新型注漿材料在巖溶隧道支護(hù)中的應(yīng)用研究

作者簡介：何兆武（1983—），工程師，主要從事橋涵施工工作。

我國西南地區(qū)巖溶地質(zhì)條件發(fā)育良好，為交通隧道建設(shè)帶來極大的挑戰(zhàn)。為了能夠科學(xué)治理巖溶隧道突涌、塌陷等問題，文章通過室內(nèi)研發(fā)、制備新型巖溶地層注漿加固材料，對其開展凝結(jié)試驗與抗壓強(qiáng)度等物理性質(zhì)研究，并依托西南某公路隧道工程對其工程實際應(yīng)用性與經(jīng)濟(jì)性展開了深入探討，發(fā)現(xiàn)新型注漿材料在巖溶隧道支護(hù)中取得了良好的加固效果，且具有工期短、經(jīng)濟(jì)成本低的特殊優(yōu)勢，在巖溶隧道支護(hù)中應(yīng)用前景十分廣闊。

新型注漿材料;巖溶地質(zhì);隧道支護(hù);公路工程

U455.7A511843

0 引言

巖溶地貌，亦稱為喀斯特地貌，具有地下水含量高、地質(zhì)條件差、容易發(fā)生突涌事故的特點，給隧道建設(shè)帶來極大的挑戰(zhàn)[1-4]。

為有效治理巖溶地質(zhì)條件的不良影響，李鴻儒[5]依托黔張常鐵路巖溶處理工程，深入分析探討了注漿技術(shù)在覆蓋型巖溶路基地段的施工關(guān)鍵工藝，并指出巖溶區(qū)段路基注漿整治效果顯著，對類似工程具有一定的參考價值。張開偉等[6]引入對稱四級電測深技術(shù)，對巖溶注漿加固處理區(qū)注漿前后電性參數(shù)可能發(fā)生的地電參數(shù)特征進(jìn)行分析，并通過電性參數(shù)曲線的變化趨勢展開巖溶區(qū)域地質(zhì)條件的注漿加固處理效果分析與評價。韋秋猛等[7]深入分析黃織鐵路鳳凰山隧道穿越巖溶地段所存在的風(fēng)險，并指出帷幕注漿技術(shù)在巖溶地質(zhì)條件下處理大型泥石混合充填溶腔的能力。

本課題組通過室內(nèi)研究，制備出含不同速凝劑摻量及水下抗分散劑的新型注漿材料，通過室內(nèi)試驗及工程應(yīng)用探討了其在巖溶地質(zhì)隧道注漿支護(hù)中的應(yīng)用性能與優(yōu)勢。

1 材料制備與性能檢測

1.1 注漿材料制備

由于巖溶地質(zhì)含水量較大，為制備本研究所研發(fā)的巖溶隧道新型注漿材料，首先需要進(jìn)行水下抗分散劑選擇試驗，得到抗分散性較好的抗分散劑，確保最終配置出的注漿材料在富含地下水的環(huán)境下不會分解破壞。此后，以普通水泥及硫酸鋁鹽水泥為新型注漿材料的主要材料，通過添加粉煤灰、少量建筑垃圾粗細(xì)骨料、硅灰及各種外加劑，制備新型注漿材料。為對新型材料進(jìn)行配比，本試驗還需要制備不同的速凝劑摻量條件下的新型注漿材料，以對比選擇出最佳配比方案，如圖1所示。

1.2 材料性能檢測

在室內(nèi)對所制備的不同速凝劑摻量的新型注漿材料初凝及終凝時間進(jìn)行對比分析，設(shè)計制備0、0.01%、0.02%、0.05%、0.2%、0.5%、0.8%、1.0%、1.5%、1.8%及2.0%共11個速凝劑摻量的新型注漿材料，以確定材料制備的最佳配比方案。

1.2.1 凝結(jié)時間

在室內(nèi)對各不同速凝劑摻量新型注漿材料的凝結(jié)（初凝、終凝）時間進(jìn)行觀察記錄，得出速凝劑摻量對注漿材料凝結(jié)時間曲線如圖2所示。由圖2可知，隨著速凝劑摻量逐漸增大，新型注漿材料的初凝與終凝時間均逐漸減少，在不摻入速凝劑的條件下，新型注漿材料的初凝過程需要115 min;終凝過程需要136 min;摻入0.01%的速凝劑后，初凝時間僅需要38 min，同比降低67%;終凝時間僅需要47 min，同比下降66%。由此可見，速凝劑對新型材料的影響明顯。新型材料的凝結(jié)速度隨速凝劑摻量增大不斷提高，是因為原材料水泥中的石膏具有緩凝作用，而摻入的速凝劑含有一定量的鋁酸鈉與碳酸鈉，大量消耗了石膏并提高了注漿材料的凝結(jié)速度。

