何 毅 李本奎,2 鄭俊偉 劉曉強(qiáng) 張曦呈 苑旭光

(1.山西江陽(yáng)工程爆破有限公司;2.太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院)

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某膨脹性軟巖隧道圍巖注漿加固規(guī)律研究

何 毅1李本奎1,2鄭俊偉1劉曉強(qiáng)1張曦呈1苑旭光1

(1.山西江陽(yáng)工程爆破有限公司;2.太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院)

某公路隧道處于較高地應(yīng)力動(dòng)壓作用下，且隧道圍巖膨化、松散，極易失穩(wěn)、冒落。通過(guò)全面分析膨脹性隧道圍巖在振動(dòng)壓力作用下的變化規(guī)律，采用隧道圍巖夯實(shí)注漿加固技術(shù)改善隧道圍巖的三向應(yīng)力狀態(tài)并大大提高圍巖的承載能力。結(jié)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(jié)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(yīng)力狀態(tài)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(lián)合注漿方式。結(jié)果具有較好的現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)作用。

膨脹性軟巖 注漿加固 周期性壓力 水灰比

我國(guó)軟巖隧道支護(hù)已形成以錨固與注漿加固為核心的安全高效施工技術(shù)[1]。對(duì)于膨化、松散、破碎的隧道圍巖，孤立的采用錨桿(索)支護(hù)，由于錨固劑與松散破碎圍巖的黏結(jié)力小，達(dá)不到支護(hù)設(shè)計(jì)的錨固力要求，錨桿(索)的力學(xué)性能不能充分發(fā)揮。在這種條件下，注漿加固是隧道圍巖控制的有效途徑。

長(zhǎng)期以來(lái)，大量的國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)高應(yīng)力、大變形膨脹性軟巖隧道的圍巖控制進(jìn)行深入研究。高應(yīng)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(xiàn)在3個(gè)方面：①圍巖變形量大,這是受高應(yīng)力自身作用的緣故，主要表現(xiàn)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(yīng)力的作用下，變形趨向穩(wěn)定后仍有較大的流變速度;③圍巖變形具有時(shí)效性,隧道圍巖變形不僅有明顯的空間效應(yīng),而且有明顯的時(shí)間效應(yīng)[2]。如果在變形初期不能采取有效的支護(hù)措施，圍巖變形會(huì)急劇增大，勢(shì)必導(dǎo)致隧道圍巖的失穩(wěn)破壞。

在圍巖的動(dòng)態(tài)變形過(guò)程中，注漿動(dòng)力的形式、注漿材料配合比、注漿擴(kuò)散半徑、水灰比等之間存在著復(fù)雜的關(guān)系[3]，通過(guò)注漿試驗(yàn)，分析隧道圍巖變形、變化規(guī)律，確定注漿水灰比、注漿動(dòng)力的形式與注漿擴(kuò)散半徑、注漿圍巖強(qiáng)度之間的變化關(guān)系，以隧道圍巖注漿加固技術(shù)為基礎(chǔ)，確定適合高應(yīng)力膨化松散軟巖動(dòng)壓隧道圍巖改性的相關(guān)注漿參數(shù)，為類似圍巖隧道加固工程提供借鑒經(jīng)驗(yàn)。

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(yīng)力角度，屬于深埋隧道，該隧道頂?shù)装鍑鷰r基本為中砂巖、細(xì)砂巖，其中含泥質(zhì)成分較高，極易風(fēng)化，圍巖強(qiáng)度較低，屬于膨化松散軟巖隧道，且該隧道還受到一側(cè)的鐵路隧道振動(dòng)影響，圍巖變形破壞程度較大，隧道掘進(jìn)和維護(hù)存在很大的難題。該隧道圍巖X射線衍射測(cè)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(dá)79.8%，致使隧道圍巖強(qiáng)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(shù)

注漿加固技術(shù)是一項(xiàng)實(shí)用性很強(qiáng)的工程技術(shù)，利用高壓泵作為漿液輸送的動(dòng)力源，把某些能與巖土體固結(jié)的漿液注入到巖土體的裂隙中，通過(guò)液體壓力將漿液反復(fù)作用于注漿自由面，使?jié){液擴(kuò)散均勻并且夯實(shí)于巖土體裂隙中，使巖土體成為強(qiáng)度高、抗?jié)B性好的新結(jié)構(gòu)體，從而改善巖土體的物理力學(xué)性能。

在原金屬支架基礎(chǔ)上，進(jìn)行壓力注漿加固膨化松散圍巖，可以增強(qiáng)支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體承載能力[5]，保證支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，注漿加固與原被動(dòng)支護(hù)組成聯(lián)合支護(hù)體系，共同維護(hù)隧道圍巖的穩(wěn)定。

3 注漿加固試驗(yàn)

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(shí)受高應(yīng)力地質(zhì)條件及相鄰鐵路振動(dòng)的影響較大，而且水泥-水玻璃雙液漿凝結(jié)時(shí)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(shù)見表2。

表2 注漿材料配合比參數(shù)

