隧道砂卵石围岩超前小导管注浆参数优化研究

凌森林,田世雄,路军富,张 钊

(1.地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室(成都理工大学),成都 610059； 2.甘肃省交通规划勘察设计院股份有限公司,兰州 730030)

引言

在砂卵石地层隧道开挖过程中，掌子面易发生失稳，常会采用注浆加固技术来提高砂卵石地层的承载能力，同时达到防渗和超前支护的目的[1-4]。目前砂卵石层隧道开挖时多采用超前小导管注浆加固技术[5-9]，但是实际工程中常依靠经验或工程类比法来设计注浆参数[10-12]。在砂卵石层中采用超前小导管注浆加固时，合理地选择注浆参数是注浆加固成功与否的关键。纯水泥浆虽然经济实惠，便于施工，常用在砂卵石地层注浆加固中，但是水泥浆液存在易沉降，凝结时间长，结石体易收缩等缺点；注浆孔间距设计对于注浆效果至关重要，孔距过大或过小，均会影响注浆效果；注浆孔的间距又必须依浆液的扩散距离而定；浆液扩散距离又与注浆压力、浆液流动性及卵石土的渗透系数等因素有关，如不能很好地处理这些问题，将严重影响注浆加固效果。国内外学者[13-16]通过理论分析、试验及数值计算对注浆参数的选取及其作用效果进行了研究，并取得了一定的成果。针对白鹤桥隧道砂卵石层围岩结构松散，粗颗粒较多，透水性强的特点，通过室内浆液基本性能测试，改性单水泥浆性能，并对砂卵石层进行室内注浆加固模型试验。根据试验结果分析，得到最优的注浆参数，并提出了相应的注浆控制标准，以便指导工程实践。

1 注浆材料性能试验

1.1 试验材料及方法

1.1.1 试验材料

(1)水泥：P.O 42.5硅酸盐水泥。

(2)悬浮剂：自主研制的水泥浆悬浮剂A。

(3)速凝剂：水玻璃，波美度为38Be′。

1.1.2 试验方法

(1)使用维卡仪测试不同水灰比下水泥浆的初凝、终凝时间。

(2)流动度与可泵时间采用水泥净浆流动试模进行测定。

(3)用量程为250 mL的量筒取试样浆液250 mL，将量筒静置，待析出水体液面稳定后，计算浆液析水率。

(4)采用ZNN-D6型六速旋转黏度计，进行不同水灰比下水泥浆液黏度测试。

(5)将试样制成70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm标准水泥立方体试模，然后置于温度为20 ℃，相对湿度为90%以上的标准养护箱中养护。试验采用YAS-300型微机液压伺服压力试验机分别测定试块3，7，14，28 d养护龄期的结石体单轴抗压强度。

(6)用量程为250 mL的量筒取250 mL浆液，加入适量悬浮剂，静置2 h待浆液上部悬浮液稳定后，对比量筒内悬浮液体积，进而得出悬浮剂效果。

1.2 试验结果与分析

1.2.1 凝结时间试验

注浆材料的初、终凝时间决定了注浆材料的可操作性与可泵性，为了选取最优初、终凝时间，分别以水灰比为0.5，0.7，0.8和1.0的纯水泥浆进行试验，其试验结果如图1所示。

图1 初、终凝时间曲线

由图1可知，初凝时间与水灰比成线性递增关系；终凝时间分两个变化阶段，水灰比在0.5～0.8，终凝时间近似成线性递增关系，水灰比在0.8～1，终凝时间增长趋势有所减缓。为改善水泥净浆的初、终凝时间，可加入适量速凝剂(如水玻璃)，进而缩短初、终凝时间。

1.2.2 流动度与可泵时间试验

可泵时间的长短，对现场注浆作业影响重大，受现场施工条件的影响，可泵时间过短和过长，均不利于现场注浆作业的开展，所以选取合适的可泵时间与流动度具有十分重要的现实意义。

由图2和图3所示，浆液的可泵时间和初始流动度均随着水灰比的增大而增大。虽然水灰比越大，浆液的可泵时间和初始流动度越大。

图2 可泵时间曲线

图3 初始流动度曲线

1.2.3 析水率试验

研究表明，析水率越大，浆液稳定性越差。浆液的稳定性标准是2 h内的析水率不超过5%。如图4所示，水泥浆的析水率随水灰比增大而增大，析水率越大，注浆结石体体积收缩越大，对注浆效果影响越大。为改善浆液易发生水泥颗粒沉降和析水的现象，可在水泥净浆中加入适量悬浮剂。

