新型注浆材料在岩溶隧道支护中的应用研究

作者简介：何兆武（1983—），工程师，主要从事桥涵施工工作。

我国西南地区岩溶地质条件发育良好，为交通隧道建设带来极大的挑战。为了能够科学治理岩溶隧道突涌、塌陷等问题，文章通过室内研发、制备新型岩溶地层注浆加固材料，对其开展凝结试验与抗压强度等物理性质研究，并依托西南某公路隧道工程对其工程实际应用性与经济性展开了深入探讨，发现新型注浆材料在岩溶隧道支护中取得了良好的加固效果，且具有工期短、经济成本低的特殊优势，在岩溶隧道支护中应用前景十分广阔。

新型注浆材料;岩溶地质;隧道支护;公路工程

U455.7A511843

0 引言

岩溶地貌，亦称为喀斯特地貌，具有地下水含量高、地质条件差、容易发生突涌事故的特点，给隧道建设带来极大的挑战[1-4]。

为有效治理岩溶地质条件的不良影响，李鸿儒[5]依托黔张常铁路岩溶处理工程，深入分析探讨了注浆技术在覆盖型岩溶路基地段的施工关键工艺，并指出岩溶区段路基注浆整治效果显著，对类似工程具有一定的参考价值。张开伟等[6]引入对称四级电测深技术，对岩溶注浆加固处理区注浆前后电性参数可能发生的地电参数特征进行分析，并通过电性参数曲线的变化趋势展开岩溶区域地质条件的注浆加固处理效果分析与评价。韦秋猛等[7]深入分析黄织铁路凤凰山隧道穿越岩溶地段所存在的风险，并指出帷幕注浆技术在岩溶地质条件下处理大型泥石混合充填溶腔的能力。

本课题组通过室内研究，制备出含不同速凝剂掺量及水下抗分散剂的新型注浆材料，通过室内试验及工程应用探讨了其在岩溶地质隧道注浆支护中的应用性能与优势。

1 材料制备与性能检测

1.1 注浆材料制备

由于岩溶地质含水量较大，为制备本研究所研发的岩溶隧道新型注浆材料，首先需要进行水下抗分散剂选择试验，得到抗分散性较好的抗分散剂，确保最终配置出的注浆材料在富含地下水的环境下不会分解破坏。此后，以普通水泥及硫酸铝盐水泥为新型注浆材料的主要材料，通过添加粉煤灰、少量建筑垃圾粗细骨料、硅灰及各种外加剂，制备新型注浆材料。为对新型材料进行配比，本试验还需要制备不同的速凝剂掺量条件下的新型注浆材料，以对比选择出最佳配比方案，如图1所示。

1.2 材料性能检测

在室内对所制备的不同速凝剂掺量的新型注浆材料初凝及终凝时间进行对比分析，设计制备0、0.01%、0.02%、0.05%、0.2%、0.5%、0.8%、1.0%、1.5%、1.8%及2.0%共11个速凝剂掺量的新型注浆材料，以确定材料制备的最佳配比方案。

1.2.1 凝结时间

在室内对各不同速凝剂掺量新型注浆材料的凝结（初凝、终凝）时间进行观察记录，得出速凝剂掺量对注浆材料凝结时间曲线如图2所示。由图2可知，随着速凝剂掺量逐渐增大，新型注浆材料的初凝与终凝时间均逐渐减少，在不掺入速凝剂的条件下，新型注浆材料的初凝过程需要115 min;终凝过程需要136 min;掺入0.01%的速凝剂后，初凝时间仅需要38 min，同比降低67%;终凝时间仅需要47 min，同比下降66%。由此可见，速凝剂对新型材料的影响明显。新型材料的凝结速度随速凝剂掺量增大不断提高，是因为原材料水泥中的石膏具有缓凝作用，而掺入的速凝剂含有一定量的铝酸钠与碳酸钠，大量消耗了石膏并提高了注浆材料的凝结速度。

随着速凝剂掺量的不断提高，新型材料的凝结速度逐渐加快，但凝结速度增大速率逐渐降低，凝结时间最终趋于一个较稳定的值。如图2所示，新型材料的初凝时间-速凝剂掺量曲线与终凝时间-速凝剂掺量曲线均具有十分明显的阶段性，且以速凝剂掺量为0.5%为界线。当速凝剂掺量<5%时，随着速凝剂掺量增大，新型注浆材料的初凝、终凝时间均产生较为明显的下降;当速凝剂掺量>5%时，新型注浆材料的凝结时间随时间变化幅度极小，基本处于稳定状态，初凝时间最终稳定值为8.05 min，终凝时间最终稳定值为12.71 min。综上可知，从凝结时间上看，速凝剂掺量为5%为最经济、有效的速凝剂掺量方案。