采用周期性壓力注漿試驗(yàn)，計(jì)算機(jī)控制注漿管內(nèi)漿液輸送壓力，注漿完畢后，鉆孔取芯并在壓力機(jī)上進(jìn)行抗壓試驗(yàn)，研究膨化松散巖體強(qiáng)度變化規(guī)律以及注漿擴(kuò)散分布規(guī)律，綜合評(píng)價(jià)注漿效果。試驗(yàn)用設(shè)備UB0.3型灰漿注漿泵見圖2。

圖1 注漿設(shè)備

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 擴(kuò)散半徑隨漿液水灰比的變化規(guī)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(guò)高壓注漿管與注漿泵連接，開動(dòng)注漿泵并設(shè)置周期性壓力，漿液注入注漿室內(nèi)的巖體中，試驗(yàn)按3種漿液水灰比依次進(jìn)行，考察注漿擴(kuò)散分布規(guī)律，測(cè)定結(jié)果見圖2。

圖2 不同水灰比的漿液擴(kuò)散半徑隨時(shí)間的變化

由圖2可知，在周期性注漿壓力作用下，注漿擴(kuò)散半徑隨注漿時(shí)間延長(zhǎng)不斷擴(kuò)大，最終趨于穩(wěn)定[8]。當(dāng)漿液水灰比為0.6∶1時(shí)，漿液在圍巖中的滲透擴(kuò)散效果很不理想，漿液擴(kuò)散范圍較小。隨著漿液水灰比的提高，漿液流動(dòng)速率及擴(kuò)散范圍明顯增大，當(dāng)漿液水灰比為1∶1時(shí)，漿液擴(kuò)散半徑達(dá)到2.3 m 之多，由此可知，漿液水灰比的提高勢(shì)必能夠增大漿液的擴(kuò)散半徑，但考慮到實(shí)際工程情況，漿液擴(kuò)散半徑過(guò)大或過(guò)小均不符合工程的經(jīng)濟(jì)性施工，根據(jù)注漿錨桿間排距的要求，工程上一般認(rèn)為擴(kuò)散半徑為1.2～1.5 m時(shí)注漿工程的經(jīng)濟(jì)效果最佳，因此，漿液采用0.8∶1水灰比較合適。

4.2 圍巖強(qiáng)度隨漿液水灰比的變化規(guī)律

待注漿完畢7 d后通過(guò)鉆孔取芯，用切割機(jī)、研磨機(jī)加工成標(biāo)準(zhǔn)試件，通過(guò)伺服壓力機(jī)測(cè)定試塊的抗壓強(qiáng)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(yàn)加載過(guò)程中巖體的破壞形態(tài)，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(shí)巖體試塊受壓破壞過(guò)程

由圖3可以看出，試件1-1和3-1在壓縮應(yīng)力作用下產(chǎn)生較大變形，且有明顯的裂縫擴(kuò)張，主要表現(xiàn)為縱向裂縫發(fā)展。試件2-1在壓縮應(yīng)力作用下僅僅只產(chǎn)生較小的裂紋，說(shuō)明注漿水灰比為0.8∶1時(shí)圍巖耐壓性能較好。

周期性正弦波形式的輸送壓力循環(huán)往復(fù)地作用于注漿自由面，能夠有效地使?jié){液夯實(shí)于膨化松散圍巖裂隙內(nèi)。注漿水灰比為0.8∶1時(shí)，試樣力學(xué)特性得到了顯著的改善，內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角比注漿前明顯增大，抗壓強(qiáng)度明顯增大。水灰比為0.6∶1時(shí)，漿液較濃，難以注入，而水灰比為1∶1時(shí)，結(jié)石體抗壓強(qiáng)度略低。因而可以認(rèn)為，膨化松散隧道圍巖注漿結(jié)石體的抗壓強(qiáng)度和漿液擴(kuò)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(jié)果。

4.3 圍巖變形隨漿液水灰比的變化

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

圖4 不同注漿水灰比時(shí)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(shí)，頂板中部較兩側(cè)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(shì)依次遞減；注漿水灰比為0.8∶1時(shí)，隧道頂板中央及兩側(cè)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(shí)，底板中部較兩側(cè)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(shí)，隧道底板鼓起量與兩幫收斂量均最小，隧道底鼓及巷幫內(nèi)移得到有效控制。

從隧道膨化松散圍巖變形的角度對(duì)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(rèn)為對(duì)隧道膨化松散圍巖注漿加固的漿液水灰比為0.8∶1時(shí)，注漿加固效果最佳，工程上既經(jīng)濟(jì)又高效。

5 結(jié) 論

(1)膨脹性軟巖注漿加固時(shí)，影響漿液擴(kuò)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(zhì)。

(2)周期性注漿壓力能夠有效保證松散圍巖裂隙結(jié)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(kuò)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(duì)膨化松散圍巖注漿結(jié)石體的強(qiáng)度和漿液擴(kuò)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(jié)果。采用周期性注漿壓力及漿液水灰比為0.8∶1時(shí)，注漿擴(kuò)散范圍及加固效果最佳，在膨化松散圍巖工程治理中既經(jīng)濟(jì)又高效。

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*國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(編號(hào)：51274145)，國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開發(fā)基金項(xiàng)目(編號(hào)：SKLGDUEK1311)。

2016-08-10)

何 毅(1968—)，男，總經(jīng)理，高級(jí)工程師，030041 山西省太原市尖草坪區(qū)西留路18號(hào)。