图4 析水率曲线

1.2.4 浆液的黏度试验

通过水泥浆液的表观黏度随时间变化曲线可以表征水灰比对水泥浆液黏度时变性的影响，如图5所示，硅酸盐水泥浆液的表观黏度随时间的改变呈现指数函数形式，表现为表观黏度随时间的增大而增加，但是表观黏度的增大趋势在减小；而且可以看出硅酸盐水泥浆液凝结时间非常长。

图5 水灰比对水泥浆液黏度时变特性的影响

如图6所示，水泥浆液的黏度值随水灰比的增大而减小，表明水灰比越大，浆液流动性越好，当水灰比为1.0时，浆液流动性最好，也更加符合注浆浆液所需的性能。

图6 黏度值曲线

1.2.5 抗压强度试验

水灰比是影响水泥浆液抗压强度的关键因素。其他条件相同时，水泥浆水灰比越小，其抗压强度则越高。由图7可知，随着养护龄期的增大，抗压强度也不断增大，且水灰比越小，其抗压强度则越高。对注浆工程中，采用水灰比为1∶1的水泥浆，其抗压强度完全满足注浆工程的运用。

图7 不同龄期抗压强度曲线

1.3 浆液改性研究

根据上述浆液的基本性能测试结果，结合卵石土的基本物理特性，本次注浆模拟试验可选用水灰比为1∶1的水泥浆进行，其基本性能见表1。

表1 水灰比为1∶1的水泥浆基本性能

为改善普通硅酸盐水泥净浆性能，可选用如下外加剂进行改性试验。

(1)速凝剂

为缩短水泥净浆初终凝时间，让注浆后的胶结体在短期内达到一定的强度值，同时缩短工期，可在水泥净浆中加入适量的速凝剂，本试验添加3%的水玻璃作为速凝剂，加入速凝剂后水泥性能如表2所示。

表2 加入速凝剂后水泥浆基本性能

(2)悬浮剂

为提高水泥浆的稳定性，减少浆液中水泥颗粒沉降，避免发生注浆堵管问题，自主研制了一种共聚物水泥悬浮剂A，以提高水泥浆的稳定性，使颗粒不易沉降。共进行了8组悬浮剂测试试验，并且以水泥净浆和加入3%的水玻璃作为对照组进行试验，检验悬浮剂效果。见表3和图8。

继电保护通道故障的科学定位有着非常重要的意义。技术与方法的正确、合理，可减少误判，提高故障定位的准确性及有效性，提高故障处理效率，避免造成事故扩大而影响电力的安全生产。

表3 悬浮剂试验方案

注：水玻璃和悬浮剂用量均是指占水泥质量的百分数。

图8 悬浮剂试验

对比各组试验结果，发现试验组5的浆液悬浮效果最佳。即注浆材料选用水灰比为1∶1的水泥浆，外加剂选用3%的水玻璃及1.4%的悬浮剂，其综合性能良好，适用于卵石土注浆模型试验中使用。

2 注浆模拟试验研究

2.1 试验装置

由于现场注浆试验不易开展，国内许多学者开展了室内注浆模拟试验[17-21]。为了确定白鹤桥隧道现场注浆作业的最优注浆参数，以便更好的开展现场注浆工作，本文提出室内注浆模拟试验的方法，并根据现有的砂卵石土注浆模拟装置存在的问题，优化、改进了注浆装置。该模型装置主要由空气压缩机、土体模拟试验箱、浆液存储装置等部分组成。

(1)土体模拟试验箱：主要应用于模拟砂卵石层，考虑试验中浆液的扩散距离和边界效应，土体模拟试验箱采用PP塑料箱，其尺寸为 800 mm(长)×590 mm(宽)×500 mm(高)。

(2)动力装置：采用空气压缩机作为动力装置，型号：OTS-550；公称容积流量：40 L/min；额定压力：0.7 MPa；转速：1 380 r/min。

(3)注浆管：采用PPR管制成，总长度为55 cm，注浆管直径为20 mm，管道上下各开1个孔，开孔位置处于管道中间部位，两孔间距为 50 mm，开孔直径为8 mm，该注浆管结构如图9所示。

图9 注浆管结构(单位：mm)

本注浆加固装置的研发主要针对砂卵石土注浆加固的模拟，该注浆模型试验装置如图10所示。

图10 注浆模型试验装置

2.2 试验材料及方案设计

试验所用砂卵石土均根据甘肃省陇南市渭武高速公路白鹤桥隧道现场筛分试验测定的卵石土颗粒级配进行配制，试验主要从控制砂层渗透系数，孔隙度和级配情况来模拟以下两种不同的砂卵石层，见表4。

