水泥基- 玻璃纖維注漿液的制備及工程應用*

鐘 天，焦玉勇，張國華，張宇翔，黃才彬

（中國地質大學（武漢）工程學院，湖北武漢430074）

巖溶隧道施工中存在的突水、突泥等問題嚴重影響施工進度，給工程帶來巨大損失。因此，如何解決巖溶隧道施工中存在的這些難題，是當前施工領域研究的重點。注漿技術作為解決突水、突泥的手段，可通過注漿材料的封堵和加固，以實現隧道圍巖加固的目的，進而減少以上災害帶來的損失。但注漿技術為綜合性技術，注漿材料更是其中的關鍵。因此為找到更適合的注漿材料，孫星亮提出在水泥基里加入水玻璃，以提高水泥基的力學性能［1］；盧偉敏則嘗試在注漿材料中加入高聚物，以提高堤壩防滲性能［2］；朱慶凱嘗試在水泥基中添加玻璃纖維，以提高水泥基的穩定性［3］。從以上研究看出，在注漿材料中加入高聚物或者是纖維材料成為當前研究的重點。本研究則嘗試在水泥基材料中加入不同的玻璃纖維，并探討不同玻璃纖維及摻量對注漿材料性能的影響。最后嘗試將所制備的材料用于實際工程案例中，以此為巖溶隧道施工提供實際應用案例借鑒。

1 試驗部分

1.1 試驗材料與儀器

本試驗主要材料與設備見表1、表2。

表1 試驗主要材料Table 1 Main experimental materials

表2 實驗主要設備Table 2 Main experimental equipment

1.2 試驗過程

（1）稱取制備試件所需的復合硅酸鹽水泥、玻璃纖維A、玻璃纖維B；

（2）按水灰比1:1 比例，將水泥和水倒入JJ-5型行星式膠砂攪拌機中慢慢攪拌，并放入稱取的玻璃纖維進行攪拌。將攪拌完全后的材料倒入刷油過的10cm×10cm×10cm 模具中振搗，使之表面保持平整。最后對制備的試件進行養護。

（3）分別養護3d、7d、15d、28d，然后分別進行抗壓、抗滲透、抗拉等測試。為得到準確結果，不同類型試塊在各個養護期的測試數量應不少于3 塊。

1.3 性能測試

1.3.1 抗壓強度試驗

用YAW-100/300 型數字壓力試驗機分別對試塊進行加載，加載速率為 0.5MPa/s。待試塊破壞，停止施壓。讀取試塊遭到破壞后的數據并記錄，取3 個試塊的平均值作為最后結果。若其中一個值與平均值偏差超過15%，則舍棄該數據，用其余兩個試塊平均值作為最終結果［4］。具體試驗過程如圖1 所示。

圖1 抗壓拉強度試驗過程圖Fig. 1 Process diagram of compressive strength test

1.3.2 抗拉強度試驗

（1）在試塊上設置劈裂墊條，墊條長度比試塊長度多5mm；墊條截面為5mm×5mm；墊條材料為鋼制。確定劈裂墊條位置后利用數字壓力試驗機對試塊進行施壓，加載速率為6mm/min。記錄試塊遭到破壞時的載荷，并按照抗壓強度實驗處理數據方式取其平均值。

（2）得到荷載數據后，利用公式(1) 對數據進行處理，以完成載荷與壓強的換算［5-7］，得到最終的抗拉強度結果。

1.3.4 抗滲試驗

（1）按照1.2 的步驟制備上口直徑185mm，下口直徑175mm，高度210mm 的水泥基試塊；將試塊晾干并清理其表面粉塵。

（2）對抗滲機和試塊擦油備用并提前檢查抗滲機工作狀態，是否存在松動位置，若抗滲管道有氣泡需提前排除。將試塊放入HP-4.0 自動調壓抗滲機，分別對試塊施加0.5MPa、1.0MPa 的壓力，施壓時間為1h。加壓完成后將試塊取出并讀取滲透高度數據，按照抗壓強度實驗處理數據方式取其平均值。

