隧道富水破碎圍巖水泥-水玻璃注漿參數(shù)研究

樓重華

(福建省交通建設質(zhì)量安全監(jiān)督局 福建福州 350001)

0 引言

隧道工程經(jīng)常會遇到斷層、軟弱圍巖、巖溶等不良地質(zhì)環(huán)境，圍巖多呈破碎飽水狀態(tài)，具有強度低、易破壞等特點[1]。圍巖自穩(wěn)性差，并極易產(chǎn)生突水突泥、坍塌等重大工程地質(zhì)災害。對此，國內(nèi)外多采用注漿加固技術進行防治。注漿加固技術具有堵水防滲和加固兩種作用，能有效提高圍巖各項力學性質(zhì)[2]。

注漿活動開始于1802年的法國?？傮w來說，在20世紀40年代之前，水泥和水玻璃注漿為主要的注漿材料。20世紀40年代之后，新的化學漿材和改性水泥材料得到了廣泛的應用。

而在國內(nèi)，注漿技術的發(fā)展相對較晚，自1953年在黑龍江工程上進行了水玻璃注漿堵水的應用。隨后幾十年，國內(nèi)逐步研制出符合自身工程特點的各種化學漿材。2007年，廈門翔安海底隧洞通過注漿技術對風化槽進行堵水處理[3]。2011年青島膠州灣海底隧道采用超前帷幕注漿技術對含水斷層進行治理。

本研究項目以福建省某海底隧道工程為案例，對隧道富水破碎圍巖水泥-水玻璃注漿參數(shù)開展研究。

1 工程概況

福建省某海底隧道A1標段左右洞全長約5.7km，其中海域段長約3.5km， V級圍巖占總長的14%，Ⅳ級圍巖則占總長12%。隧道共穿越風化槽2處，淺埋、小徑距、軟弱圍巖富水段1處，工法變換頻繁，裂隙水、上層滯留水、孔隙水較發(fā)育，對注漿要求高，施工難度大。

隧道主洞凈空高為12.75m，寬為17.1m。在IV級圍巖段和V級圍巖的石質(zhì)段，采用臺階法進行開挖；在V級圍巖的土質(zhì)段(風化槽段)，則采用雙CRD或CD法開挖。

風化槽段基巖受構造和風化影響，全～強風化層發(fā)育，以全～強風化變粒巖為主，變粒巖發(fā)育，多呈碎裂結構，節(jié)理裂隙極發(fā)育，部分段可能夾泥質(zhì)軟弱夾層，圍巖自穩(wěn)能力普遍較差；此段圍巖拱頂覆蓋層37.12m～39.06m，拱頂全～強風化變粒巖厚度25m～28.5m，粉質(zhì)粘土厚度4m～7.5m，淤泥層厚度2.5m～6m，設計最大涌水量約241m3/d。

在本研究之前，現(xiàn)場曾使用水泥漿注漿技術，以期對不良地質(zhì)段產(chǎn)生堵水加固作用，但在施工時出現(xiàn)了跑漿、無法灌注等延誤注漿進度甚至無效現(xiàn)象。

在高水壓、水流量大以及存在較大巖溶裂隙的地質(zhì)條件下，工程上常采用水泥-水玻璃雙液漿對圍巖進行堵水加固措施[4]。因此，本項目選取普通水泥-水玻璃作為注漿材料，對凝膠時間影響因素進行室內(nèi)試驗研究，并在隧道內(nèi)選取圍巖穩(wěn)定性較差的K145+348段進行現(xiàn)場注漿加固試驗，驗證實際注漿效果。

2 漿液凝膠時間室內(nèi)研究

在注漿現(xiàn)場施工過程，漿液的凝膠時間顯得尤為重要，如果凝膠時間過長將會大大增加地下水的稀釋作用，同時降低注漿結石體的強度[5]。對水泥-水玻璃漿液的凝膠時間具有影響作用的參數(shù)，主要包括水灰比(W∶C)、水泥漿與水玻璃之比(C∶S)和水玻璃濃度。因此，本次室內(nèi)試驗對不同W∶C、C∶S和不同波美度條件下的雙液漿進行多組交叉試驗，以期找出W∶C、C∶S以及水玻璃濃度對液凝膠時間的影響規(guī)律，并據(jù)此找到用于現(xiàn)場注漿施工最適合的配比參數(shù)。

