鐘棟材

(中鐵二十四局集團(tuán)新余工程有限公司 江西新余 338025)

1 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)蓬勃發(fā)展，隧道修建數(shù)量不斷增加，不同地質(zhì)條件給隧道施工帶來挑戰(zhàn)。全強(qiáng)風(fēng)化花崗巖是隧道施工中常見的地層，由于其工程性質(zhì)的多變性、較低強(qiáng)度及穩(wěn)定性和工程地質(zhì)因素的區(qū)域性而受到極大關(guān)注[1－3]。

全強(qiáng)風(fēng)化花崗巖圍巖隧道施工困難主要有:(1)圍巖顆粒小以砂土層為主，力學(xué)性能與穩(wěn)定性受含水量影響較大，易產(chǎn)生難以控制的較大變形，隧道施工風(fēng)險(xiǎn)大；(2)顆粒分布緊密，滲透系數(shù)低，注漿漿液難以有效擴(kuò)散滲透，注漿加固范圍與效果難以控制。目前注漿工程的主要理論、材料研究、施工工藝及設(shè)備等仍不完善且效果控制一定程度上依賴經(jīng)驗(yàn)[4－6]。袁敬強(qiáng)[7]進(jìn)行的注漿室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果及翔安海底隧道注漿經(jīng)驗(yàn)表明，在全強(qiáng)風(fēng)化花崗巖地層中注漿時(shí)漿液擴(kuò)散形態(tài)以劈裂、滲透與擠出壓密型為主，但漿液結(jié)石體形狀不穩(wěn)定且粘結(jié)融合不充分[8－11]。

本文以云南大臨鐵路勐麻隧道為依托，針對(duì)其注漿加固效果不理想的問題，制作了室內(nèi)注漿模擬系統(tǒng)并通過改進(jìn)注漿漿液性能、調(diào)整注漿壓力及注漿量3個(gè)注漿影響因素，結(jié)合地勘報(bào)告、巖樣篩分及滲透系數(shù)測(cè)定試驗(yàn)結(jié)果，配置出全強(qiáng)風(fēng)化花崗巖模擬巖樣并進(jìn)行室內(nèi)靜壓注漿試驗(yàn)，通過各試驗(yàn)組注漿半徑及漿液分布情況確定最優(yōu)注漿參數(shù)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)注漿施工提供合理建議。

2 工程概況

勐麻1號(hào)隧道位于云貴高原西部臨滄地區(qū)，隧道進(jìn)口里程DK201＋732，出口里程DK204＋060，全長(zhǎng)2 328 m，最大埋深174 m，最小埋深6 m，全強(qiáng)風(fēng)化花崗巖地層段占隧道總長(zhǎng)的89%。隧址區(qū)屬中山構(gòu)造剝蝕侵蝕地貌，河流下切強(qiáng)烈，沖溝發(fā)育。勐麻2號(hào)隧道位于臨滄地區(qū)北側(cè)內(nèi)邦村附近，隧道進(jìn)口里程DK204＋282，出口里程DK204＋535，全長(zhǎng)253 m，全段均為全強(qiáng)風(fēng)化花崗巖地層，最大埋深46 m，為淺埋短隧道。

兩隧址區(qū)所穿越全強(qiáng)風(fēng)化地層段占比大，且?guī)r層風(fēng)化程度高，節(jié)理裂隙較發(fā)育，圍巖構(gòu)造破碎，整體性較弱，承載能力及穩(wěn)定性嚴(yán)重不足，隧道開挖及支護(hù)施工極具難度。

3 注漿參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)

3.1 水泥漿液性能優(yōu)化試驗(yàn)

為更貼近施工實(shí)際，得出最適合于注漿施工所需漿液主要參數(shù)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)注漿中水泥漿液易沉降穩(wěn)定性較差、結(jié)石體易收縮的問題，此次試驗(yàn)選取水灰比1∶1、水玻璃含量為水泥質(zhì)量3%的42.5R普通硅酸鹽水泥漿為試驗(yàn)用漿。

