水泥基-玻璃纤维浆液在隧道注浆堵水工程中的应用

朱庆凯12

(1.山东科技大学 土木工程与建筑学院，山东 青岛 266590；2.山东科技大学 山东省土木工程防灾减灾重点实验室，山东 青岛 266590)

1 研究背景

在解决岩溶隧道突水事故问题时，注浆技术是最为有效的治理措施之一。而水泥基-玻璃纤维材料作为一种新的复合材料，由于其具有良好的力学性能，可以提高水泥基浆液的堵水能力，改善注浆围岩的力学参数。因此，极有必要对水泥基-玻璃纤维材料作为新型注浆材料应用到岩溶隧道注浆堵水工程中的可行性进行研究。

Yang等[1]通过动水条件下在水泥浆液加入碳纤维制成新的注浆材料的注浆试验，研究影响因素的拟合方程；Faramarzi等[2]分析了注浆过程中采用脲甲醛树脂作为添加剂对于浆液参数的改善；Weber等[3]分析了纤维增强水泥基材料的动力性能，研究了水泥基注浆材料在动态荷载下的使用寿命问题；Jo等[4]研究了添加聚合物纤维对水泥浆液水化性能和力学性能的影响；胡格格等[5-6]研究了注浆材料性能对注浆工程效果和顺利施工的影响；孙子正等[7-8]通过建立平板裂隙的注浆扩散模型，研究了静水条件和动水条件下的扩散规律；刘人太等[9]通过室内试验研究了新型注浆材料的物理特性和作为堵水材料的可行性；豆海军[10]研究了水泥基-水玻璃作为浆液材料在富水地层中堵水作用，对比分析了粉煤灰添加液和水玻璃添加液的胶凝特性；张欢[11]分析了外添加剂对水泥基浆液的流变性能，解决了浆液在突水过程中的流动性差、可注性降低的问题。

尽管近年来注浆材料试验及应用得到深入研究和发展，但当前采用的注浆材料在可注性、力学性能、环保和价格方面都存在着明显的问题，注浆材料对巷道涌水赋存条件以及突水特征的依赖性依然较高。在节理裂隙极为发育的破碎软岩巷道中，常用的注浆材料和围岩难以形成稳定、有效承载的结石体，不仅难以控制突水灾害的发生、发展，而且对于注浆工程的安全施工和顺利进行具有明显的限制作用，巷道大面积突水、淹井的事故屡有发生，因此亟需一种新型材料来改善注浆效果。水泥基复合材料不仅可以起到封堵突水裂隙，并且可以加固围岩，是良好的注浆材料的选择，因此开发一种水泥基无机复合材料显得更为重要。通过研究水泥基-玻璃纤维浆液对调节裂隙发展的机理，分析玻璃纤维对裂隙发展的影响，对弹性模量、黏聚力和内摩擦角的影响；结合数值模拟方法，分析注浆效果，通过对利万高速齐岳山隧道注浆加固工程的涌水量监测和围岩变形监测，验证模拟试验的准确性，证明了水泥基-玻璃纤维浆液实际应用的可行性，为类似工程提供借鉴。

2 水泥基-玻璃纤维浆液作用机理

2.1 调节裂隙发展机理分析

从玻璃纤维改善水泥自身裂缝方面分析。单纯的水泥浆液是一种非均质的多相复合材料，在浆液凝固后，由于收缩、泌水等原因，水泥内部存在孔隙和微裂纹，主要分布在水泥基体内。由于动水荷载或者围岩压力的作用，水泥内部的微裂纹会不断地延伸、扩展，并成为地下水运营的新通道，最终形成更大的裂隙[12]。

断裂力学认为水泥破坏和裂隙产生主要有以下3种形式[13]，如图1。

图1 水泥裂缝应力产生形式Fig.1 Generation modes of cement fracture stress

以注浆工程中水泥浆液形成的帷幕墙体为例，由于水泥围岩压力对顶部所承受的拉应力超过了水泥的极限拉应力，因此在与围岩顶部的受力接触位置的水泥墙体属于Ⅰ型水泥裂缝；而水泥墙体在受到水压冲击容易发生剪切破坏，受力情况属于Ⅱ型裂缝；另外一种就是同时受到拉应力和剪应力的破坏作用，也可以看作是Ⅰ型裂缝和Ⅱ型裂缝的一种复合裂缝。

