弱膨脹巖注漿前后干濕變形特性試驗研究

張乾俊

(中鐵十九局集團第一有限公司安全質量監(jiān)察部，遼寧 遼陽 111000)

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弱膨脹巖注漿前后干濕變形特性試驗研究

張乾俊

(中鐵十九局集團第一有限公司安全質量監(jiān)察部，遼寧 遼陽 111000)

摘要：以寶蘭鐵路郭家鎮(zhèn)第三系泥巖(弱膨脹巖)隧道仰拱遇水隆起病害為工程依托，采用干濕循環(huán)變形測量裝置，分別對現(xiàn)場所取的原狀土樣和經(jīng)注漿處理后的土樣進行了室內浸水及干燥試驗，以研究其膨脹機理，為隧道施工及質量控制提供技術支持。對比分析試驗結果得到：兩種試樣浸水后，都會產(chǎn)生一定程度的膨脹變形，且最終均趨于穩(wěn)定，但發(fā)現(xiàn)原狀試樣發(fā)生的變形量較大、達到10.52 mm，而經(jīng)注漿作用后的試樣，其膨脹變形量較前者明顯減小、僅為4.11 mm；干燥作用下，原狀試樣較注漿試樣的收縮量也明顯?？梢姡蛎泿r具有遇水膨脹、失水收縮的特性，且膨脹特性更為明顯，而注漿能夠達到強化膨脹巖內部結構、抵抗膨脹和干縮作用的目的。

關鍵詞：弱膨脹巖隧道；仰拱隆起；浸水；膨脹；干燥；收縮；原狀土樣；注漿

弱膨脹巖由于其特殊的微觀結構，對水具有較強的敏感性，受水浸濕后，強度大大降低，膨脹軟化；干燥后，又會失水收縮，引起圍巖和支護變形，導致隧道拱頂坍塌、仰拱隆起或開裂等現(xiàn)象，給施工帶來安全威脅。

隨著西部大開發(fā)戰(zhàn)略的實施，弱膨脹巖隧道的施工變形控制技術及質量監(jiān)測受到了國內許多學者的重視。李國富[1]針對膨脹巖巷道在工程擾動下的膨脹、擴容等現(xiàn)象，系統(tǒng)的分析了膨脹巖的變形機理，指出其吸水膨脹是由于在水的作用下形成強結合水層引起的。趙福善[2]以馬家坡隧道仰拱的隆起變形現(xiàn)象為例，采用現(xiàn)場勘測與取樣檢測相結合的方法對隆起原因進行了分析，并提出了適合該工程的支護參考方案。曾賢[3]分析了三聯(lián)隧道仰拱隆起變形的情況，對病害的原因進行了合理的論述，并進一步提出了針對該地區(qū)軟弱膨脹巖的施工處理措施和改進方案。盧愛紅[4]利用ANSYS軟件對膨脹巖隧道在地應力—水的耦合作用下的變形及受力進行了數(shù)值模擬，得到了膨脹巖隧道圍巖在不同支護條件下的應力、應變分布情況，為施工提供理論依據(jù)。趙飛[5]針對新建云桂鐵路膨脹巖的工程特性進行了室內試驗研究，以確定其在不同含水量條件下的變形規(guī)律，試驗結果表明：膨脹巖存在起脹含水量，當含水量小于此含水量時，膨脹變形量很小，而含水量超過此含水量后，膨脹變形則大幅增加。總結這些專家學者的研究成果，發(fā)現(xiàn)涉及干濕循環(huán)條件下膨脹巖變形的分析甚少。

本文以寶蘭鐵路郭家鎮(zhèn)隧道第三系泥巖地層仰拱隆起為實際工程依托，分析了病害機理，采用自制的干濕循環(huán)試驗儀器研究了原狀土樣及注漿后土樣在浸水、干燥作用下的變形特性，為軟弱膨脹巖隧道地區(qū)的施工提出合理的理論、技術支持，保障鐵路安全運營。

1 工程概況

郭家鎮(zhèn)隧道地處天水市郭家鎮(zhèn)西北部，穿越黃土梁峁等地區(qū)，其進口毗鄰高速公路，出口位于背后溝，交通十分便利。地面高程為1 340～1 650 m。坡度約為20～45°，溝谷較深，多呈“V”字型分布，坡上被較多風積黃土所覆蓋，斜坡下部及溝心處存在大量第三系泥巖(弱膨脹巖)。起訖里程為IDK827+931.1～ IDK833+062，全長5 131.386 m。隧道途經(jīng)地區(qū)屬黃土高原區(qū)，該地區(qū)地下水分為黃土孔隙裂隙水和基巖裂隙水。前者主要存在于黃土中，而后者則大面積的賦存于泥巖和片巖中。泥巖由于結構較為致密，產(chǎn)狀平緩，節(jié)理裂隙不發(fā)育、滲透性差等構造特點，不利于地下水的儲存和運移，故僅在局部孔隙發(fā)育地段存有少量地下水。

