā)育。勐麻2號隧道位于臨滄地區(qū)北側內邦村附近，隧道進口里程DK204＋282，出口里程DK204＋535，全長253 m，全段均為全強風化花崗巖地層，最大埋深46 m，為淺埋短隧道。

兩隧址區(qū)所穿越全強風化地層段占比大，且?guī)r層風化程度高，節(jié)理裂隙較發(fā)育，圍巖構造破碎，整體性較弱，承載能力及穩(wěn)定性嚴重不足，隧道開挖及支護施工極具難度。

3 注漿參數(shù)優(yōu)化試驗

3.1 水泥漿液性能優(yōu)化試驗

為更貼近施工實際，得出最適合于注漿施工所需漿液主要參數(shù)，根據(jù)現(xiàn)場注漿中水泥漿液易沉降穩(wěn)定性較差、結石體易收縮的問題，此次試驗選取水灰比1∶1、水玻璃含量為水泥質量3%的42.5R普通硅酸鹽水泥漿為試驗用漿。

3.1.1 凝結時間試驗

(1)試驗方案

為縮短漿液初凝與終凝耗時，使?jié){液及時具備一定強度以加固圍巖，本次試驗采用水玻璃(波美度38)作為速凝劑。按是否添加速凝劑設置兩試驗組，根據(jù)《水泥標準稠度用水量、凝結時間、安定性檢驗方法》要求測定凝結時間。參數(shù)見表1。

表1 水泥漿試驗基本參數(shù)

(2)試驗結果

采用《水泥標準稠度用水量、凝結時間、安定性檢驗方法》推薦方法選用維卡儀測試凝結時間。兩組試驗初凝、終凝時間見表2。

表2 漿液凝結時間 min

由表2知，添加波美度38、3%水泥質量的水玻璃后，漿液初凝時間由896 min縮至453 min，終凝時間由1 521 min縮至850 min，凝結時間明顯縮短，更利于注漿施工。

3.1.2 懸浮劑試驗

(1)試驗方案

為提高漿液穩(wěn)定性，研發(fā)出一種共聚物水泥懸浮劑，結合初終凝試驗結果測試懸浮劑效果。在添加水玻璃的基礎上，用量筒取250 mL漿液，靜置2 h待漿體上部析出液體體積穩(wěn)定后，對比各量筒析出液體體積，體積越小則穩(wěn)定性越好。

按照是否添加懸浮劑及懸浮劑含量設置7個試驗組并設置1個無外加劑組，共8個試驗組。漿液配置完成靜置2 h。漿液參數(shù)見表3。

表3 水泥漿液參數(shù)

(2)試驗結果

懸浮劑試驗見圖1。

圖1 懸浮劑試驗

觀察各組漿液，試驗組5量筒內析出體積最小，即此配比下懸浮劑效果最佳，漿液穩(wěn)定性最佳。

3.1.3 漿液試驗結果

由以上兩組試驗可知，水灰比為1∶1的42.5R普通硅酸鹽水泥中加入3%水玻璃(波美度38)并添加水泥質量1.4%的漿液懸浮劑后，可將初凝時間由896 min縮短至453 min，終凝時間由1 521 min縮短至850 min，且使?jié){液在及時形成強度的同時增加穩(wěn)定性，減少作業(yè)時顆粒堵管現(xiàn)象。

3.2 室內注漿模擬試驗

3.2.1 注漿模型試驗裝置

為得到最佳注漿參數(shù)，研制了室內注漿模型試驗模擬系統(tǒng)。該系統(tǒng)由圍巖試樣模擬箱、吸氣式壓縮泵、漿液貯存艙、注漿噴頭等部分組成，見圖2。

圖2 注漿模型試驗模擬系統(tǒng)

可在圍巖試樣模擬箱中根據(jù)目標研究圍巖物理力學參數(shù)、巖性成分、含水量等關鍵參數(shù)來模擬圍巖，使系統(tǒng)可用于多種圍巖的注漿模擬；注漿管可組裝匹配實際作業(yè)中多種型號噴頭。考慮到此次試驗各試驗組參數(shù)，模擬箱尺寸選擇(800×500×590)mm的PVC箱，箱體周圍設置箍筋防止注漿時箱體變形。

系統(tǒng)基本思路為:首先配置還原圍巖；再根據(jù)試驗方案選擇調整注漿噴頭參數(shù)、注漿壓力與注漿量；最終借助壓縮泵還原注漿壓力，進而得到各試驗條件下的注漿效果。系統(tǒng)設計方案見圖3。

圖3 注漿模擬裝置設計方案

3.2.2 模擬巖樣配置

本試驗從控制砂層滲透系數(shù)、孔隙度和級配情況來還原全強風化花崗巖圍巖的主要特征。

根據(jù)勐麻隧道地質勘查報告，結合漿液試驗結果，配置2個試驗組。

組1:粗粒含量70%，滲透系數(shù)K＝0.461，顆粒級配見表4。

表4 組1粒徑分布

組2:粗粒含量50%，滲透系數(shù)K＝0.351，顆粒級配見表5。

表5 組2粒徑分布

3.2.3 模擬注漿試驗方案

(1)試驗材料

結合上述水泥漿液性能優(yōu)化試驗結果，設置水泥漿液配置方案，見表6。

表6 模擬注漿漿液配置方案

(2)注漿參數(shù)設計

試驗采用靜壓滲透注漿方法。注漿前將注漿管預先埋入模擬巖樣后夯實、壓密。噴頭管為長55 cm、內徑2 cm的PPR管，在管道上下側各設置1個內徑8 mm的圓孔，見圖4。