表4 试验用卵石土的颗粒含量

注浆材料为普通硅酸盐水泥及外加剂，见表5。

表5 注浆材料的选用

试验共分8组进行，由于影响注浆加固效果的因素很多，为此本次试验将注浆压力和注浆量作为主要研究对象，探究不同注浆参数下浆液在同一地层模型下的扩散特征和加固效果，具体试验方案如表6所示。

表6 注浆试验方案

2.3 注浆试验结果分析

2.3.1 试验观察分析

注浆完成后，待浆液固结硬化，拆除模型，并清除未胶结的土体，挖出结石体，观察结石体形态并计算浆液扩散半径，注浆前后结石体形态如图11和图12所示。

图11 注浆前结石体形态

图12 注浆后结石体形态

在注浆试验过程中，常常出现出浆不稳定的情况，一方面是因为水泥浆易发生水泥颗粒沉降，导致堵塞出浆口及出浆管道；另一方面是因为浆液是以渗透注浆的形式在砂卵石层中扩散，有时在细颗粒中扩散，有时在粗颗粒中扩散，这样交替出现，导致出浆量及出浆速度不稳定。

由于注浆模型试验存在一定的边壁效应，所以存在部分浆液通过沿模型箱边壁及注浆小导管外壁的注浆。在拆除模型箱，观察注浆效果及结石体形态时发现：浆液以注浆管的出口为中心向周围扩散，由于砂卵石土渗透系数较大，所以浆液扩散范围均较大，且浆液充填密实、浆液与卵石土胶结良好，结石体强度较大；在注浆量为15 L时，整个模型箱的结石体主要存在于中下部位置，土体上部浆液较少，且注浆管前端形成较大结石体，说明注浆过程中，浆液易沿着注浆管外壁流动；在注浆量为20 L时，土体中上部结石体较15 L时多，且近似成椭球形；在注浆量为25 L时，几乎整个模型箱内土体充满浆液，注浆加固体形态规则，维持了整个模型初始形状，整个卵石土体稳定，仅有少量未胶结的卵石土掉落。所以浆液的注入量对固结体的形态存在影响，即注浆量越大加固体形态越规则，体积越大。

2.3.2 试验数据分析

试验得到的浆液扩散半径如表7所示。

注浆压力与浆液扩散半径的关系如图13所示。

表7 注浆扩散半径的结果

图13 注浆压力与扩散半径关系

由图13可知：浆液的扩散半径随着注浆压力、渗透系数、注浆时间的增加而随之增大，且浆液扩散半径与注浆压力近似成线性递增关系；在注浆压力为0.15 MPa下，水泥净浆的扩散半径略大于改性后的浆液，这是因为添加了水玻璃和悬浮剂的水泥液的黏度较水泥净浆的黏度大，导致浆液注入介质会相对困难；虽然当注浆压力为0.2 MPa时，粗粒含量为70%和50%的卵石土中，所测注浆半径均为40 cm，但是由于模型箱尺寸限制，其真实扩散半径可能大于40 cm；综合考虑，当注浆压力为0.2 MPa时，浆液扩散半径较大，且注浆效果较好，注浆压力过大则易造成跑浆，导致浪费。

在上述8组注浆模型试验中，注浆扩散半径大于30 cm的为87.5%，所以在实际注浆过程中，为了能使注浆效果最佳，相邻超前小导管的间距宜设置为30 cm。

3 结论

(1)通过注浆浆液试验研究发现：注浆材料选用水灰比为1∶1的水泥浆，外加剂选用3%的水玻璃及1.4%的悬浮剂，其综合性能良好，适用于卵石土注浆模型试验中使用。

(2)浆液的扩散半径随着注浆压力、渗透系数、注浆时间的增加而随之增大，且浆液扩散半径与注浆压力近似成线性递增关系。

(3)在注浆模型试验中，所有浆液均已注入模型箱内的卵石土中，所以试图完全通过注浆压力来控制注浆工艺，不能很好地解决现场注浆作业中所遇到的问题，也不能得到真正的最优注浆参数。

(4)注浆压力越大，浆液扩散半径越大，但为了保证浆液为渗透注浆扩散形式，注浆压力也不可过大。因此取注浆压力为0.2 MPa；在上述8组注浆试验当中，浆液扩散半径大于30 cm的为87.5%，再结合现场隧道开挖和注浆条件，根据浆液的扩散半径并且基于安全考虑，选取注浆小导管间距为30 cm。