在IDK828+717～828+851、IDK829+141～829+322等處均發(fā)現(xiàn)隧道中心位置有不同程度的仰拱隆起，最大隆起值達到22 cm，表面裂縫寬度約為1.5～4 cm。有必要對隧道弱膨脹巖的遇水膨脹等特性及采取的針對性措施的效果進行研究。

2 室內試驗結果及分析

2.1 浸水試驗

2.1.1 試驗儀器

設計思路如圖1所示，該裝置由加壓設備、壓力室、傳壓桿、電位計、電腦和進水裝置組成，結構簡單，操作方便，能通過電腦與電位計配合對變形數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)測，采用自下而上的補水方式，保證試驗土樣充分浸水，進水管下方帶有控制閥門，可調節(jié)浸水量。

圖1 浸水裝置示意圖

2.1.2 試驗方案

本文采用對比試驗，一組為原狀土試樣，另一組為相同條件但經(jīng)注漿處理過的試樣，試樣高度均為8 cm，底面積為30 cm2。

2.1.3 試驗步驟

(1)分別將兩組試樣置于壓力室內，并通過加壓設備對壓力室及內部土樣施加應力。

(2)待土樣在外加應力作用下變形穩(wěn)定后，打開進水管下方的控制閥，對土樣進行補水，直至飽和。

(3)待土樣在浸水作用下穩(wěn)定后，根據(jù)電腦所記錄的變形數(shù)據(jù)，繪制變形曲線，掌握其變形規(guī)律。

2.1.4 試驗結果分析

試樣浸水試驗結果見表1和圖2。

綜合分析表1及圖2中數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，兩類土樣均先在軸向壓力的作用下達到壓密變形穩(wěn)定，浸水后均產(chǎn)生膨脹變形，最終也逐漸趨于穩(wěn)定。通過對比曲線發(fā)現(xiàn)，兩者的變形規(guī)律相似，但經(jīng)注漿作用處理后的土樣，其浸水后產(chǎn)生的膨脹變形量要明顯小于原狀土樣。再根據(jù)表1中所示數(shù)據(jù)，原狀試樣的膨脹變形量達到10.52 mm，膨脹系數(shù)也較大，為0.13；而經(jīng)注漿處理后的試樣遇水后產(chǎn)生的膨脹量僅為4.11 mm，膨脹系數(shù)也僅為0.05，較原狀試樣有大幅度的減小。結合弱膨脹巖吸水膨脹的機理，分析產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因認為：膨脹巖主要由蒙脫石、高嶺石和伊利石構成，其內部晶胞活躍性很強，以致水分子很容易分散于其中，大大降低了顆粒之間的引力，引起土體膨脹。但對土樣進行注漿后，漿液對軟弱結構面有強化作用，對顆粒間引力的減小有一定的抑制作用，注漿后的結構穩(wěn)定性顯著增強，達到抵抗膨脹變形的目的。

表1 原狀試樣與注漿后試樣膨脹與收縮變形數(shù)據(jù)

圖2 原狀土樣與注漿土樣浸水試驗對比曲線

2.2 干燥試驗

2.2.1 試驗儀器

干燥裝置(如圖3所示)主要由5部分組成，分別是：加載裝置、加熱裝置、保溫材料、金屬溫度計、溫度控制裝置。該裝置上部開有兩個孔，一個用于放置金屬溫度計，另一個允許傳壓桿通過。

圖3 干燥裝置

2.2.2 試驗步驟

試驗過程中，將裝有土樣的壓力室置于干燥裝置內部，加載設備通過傳壓桿作用于壓力室內的土樣，先對土樣進行前面所介紹的浸水試驗，待浸水變形穩(wěn)定后，拔去浸水導管，利用溫度控制裝置將溫度調至試驗所需溫度(本試驗結合現(xiàn)場實際，設置溫度為30 ℃)，對試樣進行干燥處理。同時利用電位計與電腦，將試樣在干燥過程中的變形進行實時采集，最終根據(jù)記錄數(shù)據(jù)繪制曲線。

2.2.3 干燥試驗結果分析

從表1和圖4可以看出，原狀試樣在干燥過程中產(chǎn)生了稍明顯的收縮變形，最大變形量為3.40 mm，對應的收縮系數(shù)為0.04；而注漿后的試樣收縮變形有所減小，約為1.15 mm，收縮系數(shù)也隨之降低，為0.01，后者的變形曲線較前者波動更為平緩，達到變形穩(wěn)定的時間也遠小于前者。分析原因認為：弱膨脹巖中的內部結構在失去水分后，顆粒之間的引力迅速恢復，顆粒間緊聚在一起，導致土體收縮，嚴重時會發(fā)生硬裂等現(xiàn)象。然而，對土樣進行注漿處理后，由于漿液與膨脹巖內部結構之間形成了高強度的復合結構，雖然干燥過程中水分流失會造成土樣體積的減小，但由于復合結構穩(wěn)定性較強，并不會使土顆粒之間由于引力作用而聚在一起，即不會發(fā)生明顯的收縮變形。