2.1 試驗原料

試驗原料選用425#普通硅酸鹽水泥，波美度為 36°Be′，模數(shù)3.4的水玻璃。

2.2 試驗步驟

(1)普通水泥漿的配制

計算好試驗配置水泥漿所需要的水泥和水的用量，在攪拌機中先后加入并強力攪拌均勻。W∶C的比例分別為0.7∶1、0.8∶1、0.9∶1和1∶1。

(2)水玻璃的配制

根據(jù)試驗需求，對高濃度水玻璃進行稀釋制配出 36°Be′、32°Be′、28°Be′以及 24°Be′等4種不同濃度以供使用。

(3)水泥-水玻璃漿液的凝膠時間的測定

本次室內(nèi)試驗根據(jù)國家標準 GB1346-2001，采用維卡儀法對漿液的凝膠時間進行測定。

2.3 試驗結果與分析

在C∶S一定的情況下，通過改變W∶C以及水玻璃濃度，來獲取相應的凝膠時間，得到其中的影響規(guī)律[6]。共對C∶S分別為1∶0.6，1∶0.8，1∶1和1∶1.2四種比例進行測試。圖1所示為試驗中在不同C∶S比例下改變W∶C和水玻璃濃度，得到的水泥-水玻璃漿液的凝膠時間。

圖1 不同C∶S下水灰比和水玻璃濃度對水泥-水玻璃漿液的凝膠時間

由圖1可以看出：

(1)在不同的C∶S、W∶C和水玻璃濃度的條件下，水泥-水玻璃漿液的凝膠時間分布相差巨大，大致為40s～110s。

(2)整體上，在其他條件相同的情況下，雙液漿的凝膠時間與水灰比呈正相關關系，該關系在低水玻璃濃度(24Be’)時尤為明顯，水灰比為1∶1條件下的膠凝時間可以達到水灰比為0.7∶1的兩倍；同時，膠凝時間與C∶S呈負相關關系，該關系在低水灰比低水玻璃濃度下影響并不大，C∶S=1∶0.6和C∶S=1∶1.2只相差25%左右，但在高水灰比高水玻璃濃度下，膠凝時間在C∶S=1∶0.6和C∶S=1∶1.2可相差80%。

(3)水泥-水玻璃漿液的凝膠時間與水玻璃濃度呈負相關關系，但當C∶S與W∶C都處于較小的水平時，反而呈正相關關系。這是由于水玻璃濃度過高導致沒有足夠的水泥漿與之產(chǎn)生反應，導致膠凝時間變長。

2.4 試驗結論

根據(jù)試驗結果，若遇到突水、涌水等突發(fā)情況，需要漿液盡快達到凝固狀態(tài)，應選取W∶C較小，C∶S較大，水玻璃濃度較小的配比參數(shù)，此時水泥漿液較濃，水玻璃摻量較多。另外，根據(jù)劉鵬(2016)研究結果顯示，水泥中粉煤灰摻量不能太多，否則早期結石體強度降低會影響早期注漿效果。因此，本次現(xiàn)場注漿試驗選取W∶C=1.2∶1，C∶S=1∶0.6，水玻璃濃度為28°Be′的漿液參數(shù)。

3 軟弱圍巖現(xiàn)場注漿試驗

本次現(xiàn)場注漿工程選取A1標Ⅴ級圍巖(F1風化槽)左線BZK13+470～500段落，將Ф50、長度為5m、外露長度約1m的熱軋無縫鋼管，按梅花形布設，鉆孔間距1.2m～1.5m，注漿機選取 ZKSY90-125雙系統(tǒng)設備，選擇全孔一次性的方式進行注漿作業(yè)。根據(jù)凝膠時間室內(nèi)研究結果，選取的漿液配比為W∶C=1.2∶1，C∶S=1∶0.6，水玻璃濃度為28°Be′，注漿壓力取為1.0MPa。現(xiàn)場探測斷面的注漿孔分布情況具體如圖2所示。

圖2 BZK13+470注漿孔分布情況

現(xiàn)場注漿過程進行順利，未發(fā)生不良注漿現(xiàn)象。檢測結果顯示：該配比下水泥漿液可以有效地控制水泥的擴散半徑，并且該濃度可以保證漿液在到達圍巖前不會堵管，現(xiàn)場施工效果理想。

4 結論

(1)水泥-水玻璃作為圍巖加固注漿材料，具有漿液凝膠時間短、結石加固體強度高和整體堵水防滲效果好的優(yōu)點?？傮w上，凝膠時間隨W∶C的增大而增加，隨C∶S增大而減少，隨水玻璃濃度的增大而減少。為達到減少凝膠時間，保證注漿強度的目的，本次現(xiàn)場注漿試驗選取配比為W∶C=1.2∶1，C∶S=1∶0.6，水玻璃濃度為28°Be′的漿液參數(shù)。

(2)對圍巖穩(wěn)定性較差的K145+348段進行現(xiàn)場注漿加固堵水，檢測評價結果顯示，該配比下的水泥-水玻璃漿液具有良好的堵水加固效果。

綜上此見，針對隧道施工過程中遇到的富水破碎帶注漿問題展開研究，研究內(nèi)容包括室內(nèi)漿液凝膠時間試驗和隧道現(xiàn)場注漿試驗。研究結果對解決富水破碎帶等復雜地質(zhì)條件下隧道的施工，具有重要的指導意義。