沙飛，劉人太，李術(shù)才，林春金，李召峰，劉斌，白繼文

?

運(yùn)營期滲漏水隧道注漿材料適用性

沙飛，劉人太，李術(shù)才，林春金，李召峰，劉斌，白繼文

(山東大學(xué)巖土與結(jié)構(gòu)工程研究中心，山東濟(jì)南，250061)

根據(jù)運(yùn)營期滲漏水隧道注漿治理對(duì)注漿材料的要求，研究普通硅酸鹽水泥、水泥?水玻璃、超細(xì)水泥及聚合物水泥主要性能參數(shù)，設(shè)計(jì)開元隧道3個(gè)地質(zhì)條件相似試驗(yàn)段，采用普通水泥、超細(xì)水泥及聚合物水泥進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)注漿，通過雷達(dá)探測(cè)及現(xiàn)場(chǎng)工況進(jìn)行注漿效果評(píng)估，結(jié)合注漿技術(shù)可行性、注漿效果及經(jīng)濟(jì)性，分析運(yùn)營期隧道不同滲漏水條件下注漿材料適用性。研究結(jié)果表明：聚合物水泥漿液流動(dòng)度、結(jié)石率及結(jié)石體強(qiáng)度較大，聚合物水泥漿液對(duì)含水構(gòu)造滲漏水通道封堵密實(shí)；超細(xì)水泥適用于微孔隙及微裂隙滲水區(qū)域，聚合物水泥適用于裂隙密集滲漏水區(qū)或表面滲水區(qū)，普通水泥適用于空洞較大區(qū)域，水泥?水玻璃漿液適用于流量水壓較大漏水區(qū)域。

運(yùn)營期隧道；滲漏水病害；注漿材料；性能參數(shù)；現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

隧道的修建對(duì)國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展及國防建設(shè)具有極重要的推動(dòng)作用。我國運(yùn)營期隧道存在的病害主要分為滲漏水病害、凍害、襯砌裂損病害、襯砌侵蝕病害 等[1?2]。滲漏水作為運(yùn)營期隧道最普遍病害，實(shí)際上是隧道各種病害的綜合反映[3]。由于水流動(dòng)性及水壓傳遞性，隧道襯砌結(jié)構(gòu)往往承受較高水頭壓力，襯砌任何病害都可能成為滲漏水通道；而滲漏水又會(huì)加速各類病害的發(fā)展，成為運(yùn)營期隧道的重要安全威脅，影響隧道運(yùn)營壽命。襯砌壁后注漿是滲漏水病害治理的最常用且有效方法[4]。不同地質(zhì)條件注漿材料的優(yōu)選，對(duì)運(yùn)營期隧道滲漏水注漿治理效果至關(guān)重要，優(yōu)選原則為漿液可注性好，凝結(jié)時(shí)間可控，結(jié)石體強(qiáng)度高，抗?jié)B性好，黏結(jié)力強(qiáng)，耐久性好，價(jià)格適宜，無毒無污染。隧道病害室內(nèi)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ驮靸r(jià)成本高，且模擬的工況較少，劉海京等[5?7]開展了隧道病害治理的工程實(shí)例研究，但其更側(cè)重隧道滲漏水形成原因及處治施工技術(shù)。對(duì)于水泥基注漿材料性能改進(jìn)及優(yōu)選方面，劉人太等[8?14]進(jìn)行了大量研究。通過特殊地質(zhì)條件下運(yùn)營期隧道工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)例，結(jié)合材料性能測(cè)試、滲漏水條件下注漿材料性質(zhì)、注漿技術(shù)可行性、注漿效果以及經(jīng)濟(jì)性，對(duì)水泥基注漿材料滲漏水治理適用性的報(bào)道較少，使隧道滲漏水治理時(shí)材料選型存在一定經(jīng)驗(yàn)性[15]。針對(duì)這一問題，本文作者選用常見水泥基注漿材料，通過室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)試注漿材料基本性能，通過開元隧道現(xiàn)場(chǎng)注漿試驗(yàn)，從材料性能、技術(shù)可行性、注漿過程控制、治理效果與經(jīng)濟(jì)性等方面系統(tǒng)研究了注漿材料適用性，以指導(dǎo)隧道滲漏水治理的材料選型。

1 材料性能試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原料

試驗(yàn)用普通硅酸鹽水泥為山水水泥廠生產(chǎn)的42.5R普通硅酸鹽水泥(化學(xué)成分見表1)，水泥品質(zhì)符合GB 175—2007“通用硅酸鹽水泥”標(biāo)準(zhǔn)。

試驗(yàn)用水玻璃為常用水玻璃，模數(shù)=3.0，水玻璃密度為1.38 g/cm3。

試驗(yàn)用超細(xì)水泥生產(chǎn)原料與普硅水泥相同，均為山水水泥廠生產(chǎn)，普通硅酸鹽水泥與超細(xì)水泥物理性能如表2所示。

試驗(yàn)用聚合物水泥基材料(簡稱聚合物水泥)為濟(jì)南拓達(dá)建材公司生產(chǎn)，主要成分為普硅水泥、聚合物膠粉及改性添加劑等，符合GB 23440－2009“無機(jī)防水堵漏材料”及JC/T 2009—2011“聚合物水泥防水漿料”相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

