富水砂卵石地層超細(xì)水泥注漿模型試驗(yàn)與工程應(yīng)用研究

劉 光 程

(淮南職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 安徽 淮南 232001)

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富水砂卵石地層超細(xì)水泥注漿模型試驗(yàn)與工程應(yīng)用研究

劉 光 程

(淮南職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 安徽 淮南 232001)

通過(guò)室內(nèi)模型試驗(yàn)進(jìn)行超細(xì)水泥注漿研究，提出了富水、圍巖松散等復(fù)雜條件下斜井全斷面超前預(yù)注漿、地面預(yù)注漿、壁后注漿的綜合處理方法。跟蹤監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，注漿后圍巖的穩(wěn)定性和承載力大幅提高，巷道涌水及斷面收斂變形的現(xiàn)象得到有效控制。通過(guò)工程實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，超細(xì)水泥注漿起到止水及加固圍巖的作用，對(duì)富水巷道需不斷止水的狀況有所改善，達(dá)到了預(yù)期的安全性和可行性要求。

富水砂卵石地層； 超細(xì)水泥； 注漿； 力學(xué)指標(biāo)

古交2#斜井位于古交市區(qū)地下，斜井埋置淺，周邊一定范圍內(nèi)的建筑物和構(gòu)筑物會(huì)受到斜井施工擾動(dòng)的影響。斜井穿越地層是第四系全新沖積層，土質(zhì)為粉土、砂卵石，穩(wěn)定性較差且受擾動(dòng)大，施工后大量地下水滲入，地表下沉較嚴(yán)重。施工導(dǎo)致了圍巖應(yīng)力釋放，局部大變形甚至坍塌。圍巖狀態(tài)轉(zhuǎn)為流塑狀，在地下水作用下涌入巷道而導(dǎo)致涌泥或坍塌，對(duì)周邊構(gòu)筑物及斜井的施工安全造成極大威脅。常用的凍結(jié)法止水加固技術(shù)仍存在較大的局限性[1]，故需探索一種受施工現(xiàn)場(chǎng)條件、水文地質(zhì)環(huán)境影響較小，又能夠滿足砂卵石地質(zhì)條件的土層止水加固技術(shù)[2-3]。因此，提出超細(xì)水泥注漿技術(shù)，并進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)研究。超細(xì)水泥注漿技術(shù)運(yùn)用了空間巖體力學(xué)及注漿理論，選擇注漿參數(shù)，漿液在富水砂卵石地層中以合理形式充分?jǐn)U散，達(dá)到對(duì)地層進(jìn)行支護(hù)或加固的目的[4-7]。

1　超細(xì)水泥注漿技術(shù)基本理論

超細(xì)水泥漿液在地層中的擴(kuò)散方式有滲透、劈裂、裂隙和擠壓填充，漿液在富水砂卵石地質(zhì)土層中的擴(kuò)散規(guī)律與地層水的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)規(guī)律十分相似。注漿后土質(zhì)的物理力學(xué)指標(biāo)將會(huì)發(fā)生改變，注漿固結(jié)土體的后期強(qiáng)度、抗剪性能指標(biāo)黏聚力(c)和內(nèi)摩擦角(φ)均有所提高。黏聚力、內(nèi)摩擦角可根據(jù)泰勒級(jí)數(shù)計(jì)算出來(lái)，其增量分別用Δc、Δφ表示[8]。依照Mohr - Coulomb屈服準(zhǔn)則，注漿土層的屈服函數(shù)可用式(1)表示：

(1)

Δc、Δφ受到漿液材料、注漿方式及注漿效果的直接影響。根據(jù)土層注漿作用原理，假如漿液有效注入率為η，則漿液作用有效范圍內(nèi)土層的Δc、Δφ可用式(2)表示：

(2)

式中：cg—— 漿體的內(nèi)聚力；

cs—— 漿體的內(nèi)摩擦角；

kc—— 內(nèi)聚力變化系數(shù)；

kφ—— 內(nèi)摩擦角變化系數(shù)。

2　富水砂卵石土層注漿參數(shù)室內(nèi)試驗(yàn)

