賈林剛，徐法奎

(天地科技股份有限公司開采設計事業(yè)部，北京 100013)

分層注漿技術在破碎巖體地基加固中的應用

賈林剛，徐法奎

(天地科技股份有限公司開采設計事業(yè)部，北京 100013)

簡述了分層劈裂注漿的基本理論和簡要步驟，結合具體工程實例，根據破碎巖體地基的特點，設計出了注漿壓力、漿液擴散半徑以及各注漿孔的注漿量等注漿參數，經檢驗，注漿后有效改善了巖體結構和力學性能，可為同類工程提供有益借鑒。

分層注漿;地基加固;參數設計

Application of Layered Grouting Technology in Foundation Consolidation for Broken Rock

注漿技術經過百余年的發(fā)展，在理論上已取得長足的進步，在實踐中得到了廣泛的應用，尤其是20世紀60年代以來，隨著滲透注漿理論、劈裂注漿理論、漿液流變特性等注漿理論研究的深入以及注漿材料、注漿工藝和注漿設備的飛速發(fā)展，注漿加固技術應用的工程范圍越來越廣，從地基處理到大型壩體加固;從巖溶水患治理到流沙層的固沙;從井工開采的井筒加固到露天邊坡的穩(wěn)定，幾乎涉及礦山建設、隧道橋梁、水力水電等所有巖土工程和土木工程領域［1－3］。

1 分層注漿理論及注漿施工工藝

分層注漿技術是裂隙巖體劈裂注漿理論的具體應用，劈裂注漿是在地層中給注漿液體施加壓力，漿液克服地層的初始應力和抗拉強度，引起巖石和土體的破壞和擾動，巖土體產生裂隙，漿液充填固結裂隙巖體，起到加固地層的作用。劈裂現(xiàn)象首先發(fā)生在巖土體垂直于最小主應力的面上。

式中，p0為注漿壓力;γ為巖石的密度;h為孔深;ν為巖石的泊松比;σt為巖體抗拉強度;N為用來擴張孔壁的流體壓力的比例系數，0～1.0之間;K0為側壓力系數。

一般情況下，完整巖石的抗拉強度在7MPa以上，一般巖體內注漿壓力不超過5MPa，因此，完整的巖石很難發(fā)生水力劈裂。而在裂隙巖體內注漿時，由于裂隙巖體存在不同形式的軟弱面和微小裂隙，強度很低，容易在2MPa左右的較小壓力下首先從弱面劈裂或使微小裂隙擴張并導致巖層的變形，軟弱面和軟弱層的存在控制著劈裂的發(fā)生和發(fā)展［4］。

劈裂分層注漿工藝一般分為以下幾步:

(1)鉆孔。鉆孔直徑一般為80～100mm，首先進行松散層段鉆進，采用泥漿護壁，然后下套管，為防止泥漿堵塞裂縫，基巖以下注漿段采用清水鉆進，禁止使用泥漿，成孔后，清水沖洗鉆孔。

(2)注入套殼料。套殼料又稱封閉泥漿，是用膨潤土和水泥混合制成的漿液 (膨潤土與水泥的比為7∶1)。鉆孔成孔后將套殼料從孔口注入孔內，其作用是封閉單向閥管和鉆孔壁之間的空隙，迫使從單向閥管壓出的漿液注入四周巖土層。

(3)在充滿封閉泥漿的鉆孔中插入單向閥管(劈裂注漿管)至鉆孔底部，單向閥管間用連接件相連，每隔350mm有一組射漿孔，外包橡膠套，注漿時漿液在壓力作用下，沖破橡膠套向周圍巖層注漿。

(4)在封閉泥漿達到一定強度后，在單向閥管內插入雙向密封注漿芯進行分層注漿，止?jié){閥阻止?jié){液向上下段竄漿，在固定段通過φ20mm注漿鋼管對注漿孔進行注漿，漿液沿著巖體裂縫擴散，達到一定的壓力后，提起1m再注漿，這樣重復進行至注漿結束。

漿液通過注漿泵給壓，經過單向注漿管從鉆孔底部逐段向巖土層中注漿，擴展了地層中原有的裂隙，漿液的可灌性和擴散性增大，漿液充滿原有裂隙和擴展裂隙且達到一定的壓力并穩(wěn)定后，提起一段再進行下一段注漿，如此反復進行，直至注漿結束，單向閥管注漿示意圖如圖1所示。