隨著速凝劑摻量的不斷提高，新型材料的凝結(jié)速度逐漸加快，但凝結(jié)速度增大速率逐漸降低，凝結(jié)時間最終趨于一個較穩(wěn)定的值。如圖2所示，新型材料的初凝時間-速凝劑摻量曲線與終凝時間-速凝劑摻量曲線均具有十分明顯的階段性，且以速凝劑摻量為0.5%為界線。當(dāng)速凝劑摻量<5%時，隨著速凝劑摻量增大，新型注漿材料的初凝、終凝時間均產(chǎn)生較為明顯的下降;當(dāng)速凝劑摻量>5%時，新型注漿材料的凝結(jié)時間隨時間變化幅度極小，基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，初凝時間最終穩(wěn)定值為8.05 min，終凝時間最終穩(wěn)定值為12.71 min。綜上可知，從凝結(jié)時間上看，速凝劑摻量為5%為最經(jīng)濟(jì)、有效的速凝劑摻量方案。

1.2.2 抗壓強(qiáng)度

為進(jìn)一步檢測新型注漿材料的承載能力，對終凝結(jié)束后并養(yǎng)護(hù)不同時間后的新型注漿材料展開抗壓強(qiáng)度試驗，試驗結(jié)果如表1所示。由表1可知，新型注漿材料的抗壓強(qiáng)度隨著養(yǎng)護(hù)時間增大而逐漸升高，這是由于養(yǎng)護(hù)時間越長，水化反應(yīng)程度越高。進(jìn)一步觀察到，對于未摻加速凝劑的新型材料，養(yǎng)護(hù)28 d條件下其抗壓強(qiáng)度為18.54 MPa，養(yǎng)護(hù)7 d條件下其強(qiáng)度為16.22 MPa，僅達(dá)到養(yǎng)護(hù)28 d條件下的87%。在摻加一定速凝劑后，其養(yǎng)護(hù)7 d與養(yǎng)護(hù)28 d的材料之間強(qiáng)度相差較小，養(yǎng)護(hù)7 d的注漿材料抗壓強(qiáng)度分別達(dá)到養(yǎng)護(hù)28 d后的0.90%、92%、99%、99%及92%。因此可見，速凝劑能夠加快注漿材料的凝結(jié)速度，且能夠達(dá)到要求強(qiáng)度的90%以上。

速凝劑能夠提高注漿材料的最終強(qiáng)度，在速凝劑摻量為0條件下經(jīng)過28 d養(yǎng)護(hù)后其強(qiáng)度為18.54 MPa，而摻加一定量速凝劑后，其抗壓強(qiáng)度超過21 MPa，但速凝劑摻量對材料的強(qiáng)度影響不明顯，不同摻量下注漿材料的強(qiáng)度波動較小且無明顯規(guī)律。對注漿材料強(qiáng)度有終凝強(qiáng)度增長迅速、早期強(qiáng)度高、后期不倒縮的特殊要求，而本研究所研發(fā)的新型注漿材料在摻加速凝劑后，其7 d強(qiáng)度可以達(dá)到28 d強(qiáng)度的90%以上，能夠滿足巖溶隧道注漿要求。

2 工程應(yīng)用研究

2.1 工程概況

某在建高速公路隧道，全長2 390 m，穿越向斜巖溶蓄水構(gòu)造，預(yù)計總涌水量超過1.5萬m3/d，因此出現(xiàn)隧道大規(guī)模突涌的風(fēng)險較大。

2.2 施工要點

本工程開發(fā)的高風(fēng)險巖溶隧道注漿材料具有良好的水下抗力，抗動態(tài)水蝕能力強(qiáng)，漿液凝結(jié)時間可控，價格低廉，能源充足。根據(jù)不同工況，隧道涌水涌泥控制效果較好，適用于隧道軟巖加固、注漿堵水、滲漏水處理、工程搶險等處理，應(yīng)用前景廣闊。但是在施工過程中應(yīng)注意以下幾點：