2.1試驗(yàn)裝置

根據(jù)古交2#斜井工程的實(shí)際情況，選用安徽理工大學(xué)土層注漿中型試驗(yàn)箱進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)設(shè)備由5部分構(gòu)成，分別是鋼結(jié)構(gòu)箱體、可調(diào)夾板、鋼化玻璃板、注漿動(dòng)力系統(tǒng)和試驗(yàn)參數(shù)同步測(cè)定系統(tǒng)。其中，注漿動(dòng)力系統(tǒng)由動(dòng)力泵、緩沖裝置、攪拌裝置組成；試驗(yàn)參數(shù)同步測(cè)定系統(tǒng)由針式測(cè)頭、黏度測(cè)量?jī)x、壓力計(jì)組成。鋼結(jié)構(gòu)箱體上的蓋板采用12 mm的鋼板制成，可承受最大注漿壓力為1.6 MPa。

2.2注漿試驗(yàn)固結(jié)體取樣

以超細(xì)水泥作為注漿原材料，結(jié)合富水砂卵石地層土體實(shí)際樣本，針對(duì)不同注漿參數(shù)進(jìn)行了6組室內(nèi)試驗(yàn)。采用3種具有代表性的注漿試驗(yàn)固結(jié)體：球狀注漿固結(jié)體；柱狀注漿固結(jié)體立面；片狀注漿固結(jié)體。

試驗(yàn)中將細(xì)水泥以不同的水灰比注入砂(土)模型中：(1)細(xì)水泥漿液水灰比是1 ∶1，注漿壓力為1.6 MPa；(2)細(xì)水泥漿液水灰比是1 ∶1，注漿壓力為1.0 MPa；(3)細(xì)水泥漿液水灰比是2 ∶1，注漿壓力為1.6 MPa；(4)含砂量12%的黏土地層，漿液水灰比為1 ∶1，注漿壓力為1.6 MPa。由試驗(yàn)參數(shù)和固結(jié)體形狀的對(duì)比分析可知，同一注漿參數(shù)下，注漿體的裂隙滲透性直接影響漿液的擴(kuò)散范圍和效果。砂土層主要為柱狀擴(kuò)散，砂層主要為球狀擴(kuò)散。當(dāng)注漿原漿液水灰比達(dá)到2 ∶1，注漿壓力達(dá)1.6 MPa時(shí)，砂層中漿液擴(kuò)散為劈裂狀且擴(kuò)散范圍較大，但土層整體加固效果不明顯。在不同注漿壓力和注漿參數(shù)下，富水砂土地層土體注漿固結(jié)體主要有球狀固結(jié)體、柱狀固結(jié)體和狀固結(jié)體3種主要形式。

2.3注漿固結(jié)體力學(xué)性能試驗(yàn)

為了得到富水砂土地層注漿固結(jié)體的力學(xué)性能指標(biāo)，評(píng)判注漿效果，進(jìn)行了注漿固結(jié)體力學(xué)性能試驗(yàn)。

為了確保注漿體固結(jié)、硬化，注漿結(jié)束72 h后方能對(duì)注漿體進(jìn)行取樣。依據(jù)土工試驗(yàn)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，采取環(huán)刀法分層取樣。分別沿注漿體高度向下 5.5、10.5、15.5、25.5 cm進(jìn)行分層。各分層面上設(shè)定2個(gè)對(duì)稱測(cè)點(diǎn)，距中心線(注漿管)的距離D分別為8、16 cm，測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示。

圖1　測(cè)點(diǎn)布置圖

物理力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2、圖3、圖4。在不同的水灰比注漿條件下，富水砂土地層土體注漿固結(jié)體的密實(shí)度差別較大。通過(guò)1 ∶1和2 ∶1水灰比注漿測(cè)點(diǎn)注漿體檢測(cè)結(jié)果可知，前者的密度比后者高10%左右；而前者的測(cè)點(diǎn)位置固結(jié)體黏聚力比后者低4%左右。

圖2　濕密度曲線圖

漿液水灰比不同使得富水土體的擴(kuò)散加固效果表現(xiàn)出明顯差異：漿液水灰比越小，濃度越大，在富水砂土地層中的擴(kuò)散性能就越差，對(duì)土體的加固作用主要依靠注漿壓力擠壓土體，使之密實(shí)；反之，漿液水灰比越大，濃度越低，在富水砂土地層中的擴(kuò)散性能就越好，土體加固主要依靠注漿在壓力下滲透進(jìn)入顆粒間隙產(chǎn)生的膠結(jié)作用來(lái)實(shí)現(xiàn)。擠密注漿主要可提高富水砂土地層的密實(shí)度，滲透注漿主要可提高富水砂土地層土體的黏聚力。

