朱慶凱12

(1.山東科技大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院，山東 青島 266590；2.山東科技大學(xué) 山東省土木工程防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266590)

1 研究背景

在解決巖溶隧道突水事故問題時(shí)，注漿技術(shù)是最為有效的治理措施之一。而水泥基-玻璃纖維材料作為一種新的復(fù)合材料，由于其具有良好的力學(xué)性能，可以提高水泥基漿液的堵水能力，改善注漿圍巖的力學(xué)參數(shù)。因此，極有必要對(duì)水泥基-玻璃纖維材料作為新型注漿材料應(yīng)用到巖溶隧道注漿堵水工程中的可行性進(jìn)行研究。

Yang等[1]通過動(dòng)水條件下在水泥漿液加入碳纖維制成新的注漿材料的注漿試驗(yàn)，研究影響因素的擬合方程；Faramarzi等[2]分析了注漿過程中采用脲甲醛樹脂作為添加劑對(duì)于漿液參數(shù)的改善；Weber等[3]分析了纖維增強(qiáng)水泥基材料的動(dòng)力性能，研究了水泥基注漿材料在動(dòng)態(tài)荷載下的使用壽命問題；Jo等[4]研究了添加聚合物纖維對(duì)水泥漿液水化性能和力學(xué)性能的影響；胡格格等[5-6]研究了注漿材料性能對(duì)注漿工程效果和順利施工的影響；孫子正等[7-8]通過建立平板裂隙的注漿擴(kuò)散模型，研究了靜水條件和動(dòng)水條件下的擴(kuò)散規(guī)律；劉人太等[9]通過室內(nèi)試驗(yàn)研究了新型注漿材料的物理特性和作為堵水材料的可行性；豆海軍[10]研究了水泥基-水玻璃作為漿液材料在富水地層中堵水作用，對(duì)比分析了粉煤灰添加液和水玻璃添加液的膠凝特性；張歡[11]分析了外添加劑對(duì)水泥基漿液的流變性能，解決了漿液在突水過程中的流動(dòng)性差、可注性降低的問題。

盡管近年來注漿材料試驗(yàn)及應(yīng)用得到深入研究和發(fā)展，但當(dāng)前采用的注漿材料在可注性、力學(xué)性能、環(huán)保和價(jià)格方面都存在著明顯的問題，注漿材料對(duì)巷道涌水賦存條件以及突水特征的依賴性依然較高。在節(jié)理裂隙極為發(fā)育的破碎軟巖巷道中，常用的注漿材料和圍巖難以形成穩(wěn)定、有效承載的結(jié)石體，不僅難以控制突水災(zāi)害的發(fā)生、發(fā)展，而且對(duì)于注漿工程的安全施工和順利進(jìn)行具有明顯的限制作用，巷道大面積突水、淹井的事故屢有發(fā)生，因此亟需一種新型材料來改善注漿效果。水泥基復(fù)合材料不僅可以起到封堵突水裂隙，并且可以加固圍巖，是良好的注漿材料的選擇，因此開發(fā)一種水泥基無機(jī)復(fù)合材料顯得更為重要。通過研究水泥基-玻璃纖維漿液對(duì)調(diào)節(jié)裂隙發(fā)展的機(jī)理，分析玻璃纖維對(duì)裂隙發(fā)展的影響，對(duì)彈性模量、黏聚力和內(nèi)摩擦角的影響；結(jié)合數(shù)值模擬方法，分析注漿效果，通過對(duì)利萬高速齊岳山隧道注漿加固工程的涌水量監(jiān)測(cè)和圍巖變形監(jiān)測(cè)，驗(yàn)證模擬試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，證明了水泥基-玻璃纖維漿液實(shí)際應(yīng)用的可行性，為類似工程提供借鑒。

2 水泥基-玻璃纖維漿液作用機(jī)理

2.1 調(diào)節(jié)裂隙發(fā)展機(jī)理分析

從玻璃纖維改善水泥自身裂縫方面分析。單純的水泥漿液是一種非均質(zhì)的多相復(fù)合材料，在漿液凝固后，由于收縮、泌水等原因，水泥內(nèi)部存在孔隙和微裂紋，主要分布在水泥基體內(nèi)。由于動(dòng)水荷載或者圍巖壓力的作用，水泥內(nèi)部的微裂紋會(huì)不斷地延伸、擴(kuò)展，并成為地下水運(yùn)營(yíng)的新通道，最終形成更大的裂隙[12]。