表1 普通硅酸鹽水泥成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

表2 普硅水泥與超細(xì)水泥物理性能比較

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 流動(dòng)度測(cè)試

將截錐圓模水平置于玻璃板上并倒入新拌漿液，抹平上表面并提起截錐圓模，30 s后用直尺以正交方式測(cè)量漿液在玻璃板上的擴(kuò)散直徑，取平均值即為漿液初始流動(dòng)度。

1.2.2 凝結(jié)時(shí)間測(cè)試

采用凈漿標(biāo)準(zhǔn)稠度及凝結(jié)時(shí)間測(cè)定儀測(cè)定水泥基注漿材料不同溫度下的初凝時(shí)間、終凝時(shí)間。

1.2.3 漿體結(jié)石率試驗(yàn)

取200 mL試樣漿液置于250 mL量筒中，將量筒上口加蓋封好，測(cè)定3 h后析水量，并測(cè)定漿體結(jié) 石率。

1.2.4 強(qiáng)度測(cè)試

將試樣制作成圓柱形型標(biāo)準(zhǔn)試塊(直徑×長度為 5 cm×10 cm)，放置于30 ℃水浴恒溫養(yǎng)護(hù)箱中，分別測(cè)定試塊3，7，14和28 d的單軸抗壓強(qiáng)度。

1.3 試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

1.3.1 漿液流動(dòng)度測(cè)試

流動(dòng)度體現(xiàn)了注漿材料擴(kuò)散性能，是漿液和易性重要衡量參數(shù)，現(xiàn)場(chǎng)施工要求漿液具有良好流動(dòng)度與和易性，不易離析分層，良好的流動(dòng)度確保了漿液穩(wěn)定性及可泵性，能夠?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)注漿壓力選擇提供參考。表3所示為不同水灰比超細(xì)水泥、普硅水泥及聚合物水泥3種漿液的流動(dòng)度，在室溫23℃下進(jìn)行測(cè)試流動(dòng)度，試驗(yàn)選取的水灰比分別為0.8:1，1.0:1，1.2:1，1.5:1和2.0:1。

由表3可知：3種漿液流動(dòng)度隨水灰比增大而增大，聚合物水泥漿液流動(dòng)度較大，超細(xì)水泥漿液流動(dòng)度較低。0.8:1~1.0:1水灰比即可保證聚合物水泥漿液良好可注性；相比普通硅酸鹽水泥，超細(xì)水泥比表面積較大，吸附水量較多，流動(dòng)性較低，其中水泥細(xì)度與吸附水量關(guān)系如表4所示。

表3 不同水灰比漿液流動(dòng)度

表4 水泥吸附水量與細(xì)度關(guān)系

為解決現(xiàn)場(chǎng)施工超細(xì)水泥漿液流動(dòng)性低的問題，通常在漿液中加入高效減水劑，高效減水劑吸附于水化水泥顆粒表面，通過雙電層使Zeta電位不斷增大，將水泥絮凝結(jié)構(gòu)中自由水釋放出來，對(duì)水泥顆粒具有明顯分散作用，使?jié){液流動(dòng)性增加。

1.3.2 初凝時(shí)間和終凝時(shí)間測(cè)定試驗(yàn)

注漿材料初凝時(shí)間、終凝時(shí)間決定了注漿材料可操作性與可泵性，很大程度影響了注漿工藝選擇，同時(shí)也一定程度決定了注漿擴(kuò)散范圍。注漿材料初凝時(shí)間、終凝時(shí)間受溫度影響明顯，由于運(yùn)營隧道地下水溫度不同于室溫，考慮了溫度影響因素，為保證注漿材料的實(shí)際工程應(yīng)用性[6]，測(cè)試了5，10，15，20，25和30 ℃注漿材料的凝結(jié)時(shí)間。不同水灰比普通硅酸鹽水泥漿液的初凝時(shí)間和終凝時(shí)間如圖1所示。

由圖1可知：普硅水泥漿液初凝時(shí)間、終凝時(shí)間較長，初凝時(shí)間和終凝時(shí)間隨溫度升高而顯著縮短，5~15℃范圍內(nèi)變化顯著。這是由于溫度的升高大幅度提高了膠凝材料的化學(xué)反應(yīng)速率，較高溫度下(20~ 30℃)，凝結(jié)時(shí)間變化幅度變小，說明低溫反應(yīng)動(dòng)力學(xué)對(duì)溫度控制精度要求比高溫反應(yīng)時(shí)嚴(yán)格得多[16]。

為縮短注漿時(shí)間及提高現(xiàn)場(chǎng)注漿堵水效果，試驗(yàn)加入速凝早強(qiáng)劑0.05%胺鹽+0.5%鈉鹽(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)，基于流動(dòng)度測(cè)試結(jié)果，水灰比選為1.0:1，不同溫度下3種材料初凝時(shí)間和終凝時(shí)間如圖2所示。