当水泥受到Ⅰ型和Ⅱ型裂缝的复合作用时，裂缝尖端应力强度因子K为

K=KI-iKII=

(1)

其中：

(2)

(3)

式中：K为无玻璃纤维裂缝尖端应力强度因子；σ为裂缝承受应力；α为应力与裂缝方向角度。

依据玻璃纤维间距理论，水泥裂缝遇到玻璃纤维时，裂缝无法通过玻璃纤维，只能改变裂缝的方向，这样减缓了裂缝尖端的应力集中情况。玻璃纤维的存在使裂缝产生的应力发展得到减缓，并使尖端应力强度因子减弱[14]。具体表达式如下：

K′=K-Kf。

(4)

式中：K′表示含有玻璃纤维尖端应力强度因子；Kf表示玻璃纤维引起的应力强度因子减小的部分。

2.2 水泥基-玻璃纤维浆液对围岩参数影响

2.2.1 对弹性模量的影响

注浆加固的本质就是将浆液和围岩形成一个整体。对传统水泥浆液掺加玻璃纤维之后，水泥固结体中的微裂隙得到有效控制，整体强度提升，水泥基-玻璃纤维浆液填充在围岩裂隙中，凝固之后形成类似人体骨骼网络的支撑体。此外，浆液扩散过程中，玻璃纤维作为连接浆液和围岩的桥梁，加大了浆液对破裂面的胶结强度，另外浆液可以提高破裂面的粗糙面的摩擦力，并增加破裂面之间的咬合力，以此提高岩体强度，并能够起到协调变形，使岩体的轴向变形和侧向变形更加趋于协调，达到稳定的结果。

李术才等[9]曾对注浆前后的岩体做了试验分析，得到不同岩质在进行注浆加固以后，其弹性模量大部分能提高到40%以上，最大能提高到注浆前的222%，极大提高了围岩稳定性。

2.2.2 对黏聚力和内摩擦角的影响

黏聚力和内摩擦角是反映围岩抗剪强度的主要指标。对于水泥浆液是否掺加骨料，其影响机理存在较大差异。注浆之后的裂隙面成为围岩破坏的薄弱点，当剪切面处混凝土颗粒克服咬合力而产生相对滑动时混凝土出现破坏。掺加玻璃纤维之后，水泥与玻璃纤维形成聚能团，且聚能团之间的排列更为密集，内摩擦角由此增大。此外，裂隙面或者节理面受到灌浆作用被挤压而发生闭合，整体上提高了裂隙之间的连接性，提高了岩体之间的抗剪强度。

对于岩体在注入水泥基-玻璃纤维浆液后黏聚力和内摩擦角的变化情况，前苏联学者M.卡姆别霍尔和别廖耶夫对注浆后岩体的黏聚力和内摩擦角进行试验分析，结果显示，注浆后的岩体结构黏聚力增加了40%～70%，平均增加了50%以上[15]。而岩体在注入常规浆液后黏聚力和摩擦角提高20%～30%，从力学性质改善的角度分析，使用水泥基-玻璃纤维浆液对于改善施工条件具有一定作用。

3 水泥基-玻璃纤维浆液注浆加固模拟分析

3.1 模型建立

采用FLAC3D数值分析软件对软弱围岩段注浆前后的应力和应变进行模拟分析；围岩结构采用摩尔-库伦屈服准则。注浆材料的水灰比为1∶1，Cem-FIL60型玻璃纤维的掺入量为0.5%。最终完成对注浆加固对岩溶软弱围岩的加固稳定性分析，其模型如图2所示。

图2 隧道注浆数值模型Fig.2 Numerical model of tunnel grouting

3.2 围岩参数

本次数值模型的初始应力场参考自重应力场来考虑，在模型的外侧限制了其水平位移。

隧道开挖后，分别对拱顶、两帮和拱底进行注浆形成注浆圈，并建立模型，根据不同注浆圈的厚度分析围岩应力场、位移场的影响。具体的工况如表1所示，模拟计算参数如表2所示。