斷裂力學(xué)認(rèn)為水泥破壞和裂隙產(chǎn)生主要有以下3種形式[13]，如圖1。

圖1 水泥裂縫應(yīng)力產(chǎn)生形式Fig.1 Generation modes of cement fracture stress

以注漿工程中水泥漿液形成的帷幕墻體為例，由于水泥圍巖壓力對(duì)頂部所承受的拉應(yīng)力超過了水泥的極限拉應(yīng)力，因此在與圍巖頂部的受力接觸位置的水泥墻體屬于Ⅰ型水泥裂縫；而水泥墻體在受到水壓沖擊容易發(fā)生剪切破壞，受力情況屬于Ⅱ型裂縫；另外一種就是同時(shí)受到拉應(yīng)力和剪應(yīng)力的破壞作用，也可以看作是Ⅰ型裂縫和Ⅱ型裂縫的一種復(fù)合裂縫。

當(dāng)水泥受到Ⅰ型和Ⅱ型裂縫的復(fù)合作用時(shí)，裂縫尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子K為

K=KI-iKII=

(1)

其中：

(2)

(3)

式中：K為無玻璃纖維裂縫尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子；σ為裂縫承受應(yīng)力；α為應(yīng)力與裂縫方向角度。

依據(jù)玻璃纖維間距理論，水泥裂縫遇到玻璃纖維時(shí)，裂縫無法通過玻璃纖維，只能改變裂縫的方向，這樣減緩了裂縫尖端的應(yīng)力集中情況。玻璃纖維的存在使裂縫產(chǎn)生的應(yīng)力發(fā)展得到減緩，并使尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子減弱[14]。具體表達(dá)式如下：

K′=K-Kf。

(4)

式中：K′表示含有玻璃纖維尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子；Kf表示玻璃纖維引起的應(yīng)力強(qiáng)度因子減小的部分。

2.2 水泥基-玻璃纖維漿液對(duì)圍巖參數(shù)影響

2.2.1 對(duì)彈性模量的影響

注漿加固的本質(zhì)就是將漿液和圍巖形成一個(gè)整體。對(duì)傳統(tǒng)水泥漿液摻加玻璃纖維之后，水泥固結(jié)體中的微裂隙得到有效控制，整體強(qiáng)度提升，水泥基-玻璃纖維漿液填充在圍巖裂隙中，凝固之后形成類似人體骨骼網(wǎng)絡(luò)的支撐體。此外，漿液擴(kuò)散過程中，玻璃纖維作為連接漿液和圍巖的橋梁，加大了漿液對(duì)破裂面的膠結(jié)強(qiáng)度，另外漿液可以提高破裂面的粗糙面的摩擦力，并增加破裂面之間的咬合力，以此提高巖體強(qiáng)度，并能夠起到協(xié)調(diào)變形，使巖體的軸向變形和側(cè)向變形更加趨于協(xié)調(diào)，達(dá)到穩(wěn)定的結(jié)果。

李術(shù)才等[9]曾對(duì)注漿前后的巖體做了試驗(yàn)分析，得到不同巖質(zhì)在進(jìn)行注漿加固以后，其彈性模量大部分能提高到40%以上，最大能提高到注漿前的222%，極大提高了圍巖穩(wěn)定性。

2.2.2 對(duì)黏聚力和內(nèi)摩擦角的影響

黏聚力和內(nèi)摩擦角是反映圍巖抗剪強(qiáng)度的主要指標(biāo)。對(duì)于水泥漿液是否摻加骨料，其影響機(jī)理存在較大差異。注漿之后的裂隙面成為圍巖破壞的薄弱點(diǎn)，當(dāng)剪切面處混凝土顆?？朔Ш狭Χa(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)時(shí)混凝土出現(xiàn)破壞。摻加玻璃纖維之后，水泥與玻璃纖維形成聚能團(tuán)，且聚能團(tuán)之間的排列更為密集，內(nèi)摩擦角由此增大。此外，裂隙面或者節(jié)理面受到灌漿作用被擠壓而發(fā)生閉合，整體上提高了裂隙之間的連接性，提高了巖體之間的抗剪強(qiáng)度。