由圖2可知：初凝時(shí)間、終凝時(shí)間隨溫度升高而縮短；速凝早強(qiáng)劑加入后普硅水泥漿液初凝時(shí)間、終凝時(shí)間得到一定縮短；超細(xì)水泥及聚合物水泥漿液初凝時(shí)間、終凝時(shí)間間隔較短，可確保注漿材料注入后盡快與滲漏水巖體膠結(jié)，可用于運(yùn)營隧道滲漏水注漿治理工程；胺鹽和鈉鹽對(duì)凝結(jié)時(shí)間調(diào)節(jié)效果較好。

(a) 初凝時(shí)間；(b) 終凝時(shí)間 1—水灰比0.8:1；2—水灰比1.0:1；3—水灰比1.2:1。

圖1 不同水灰比普通硅酸鹽水泥漿液初凝時(shí)間和終凝時(shí)間隨溫度變化曲線

Fig. 1 Variation curves of initial and final setting time with temperature for slurries with different water cement ratios

溫度及水灰比對(duì)水泥?水玻璃漿液膠凝時(shí)間的影響如圖3所示，其中，水泥與水玻璃體積比為1:1。

由圖3可知：水泥?水玻璃漿液凝膠時(shí)間隨水灰比增大而增大；水泥?水玻璃漿液凝膠時(shí)間隨溫度升高而增大；水泥?水玻璃漿液凝膠時(shí)間較短，適用于地下水流速較大地層的快速堵漏。

1.3.3 漿體結(jié)石率與析水率試驗(yàn)

漿體結(jié)石率直接影響漿液對(duì)運(yùn)營隧道含水構(gòu)造的充填加固效果，漿體結(jié)石率越高，漿液在泵送過程中越不易離析分層，含水構(gòu)造滲漏水通道封堵越密實(shí)，過水?dāng)嗝娴姆舛履芰υ綇?qiáng)，后期殘留滲漏水的可能性越低，同等情況下應(yīng)當(dāng)優(yōu)先選用結(jié)實(shí)率高的注漿材料。水泥水化結(jié)石率逐漸提高不應(yīng)在測(cè)定范圍內(nèi)，因此本試驗(yàn)設(shè)定結(jié)石率和析水率時(shí)間為3 h。3種水泥漿液結(jié)石率隨水灰比變化曲線見圖4。

(a) 初凝時(shí)間；(b) 終凝時(shí)間 1—普通硅酸鹽水泥；2—聚合物水泥；3—超細(xì)水泥。

圖2 材料漿液初凝時(shí)間和終凝時(shí)間隨溫度變化曲線(水灰比1.0:1)

Fig. 2 Variation curves of initial and final setting time with temperature for different slurries

溫度/℃：1—5；2—15；3—25。

圖3 水泥?水玻璃膠凝時(shí)間隨水灰比變化曲線

Fig. 3 Variation curves of setting time with water-cement ratio

由圖4可知：3種注漿材料結(jié)石率隨水灰比增大而減少，聚合物水泥的結(jié)石率最大，其3 h結(jié)石率在85%以上。

1—普通硅酸鹽水泥；2—超細(xì)水泥；3—聚合物水泥漿料。

圖4 結(jié)石率隨水灰比變化曲線

Fig. 4 Variation curves of stone rate with water-cement ratio

1.3.4 不同結(jié)石體強(qiáng)度試驗(yàn)

結(jié)石體強(qiáng)度指漿液中凝膠材料凝結(jié)硬化后，形成漿液結(jié)石體的抗壓、抗剪、抗彎強(qiáng)度等力學(xué)參數(shù)。漿液材料結(jié)石體強(qiáng)度決定了材料注入后能否抵抗水壓及圍巖應(yīng)力，同時(shí)決定了運(yùn)營隧道滲漏水注漿治理效果與注漿治理后巖體長期穩(wěn)定性。3，7，14和28 d齡期漿液結(jié)石體的單軸抗壓強(qiáng)度見表5。

由表5可知：普通硅酸鹽水泥漿液結(jié)石體不同齡期的抗壓強(qiáng)度較低；水泥?水玻璃漿液結(jié)石體前期強(qiáng)度較大，后期強(qiáng)度增進(jìn)較慢；超細(xì)水泥初期強(qiáng)度較低，后期強(qiáng)度增進(jìn)較大，與普通水泥相比，超細(xì)水泥漿液結(jié)石體28 d強(qiáng)度明顯提高；不同齡期聚合物水泥漿液結(jié)石體強(qiáng)度較大。

表5 不同齡期的抗壓強(qiáng)度

水泥?水玻璃雙液漿中，水玻璃與漿液體系中的氫氧化鈣反應(yīng)，加速硅酸三鈣與硅酸二鈣水化，快速生成CSH凝膠，提供早期強(qiáng)度，但同時(shí)降低了液相中石灰濃度，漿液中氫氧化鈣含量未達(dá)到飽和，在水溶蝕條件下，水泥石中Ca(OH)2固相不斷溶解予以補(bǔ)償，這導(dǎo)致高堿性水化硅酸鹽及水化鋁酸鹽分解為低堿性水化物，變?yōu)闊o膠結(jié)能力的SiO2?H2O及Al(OH)3等，最終導(dǎo)致水泥石破壞[17]。因此，水泥水玻璃雙液漿擴(kuò)散性差，結(jié)石體易粉化，化學(xué)結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，抗水溶蝕性能差，耐久性差，不建議單獨(dú)作為運(yùn)營期隧道修復(fù)注漿材料。