3.1.1 凝結(jié)時(shí)間試驗(yàn)

(1)試驗(yàn)方案

為縮短漿液初凝與終凝耗時(shí)，使?jié){液及時(shí)具備一定強(qiáng)度以加固圍巖，本次試驗(yàn)采用水玻璃(波美度38)作為速凝劑。按是否添加速凝劑設(shè)置兩試驗(yàn)組，根據(jù)《水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時(shí)間、安定性檢驗(yàn)方法》要求測(cè)定凝結(jié)時(shí)間。參數(shù)見表1。

表1 水泥漿試驗(yàn)基本參數(shù)

(2)試驗(yàn)結(jié)果

采用《水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時(shí)間、安定性檢驗(yàn)方法》推薦方法選用維卡儀測(cè)試凝結(jié)時(shí)間。兩組試驗(yàn)初凝、終凝時(shí)間見表2。

表2 漿液凝結(jié)時(shí)間 min

由表2知，添加波美度38、3%水泥質(zhì)量的水玻璃后，漿液初凝時(shí)間由896 min縮至453 min，終凝時(shí)間由1 521 min縮至850 min，凝結(jié)時(shí)間明顯縮短，更利于注漿施工。

3.1.2 懸浮劑試驗(yàn)

(1)試驗(yàn)方案

為提高漿液穩(wěn)定性，研發(fā)出一種共聚物水泥懸浮劑，結(jié)合初終凝試驗(yàn)結(jié)果測(cè)試懸浮劑效果。在添加水玻璃的基礎(chǔ)上，用量筒取250 mL漿液，靜置2 h待漿體上部析出液體體積穩(wěn)定后，對(duì)比各量筒析出液體體積，體積越小則穩(wěn)定性越好。

按照是否添加懸浮劑及懸浮劑含量設(shè)置7個(gè)試驗(yàn)組并設(shè)置1個(gè)無外加劑組，共8個(gè)試驗(yàn)組。漿液配置完成靜置2 h。漿液參數(shù)見表3。

表3 水泥漿液參數(shù)

(2)試驗(yàn)結(jié)果

懸浮劑試驗(yàn)見圖1。

圖1 懸浮劑試驗(yàn)

觀察各組漿液，試驗(yàn)組5量筒內(nèi)析出體積最小，即此配比下懸浮劑效果最佳，漿液穩(wěn)定性最佳。

3.1.3 漿液試驗(yàn)結(jié)果

由以上兩組試驗(yàn)可知，水灰比為1∶1的42.5R普通硅酸鹽水泥中加入3%水玻璃(波美度38)并添加水泥質(zhì)量1.4%的漿液懸浮劑后，可將初凝時(shí)間由896 min縮短至453 min，終凝時(shí)間由1 521 min縮短至850 min，且使?jié){液在及時(shí)形成強(qiáng)度的同時(shí)增加穩(wěn)定性，減少作業(yè)時(shí)顆粒堵管現(xiàn)象。

3.2 室內(nèi)注漿模擬試驗(yàn)

3.2.1 注漿模型試驗(yàn)裝置

為得到最佳注漿參數(shù)，研制了室內(nèi)注漿模型試驗(yàn)?zāi)M系統(tǒng)。該系統(tǒng)由圍巖試樣模擬箱、吸氣式壓縮泵、漿液貯存艙、注漿噴頭等部分組成，見圖2。

圖2 注漿模型試驗(yàn)?zāi)M系統(tǒng)

可在圍巖試樣模擬箱中根據(jù)目標(biāo)研究圍巖物理力學(xué)參數(shù)、巖性成分、含水量等關(guān)鍵參數(shù)來模擬圍巖，使系統(tǒng)可用于多種圍巖的注漿模擬；注漿管可組裝匹配實(shí)際作業(yè)中多種型號(hào)噴頭?？紤]到此次試驗(yàn)各試驗(yàn)組參數(shù)，模擬箱尺寸選擇(800×500×590)mm的PVC箱，箱體周圍設(shè)置箍筋防止注漿時(shí)箱體變形。