對(duì)于巖體在注入水泥基-玻璃纖維漿液后黏聚力和內(nèi)摩擦角的變化情況，前蘇聯(lián)學(xué)者M(jìn).卡姆別霍爾和別廖耶夫?qū)ψ{后巖體的黏聚力和內(nèi)摩擦角進(jìn)行試驗(yàn)分析，結(jié)果顯示，注漿后的巖體結(jié)構(gòu)黏聚力增加了40%～70%，平均增加了50%以上[15]。而巖體在注入常規(guī)漿液后黏聚力和摩擦角提高20%～30%，從力學(xué)性質(zhì)改善的角度分析，使用水泥基-玻璃纖維漿液對(duì)于改善施工條件具有一定作用。

3 水泥基-玻璃纖維漿液注漿加固模擬分析

3.1 模型建立

采用FLAC3D數(shù)值分析軟件對(duì)軟弱圍巖段注漿前后的應(yīng)力和應(yīng)變進(jìn)行模擬分析；圍巖結(jié)構(gòu)采用摩爾-庫倫屈服準(zhǔn)則。注漿材料的水灰比為1∶1，Cem-FIL60型玻璃纖維的摻入量為0.5%。最終完成對(duì)注漿加固對(duì)巖溶軟弱圍巖的加固穩(wěn)定性分析，其模型如圖2所示。

圖2 隧道注漿數(shù)值模型Fig.2 Numerical model of tunnel grouting

3.2 圍巖參數(shù)

本次數(shù)值模型的初始應(yīng)力場(chǎng)參考自重應(yīng)力場(chǎng)來考慮，在模型的外側(cè)限制了其水平位移。

隧道開挖后，分別對(duì)拱頂、兩幫和拱底進(jìn)行注漿形成注漿圈，并建立模型，根據(jù)不同注漿圈的厚度分析圍巖應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)的影響。具體的工況如表1所示，模擬計(jì)算參數(shù)如表2所示。

表1 隧道模型圍巖注漿加固圈厚度Table 1 Thickness of grouting reinforcement ring in tunnel modeling

表2 不同材料的物理力學(xué)參數(shù)Table 2 Physical and mechanical parameters of different materials

圖3 開挖注漿后豎向位移云圖Fig.3 Vertical displacements after excavation grouting

3.3 數(shù)值模擬效果分析

根據(jù)建立的數(shù)學(xué)模型，通過對(duì)比分析隧道初襯后注漿前后的效果，得到注漿圈為0，3，5，7 m情況下圍巖襯砌的豎向位移、水平位移云圖見圖3和圖4。

圖4 開挖注漿后水平位移云圖Fig.4 Horizontal displacements after excavation grouting

分析圖3可知，工況1條件下，就是隧道開挖初襯后未支護(hù)情況下，豎向位移中拱頂最大下沉5.8 mm，拱底隆起6 mm；對(duì)隧道進(jìn)行注漿形成注漿圈后，分別在工況2、工況3和工況4情況下，豎向位移得到收斂，拱頂位置豎向位移分別下降到了4.4,4.1,4.0 mm，拱底隆起量下降到5.5,4.8,4.3 mm，位移得到減小。從圖4可以看出，未注漿的情況下，隧道水平位移為1.6 mm，主要位移分布在拱腳位置，隨著注漿后形成注漿圈的加固，水平位移開始減少，并逐漸趨于穩(wěn)定。

從以上模擬結(jié)果可知：對(duì)于突水災(zāi)害，注入水泥基-玻璃纖維漿液可以有效控制圍巖襯砌的豎向、水平位移，充分證明水泥基-玻璃纖維漿液在突水災(zāi)害治理中的可行性。