圖4 原狀土樣與注漿土樣干燥試驗對比曲線

浸水試驗與干燥試驗結果有力地說明，對仰拱底部注漿可以有效地降低圍巖的膨脹特性，同時也可以達到降低及控制其失水收縮變形的目的。因此，本工程項目在后期施工階段對仰拱位置在其施工前進行了預注漿，發(fā)現(xiàn)仰拱的隆起變形量得到明顯的降低，保障了后期施工得以安全、順利進行。

3 結論

(1)在浸水過程中，原狀試樣和經(jīng)注漿作用處理后的試樣都會發(fā)生膨脹變形，并最終均趨于穩(wěn)定，變形規(guī)律一致，但后者的膨脹量僅為4.11 mm，明顯小于前者的10.52 mm，說明注漿具有抗膨脹的作用。

(2)在干燥過程中，原狀試樣會產(chǎn)生稍顯著的收縮變形，變形量為3.40 mm，而注漿后的試樣變形較小，約為1.15 mm，說明注漿也能達到抗收縮的作用。

(3)結合圖表數(shù)據(jù)得到，弱膨脹巖具有遇水膨脹、失水收縮的工程特性，但其膨脹性表現(xiàn)的更為明顯。例如，原狀試樣在浸水下的膨脹量達到10.52 mm，而干燥后的收縮量僅為3.4 mm，故工程中對膨脹巖的水分應進行嚴格控制。

(4)對弱膨脹巖進行注漿處理可以達到強化其結構的目的，大大降低隧道仰拱遇水隆起、失水硬裂等不良工程病害，使施工工程安全，有效地提高隧道質量。

參考文獻

[1]李國富,戴鐵丁,呂芳禮,等.膨脹巖變形機理與注漿強化技術[J].采礦與安全工程學報,2007,24(4): 444-448

[2]趙福善.特殊地層隧道仰拱隆起原因及工程措施探討[J].鐵道建筑技術,2014(S1): 145-147

[3]曾 賢,任登富.高地應力軟弱膨脹巖隧道仰拱變形隆起處置[J].山西建筑,2012,38(27): 204-206

[4]盧愛紅,茅獻彪,徐金海,等.膨脹巖巷道變形及其控制的數(shù)值模擬[J].遼寧工程技術大學學報,2005,24(2): 193-195

[5]趙 飛,汪家林,張蓮花,等.新建云桂鐵路膨脹巖膨脹特性試驗研究[J].工程勘察,2011(6):14-18

An Experimental Study of the Pre-Grouting and Post-Grouting Deformation Properties of Weak Swelling Rock

Zhang Qianjun

(First Engineering Co. Ltd. of the 19th Bureau Group of China Railway,Liaoyang 111000,China)

Abstract:With the disease of the inverted arch of the Guojiazhen Tunnel of the Baoji-Lanzhou Railway made of the 3rd-system mudstone (weak swelling rock), which uplifts when encountering underground water, as the engineering background, a new dry-wet cycling instrument is used to conduct laboratory soaking and drying tests in both the original soil sample taken from the site and the slip-casting-treated soil sample to study the expanding mechanism of them so as to provide technical support for tunneling construction and quality control.Through comparing the test results it is found that both the samples will show a certain amount of expansive deformation after being soaked,and finally tend to be stable. However,it is found thatthedeformationoftheundisturbedsampleisgreater,upto10.52mm,whiletheexpansivedeformationofthepost-groutingspecimenisobviouslylessthantheformer,only4.11mm.Theshrinkageoftheundisturbedspecimenisalsoobviousinthedryingprocess.Itisthusreadilyseenthatexpansiverockhasthepropertyofexpandingwhensoakedwithwaterandshrinkingwhendried,anditsexpansivepropertyisveryremarkable.Itisalsoobviousthatgroutingcanachievetheaimsofstrengtheningtheinternalstructureofexpansiverock,andresistingtheexpandingandshrinkingaction.

Key words:weak swelling-rock tunnel;inverted uplifting;soaking;expansion;drying; shrinkage;undisturbed soil sample;grouting

中圖分類號：U455.49

文獻標識碼：B

文章編號：1672-3953(2016)02-0040-04

DOI：10.13219/j.gjgyat.2016.02.011

作者簡介：張乾俊(1971—)，男，工程師，主要從事土木工程施工技術管理工作

收稿日期：2015-12-07