綜上，聚合物水泥漿液流動(dòng)度、結(jié)石率及結(jié)石體強(qiáng)度較大，這是由于大分子高聚物中存在羥基 (—OH)、羧基(—COOR)等活性基團(tuán)，它們與水泥水化產(chǎn)物發(fā)生反應(yīng)，生成具有空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的聚合物–水泥交聯(lián)體，大幅度提高了水化生成產(chǎn)物的整體性與柔韌性[18?19]。同時(shí)高聚物分子引入了C—H鍵，改善了水泥水化產(chǎn)物中以Si—O為主的結(jié)構(gòu)。聚合物?水泥界面黏聚力強(qiáng)，承載能力高，能夠有效吸收并傳遞能量，抑制裂縫的形成和擴(kuò)展，提高界面斷裂能和斷裂韌性[20]。

2 材料現(xiàn)場(chǎng)工程應(yīng)用性試驗(yàn)

2.1 工程概況

開元隧道運(yùn)營期間，雨季隧道內(nèi)出現(xiàn)襯砌滲漏水現(xiàn)象，洞內(nèi)滲漏水位置以拱頂為主，分布在邊墻、拱肩等位置，較嚴(yán)重位置出現(xiàn)大面積淋水及股狀涌水，嚴(yán)重影響隧道的結(jié)構(gòu)及交通安全。

通過地表地質(zhì)分析，開元隧道經(jīng)過2條破碎帶和1條灰?guī)r?閃長巖界面，其中1條破碎帶與基巖傾向相反，灰?guī)r裂隙和破碎帶的導(dǎo)水性對(duì)隧道產(chǎn)生不利影響，由此推斷滲漏水補(bǔ)給源主要集中在隧道淺埋段、匯水區(qū)1及匯水區(qū)2，如圖5所示。

探明滲漏水位置及導(dǎo)水區(qū)域能夠?yàn)闈B漏水治理提供重要支撐，現(xiàn)場(chǎng)采用高密度電法與地質(zhì)雷達(dá)法探測(cè)。高密度電法的3個(gè)測(cè)區(qū)見圖5，重點(diǎn)關(guān)注電阻率成像剖面的高電阻率區(qū)域，數(shù)據(jù)反演結(jié)果見圖6。

圖6(a)中高阻區(qū)數(shù)量少、規(guī)模小且貼近地表，結(jié)合實(shí)地勘察，高阻區(qū)反映了地表裸露基巖，測(cè)區(qū)一不存在較大匯水區(qū)。圖6(b)與6(c)中高阻區(qū)范圍較大且連續(xù)，推斷高阻區(qū)域破碎巖體范圍較大，已形成連續(xù)破碎帶，與地質(zhì)圖中破碎帶位置較吻合，其中圖6(c)連續(xù)破碎帶更為明顯且大部分向深部延伸，該高阻區(qū)易形成導(dǎo)水通道，結(jié)合地質(zhì)圖及實(shí)地勘察分析，測(cè)區(qū)二、測(cè)區(qū)三屬于匯水區(qū)，易形成導(dǎo)水通道，測(cè)區(qū)三需要高度重視。

圖5 開元隧道平面地質(zhì)圖

結(jié)合探測(cè)結(jié)果與實(shí)地勘察分析，地表降水匯集下滲補(bǔ)給后，沿著2條破碎帶及灰?guī)r?閃長巖界面導(dǎo)入隧道洞身附近，在隧道薄弱部位形成滲水和漏水。破碎巖體呈現(xiàn)隨機(jī)分布特征，這些巖體破碎區(qū)是否導(dǎo)水或充水，與其地表連通性有必然關(guān)系，若在破碎帶影響范圍內(nèi)，則充水導(dǎo)水可能性很大。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方法

為檢驗(yàn)運(yùn)營期滲漏水隧道常用注漿材料的適用性，設(shè)計(jì)開元隧道現(xiàn)場(chǎng)注漿試驗(yàn)。選擇代表性的測(cè)試區(qū)3作為注漿試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)，選取南洞隧道里程800~900 m為試驗(yàn)段，其雷達(dá)探測(cè)含水構(gòu)造見圖7。由于水泥?水玻璃材料擴(kuò)散距離短、后期耐久性差、抗水溶蝕性差等缺點(diǎn)，因此不采用其作為試驗(yàn)段注漿材料。在800~830 m，830~860 m及860~900 m試驗(yàn)段內(nèi)分別選取超細(xì)水泥、普通硅酸鹽水泥及聚合物水泥3種材料進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)注漿試驗(yàn)，為有效控制漿液的擴(kuò)散時(shí)間與擴(kuò)散范圍，3種漿液中加入0.05%胺鹽+0.5%鈉鹽。考慮現(xiàn)場(chǎng)襯砌強(qiáng)度等因素，注漿控制條件為：注漿終壓2.0 MPa；注漿時(shí)間60 min。依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工況與注漿后雷達(dá)探測(cè)結(jié)果對(duì)注漿效果進(jìn)行評(píng)估。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.3.1 水泥基注漿材料壓力?速率?時(shí)間曲線