4 工程應(yīng)用

4.1 工程概況

齊岳山隧道是利萬高速公路的控制性工程，主要以灰?guī)r發(fā)育為主，中間夾帶有頁巖發(fā)育，都是極為破碎的巖體；并且隧道通過區(qū)域發(fā)育有斷層，巖溶極其發(fā)育，開挖揭露處發(fā)現(xiàn)有嚴(yán)重的巖溶水涌出現(xiàn)象。另外隧址背斜處的裂隙較為發(fā)育，層理發(fā)育，ZK19+245—ZK19+285，ZK20+236—ZK20+276處為斷層破碎帶，富含水，圍巖較為破碎，開挖過程中出現(xiàn)小巖塊的陀螺，并局部涌水現(xiàn)象；YK19+340—YK19+920，ZK19+332—ZK19+911處存在穩(wěn)定突水情況，全部隧道共有1 854 m的涌水區(qū)域。

圖5 注漿施工工藝Fig.5 Grouting construction techniques

4.2 注漿施工工藝流程

控制注漿堵水加固工

藝按圖5所示步驟進(jìn)行：

(1)鉆孔。鉆孔設(shè)備采用潛孔鉆，采用Φ73 mm鉆桿，Φ90 mm沖擊器和配套鉆頭；鉆孔時(shí)按照分配、分序進(jìn)行布置，采用關(guān)鍵孔優(yōu)化方法。

(2)膜袋注漿管安裝和孔口封堵。為了解決堵水封孔處密實(shí)性差的問題，設(shè)計(jì)了一種用于控制涌突水注漿中濾排水注漿膜袋封孔結(jié)構(gòu)裝置。

(3)新型漿液制備。注漿材料采用水泥基-玻璃纖維材料和外加劑共同組成的混合液。

(4)分段分序注漿加固。通過開發(fā)的濾排水注漿膜袋、新型漿液共同實(shí)現(xiàn)分段、分序注漿。

4.3 注漿效果對(duì)比分析

4.3.1 圍巖變形監(jiān)測(cè)和對(duì)比分析

齊岳山隧道位于ZK19+245—ZK19+285，ZK20+236—ZK20+276樁號(hào)附近。由于隧道處存在破碎帶，且灰?guī)r發(fā)育，采用注漿技術(shù)進(jìn)行加固，對(duì)該地段圍巖注漿加固過程進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)，并分析變形原因和注漿效果。其中，對(duì)監(jiān)測(cè)斷面ZK20+245、ZK20+265斷面采用傳統(tǒng)水泥漿液進(jìn)行注漿，ZK20+255、ZK20+275斷面采用水泥基-玻璃纖維漿液進(jìn)行注漿。監(jiān)測(cè)布設(shè)按照每10 m進(jìn)行均勻布設(shè)，監(jiān)測(cè)頻率為2次/d。對(duì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到數(shù)據(jù)如圖6。

圖6 變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)Fig.6 Monitored data of deformation

通過分析以上圍巖變形量數(shù)據(jù)可以得到：

(1)破碎帶注漿過程中，注漿壓力是圍巖發(fā)生變形的主要因素，注漿壓力過大，圍巖變形變大。傳統(tǒng)水泥漿液注漿后圍巖累計(jì)變形最大達(dá)24.3 mm，采用水泥基-玻璃纖維漿液注漿后圍巖累計(jì)變形最大達(dá)8.2 mm，摻加玻璃纖維之后的漿液對(duì)圍巖變形控制效果更好。

(2)注漿結(jié)束后，圍巖變形量開始減小，原因是注漿材料發(fā)生凝結(jié)，固化后的注漿材料真正發(fā)揮作用，圍巖變形小于注漿加固之前，充分證明了注漿加固作用開始凸顯，但通過數(shù)據(jù)分析知，水泥基-玻璃纖維漿液加固效果更為顯著。