1.2.2 抗压强度

为进一步检测新型注浆材料的承载能力，对终凝结束后并养护不同时间后的新型注浆材料展开抗压强度试验，试验结果如表1所示。由表1可知，新型注浆材料的抗压强度随着养护时间增大而逐渐升高，这是由于养护时间越长，水化反应程度越高。进一步观察到，对于未掺加速凝剂的新型材料，养护28 d条件下其抗压强度为18.54 MPa，养护7 d条件下其强度为16.22 MPa，仅达到养护28 d条件下的87%。在掺加一定速凝剂后，其养护7 d与养护28 d的材料之间强度相差较小，养护7 d的注浆材料抗压强度分别达到养护28 d后的0.90%、92%、99%、99%及92%。因此可见，速凝剂能够加快注浆材料的凝结速度，且能够达到要求强度的90%以上。

速凝剂能够提高注浆材料的最终强度，在速凝剂掺量为0条件下经过28 d养护后其强度为18.54 MPa，而掺加一定量速凝剂后，其抗压强度超过21 MPa，但速凝剂掺量对材料的强度影响不明显，不同掺量下注浆材料的强度波动较小且无明显规律。对注浆材料强度有终凝强度增长迅速、早期强度高、后期不倒缩的特殊要求，而本研究所研发的新型注浆材料在掺加速凝剂后，其7 d强度可以达到28 d强度的90%以上，能够满足岩溶隧道注浆要求。

2 工程应用研究

2.1 工程概况

某在建高速公路隧道，全长2 390 m，穿越向斜岩溶蓄水构造，预计总涌水量超过1.5万m3/d，因此出现隧道大规模突涌的风险较大。

2.2 施工要点

本工程开发的高风险岩溶隧道注浆材料具有良好的水下抗力，抗动态水蚀能力强，浆液凝結时间可控，价格低廉，能源充足。根据不同工况，隧道涌水涌泥控制效果较好，适用于隧道软岩加固、注浆堵水、渗漏水处理、工程抢险等处理，应用前景广阔。但是在施工过程中应注意以下几点：

（1）采用注浆加固围岩裂隙及破碎带时，考虑到渗入裂缝和小裂缝的时间，适当延长泥浆凝结时间，防止泥浆灌浆、凝结过快造成堵管或补强不足。

（2）灌浆施工严格按工艺进行，准确地控制灌浆量，当孔壁压力突然上升或溢出时，应立即停止灌浆。

（3）灌浆施工是一项隐蔽工程，技术人员和监理人员应全程待命，确保灌浆施工按要求进行。

2.3 效益研究

经过研究发现，新型材料注浆的效益主要有以下几个方面：

（1）本次研究所提出的新型注浆材料为水泥基灌浆材料，其具有无毒无害、绿色安全环保的特殊优势，符合国家工程建设要求与发展趋势，能为工程建设带来良好的环境效益。

（2）新型注浆材料的浆液灌浆性能好，浆液的初、终凝时间可控，且其早期强度较高，能有效提高工程施工效率。在本工程建设中，大幅缩短了工程建设总工期，为工程节约了大量的成本。

（3）采用上述新型注浆材料展开高风险岩溶隧道注浆处理，处理之后的岩溶隧道的围岩及地层强度得到了显著提升。新型注浆材料具有遇水不分散、止水效果好等特殊优势，能够有效防止隧道施工过程中发生工程地质灾害。

3 结语

本文依托西南地区某隧道建设工程，深入研究了新型注浆材料在岩溶隧道注浆及支护中的应用，并得出以下结论：

（1）室内研发、制备适用于岩溶隧道的新型注浆材料，凝结速度随速凝剂的掺量增加越来越快，5%为掺加速凝剂的最佳方案。掺加速凝剂能够大幅提高注浆材料的早期强度，养护7 d时间下材料的强度均能够达到养护28 d的90%以上。

（2）新型注浆材料凝结速度快、早期强度高，在岩溶隧道注浆支护中具有加固效果优、施工进度快及环境效益好的特殊优势，具有良好的应用前景。

（3）本研究探讨了速凝剂掺量的影响而未分析其他成分如水下抗分散剂掺量的影响，仍需要进一步完善以得出工程应用最经济、最合理的新型材料配比方案。

[1]江思义，吴 福，刘庆超，等.岩溶地区建设用地地质环境适宜性评价——以广西桂林规划中心城区为例[J/OL].中国地质灾害与防治学报，2019，30（6）：84-93.

[2]张树东，胡 华，张 宇，等.四川盆地中部高石梯地区深层岩溶储层水平井地质导向技术[J].天然气工业，2019，39（10）：42-52.

[3]周 全.明挖基坑岩溶处理施工技术研究[J].四川水泥，2018（5）：139-140.

[4]薛 .黔张常高速铁路岩溶注浆强化地基沉降特性分析[D].北京：北京交通大学，2018.

[5]李鸿儒.软弱不良路基岩溶处理施工技术研究[J].黑龙江交通科技，2019，42（3）：31-32.

[6]张开伟，聂庆科，马清洲，等.岩溶注浆加固处理效果评价中电测深法的应用[J].勘察科学技术，2017（S1）：217-220.

[7]韦秋猛，蘭天仕.岩溶地质隧道施工中注浆技术的应用[J].科技资讯，2010（6）：97-98.