3種水泥基注漿材料壓力?速率?時(shí)間曲線見圖8。由圖8可知：注漿初期3種材料的注漿壓力均由初始?jí)毫χ饾u上升，注漿速率快速下降；注漿中期速率下降后進(jìn)入注漿穩(wěn)定期，注漿壓力在較小范圍內(nèi)波動(dòng)；在注漿后期注漿速率由穩(wěn)定值快速下降，直至注漿壓力達(dá)到注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)；普通硅酸鹽水泥漿液達(dá)到注漿終壓1.8 MPa的時(shí)間為53 min；超細(xì)水泥漿液60 min左右仍保持較低的注漿壓力，注漿速率也較穩(wěn)定，具有良好的可注性；聚合物水泥漿液在60 min內(nèi)未達(dá)到注漿終壓，45 min后注漿壓力迅速上升，注漿速率下降，試驗(yàn)段內(nèi)聚合物水泥漿液單孔注漿量與可注性比超細(xì)水泥漿液差，但差別不很大。

(a) 測(cè)區(qū)一；(b) 測(cè)區(qū)二；(c) 測(cè)區(qū)三

圖6 高密度電法探測(cè)結(jié)果分析

Fig. 6 Detection results by high-density resistivity method

圖7 南洞800~900 m雷達(dá)探測(cè)含水構(gòu)造圖

普通水泥漿液顆粒粒徑較大，往往無法注入較小孔隙或裂隙，漿液無法有效擴(kuò)散，普通硅酸鹽水泥可注性較差。超細(xì)水泥粒度較細(xì)，漿液可注性顯著提高，注漿過程中漿液阻力較低，注漿壓力上升速率較慢，漿液在同等注漿壓力下能夠達(dá)到更大的有效擴(kuò)散半徑，硬化后實(shí)現(xiàn)充填圍巖裂隙，對(duì)隧道滲漏水注漿封堵效果較好。聚合物水泥水化后生成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的聚合物?膠凝礦物結(jié)合體，漿液的摩擦阻力較小，可塑性較好。

在現(xiàn)場(chǎng)3個(gè)試驗(yàn)段進(jìn)行注漿試驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)普通水泥試驗(yàn)段內(nèi)鉆孔存在滲漏水現(xiàn)象，當(dāng)由孔口管注入普通水泥漿時(shí)，從周邊斷層帶破碎處及裂隙處存在嚴(yán)重跑漿現(xiàn)象，見圖9。因此，較難采用常規(guī)水泥注漿材料對(duì)該滲漏水區(qū)域?qū)崿F(xiàn)有效注漿封堵。

2.3.2 基于雷達(dá)探測(cè)的注漿效果檢驗(yàn)分析

導(dǎo)水裂隙或?qū)ǖ乐饕涮罱橘|(zhì)是水和空氣，水、空氣與圍巖的介電常數(shù)相差較大，而地質(zhì)雷達(dá)法的探測(cè)物理基礎(chǔ)主要建立在介質(zhì)介電常數(shù)差異上。導(dǎo)水裂隙或通道被漿液充填后，凝固后漿液結(jié)石體與圍巖的介電常數(shù)相差較小，利用地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，由于漿液與圍巖已融合成整體，注漿后的導(dǎo)水裂隙或?qū)ǖ理憫?yīng)非常弱。

(a) 普通硅酸鹽水泥；(b) 超細(xì)水泥；(c) 聚合物水泥1—注漿壓力；2—注漿速率。

圖8 現(xiàn)場(chǎng)注漿試驗(yàn)3種水泥漿液壓力?速率?時(shí)間曲線

Fig. 8 Pressure?velocity?time curves of three grout in field tests

基于以上原理，地質(zhì)雷達(dá)法可有效檢測(cè)注漿效果，現(xiàn)場(chǎng)注漿效果的雷達(dá)探測(cè)分析見圖10。

結(jié)合圖7與圖10可知，用于860~900 m段的聚合物水泥漿液注漿治理效果理想，雖存在小部分微裂隙，但微小裂隙在探測(cè)深度方向上不連通，不形成隱伏導(dǎo)水區(qū)，且注漿后改進(jìn)效果顯著；用于800~830 m段的超細(xì)水泥漿液注漿治理效果較好，微小裂隙在探測(cè)深度方向上連通較少，注漿后隱伏導(dǎo)水區(qū)較少；用于830~860 m段的普通水泥漿液注漿治理效果較差，微小裂隙在探測(cè)深度方向上存在連通現(xiàn)象，探測(cè)深度方向上存在一定數(shù)量隱伏導(dǎo)水區(qū)。開元隧道注漿試驗(yàn)段雷達(dá)檢測(cè)效果分析見表6。