圖1 單向閥管注漿示意

2 應用實例

2.1 工程背景

撫順發(fā)電廠廠區(qū)位于撫順西露天礦北幫邊坡巖體上，距離撫順西露天礦邊坡坡肩的最近距離為180m，廠區(qū)東西長軸方向與撫順西露天礦北幫邊坡平行。對發(fā)電廠廠區(qū)變形趨勢起直接控制作用的地質構造是F1和F1A逆斷層，F(xiàn)1逆斷層部分段橫貫西露天礦坑，F(xiàn)1A斷層于廠區(qū)中部自西向東穿過。在廠區(qū)范圍內，F(xiàn)1逆斷層傾角52°左右，F(xiàn)1A斷層傾角約為60°左右。由于F1A與F1逆斷層的傾角不同，形成了“倒三棱體”。

由于露天礦開挖深度和邊坡角的逐漸加大，整個北幫邊坡有向礦坑臨空面移動的趨勢，同時在撫順西露天礦采剝作用下，兩大斷層活化移動，在斷層露頭處及斷層面上形成了斷層破碎帶。受廠區(qū)所處地理位置、特殊地質環(huán)境的影響，廠區(qū)內地表及巖層出現(xiàn)了移動變形。由于“倒三棱體”破碎巖體斷裂帶的存在，在地面上有可能出現(xiàn)臺階式的破壞。破裂巖體地基的變形移動可導致廠房及設備的破壞，而發(fā)電機屬于對變形比較敏感的生產設備，抗變形能力差。為此，發(fā)電廠逐漸開始認識到地質災害的危害性，加大了對廠區(qū)內地質災害的治理力度。

2.2 地質特性

根據地質勘察資料，廠區(qū)內巖土層由上至下為雜填土、粉質黏土、黏土、細砂、粗砂、礫砂、圓礫，基巖為中等風化－強風化混合花崗巖和凝灰質次鞍山巖，第四系地層厚度約12～18m。由地表移動觀測分析，F(xiàn)1A斷層破碎帶及其兩側巖體比較破碎，地表沉降較大，F(xiàn)1A斷層破碎帶主要由斷層泥夾角礫構成，原巖為輝綠巖、凝灰?guī)r等，地質結構疏松，可導水;F1A斷層以北是太古界結晶基底和第四系地層，以混合花崗巖和混合巖為主體，并夾有大小不等的斜長角閃巖、變粒巖、淺粒巖殘留體，基巖面大致呈北高南低。廠區(qū)擬治理區(qū)土層的天然孔隙率為42.3～47.5%，壓縮系數為0.36～0.44。

分層劈裂注漿法在該工程使用，主要是針對斷裂帶巖體比較破碎，存在大量裂隙和由于斷層的地質運動造成的弱面。一方面漿液充填已產生的巖體破碎裂隙，另一方面由于漿液帶壓產生擠壓劈裂作用，使已有微小裂隙的弱面產生較大裂縫，水泥漿液充填該裂縫，待凝固后，對巖體產生固化作用。

2.3 注漿參數的設計

2.3.1 注漿材料的選擇及漿液濃度的確定

常用的注漿材料有水泥注漿、化學注漿和瀝青注漿等，與其他注漿材料相比，水泥漿液具有結石體強度高和抗?jié)B性強的特點，既可用于防滲又可用來加固，而且水泥具有來源廣、價格便宜、黏結力強、無毒無污染、運輸儲存方便且注漿工藝簡單的特點，因而注漿材料采用32.5普通硅酸鹽水泥。

漿液濃度是度量流體粘滯性大小的物理量。漿液濃度的大小直接影響漿液的擴散半徑，同時也決定著漿液的壓力、流量等參數的確定，從而影響到注漿效果。濃度小，則擴散半徑大，但注入水量也多，短時間內大量的水分充填占據著巖體空間裂隙，水泥注入量較少，待水分擴散流失后又留下大量空隙，影響注漿效果;漿液濃度大時，漿液注入巖體后，擴散半徑較小，同時也容易堵塞注漿管路，同樣注漿效果不好。因此，漿液的配比濃度對注漿效果也非常重要。經反復試驗，水灰重量比為1.5∶1～1∶1的配比濃度時，注漿效果較好。在注漿時，每段注漿漿液濃度從初期到結束漿液濃度逐步提高，以利于漿液擴散充填裂隙。

2.3.2 注漿壓力的設置

注漿壓力是劈裂分層注漿的一個重要環(huán)節(jié)，關系到漿液擴散范圍和注漿效果。一般來說，注漿壓力大，擴散半徑大，同時可劈裂巖體中的微裂隙，漿液注入充分，可達到較好的注漿效果，但壓力大，對注漿設備要求也高，同時對地下埋設物體沖擊破壞也大;注漿壓力小，擴散半徑小，注入水泥也較少。

由于本區(qū)域地表下5m范圍內地下管道、管線等設施多，為避免沖毀管道、管溝，注漿壓力不宜太大。因此，注漿壓力設計在0.5～2.5MPa，原則上在巖層下部孔底開始注時壓力應大些，在停止本段注漿時壓力應維持在2.5MPa左右一段時間，在地表下10m內壓力應適當小些，以控制在1.5MPa內為宜。