2 結果與討論

2.1 抗壓強度

表3 為抗壓強度實驗結果。從表3 可知，摻入玻璃纖維后，水泥試塊抗壓強度明顯增加,添加玻璃纖維后，每種齡期的水泥試塊都達到了預期要求。通過與純水泥試塊對比可知，Cem-FIL60 玻璃纖維(A) 比HD 玻璃纖維(B)的抗壓強度效果更為明顯;養護齡期越大，抗壓強度增加幅度也越大，即Cem-FIL60 玻璃纖維能夠更好地幫助水泥基提高硬化速度和硬化強度。

表3 試塊抗壓強度結果Table 3 Compressive strength results of test blocks

對比同種類型同等養護齡期不同玻璃纖維摻入量試塊抗壓強度結果可知，在摻量為0.5% 時，A、B 兩種纖維的抗壓強度達到最高，即抗壓強度并非隨著摻量的增加而增加，而是存在一個最佳摻量。經實驗證明，A、B兩種纖維的最佳摻量都為0.5%.

2.2 抗拉強度

表4 為載荷/ 壓強公式換算處理后得到的數據統計結果。從表4 可知，加入玻璃纖維后，試塊的抗拉強度明顯優化。這是因為水泥試塊結構特性導致的，玻璃纖維本身具備一定的連接能力，在摻入水泥試塊后，摩擦加筋的作用能有效避免水泥間發生錯動，水泥黏聚力增加，從而抗拉能力增加。

表4 抗拉強度實驗結果Table 4 Tensile strength test results

另外，通過與純水泥試塊對比可知，Cem-FIL60 玻璃纖維比HD 玻璃纖維的抗拉強度效果更為明顯; 對比同種類型同等養護齡期不同玻璃纖維摻入量試塊抗拉強度結果可知，在摻量為0.5% 時，7～28d 的抗拉強度都最高。

2.3 抗滲實驗結果分折

表5、表6 分別為0.5MPa、1.0MPa 壓力下抗滲結果。通過表5、表6 看出，壓力越大，試塊的滲透性越大。添加玻璃纖維后，試塊的抗滲性能明顯提高。以純水泥試塊作為參照，Cem-FIL60 玻璃纖維比HD 玻璃纖維對試塊抗滲效果更為明顯; 在相同養護齡期和玻璃纖維類型下，摻量不同，試塊抗滲性能也有所差異，且在摻量為0.5% 時，試塊抗滲達到最高。這就說明摻量為0.5%的Cem-FIL60 玻璃纖維更適合運用在實際工程中。

表5 0.5MPa 壓力下抗滲實驗數據Table 5 Test data of impermeability under 0.5MPa pressure

表6 1.0MPa 壓力下抗滲實驗數據Table 6 Test data of impermeability under 1.0MPa pressure

綜合對比表5、表6 數據看出，試塊在1.0MPa 壓力下比在0.5MPa 壓力下的抗滲效果更好，此現象在低齡試塊中表現最為明顯。這說明Cem-FIL60 玻璃纖維摻入量0.5% 制作出來的水泥基- 玻璃纖維材料可以作為封堵高壓水的注漿材料。

3 水泥基- 玻璃纖維漿液在巖溶隧道加固中的應用實例

3.1 工程概況

為更好對比以上制備材料的性能，將以上材料應用到某工程實例中。該工程所在地區地質特點為巖體比較破碎，灰巖發育中間夾帶有頁巖發育。且隧道通過的地方斷層較多，巖溶發育也比較明顯。在開挖過程中，發現有大量的巖溶水涌出現象。且在隧道選址背斜出，發現有大量的裂縫，層理現象。ZK19+245-ZK19+285，ZK20+236-ZK20+276 處位于斷層破碎帶，圍巖破碎程度較高，且在開挖過程中，發現有小巖塊的脫落，水含量較為豐富，有局部涌水的現象。YK19+340-YK19+920，ZK19+332-ZK19+911 存在較為穩定的裂縫水和突水現象，經過統計，該隧道涌水區域共1854m。