系統(tǒng)基本思路為:首先配置還原圍巖；再根據(jù)試驗(yàn)方案選擇調(diào)整注漿噴頭參數(shù)、注漿壓力與注漿量；最終借助壓縮泵還原注漿壓力，進(jìn)而得到各試驗(yàn)條件下的注漿效果。系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案見圖3。

圖3 注漿模擬裝置設(shè)計(jì)方案

3.2.2 模擬巖樣配置

本試驗(yàn)從控制砂層滲透系數(shù)、孔隙度和級(jí)配情況來還原全強(qiáng)風(fēng)化花崗巖圍巖的主要特征。

根據(jù)勐麻隧道地質(zhì)勘查報(bào)告，結(jié)合漿液試驗(yàn)結(jié)果，配置2個(gè)試驗(yàn)組。

組1:粗粒含量70%，滲透系數(shù)K＝0.461，顆粒級(jí)配見表4。

表4 組1粒徑分布

組2:粗粒含量50%，滲透系數(shù)K＝0.351，顆粒級(jí)配見表5。

表5 組2粒徑分布

3.2.3 模擬注漿試驗(yàn)方案

(1)試驗(yàn)材料

結(jié)合上述水泥漿液性能優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果，設(shè)置水泥漿液配置方案，見表6。

表6 模擬注漿漿液配置方案

(2)注漿參數(shù)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用靜壓滲透注漿方法。注漿前將注漿管預(yù)先埋入模擬巖樣后夯實(shí)、壓密。噴頭管為長(zhǎng)55 cm、內(nèi)徑2 cm的PPR管，在管道上下側(cè)各設(shè)置1個(gè)內(nèi)徑8 mm的圓孔，見圖4。

圖4 噴頭管設(shè)計(jì)(單位：mm)

各試驗(yàn)組注漿量及注漿壓力試驗(yàn)參數(shù)見表7。

表7 試驗(yàn)組參數(shù)設(shè)置

(3)試驗(yàn)步驟

配制試驗(yàn)漿液與模擬巖樣分別裝入漿液存儲(chǔ)艙與模擬箱中并對(duì)模擬巖樣夯實(shí)壓密，檢查系統(tǒng)中管路密封性及壓縮泵的連接情況；確認(rèn)管路連接順序無誤、密封性良好之后打開壓縮泵調(diào)試壓力大小，待壓力穩(wěn)定后打開噴頭開始注漿；注漿結(jié)束，待漿液強(qiáng)度形成拆除模擬箱，測(cè)量記錄膠結(jié)體尺寸特征、記錄并拍照。

(4)試驗(yàn)結(jié)果

注漿完成待漿液固結(jié)硬化后挖出的結(jié)石體形態(tài)見圖5。

圖5 注漿膠結(jié)體

拆除模型，測(cè)量試樣尺寸，計(jì)算漿液擴(kuò)散距離，結(jié)果見表8。

表8 注漿半徑試驗(yàn)結(jié)果

觀察漿液結(jié)石體形態(tài)，注漿后漿液以注漿管的出口為中心向周圍擴(kuò)散。由于漿液水灰比為1∶1、模擬巖樣粗粒含量為70%和50%，注漿后漿液的分布擴(kuò)散空間均較大，為滲透擴(kuò)散，漿液與巖樣結(jié)合效果較好，膠結(jié)體強(qiáng)度較高，但受限于模擬巖樣箱的尺寸，個(gè)別試驗(yàn)組中出現(xiàn)了漿液沿箱體內(nèi)壁擴(kuò)散流動(dòng)的現(xiàn)象。

3.2.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

由表8數(shù)據(jù)繪制出注漿壓力與漿液擴(kuò)散半徑關(guān)系曲線，見圖6。

圖6 注漿壓力與擴(kuò)散半徑關(guān)系曲線

由圖6及表8數(shù)據(jù)，注漿壓力與注漿量對(duì)注漿效果影響結(jié)論如下:

(1)擴(kuò)散半徑與注漿壓力近似呈線性關(guān)系，注漿壓力越大，漿液在全強(qiáng)風(fēng)化花崗巖中的擴(kuò)散半徑越大。

(2)與純水泥漿組對(duì)照可見，當(dāng)注漿壓力達(dá)0.15 MPa時(shí)，無外加劑組滲透半徑比其余組稍大。出現(xiàn)這種情況是因?yàn)闊o外加劑漿液黏度較小，漿液注入難度相對(duì)較小。

(3)粗粒含量為70%和50%的試驗(yàn)組試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，注漿壓力為0.2 MPa時(shí)的擴(kuò)散半徑均為400 mm，受制于巖樣模擬箱尺寸，實(shí)際真實(shí)滲透半徑應(yīng)大于400 mm。

(4)本次試驗(yàn)中2組全強(qiáng)風(fēng)化花崗巖的滲透系數(shù)較大，分別為K1＝0.461、K2＝0.351，漿液擴(kuò)散半徑也較大，僅調(diào)節(jié)注漿壓力難以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)注漿效果，無法得到最優(yōu)注漿參數(shù)。

(5)由注漿量為15 L試驗(yàn)組結(jié)果可知，加固巖體主要分布在模擬箱中下部與注漿管前端，表明注漿時(shí)漿液主要沿注漿噴頭管外壁流動(dòng)。

(6)由注漿量為20 L試驗(yàn)組結(jié)果可知，膠結(jié)體形狀特征明顯發(fā)生變化，主要集中在模擬箱中下部，同時(shí)更接近于橢球形。

(7)由注漿量為25 L試驗(yàn)組結(jié)果可知，注漿完成后，漿液幾乎充滿了整個(gè)箱體，膠結(jié)體形狀接近模擬箱，膠結(jié)效果較好并具有相當(dāng)強(qiáng)度，僅少量未膠結(jié)的全強(qiáng)風(fēng)化花崗巖掉落。

對(duì)比分析各組結(jié)果可知，漿液滲透擴(kuò)散體的大小及形狀特征受注漿量大小影響，隨著注漿量的提升，滲透擴(kuò)散體體積越大且形狀越規(guī)則。

4 注漿參數(shù)優(yōu)化建議

根據(jù)對(duì)注漿漿液性能改善試驗(yàn)及室內(nèi)注漿模擬試驗(yàn)結(jié)果分析，對(duì)注漿參數(shù)提出以下建議:

(1)注漿漿液

水泥:漿液采用普通硅酸鹽水泥配置的水泥漿，水泥類型為42.5R，水灰比1∶1。

外加劑:外加劑主要采用水玻璃和懸浮劑。水玻璃波美度為38，用量為水泥質(zhì)量的3%；懸浮劑為自行研制，用量為水泥質(zhì)量的1.4%。

(2)注漿壓力

根據(jù)圖6注漿壓力與漿液擴(kuò)散半徑關(guān)系曲線可知，隨著注漿壓力的提升，漿液滲透擴(kuò)散范圍越大，但為保持漿液的擴(kuò)散形式為滲透擴(kuò)散，需將注漿壓力水平進(jìn)行限制，不能過大，因而注漿壓力取0.20 MPa。

(3)小導(dǎo)管間距

由注漿模擬試驗(yàn)所得注漿壓力為0.2 MPa時(shí)，漿液擴(kuò)散半徑至少為40 cm，再結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)隧道開挖和注漿條件，基于安全考慮，選取注漿小導(dǎo)管間距為35 cm。

5 結(jié)論

在水灰比為1∶1的42.5R普通硅酸鹽水泥中添加水泥質(zhì)量的3%、波美度38的水玻璃可有效優(yōu)化漿液凝結(jié)時(shí)間；懸浮劑可提高漿液穩(wěn)定性且添加量為水泥質(zhì)量的1.4%時(shí)穩(wěn)定性最優(yōu)；擴(kuò)散半徑與注漿壓力近似呈線性關(guān)系，注漿壓力越大漿液擴(kuò)散半徑越大。