2.3.3 擴散半徑計算及注漿孔的布置

由于復雜的地層條件和各注漿孔布置位置的不同，在分層注漿中，各孔各層位的裂隙發(fā)育變化很大，其空隙率完全不同，不管是以球形注漿半徑擴散理論還是以柱型半徑擴散理論計算所得的注漿半徑與實際情況都有較大差別。

在巖層中，理論上計算所得的漿液擴散半徑為漿液劈裂巖體的單條裂隙長度，而實際上注漿的擴散半徑主要與巖體裂隙的分散度和聯(lián)通性相關;而處于第四系土層中注漿液的擴散半徑與土體的密實度相關。通常情況下，在相同的漿液濃度和注漿壓力下，處于地表回填土的表層漿液擴散半徑較大、原狀土層次之，裂隙普通發(fā)育情況下巖體的內注漿其漿液擴散半徑最小，但處于斷層裂隙帶的情況又有不同，其擴散范圍視斷層活化移動程度和巖體破碎情況而定。

發(fā)電廠區(qū)內的地質災害治理主要針對F1A斷裂帶進行，經綜合考慮，確定注漿半徑為10m，注漿孔布置需權衡經濟投入和治理效果，根據斷裂帶的變形寬度和斷層傾角，布置3排注漿孔，孔深分別為30m，45m和64m。

2.3.4 注漿量及注漿結束標準

注漿量可根據以下公式進行計算:

式中，Q為注漿量;K為漿液有效充填系數，可取為0.9;R為注漿半徑，m;H為注漿段，m;α為孔隙充填系數。

為了獲得良好的注漿加固效果，確保漿液在有效擴散半徑內，有效充填固結破碎巖體，各分段從開始到注漿結束漿液濃度不同:開始漿液濃度較小，然后逐漸加大。同時由于注漿孔深度和位置不同，各孔各層位的注漿量相差較大，這樣無法單以注漿量來說明問題，因此采用注漿水泥量作為注漿指標之一。經計算和綜合考慮，第1排平均每孔注漿水泥量設計為5～6t，第2排平均每孔水泥量為8t左右，第3排平均每孔水泥量為9～10t。由于每個層位的巖性不同、裂隙發(fā)育程度和空化程度不同，每個注漿孔注漿量相差很大，多者達1～2t，少者為數百公斤。

在漿液濃度達到1∶1，注漿孔10m以下時，注漿壓力連續(xù)1min達到2.5MPa;在10m內時，注漿壓力連續(xù)1min達到1.5MPa時作為本段注漿結束標準，停止本段注漿，提升注漿芯進行上一段注漿，直至整孔注漿結束。注漿停止深度在地表以下1.5m。

3 注漿效果檢測

(1)鉆孔取芯檢測 注漿結束后，在距離注漿孔2m處鉆孔進行巖層取芯，觀測、分析巖芯中水泥的充填、膠結情況。經鉆孔取芯巖芯柱顯示，其水泥含量分布不均，在斷層破碎帶，水泥含量較高，且水泥巖芯柱具有一定的強度，說明注漿達到了充填巖體裂隙，加強了巖體的整體性。

(2)注漿前后壓水試驗對比 經過對注漿前后鉆孔做壓水試驗對比，發(fā)現(xiàn)注漿后鉆孔透水率降低。

(3)沉降觀測 根據注漿區(qū)域觀測點沉降觀測數據分析，注漿后沉降觀測點的沉降速率明顯減小。

(4)地質雷達探測 經地質雷達物探表明，注漿后巖體內部整體密實性加強，有效改善了巖體空化裂隙較發(fā)育的狀態(tài)。

4 結束語

分層注漿技術有其自身的突出優(yōu)點:根據需要對任何一個注漿段可進行重復注漿。對于距地表較深的巖層內部，由于破碎巖體地基內部構造的復雜性和多變性，導致了治理難度較大。

工程實踐顯示，應用分層注漿技術加固破碎巖體地基取得了良好效果，達到了治理的預期效果，有效地充填了巖體中的裂隙，固結了破碎巖體，經檢測改善了巖體的密實性和膠結性，降低了巖體的滲透性，加強了巖體的整體力學性能。實踐表明，分層注漿技術可以作為一種地基加固技術在地基加固中應用。

［1］郝 哲，王來貴，劉 斌.巖體注漿理論與應用 ［M］.北京:地質出版社，2006.

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TD265.4

B

1006-6225(2012)03-0080-03

2011－10－25

賈林剛 (1978－)男，內蒙古呼和浩特人，工程師，主要從事建筑物下采煤、巖層移動、開采損害評價和治理等工作。

［責任編輯徐乃忠］

青年論壇