表1 隧道模型围岩注浆加固圈厚度Table 1 Thickness of grouting reinforcement ring in tunnel modeling

表2 不同材料的物理力学参数Table 2 Physical and mechanical parameters of different materials

图3 开挖注浆后竖向位移云图Fig.3 Vertical displacements after excavation grouting

3.3 数值模拟效果分析

根据建立的数学模型，通过对比分析隧道初衬后注浆前后的效果，得到注浆圈为0，3，5，7 m情况下围岩衬砌的竖向位移、水平位移云图见图3和图4。

图4 开挖注浆后水平位移云图Fig.4 Horizontal displacements after excavation grouting

分析图3可知，工况1条件下，就是隧道开挖初衬后未支护情况下，竖向位移中拱顶最大下沉5.8 mm，拱底隆起6 mm；对隧道进行注浆形成注浆圈后，分别在工况2、工况3和工况4情况下，竖向位移得到收敛，拱顶位置竖向位移分别下降到了4.4,4.1,4.0 mm，拱底隆起量下降到5.5,4.8,4.3 mm，位移得到减小。从图4可以看出，未注浆的情况下，隧道水平位移为1.6 mm，主要位移分布在拱脚位置，随着注浆后形成注浆圈的加固，水平位移开始减少，并逐渐趋于稳定。

从以上模拟结果可知：对于突水灾害，注入水泥基-玻璃纤维浆液可以有效控制围岩衬砌的竖向、水平位移，充分证明水泥基-玻璃纤维浆液在突水灾害治理中的可行性。

4 工程应用

4.1 工程概况

齐岳山隧道是利万高速公路的控制性工程，主要以灰岩发育为主，中间夹带有页岩发育，都是极为破碎的岩体；并且隧道通过区域发育有断层，岩溶极其发育，开挖揭露处发现有严重的岩溶水涌出现象。另外隧址背斜处的裂隙较为发育，层理发育，ZK19+245—ZK19+285，ZK20+236—ZK20+276处为断层破碎带，富含水，围岩较为破碎，开挖过程中出现小岩块的陀螺，并局部涌水现象；YK19+340—YK19+920，ZK19+332—ZK19+911处存在稳定突水情况，全部隧道共有1 854 m的涌水区域。

图5 注浆施工工艺Fig.5 Grouting construction techniques

4.2 注浆施工工艺流程

控制注浆堵水加固工

艺按图5所示步骤进行：

(1)钻孔。钻孔设备采用潜孔钻，采用Φ73 mm钻杆，Φ90 mm冲击器和配套钻头；钻孔时按照分配、分序进行布置，采用关键孔优化方法。

(2)膜袋注浆管安装和孔口封堵。为了解决堵水封孔处密实性差的问题，设计了一种用于控制涌突水注浆中滤排水注浆膜袋封孔结构装置。

(3)新型浆液制备。注浆材料采用水泥基-玻璃纤维材料和外加剂共同组成的混合液。

(4)分段分序注浆加固。通过开发的滤排水注浆膜袋、新型浆液共同实现分段、分序注浆。

4.3 注浆效果对比分析

4.3.1 围岩变形监测和对比分析

齐岳山隧道位于ZK19+245—ZK19+285，ZK20+236—ZK20+276桩号附近。由于隧道处存在破碎带，且灰岩发育，采用注浆技术进行加固，对该地段围岩注浆加固过程进行变形监测，并分析变形原因和注浆效果。其中，对监测断面ZK20+245、ZK20+265断面采用传统水泥浆液进行注浆，ZK20+255、ZK20+275断面采用水泥基-玻璃纤维浆液进行注浆。监测布设按照每10 m进行均匀布设，监测频率为2次/d。对实时监测数据进行处理，得到数据如图6。