圖3　干密度曲線圖

圖4　黏聚力曲線圖

在相同的富水砂土地層中，注漿固結(jié)體的自然密度及黏聚力隨土體深度加深而增大，但固結(jié)體內(nèi)摩擦角和干密度的最大值則出現(xiàn)在注漿孔豎向中間深度范圍內(nèi)，沿注漿孔向上、向下均逐步減小。在同一水平面沿徑向，注漿半徑8.0 cm比注漿半徑16.0 cm時(shí)的固結(jié)體物理性能指標(biāo)更優(yōu)，且注漿半徑越大固結(jié)體物理性能指標(biāo)受影響的衰減效果越明顯。

3　注漿方案的工程實(shí)踐

3.1工程概況

古交礦區(qū)屬古交市所轄，古交電廠燃料運(yùn)輸工程大致呈東西走向。2#斜井地處屯蘭井田內(nèi)，區(qū)內(nèi)地形復(fù)雜，切割劇烈，地表被第四系卵石、砂層覆蓋，地勢(shì)較平坦。古交2#斜井中心坐標(biāo)中，x=4 197 436.482 m，y=37 598 216.843 m，方位角為80°53′25″，凈斷面面積15.2 m2，傾角16°， 下行掘進(jìn)。斜井地表土段采取鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，基巖巷施工采取錨噴支護(hù)，巷道斷面為直墻半圓拱。區(qū)內(nèi)有2條河流穿過(guò)，地表為第四系卵石層，含水層較多，預(yù)計(jì)局部地層施工中涌水量可達(dá)到130～320 m3h。工作面發(fā)生片幫冒頂現(xiàn)象，上部由大量泥沙礫涌出，形成泥石流；隨后頂板及幫部圍巖壓力激增，致使工作面處3架外拱下沉了200 mm，1架幫拱擠回巷道約300 mm。

3.2注漿方案

根據(jù)古交礦區(qū)2#斜井實(shí)際情況及施工要求，確定選用全斷面超前預(yù)注漿及壁后注漿+地面預(yù)注漿的綜合方案。采用單液水泥漿及水泥加水玻璃雙液漿，32.5普通硅酸鹽水泥，水灰比為(5 ∶10)～(2 ∶1)。水玻璃為液體硅酸鈉型，濃度為20 ～ 35波美度，模數(shù)為2.2 ～ 2.6；孔徑為50 mm，孔深為1.5 m，間距為200 mm，布置為梅花狀。

(1)全斷面超前預(yù)注漿。全斷面超前預(yù)注漿按12 m的段長(zhǎng)設(shè)計(jì)，封閉工作面施工采取四周同距2 m×2 m，斜向角10°預(yù)埋10個(gè)注漿管的孔口管。

(2)地面預(yù)注漿。地面預(yù)注漿按斜井斜長(zhǎng)考慮，即斜長(zhǎng)59～69 m(水平長(zhǎng)度為56.8～66.2 m段)段。注漿時(shí)沿古交2#斜井方向距中心400 cm處于兩側(cè)各布置一排注漿孔，每排4個(gè)，間距500 cm。采用鉆機(jī)施工注漿孔，鉆桿直徑5 cm作為注漿管，每根長(zhǎng)1.5 m。按梅花狀布置φ8 mm注漿孔，間距200 mm，每個(gè)注漿段布6個(gè)孔。

(3)壁后注漿。壁后注漿分上下段進(jìn)行，上段長(zhǎng)20 ～ 60 m，下段長(zhǎng)60 ～ 70 m。用取心鉆垂直于井壁鉆開(kāi)注漿孔：在上段布孔，φ42 @3 000 mm，穿透井壁處增加0.5 m，每一斷面布6個(gè)孔；下段布孔，φ42 @2 500 mm，穿透井壁處增加0.5 m，每一斷面布6個(gè)孔。注漿孔按梅花狀布置。注漿管間距20 cm，按梅花狀布置。

4　施工后期監(jiān)測(cè)及效果評(píng)價(jià)

為掌握注漿模型試驗(yàn)的實(shí)際工作性能，進(jìn)一步完善超細(xì)水泥漿液在富水砂卵石地層中的實(shí)際運(yùn)動(dòng)規(guī)律，采用RSM-SYS5 聲波測(cè)井儀監(jiān)測(cè)注漿固結(jié)體，評(píng)判注漿效果。其中巖石注漿結(jié)石體及分界面周邊效果如圖5所示，斜井?dāng)嗝媸諗壳€如圖6所示。

