水泥基-玻璃纖維漿液在隧道注漿堵水工程中的應(yīng)用

朱慶凱12

(1.山東科技大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院，山東 青島 266590；2.山東科技大學(xué) 山東省土木工程防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266590)

1 研究背景

在解決巖溶隧道突水事故問題時，注漿技術(shù)是最為有效的治理措施之一。而水泥基-玻璃纖維材料作為一種新的復(fù)合材料，由于其具有良好的力學(xué)性能，可以提高水泥基漿液的堵水能力，改善注漿圍巖的力學(xué)參數(shù)。因此，極有必要對水泥基-玻璃纖維材料作為新型注漿材料應(yīng)用到巖溶隧道注漿堵水工程中的可行性進(jìn)行研究。

Yang等[1]通過動水條件下在水泥漿液加入碳纖維制成新的注漿材料的注漿試驗(yàn)，研究影響因素的擬合方程；Faramarzi等[2]分析了注漿過程中采用脲甲醛樹脂作為添加劑對于漿液參數(shù)的改善；Weber等[3]分析了纖維增強(qiáng)水泥基材料的動力性能，研究了水泥基注漿材料在動態(tài)荷載下的使用壽命問題；Jo等[4]研究了添加聚合物纖維對水泥漿液水化性能和力學(xué)性能的影響；胡格格等[5-6]研究了注漿材料性能對注漿工程效果和順利施工的影響；孫子正等[7-8]通過建立平板裂隙的注漿擴(kuò)散模型，研究了靜水條件和動水條件下的擴(kuò)散規(guī)律；劉人太等[9]通過室內(nèi)試驗(yàn)研究了新型注漿材料的物理特性和作為堵水材料的可行性；豆海軍[10]研究了水泥基-水玻璃作為漿液材料在富水地層中堵水作用，對比分析了粉煤灰添加液和水玻璃添加液的膠凝特性；張歡[11]分析了外添加劑對水泥基漿液的流變性能，解決了漿液在突水過程中的流動性差、可注性降低的問題。

盡管近年來注漿材料試驗(yàn)及應(yīng)用得到深入研究和發(fā)展，但當(dāng)前采用的注漿材料在可注性、力學(xué)性能、環(huán)保和價格方面都存在著明顯的問題，注漿材料對巷道涌水賦存條件以及突水特征的依賴性依然較高。在節(jié)理裂隙極為發(fā)育的破碎軟巖巷道中，常用的注漿材料和圍巖難以形成穩(wěn)定、有效承載的結(jié)石體，不僅難以控制突水災(zāi)害的發(fā)生、發(fā)展，而且對于注漿工程的安全施工和順利進(jìn)行具有明顯的限制作用，巷道大面積突水、淹井的事故屢有發(fā)生，因此亟需一種新型材料來改善注漿效果。水泥基復(fù)合材料不僅可以起到封堵突水裂隙，并且可以加固圍巖，是良好的注漿材料的選擇，因此開發(fā)一種水泥基無機(jī)復(fù)合材料顯得更為重要。通過研究水泥基-玻璃纖維漿液對調(diào)節(jié)裂隙發(fā)展的機(jī)理，分析玻璃纖維對裂隙發(fā)展的影響，對彈性模量、黏聚力和內(nèi)摩擦角的影響；結(jié)合數(shù)值模擬方法，分析注漿效果，通過對利萬高速齊岳山隧道注漿加固工程的涌水量監(jiān)測和圍巖變形監(jiān)測，驗(yàn)證模擬試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，證明了水泥基-玻璃纖維漿液實(shí)際應(yīng)用的可行性，為類似工程提供借鑒。

2 水泥基-玻璃纖維漿液作用機(jī)理

2.1 調(diào)節(jié)裂隙發(fā)展機(jī)理分析

從玻璃纖維改善水泥自身裂縫方面分析。單純的水泥漿液是一種非均質(zhì)的多相復(fù)合材料，在漿液凝固后，由于收縮、泌水等原因，水泥內(nèi)部存在孔隙和微裂紋，主要分布在水泥基體內(nèi)。由于動水荷載或者圍巖壓力的作用，水泥內(nèi)部的微裂紋會不斷地延伸、擴(kuò)展，并成為地下水運(yùn)營的新通道，最終形成更大的裂隙[12]。