(a) 鉆孔滲漏水；(b) 跑漿

圖9 鉆孔滲漏水與跑漿

Fig. 9 Leakage water of drilling hole and slurry-escaping

圖10 注漿后雷達(dá)探測(cè)分析

表6 試驗(yàn)段注漿后雷達(dá)檢測(cè)效果分析

3 運(yùn)營期隧道注漿材料適用性分析

運(yùn)營期隧道滲漏水治理的注漿材料選擇需要從材料性能、技術(shù)可行性、注漿過程控制、治理效果、耐久性、經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性及現(xiàn)場(chǎng)特定地質(zhì)條件等方面考慮。運(yùn)營期隧道注漿材料適用性分析見表7。

超細(xì)水泥漿液滲透性強(qiáng)，但目前大部分超細(xì)水泥仍屬于高鈣水泥，抗侵蝕能力較差，在與巖石黏結(jié)的界面區(qū)易造成CH擇優(yōu)取向，界面黏結(jié)強(qiáng)度較低、抗?jié)B防蝕性較差[21]。聚合物水泥中聚合物均勻成膜后將水泥水化產(chǎn)物連接包絡(luò)，生成具有空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的聚合物?膠凝礦物結(jié)合體，界面黏聚力強(qiáng)、承載能力高，能夠有效吸收并傳遞能量，抑制裂縫形成和擴(kuò)展，具有良好的黏接性能、抗?jié)B防蝕性能、變形適應(yīng)性及耐久性能[22?23]，但其價(jià)格較高。

表7 運(yùn)營期隧道注漿材料適用性分析

針對(duì)巖體微孔隙、微裂隙滲漏水狀況，適宜采用超細(xì)水泥漿液進(jìn)行微孔隙、微裂隙充填及劈裂注漿，以控制注漿有效擴(kuò)散范圍[24]。針對(duì)滲漏水通道較大、水流速較快及水壓較大的涌水狀況，適宜采用水泥?水玻璃漿液進(jìn)行注漿封堵，由于C-S漿液結(jié)石體耐久性較差，C-S漿液封堵后需注入普通硅酸鹽水泥漿液。針對(duì)巖體空洞空腔較大區(qū)域或一般滲漏水情況，適宜采用普通硅酸鹽水泥漿液進(jìn)行注漿治理。針對(duì)裂隙密集區(qū)滲漏水及隧道表面破損狀況，基于聚合物水泥漿液優(yōu)良的抗?jié)B防蝕能力與黏結(jié)能力，適宜采用聚合物水泥漿液進(jìn)行注漿治理[25]。

目前超細(xì)水泥粉磨效率低，聚合物種類及比例決定了聚合物水泥的市場(chǎng)價(jià)格，二者生產(chǎn)成本高，一定程度上限制了材料的工程推廣應(yīng)用。

4 結(jié)論

1) 水泥基注漿材料漿液流動(dòng)度及初凝時(shí)間和終凝時(shí)間對(duì)水灰比、溫度較敏感，工程應(yīng)用中需依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工條件進(jìn)行流動(dòng)度及初、終凝時(shí)間測(cè)試，通過復(fù)合外加劑的調(diào)配對(duì)流動(dòng)度及凝結(jié)時(shí)間進(jìn)行控制。

2) 水灰比對(duì)漿液結(jié)石率影響較大，聚合物水泥漿液的結(jié)石率較大，可知聚合物水泥漿體滲漏水條件下抗分散性能最好，含水構(gòu)造滲漏水通道封堵密實(shí)，過水?dāng)嗝娴姆舛履芰?qiáng)。不同齡期超細(xì)水泥與聚合物水泥漿液結(jié)石體強(qiáng)度較大。

3) 超細(xì)水泥漿液適用于微孔隙、微裂隙充填及劈裂注漿；水泥?水玻璃漿液適用于流量流速較大滲漏水通道的注漿封堵，之后宜注入普通水泥漿液；普通水泥漿液適用于空洞較大區(qū)域的注漿治理；聚合物水泥漿液適用于裂隙密集滲漏水區(qū)或隧道表面滲水區(qū)的治理；復(fù)雜條件下，可結(jié)合聚合物水泥與超細(xì)水泥進(jìn)行注漿治理。

[1] 錢七虎. 地下工程建設(shè)安全面臨的挑戰(zhàn)與對(duì)策[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2012, 31(10): 1945?1956. QIAN Qihu. Challenges faced by underground projects construction safety and countermeasures[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2012, 31(10): 1945?1956.

[2] 趙慶陽. 運(yùn)營期老舊隧道滲漏水病害成因與治理方法研究[D]. 濟(jì)南: 山東大學(xué)土建與水利學(xué)院, 2010: 2?8. ZHAO Qingyang. Study on the leakage causes and treatment methods for the old operation tunnel[D]. Jinan: Shandong University. School of Civil Engineering, 2010: 2?8.