圖5　注漿結(jié)石體取樣圖

圖6　斜井?dāng)嗝媸諗壳€

通過(guò)對(duì)注漿固結(jié)體取樣進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，測(cè)得其強(qiáng)度分布區(qū)間為 6.0～13.2 MPa。變化區(qū)間較大，完全滿足室內(nèi)試驗(yàn)巖心抗壓強(qiáng)度應(yīng)大于等于5 MPa的理論要求。頂?shù)装遄{體的強(qiáng)度明顯高于兩幫，強(qiáng)度最低的固結(jié)體樣本取自兩幫砂礫層的注漿孔。

固結(jié)體強(qiáng)度試驗(yàn)表明注漿效果良好，質(zhì)量達(dá)到設(shè)計(jì)要求。斜井富水砂卵石地層注漿結(jié)束后，巷道開(kāi)挖施工中看到注漿土層密實(shí)、堅(jiān)硬，空隙很少，斜井地層的承載能力和穩(wěn)定性都大大提高。巷道掘進(jìn)及后期生產(chǎn)中都沒(méi)有出現(xiàn)較大的涌水、坍塌現(xiàn)象。工程應(yīng)用實(shí)踐表明，細(xì)水泥注漿加固砂卵石地層，能有效地將涌水量控制在10 m3h以下，是一種有效堵水并加固圍巖的實(shí)用方法。

施工現(xiàn)場(chǎng)跟蹤監(jiān)測(cè)表明，注漿完成60 d時(shí)圍巖斷面收斂率最大(收斂率為1.8 mmm)，之后收斂速度趨緩，至95 d左右斜井?dāng)嗝孀冃纹椒€(wěn)。這種現(xiàn)象表明，應(yīng)用細(xì)水泥注漿加固砂卵石，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后巷道變形可趨于穩(wěn)定。

5　結(jié)　語(yǔ)

室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果表明，富水砂土地層采用注漿止水和加固時(shí)，水灰比是影響被注砂層的物理力學(xué)性能的重要因素。當(dāng)水灰比小于2 ∶1時(shí)，漿液黏度較小。隨著水灰比的增大，其流動(dòng)性、可灌性也逐步增大，注漿效果也越好。

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，超細(xì)水泥注漿后的砂卵石地層承載能力和穩(wěn)定性都大幅提高。巷道掘進(jìn)及后期生產(chǎn)中都沒(méi)有出現(xiàn)較大的涌水、坍塌現(xiàn)象，且巷道收斂變形得到有效控制。

工程應(yīng)用實(shí)踐表明，超細(xì)水泥注漿技術(shù)施工安全、工藝可行，起到了止水及加固圍巖的綜合作用，改善了富水巷道需要不斷止水的狀況。

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ExperimentandEngineeringApplicationResearchofUltra-FineCementGroutingModelinWater-RichSandyGravelStratum

LIU Guangcheng

(Huainan Vocational and Technical College, Huainan Anhui 232001, China)

Throughindoormodelexperiment,ultrafinecementgroutingresearchwasconductedinthispaperanditputforwardacomprehensivetreatmentprogramofadvancedpre-grouting,surfacepre-groutingandwallgroutingforinclinedsectionundercomplexconditions,suchaswater-richandsurroundingrockloose.Sitemonitoringindicatesstabilityandbearingcapacityofsurroundingrockaftergroutinghavebeengreatlyimproved,andthesectionofroadwaygushingconvergencedeformationhasbeeneffectivelycontrolled.Engineeringapplicationshowedfinecementgroutingplayedaroleinsealingandstrengtheningthesurroundingrock,andcouldimprovetheconditionofkeepingsealingwater-richroadways.Andthetechnologyalsomeetstheneedsofsafetyandfeasibilityinconstruction.

water-richsandygravelstratum;ultra-finecementgrouting;slipcasting;mechanicsindex

2015-11-30

安徽高校自然科學(xué)重點(diǎn)項(xiàng)目“深井軟巖及動(dòng)壓影響下硐室群圍巖控制與支護(hù)關(guān)鍵技術(shù)研究”(KJ2015A346)；安徽省高校省級(jí)優(yōu)秀青年人才基金項(xiàng)目“深井軟巖巷道底臌綜合治理關(guān)鍵技術(shù)研究”(2012SQRL257)；淮南職業(yè)技術(shù)學(xué)院自然科學(xué)基金項(xiàng)目“深井高應(yīng)力大變形軟巖巷道新型復(fù)合支護(hù)技術(shù)研究及應(yīng)用”(HKJ14-2)；2013年淮南職業(yè)技術(shù)學(xué)院精品課程“地基與基礎(chǔ)工程”

劉光程(1982 — )，男，碩士， 講師，研究方向?yàn)閹r土工程與新型混凝土支護(hù)。

TE256

A

1673-1980(2016)04-0025-04