斷裂力學(xué)認(rèn)為水泥破壞和裂隙產(chǎn)生主要有以下3種形式[13]，如圖1。

圖1 水泥裂縫應(yīng)力產(chǎn)生形式Fig.1 Generation modes of cement fracture stress

以注漿工程中水泥漿液形成的帷幕墻體為例，由于水泥圍巖壓力對頂部所承受的拉應(yīng)力超過了水泥的極限拉應(yīng)力，因此在與圍巖頂部的受力接觸位置的水泥墻體屬于Ⅰ型水泥裂縫；而水泥墻體在受到水壓沖擊容易發(fā)生剪切破壞，受力情況屬于Ⅱ型裂縫；另外一種就是同時受到拉應(yīng)力和剪應(yīng)力的破壞作用，也可以看作是Ⅰ型裂縫和Ⅱ型裂縫的一種復(fù)合裂縫。

當(dāng)水泥受到Ⅰ型和Ⅱ型裂縫的復(fù)合作用時，裂縫尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子K為

K=KI-iKII=

(1)

其中：

(2)

(3)

式中：K為無玻璃纖維裂縫尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子；σ為裂縫承受應(yīng)力；α為應(yīng)力與裂縫方向角度。

依據(jù)玻璃纖維間距理論，水泥裂縫遇到玻璃纖維時，裂縫無法通過玻璃纖維，只能改變裂縫的方向，這樣減緩了裂縫尖端的應(yīng)力集中情況。玻璃纖維的存在使裂縫產(chǎn)生的應(yīng)力發(fā)展得到減緩，并使尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子減弱[14]。具體表達(dá)式如下：

K′=K-Kf。

(4)

式中：K′表示含有玻璃纖維尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子；Kf表示玻璃纖維引起的應(yīng)力強(qiáng)度因子減小的部分。

2.2 水泥基-玻璃纖維漿液對圍巖參數(shù)影響

2.2.1 對彈性模量的影響

注漿加固的本質(zhì)就是將漿液和圍巖形成一個整體。對傳統(tǒng)水泥漿液摻加玻璃纖維之后，水泥固結(jié)體中的微裂隙得到有效控制，整體強(qiáng)度提升，水泥基-玻璃纖維漿液填充在圍巖裂隙中，凝固之后形成類似人體骨骼網(wǎng)絡(luò)的支撐體。此外，漿液擴(kuò)散過程中，玻璃纖維作為連接漿液和圍巖的橋梁，加大了漿液對破裂面的膠結(jié)強(qiáng)度，另外漿液可以提高破裂面的粗糙面的摩擦力，并增加破裂面之間的咬合力，以此提高巖體強(qiáng)度，并能夠起到協(xié)調(diào)變形，使巖體的軸向變形和側(cè)向變形更加趨于協(xié)調(diào)，達(dá)到穩(wěn)定的結(jié)果。

李術(shù)才等[9]曾對注漿前后的巖體做了試驗(yàn)分析，得到不同巖質(zhì)在進(jìn)行注漿加固以后，其彈性模量大部分能提高到40%以上，最大能提高到注漿前的222%，極大提高了圍巖穩(wěn)定性。

2.2.2 對黏聚力和內(nèi)摩擦角的影響

黏聚力和內(nèi)摩擦角是反映圍巖抗剪強(qiáng)度的主要指標(biāo)。對于水泥漿液是否摻加骨料，其影響機(jī)理存在較大差異。注漿之后的裂隙面成為圍巖破壞的薄弱點(diǎn)，當(dāng)剪切面處混凝土顆?？朔Ш狭Χa(chǎn)生相對滑動時混凝土出現(xiàn)破壞。摻加玻璃纖維之后，水泥與玻璃纖維形成聚能團(tuán)，且聚能團(tuán)之間的排列更為密集，內(nèi)摩擦角由此增大。此外，裂隙面或者節(jié)理面受到灌漿作用被擠壓而發(fā)生閉合，整體上提高了裂隙之間的連接性，提高了巖體之間的抗剪強(qiáng)度。