(3)在注漿材料進(jìn)入破碎巖體的過程中，注漿材料使圍巖發(fā)生擴(kuò)張，漿液在裂隙和破碎帶地區(qū)經(jīng)歷著非常復(fù)雜的塑性變形和紊流運(yùn)動(dòng)。漿液到注漿區(qū)域以后，開始發(fā)生塑性變形，由于受到不均勻圍巖壓力的影響，造成漿體發(fā)生變形，同時(shí)漿體的體積也會(huì)發(fā)生變化，漿液內(nèi)的玻璃纖維減緩了水泥裂縫尖端的應(yīng)力集中，阻礙了水泥裂縫的發(fā)育，加強(qiáng)了固結(jié)體的整體性，使得圍巖整體強(qiáng)度增強(qiáng)，控制圍巖變形效果更為突出。

(4)整體來看，無論是否摻加玻璃纖維，注漿后，破碎地帶的圍巖變形量均有較大幅度的降低，但摻加玻璃纖維的漿液控制圍巖變形效果更為顯著，基本達(dá)到了和未破碎圍巖的變形指數(shù)。

4.3.2 涌水治理效果分析

水量檢測(cè)是通過對(duì)ZK19+800—ZK19+910段隧洞里兩側(cè)排水溝的排水量和總的排水量來觀測(cè)裂隙注漿效果，如圖7所示。

圖7 排水量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)Fig.7 Monitored data of drainage

由以上水量檢測(cè)數(shù)據(jù)可得：

(1)突水量隨著注漿治理開始逐漸變小，在開始時(shí)候的水量上升是由于開挖鉆孔引起的水量增大。

(2)水量變化在0～5次，變化不是很大，在5～10次時(shí)間段內(nèi)變化較大，總的排水量由96 m3/h減小到13 m3/h，堵水情況得到改善。

(3)注漿治理后，排水量減小到1.5 m3/h，注漿效果明顯，裂隙突水情況得到解決。

通過工程實(shí)際應(yīng)用可知，水泥基-玻璃纖維材料的運(yùn)用有效治理了突水災(zāi)害，與模擬試驗(yàn)結(jié)果吻合，驗(yàn)證了模擬試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，證明了水泥基-玻璃纖維漿液實(shí)際應(yīng)用的可行性。

5 結(jié) 論

針對(duì)水泥基-玻璃纖維漿液注漿堵水可行性問題，研究了該漿液對(duì)調(diào)節(jié)裂隙發(fā)展的機(jī)理，從斷裂力學(xué)的角度研究了水泥破壞和裂隙產(chǎn)生的3種形式，分析了玻璃纖維對(duì)裂隙發(fā)展的影響，推導(dǎo)出裂縫尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子公式；分析了水泥基-玻璃纖維漿液對(duì)彈性模量、黏聚力和內(nèi)摩擦角的影響，為水泥基-玻璃纖維漿液在工程中的應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)。所得結(jié)論如下。

(1)通過建立數(shù)值模型，分析4種工況下的位移場(chǎng)分析，計(jì)算隧道注漿在形成加固圈為0，3，5，7 m的情況下的應(yīng)力場(chǎng)。結(jié)果顯示，豎向應(yīng)力、水平應(yīng)力和最大主應(yīng)力隨著注漿圈的增加而減小，豎向應(yīng)力由4.9 MPa下降到3.5 MPa；水平位移由2.8 mm下降到1.1 mm；在位移場(chǎng)方面，拱頂最大下沉量為5.8 mm，拱底隆起量為6 mm，注漿加固后，拱頂最大下沉量下降到4.0 mm，拱底隆起量下降到4.3 mm；隧道水平位移為1.6 mm，主要位移分布在拱腳位置，隨著注漿后形成注漿圈的加固，水平位移開始減少，并注漿趨于穩(wěn)定。

(2)針對(duì)利萬高速齊岳山隧道注漿加固工程，設(shè)計(jì)了一種新型漿液制備系統(tǒng)，結(jié)果表明該系統(tǒng)可以滿足玻璃纖維-水泥基漿液的可注性；通過涌水量監(jiān)測(cè)和圍巖變形監(jiān)測(cè)，對(duì)注漿效果進(jìn)行了檢驗(yàn)分析，得出注漿加固措施起到了顯著的治理效果，驗(yàn)證了模擬試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，證明了水泥基-玻璃纖維漿液實(shí)際應(yīng)用的可行性，為類似工程提供借鑒。