（1）采用注漿加固圍巖裂隙及破碎帶時，考慮到滲入裂縫和小裂縫的時間，適當(dāng)延長泥漿凝結(jié)時間，防止泥漿灌漿、凝結(jié)過快造成堵管或補強(qiáng)不足。

（2）灌漿施工嚴(yán)格按工藝進(jìn)行，準(zhǔn)確地控制灌漿量，當(dāng)孔壁壓力突然上升或溢出時，應(yīng)立即停止灌漿。

（3）灌漿施工是一項隱蔽工程，技術(shù)人員和監(jiān)理人員應(yīng)全程待命，確保灌漿施工按要求進(jìn)行。

2.3 效益研究

經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，新型材料注漿的效益主要有以下幾個方面：

（1）本次研究所提出的新型注漿材料為水泥基灌漿材料，其具有無毒無害、綠色安全環(huán)保的特殊優(yōu)勢，符合國家工程建設(shè)要求與發(fā)展趨勢，能為工程建設(shè)帶來良好的環(huán)境效益。

（2）新型注漿材料的漿液灌漿性能好，漿液的初、終凝時間可控，且其早期強(qiáng)度較高，能有效提高工程施工效率。在本工程建設(shè)中，大幅縮短了工程建設(shè)總工期，為工程節(jié)約了大量的成本。

（3）采用上述新型注漿材料展開高風(fēng)險巖溶隧道注漿處理，處理之后的巖溶隧道的圍巖及地層強(qiáng)度得到了顯著提升。新型注漿材料具有遇水不分散、止水效果好等特殊優(yōu)勢，能夠有效防止隧道施工過程中發(fā)生工程地質(zhì)災(zāi)害。

3 結(jié)語

本文依托西南地區(qū)某隧道建設(shè)工程，深入研究了新型注漿材料在巖溶隧道注漿及支護(hù)中的應(yīng)用，并得出以下結(jié)論：

（1）室內(nèi)研發(fā)、制備適用于巖溶隧道的新型注漿材料，凝結(jié)速度隨速凝劑的摻量增加越來越快，5%為摻加速凝劑的最佳方案。摻加速凝劑能夠大幅提高注漿材料的早期強(qiáng)度，養(yǎng)護(hù)7 d時間下材料的強(qiáng)度均能夠達(dá)到養(yǎng)護(hù)28 d的90%以上。

（2）新型注漿材料凝結(jié)速度快、早期強(qiáng)度高，在巖溶隧道注漿支護(hù)中具有加固效果優(yōu)、施工進(jìn)度快及環(huán)境效益好的特殊優(yōu)勢，具有良好的應(yīng)用前景。

（3）本研究探討了速凝劑摻量的影響而未分析其他成分如水下抗分散劑摻量的影響，仍需要進(jìn)一步完善以得出工程應(yīng)用最經(jīng)濟(jì)、最合理的新型材料配比方案。

[1]江思義，吳 福，劉慶超，等.巖溶地區(qū)建設(shè)用地地質(zhì)環(huán)境適宜性評價——以廣西桂林規(guī)劃中心城區(qū)為例[J/OL].中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報，2019，30（6）：84-93.

[2]張樹東，胡 華，張 宇，等.四川盆地中部高石梯地區(qū)深層巖溶儲層水平井地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)[J].天然氣工業(yè)，2019，39（10）：42-52.

[3]周 全.明挖基坑巖溶處理施工技術(shù)研究[J].四川水泥，2018（5）：139-140.

[4]薛 .黔張常高速鐵路巖溶注漿強(qiáng)化地基沉降特性分析[D].北京：北京交通大學(xué)，2018.

[5]李鴻儒.軟弱不良路基巖溶處理施工技術(shù)研究[J].黑龍江交通科技，2019，42（3）：31-32.

[6]張開偉，聶慶科，馬清洲，等.巖溶注漿加固處理效果評價中電測深法的應(yīng)用[J].勘察科學(xué)技術(shù)，2017（S1）：217-220.

[7]韋秋猛，蘭天仕.巖溶地質(zhì)隧道施工中注漿技術(shù)的應(yīng)用[J].科技資訊，2010（6）：97-98.