對于巖體在注入水泥基-玻璃纖維漿液后黏聚力和內(nèi)摩擦角的變化情況，前蘇聯(lián)學(xué)者M(jìn).卡姆別霍爾和別廖耶夫?qū)ψ{后巖體的黏聚力和內(nèi)摩擦角進(jìn)行試驗(yàn)分析，結(jié)果顯示，注漿后的巖體結(jié)構(gòu)黏聚力增加了40%～70%，平均增加了50%以上[15]。而巖體在注入常規(guī)漿液后黏聚力和摩擦角提高20%～30%，從力學(xué)性質(zhì)改善的角度分析，使用水泥基-玻璃纖維漿液對于改善施工條件具有一定作用。

3 水泥基-玻璃纖維漿液注漿加固模擬分析

3.1 模型建立

采用FLAC3D數(shù)值分析軟件對軟弱圍巖段注漿前后的應(yīng)力和應(yīng)變進(jìn)行模擬分析；圍巖結(jié)構(gòu)采用摩爾-庫倫屈服準(zhǔn)則。注漿材料的水灰比為1∶1，Cem-FIL60型玻璃纖維的摻入量為0.5%。最終完成對注漿加固對巖溶軟弱圍巖的加固穩(wěn)定性分析，其模型如圖2所示。

圖2 隧道注漿數(shù)值模型Fig.2 Numerical model of tunnel grouting

3.2 圍巖參數(shù)

本次數(shù)值模型的初始應(yīng)力場參考自重應(yīng)力場來考慮，在模型的外側(cè)限制了其水平位移。

隧道開挖后，分別對拱頂、兩幫和拱底進(jìn)行注漿形成注漿圈，并建立模型，根據(jù)不同注漿圈的厚度分析圍巖應(yīng)力場、位移場的影響。具體的工況如表1所示，模擬計算參數(shù)如表2所示。

表1 隧道模型圍巖注漿加固圈厚度Table 1 Thickness of grouting reinforcement ring in tunnel modeling

表2 不同材料的物理力學(xué)參數(shù)Table 2 Physical and mechanical parameters of different materials

圖3 開挖注漿后豎向位移云圖Fig.3 Vertical displacements after excavation grouting

3.3 數(shù)值模擬效果分析

根據(jù)建立的數(shù)學(xué)模型，通過對比分析隧道初襯后注漿前后的效果，得到注漿圈為0，3，5，7 m情況下圍巖襯砌的豎向位移、水平位移云圖見圖3和圖4。

圖4 開挖注漿后水平位移云圖Fig.4 Horizontal displacements after excavation grouting

分析圖3可知，工況1條件下，就是隧道開挖初襯后未支護(hù)情況下，豎向位移中拱頂最大下沉5.8 mm，拱底隆起6 mm；對隧道進(jìn)行注漿形成注漿圈后，分別在工況2、工況3和工況4情況下，豎向位移得到收斂，拱頂位置豎向位移分別下降到了4.4,4.1,4.0 mm，拱底隆起量下降到5.5,4.8,4.3 mm，位移得到減小。從圖4可以看出，未注漿的情況下，隧道水平位移為1.6 mm，主要位移分布在拱腳位置，隨著注漿后形成注漿圈的加固，水平位移開始減少，并逐漸趨于穩(wěn)定。

從以上模擬結(jié)果可知：對于突水災(zāi)害，注入水泥基-玻璃纖維漿液可以有效控制圍巖襯砌的豎向、水平位移，充分證明水泥基-玻璃纖維漿液在突水災(zāi)害治理中的可行性。

4 工程應(yīng)用

4.1 工程概況

齊岳山隧道是利萬高速公路的控制性工程，主要以灰?guī)r發(fā)育為主，中間夾帶有頁巖發(fā)育，都是極為破碎的巖體；并且隧道通過區(qū)域發(fā)育有斷層，巖溶極其發(fā)育，開挖揭露處發(fā)現(xiàn)有嚴(yán)重的巖溶水涌出現(xiàn)象。另外隧址背斜處的裂隙較為發(fā)育，層理發(fā)育，ZK19+245—ZK19+285，ZK20+236—ZK20+276處為斷層破碎帶，富含水，圍巖較為破碎，開挖過程中出現(xiàn)小巖塊的陀螺，并局部涌水現(xiàn)象；YK19+340—YK19+920，ZK19+332—ZK19+911處存在穩(wěn)定突水情況，全部隧道共有1 854 m的涌水區(qū)域。