[3] 祝和權(quán), 李海燕, 杜存山. 隧道滲漏水綜合治理技術(shù)的研究[J]. 中國鐵路, 2004(2): 42?45. ZHU Hequan, LI Haiyan, DU Cunshan. Research on water-leakage treatment technology of tunnels[J]. Chinese Railways, 2004(2): 42?45.

[4] ITA. Report on the damaging effects of water on tunnels during their working life[J]. Tunnelling and Underground Space Technology, 1991, 6(1): 11?76.

[5] 劉海京, 夏才初, 朱合華, 等. 隧道病害研究現(xiàn)狀與進(jìn)展[J]. 地下空間與工程學(xué)報(bào), 2007, 3(5): 948?953. LIU Haijing, XIA Caichu, ZHU Hehua, et al. Studies on tunnel damage[J]. Chinese Journal of Underground Space and Engineering, 2007, 3(5): 948?953.

[6] 楊新安, 黃宏偉. 隧道病害與防治[M]. 上海: 同濟(jì)大學(xué)出版社, 2003: 38?64. YANG Xin’an, HUANG Hongwei. Tunnel disaster prevention and treatment[M]. Shanghai: Tongji University Press, 2003: 38?64.

[7] 劉招偉, 何滿潮, 王樹仁. 圓梁山隧道巖溶突水機(jī)制及防治對(duì)策研究[J]. 巖土力學(xué), 2006, 27(2): 228?232. LIU Zhaowei, HE Manchao, WANG Shuren. Study on karst waterburst mechanism and prevention countermeasures in Yuanliangshan tunnel[J]. Rock and Soil Mechanics, 2006, 27(2): 228?232.

[8] 劉人太, 李術(shù)才, 張慶松, 等. 一種新型動(dòng)水注漿材料的試驗(yàn)與應(yīng)用研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2011, 30(7): 1454?1459. LIU Rentai, LI Shucai, ZHANG Qingsong, et al. Experiment and application research on a new type of dynamic water grouting material[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2011, 30(7): 1454?1459.

[9] 王紅喜, 張高展, 丁慶軍, 等. 堿激發(fā)工業(yè)廢渣雙液注漿材料性能研究[J]. 建筑材料學(xué)報(bào). 2007, 10(3): 374?378. WANG Hongxi, ZHANG Gaozhan, DING Qingjun, et al. Research on the performance of double solution grouting material with alkali-activated industry waste slag[J]. Journal of Building Materials, 2007, 10(3): 374?378.

[10] 阮文軍, 王文臣, 胡安兵. 新型水泥復(fù)合漿液的研制及其應(yīng)用[J]. 巖土工程學(xué)報(bào), 2001, 23(2): 212?216. RUAN Wenjun, WANG Wenchen, HU Anbing. Development and application of new kind of cement composite grout[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2001, 23(2): 212?216.

[11] 殷素紅, 文梓蕓. 白云質(zhì)石灰?guī)r?水玻璃灌漿材料的性能及其反應(yīng)機(jī)制[J]. 巖土工程學(xué)報(bào), 2002, 24(1): 76?80. YIN Suhong, WEN Ziyun. Properties and reaction mechanism of dolomite lime stone-water glass grout[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2002, 24(1): 76?80.

[12] 管學(xué)茂, 胡曙光, 丁慶軍. 超細(xì)水泥基注漿材料性能研究[J]. 煤礦設(shè)計(jì), 200l(3): 28?31. GUAN Xuemao, HU Shuguang, DING Qingjun. Performance study of the cement-based superfine grouting materials[J]. Coalmine Design, 2001(3): 28?31.

[13] 李虎軍, 王琪. 水溶性聚合物改性水泥的研究Ⅱ：水溶性聚合物對(duì)水泥水化過程的影響[J]. 功能高分子學(xué)報(bào), 1999, 12(3): 276?280. LI Hujun, WANG Qi. Study on the cement modified by water-soluble polymers Ⅱ: effect of water-soluble polymers on the hydration of cement[J]. Journal of Functional Polymers, 1999, 12(3): 276?280.

[14] 陳灃, 黃蓓麗, 巴明芳, 等. 鋼渣改性硅酸鹽水泥?水玻璃雙液注漿復(fù)合材料的試驗(yàn)研究[J]. 復(fù)合材料學(xué)報(bào), 2013, 30(6): 139?144. CHEN Feng, HUANG Beili, BA Mingfang, et al. Experimental study on dual-fluid-grout composite materials with slag steel modified portland cement and sodium silicate[J]. Acta Materiae Compositae Sinica, 2013, 30(6): 139?144.

[15] 杜嘉鴻, 張崇瑞, 何修仁. 地下建筑灌漿工程簡明手冊(cè)[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 1998: 38?64. DU Jiahong, ZHANG Chongrui, HE Xiuren. Brief handbook of grouting engineering in underground construction[M]. Beijing: Science Press, 1998: 38?64.

[16] 程蘭征, 章燕豪. 物理化學(xué)[M]. 上海: 上?？茖W(xué)技術(shù)出版社, 2007: 227?241. CHENG Lanzheng, ZHANG Yanhao. Physical chemistry[M]. Shanghai: Shanghai Scienctific and Technical Publishers, 2007: 227?241.