图6 变形监测数据Fig.6 Monitored data of deformation

通过分析以上围岩变形量数据可以得到：

(1)破碎带注浆过程中，注浆压力是围岩发生变形的主要因素，注浆压力过大，围岩变形变大。传统水泥浆液注浆后围岩累计变形最大达24.3 mm，采用水泥基-玻璃纤维浆液注浆后围岩累计变形最大达8.2 mm，掺加玻璃纤维之后的浆液对围岩变形控制效果更好。

(2)注浆结束后，围岩变形量开始减小，原因是注浆材料发生凝结，固化后的注浆材料真正发挥作用，围岩变形小于注浆加固之前，充分证明了注浆加固作用开始凸显，但通过数据分析知，水泥基-玻璃纤维浆液加固效果更为显著。

(3)在注浆材料进入破碎岩体的过程中，注浆材料使围岩发生扩张，浆液在裂隙和破碎带地区经历着非常复杂的塑性变形和紊流运动。浆液到注浆区域以后，开始发生塑性变形，由于受到不均匀围岩压力的影响，造成浆体发生变形，同时浆体的体积也会发生变化，浆液内的玻璃纤维减缓了水泥裂缝尖端的应力集中，阻碍了水泥裂缝的发育，加强了固结体的整体性，使得围岩整体强度增强，控制围岩变形效果更为突出。

(4)整体来看，无论是否掺加玻璃纤维，注浆后，破碎地带的围岩变形量均有较大幅度的降低，但掺加玻璃纤维的浆液控制围岩变形效果更为显著，基本达到了和未破碎围岩的变形指数。

4.3.2 涌水治理效果分析

水量检测是通过对ZK19+800—ZK19+910段隧洞里两侧排水沟的排水量和总的排水量来观测裂隙注浆效果，如图7所示。

图7 排水量监测数据Fig.7 Monitored data of drainage

由以上水量检测数据可得：

(1)突水量随着注浆治理开始逐渐变小，在开始时候的水量上升是由于开挖钻孔引起的水量增大。

(2)水量变化在0～5次，变化不是很大，在5～10次时间段内变化较大，总的排水量由96 m3/h减小到13 m3/h，堵水情况得到改善。

(3)注浆治理后，排水量减小到1.5 m3/h，注浆效果明显，裂隙突水情况得到解决。

通过工程实际应用可知，水泥基-玻璃纤维材料的运用有效治理了突水灾害，与模拟试验结果吻合，验证了模拟试验的准确性，证明了水泥基-玻璃纤维浆液实际应用的可行性。

5 结 论

针对水泥基-玻璃纤维浆液注浆堵水可行性问题，研究了该浆液对调节裂隙发展的机理，从断裂力学的角度研究了水泥破坏和裂隙产生的3种形式，分析了玻璃纤维对裂隙发展的影响，推导出裂缝尖端应力强度因子公式；分析了水泥基-玻璃纤维浆液对弹性模量、黏聚力和内摩擦角的影响，为水泥基-玻璃纤维浆液在工程中的应用提供了理论基础。所得结论如下。

(1)通过建立数值模型，分析4种工况下的位移场分析，计算隧道注浆在形成加固圈为0，3，5，7 m的情况下的应力场。结果显示，竖向应力、水平应力和最大主应力随着注浆圈的增加而减小，竖向应力由4.9 MPa下降到3.5 MPa；水平位移由2.8 mm下降到1.1 mm；在位移场方面，拱顶最大下沉量为5.8 mm，拱底隆起量为6 mm，注浆加固后，拱顶最大下沉量下降到4.0 mm，拱底隆起量下降到4.3 mm；隧道水平位移为1.6 mm，主要位移分布在拱脚位置，随着注浆后形成注浆圈的加固，水平位移开始减少，并注浆趋于稳定。

(2)针对利万高速齐岳山隧道注浆加固工程，设计了一种新型浆液制备系统，结果表明该系统可以满足玻璃纤维-水泥基浆液的可注性；通过涌水量监测和围岩变形监测，对注浆效果进行了检验分析，得出注浆加固措施起到了显著的治理效果，验证了模拟试验的准确性，证明了水泥基-玻璃纤维浆液实际应用的可行性，为类似工程提供借鉴。