圖4 噴頭管設計(單位：mm)

各試驗組注漿量及注漿壓力試驗參數(shù)見表7。

表7 試驗組參數(shù)設置

(3)試驗步驟

配制試驗漿液與模擬巖樣分別裝入漿液存儲艙與模擬箱中并對模擬巖樣夯實壓密，檢查系統(tǒng)中管路密封性及壓縮泵的連接情況；確認管路連接順序無誤、密封性良好之后打開壓縮泵調試壓力大小，待壓力穩(wěn)定后打開噴頭開始注漿；注漿結束，待漿液強度形成拆除模擬箱，測量記錄膠結體尺寸特征、記錄并拍照。

(4)試驗結果

注漿完成待漿液固結硬化后挖出的結石體形態(tài)見圖5。

圖5 注漿膠結體

拆除模型，測量試樣尺寸，計算漿液擴散距離，結果見表8。

表8 注漿半徑試驗結果

觀察漿液結石體形態(tài)，注漿后漿液以注漿管的出口為中心向周圍擴散。由于漿液水灰比為1∶1、模擬巖樣粗粒含量為70%和50%，注漿后漿液的分布擴散空間均較大，為滲透擴散，漿液與巖樣結合效果較好，膠結體強度較高，但受限于模擬巖樣箱的尺寸，個別試驗組中出現(xiàn)了漿液沿箱體內壁擴散流動的現(xiàn)象。

3.2.4 試驗結果分析

由表8數(shù)據(jù)繪制出注漿壓力與漿液擴散半徑關系曲線，見圖6。

圖6 注漿壓力與擴散半徑關系曲線

由圖6及表8數(shù)據(jù)，注漿壓力與注漿量對注漿效果影響結論如下:

(1)擴散半徑與注漿壓力近似呈線性關系，注漿壓力越大，漿液在全強風化花崗巖中的擴散半徑越大。

(2)與純水泥漿組對照可見，當注漿壓力達0.15 MPa時，無外加劑組滲透半徑比其余組稍大。出現(xiàn)這種情況是因為無外加劑漿液黏度較小，漿液注入難度相對較小。

(3)粗粒含量為70%和50%的試驗組試驗結果可以發(fā)現(xiàn)，注漿壓力為0.2 MPa時的擴散半徑均為400 mm，受制于巖樣模擬箱尺寸，實際真實滲透半徑應大于400 mm。

(4)本次試驗中2組全強風化花崗巖的滲透系數(shù)較大，分別為K1＝0.461、K2＝0.351，漿液擴散半徑也較大，僅調節(jié)注漿壓力難以實現(xiàn)最優(yōu)注漿效果，無法得到最優(yōu)注漿參數(shù)。

(5)由注漿量為15 L試驗組結果可知，加固巖體主要分布在模擬箱中下部與注漿管前端，表明注漿時漿液主要沿注漿噴頭管外壁流動。

(6)由注漿量為20 L試驗組結果可知，膠結體形狀特征明顯發(fā)生變化，主要集中在模擬箱中下部，同時更接近于橢球形。

(7)由注漿量為25 L試驗組結果可知，注漿完成后，漿液幾乎充滿了整個箱體，膠結體形狀接近模擬箱，膠結效果較好并具有相當強度，僅少量未膠結的全強風化花崗巖掉落。

對比分析各組結果可知，漿液滲透擴散體的大小及形狀特征受注漿量大小影響，隨著注漿量的提升，滲透擴散體體積越大且形狀越規(guī)則。

4 注漿參數(shù)優(yōu)化建議

根據(jù)對注漿漿液性能改善試驗及室內注漿模擬試驗結果分析，對注漿參數(shù)提出以下建議:

(1)注漿漿液

水泥:漿液采用普通硅酸鹽水泥配置的水泥漿，水泥類型為42.5R，水灰比1∶1。

外加劑:外加劑主要采用水玻璃和懸浮劑。水玻璃波美度為38，用量為水泥質量的3%；懸浮劑為自行研制，用量為水泥質量的1.4%。

(2)注漿壓力

根據(jù)圖6注漿壓力與漿液擴散半徑關系曲線可知，隨著注漿壓力的提升，漿液滲透擴散范圍越大，但為保持漿液的擴散形式為滲透擴散，需將注漿壓力水平進行限制，不能過大，因而注漿壓力取0.20 MPa。

(3)小導管間距

由注漿模擬試驗所得注漿壓力為0.2 MPa時，漿液擴散半徑至少為40 cm，再結合現(xiàn)場隧道開挖和注漿條件，基于安全考慮，選取注漿小導管間距為35 cm。

5 結論

在水灰比為1∶1的42.5R普通硅酸鹽水泥中添加水泥質量的3%、波美度38的水玻璃可有效優(yōu)化漿液凝結時間；懸浮劑可提高漿液穩(wěn)定性且添加量為水泥質量的1.4%時穩(wěn)定性最優(yōu)；擴散半徑與注漿壓力近似呈線性關系，注漿壓力越大漿液擴散半徑越大。