[17] CHATTERJI S. Concrete durability and CaO/SiO2mole ratio of CSH[J]. Cement and Concrete Research, 1995, 25(5): 929?932.

[18] 李祝龍, 梁乃興, 吳德平, 等. 聚合物水泥基材料的機(jī)制分析[J]. 公路交通科技, 2005, 22(5): 63?66. LI Zhulong, LIANG Naixing, WU Deping, et al. Study on the mechanism of polymer cement materials[J]. Journal of Highway and Transportation Research and Development, 2005, 22(5): 63?66.

[19] 徐惠生. 聚合物改性水泥砂漿基礎(chǔ)研究[J]. 安徽建筑工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2008, 16(6): 1?3. XU Huisheng. Research of polymer-modified mortar[J]. Journal of Anhui Institute of Architecture and Industry (Natural Science), 2008, 16(6): 1?3.

[20] 劉瑾, 張峰君, 陳曉明, 等. 新型水溶性高分子土體固化劑的性能及機(jī)制研究[J]. 材料科學(xué)與工程, 2001, 19(4): 62?65. LIU Jin, ZHANG Fengjun, CHEN Xiaoming, et al. Study on the soil hardening properties and mechanism of a new water soluble polymeric soil hardening agent[J]. Materials Science and Engineering, 2001, 19(4): 62?65.

[21] 胡曙光, 管學(xué)茂, 丁慶軍. 超細(xì)水泥基灌漿材料研究動(dòng)向及發(fā)展方向[J]. 水泥, 2001(1): 11?13. HU Shuguang, GUAN Xuemao, DING Qingjun. Comprehensive review on the research and development of ultrafine cement based grouting materials[J]. Cement, 2001(1): 11?13.

[22] COSTAS A. Laboratory study of an injected granular soil with polymer grouts[J]. Tunnelling and Underground Space Technology, 2005(1): 525?533.

[23] 王茹, 姚麗娟, 王培銘. 水泥基材料聚合物改性機(jī)理研究的最新進(jìn)展[J]. 硅酸鹽通報(bào), 2011, 30(4): 818?821. WANG Ru, YAO Lijuan, WANG Peiming. Recent research development on mechanism of polymer modification to cement-based materials[J]. Bulletin of the Chinese Ceramic Society, 2011, 30(4): 818?821.

[24] 馮志強(qiáng), 康紅普, 楊景賀. 裂隙巖體注漿技術(shù)探討[J]. 煤炭科學(xué)技術(shù), 2005, 33(4): 63?66. FENG Zhiqiang, KANG Hongpu, YANG Jinghe. Discussion on grouting technology for crack rock mass[J]. Coal Science and Technology, 2005, 33(4): 63?66.

[25] 阮文軍.注漿擴(kuò)散與漿液若干基本性能研究[J]. 巖土工程學(xué)報(bào), 2005, 27(1): 69?73. RUAN Wenjun. Research on diffusion of grouting and basic properties of grouts[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2005, 27(1): 69?73.

(編輯 趙俊)

Application on different types of cementitious grouts for water-leakage operational tunnels

SHA Fei, LIU Rentai, LI Shucai, LIN Chunjin, LI Zhaofeng, LIU Bin, BAI Jiwen

(Geotechnical and Structural Engineering Research Center, Shandong University, Jinan 250061, China)

The main performance parameters of four types of cement-based grouts for operational tunnels were studied based on the grouting requirements for grouts in water-leakage operational tunnels. The Kaiyuan Tunnel situ-tests with three similar geological conditions were designed. The ordinary portland cement, microfine portland cement and polymer cement were used for grouting. The grouting effects of different grouts for the water-leakage operational tunnel were evaluated based on the analysis results of radar detections. According to the feasibility of grouting technology, grouting effects and economical efficiency, the suitability of grouts for different water-leakage conditions in operational tunnels were analyzed. The results show that the fluidity, concretion rate and consolidation strength of polymer cement are satisfied, and the plugging effects of polymer cement for water-leakage channels are excellent in situ-tests. The microfine portland cement is suitable for the water-leakage areas with micro pores or micro cracks, and the polymer cement can be applied to the water-leakage areas with concentrated fissures or surface seepage zones. The portland cement can be used for areas with large or wide holes, and the cement?water glass slurry is suitable for areas with large flow or high pressure.

operational tunnels;water leakage disease; cementitious grouts; performance parameters; situ-test

10.11817/j.issn.1672-7207.2016.12.027

TU45

A

1672?7207(2016)12?4163?10

2015?12?22；

2016?03?13

國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)項(xiàng)目(2013CB036001)；國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51309146)；國家教育部博士點(diǎn)基金資助項(xiàng)目(20130131120084) (Project(2013CB036000) supported by the National Basic Research Development Program (973 Program) of China; Project(51309146) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(20130131120084) supported by the Research Fund for Doctoral Programs of High Education of China)

劉人太，博士，從事地下工程水災(zāi)害預(yù)報(bào)及治理方面的研究；E-mail：rentailiu@163.com