3.2 工程注漿堵水加固方案

根據以上工程概況以及結合實地工程勘察，以水泥基- 玻璃纖維復合材料作為注漿加固主體對隧道進行堵水加固，具體施工工藝如圖2 所示。

圖2 注漿施工工藝Fig. 2 Grouting construction process

以上步驟中，首先對巖溶隧道進行地質分析，以判斷隧道突水情況、含水構造、水源補給等情況；其次，對涌水處的特征、水壓、水量等進行全面分析；進而確定鉆孔的密度、排列方式等；對涌水區域進行鉆孔，在綜合分析基礎上得出關鍵孔。最后安裝膜袋注漿管裝置對孔口進行封堵，并分段、分序注入本文制備的水泥基-玻璃纖維材料結合外加劑混合液對突水處進行封堵、加固。

3.3 水泥基-玻璃纖維材料工程制備

本工程用的水泥基- 玻璃纖維注漿材料制備采用圖3 的制備方案。

圖3 工程中水泥基-玻璃纖維材料制備方法[8-10]Fig. 3 Cement-based-glass fiber material engineering preparation system

以上制備方案是在原有的漿液制備方案上進行改進，原有漿液制備設備上增加一個第三攪拌桶。純水泥漿液經過第二攪拌桶過濾后進入第三攪拌筒，在第三攪拌桶中加入玻璃纖維，實現玻璃纖維與水泥漿液的完全混合，同時也保證了漿液的均勻混合。

3.4 注漿治理方案分類

根據本工程隧道突水災害發生的具體情況，設計三種治理方案：高水壓、大水量突水注漿，散水注漿和基底周邊加固注漿。以高水壓、大水量突水注漿為例，針對出水量每秒超過 2L 的出水點，以該出水點為圓心開始畫圓，在離圓心較遠地方開始鉆孔注漿，鉆孔位置由外向內慢慢朝圓心位置靠攏，如圖4 所示，具體孔位布置需依據工程情況而定。將此方案運用在本工程中，在離出水點2～3m 的圓環上進行布孔，根據工程情況，設置鉆孔4 個，孔深6～8m，對鉆孔進行注漿。繼續在第二環設置孔位注漿，再次對外環的鉆孔注漿加密，以此提高封堵加固的范圍，實現對涌水的封堵。

圖4 鉆孔布置圖Fig. 4 Borehole layout

根據圖4 的鉆孔，找到關鍵孔進行施工、加固。

3.5 工程實際應用效果

在完成以上施工后，設置圖5 的孔監控方案。

圖5 檢查孔布設方案Fig. 5 Layout scheme of inspection hole

對上述突水孔進行實時監控。監控結果如圖6 所示。

圖6 涌水量變化曲線Fig.6 Water inflow variation curve

從圖6 即可看出，經過注漿加固后，突涌水得到了很好的控制，證明水泥基- 玻璃纖維材料工程運用效果明顯。

4 結論

為尋找水泥基- 玻璃纖維材料的最佳配比，本文設計實驗對不同摻入量、不同種類玻璃纖維、不同養護齡期的水泥基- 玻璃纖維試塊的抗壓、抗拉、抗滲性能進行探討。實驗結果表明，摻入量為0.5% 的Cem-FIL60玻璃纖維各方面性能最佳，為工程運用中的選擇最優配比提供理論支持。具體結論如下：

（1）加入玻璃纖維后，各個齡期水泥基的抗壓強度比純水泥基有明顯提高。其中Cem-FIL60 玻璃纖維摻入量為0.5%時硬化速度及硬化強度達到最大。

（2）加入玻璃纖維后，各個齡期水泥基的抗拉強度比純水泥基有明顯提高。且Cem-FIL60 玻璃纖維對抗拉性能的提高明顯優于HD 玻璃纖維，在玻璃纖維摻入量為0.5%時，抗拉性能最好。

（3）在不同壓力下對試塊進行抗滲實驗，結果表明在高壓情況下，該材料抗滲性能較好，且Cem-FIL60 型玻璃纖維摻入量為0.5%對水泥塊抗滲性能優化效果最為明顯，可作為封堵高壓水的注漿材料。

（4）將制備材料應用到工程中，在配合一定的加固方案下，可有效封堵涌水，證實了該材料在實際運用中的可行性。