圖5 注漿施工工藝Fig.5 Grouting construction techniques

4.2 注漿施工工藝流程

控制注漿堵水加固工

藝按圖5所示步驟進(jìn)行：

(1)鉆孔。鉆孔設(shè)備采用潛孔鉆，采用Φ73 mm鉆桿，Φ90 mm沖擊器和配套鉆頭；鉆孔時按照分配、分序進(jìn)行布置，采用關(guān)鍵孔優(yōu)化方法。

(2)膜袋注漿管安裝和孔口封堵。為了解決堵水封孔處密實(shí)性差的問題，設(shè)計了一種用于控制涌突水注漿中濾排水注漿膜袋封孔結(jié)構(gòu)裝置。

(3)新型漿液制備。注漿材料采用水泥基-玻璃纖維材料和外加劑共同組成的混合液。

(4)分段分序注漿加固。通過開發(fā)的濾排水注漿膜袋、新型漿液共同實(shí)現(xiàn)分段、分序注漿。

4.3 注漿效果對比分析

4.3.1 圍巖變形監(jiān)測和對比分析

齊岳山隧道位于ZK19+245—ZK19+285，ZK20+236—ZK20+276樁號附近。由于隧道處存在破碎帶，且灰?guī)r發(fā)育，采用注漿技術(shù)進(jìn)行加固，對該地段圍巖注漿加固過程進(jìn)行變形監(jiān)測，并分析變形原因和注漿效果。其中，對監(jiān)測斷面ZK20+245、ZK20+265斷面采用傳統(tǒng)水泥漿液進(jìn)行注漿，ZK20+255、ZK20+275斷面采用水泥基-玻璃纖維漿液進(jìn)行注漿。監(jiān)測布設(shè)按照每10 m進(jìn)行均勻布設(shè)，監(jiān)測頻率為2次/d。對實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到數(shù)據(jù)如圖6。

圖6 變形監(jiān)測數(shù)據(jù)Fig.6 Monitored data of deformation

通過分析以上圍巖變形量數(shù)據(jù)可以得到：

(1)破碎帶注漿過程中，注漿壓力是圍巖發(fā)生變形的主要因素，注漿壓力過大，圍巖變形變大。傳統(tǒng)水泥漿液注漿后圍巖累計變形最大達(dá)24.3 mm，采用水泥基-玻璃纖維漿液注漿后圍巖累計變形最大達(dá)8.2 mm，摻加玻璃纖維之后的漿液對圍巖變形控制效果更好。

(2)注漿結(jié)束后，圍巖變形量開始減小，原因是注漿材料發(fā)生凝結(jié)，固化后的注漿材料真正發(fā)揮作用，圍巖變形小于注漿加固之前，充分證明了注漿加固作用開始凸顯，但通過數(shù)據(jù)分析知，水泥基-玻璃纖維漿液加固效果更為顯著。

(3)在注漿材料進(jìn)入破碎巖體的過程中，注漿材料使圍巖發(fā)生擴(kuò)張，漿液在裂隙和破碎帶地區(qū)經(jīng)歷著非常復(fù)雜的塑性變形和紊流運(yùn)動。漿液到注漿區(qū)域以后，開始發(fā)生塑性變形，由于受到不均勻圍巖壓力的影響，造成漿體發(fā)生變形，同時漿體的體積也會發(fā)生變化，漿液內(nèi)的玻璃纖維減緩了水泥裂縫尖端的應(yīng)力集中，阻礙了水泥裂縫的發(fā)育，加強(qiáng)了固結(jié)體的整體性，使得圍巖整體強(qiáng)度增強(qiáng)，控制圍巖變形效果更為突出。

(4)整體來看，無論是否摻加玻璃纖維，注漿后，破碎地帶的圍巖變形量均有較大幅度的降低，但摻加玻璃纖維的漿液控制圍巖變形效果更為顯著，基本達(dá)到了和未破碎圍巖的變形指數(shù)。

4.3.2 涌水治理效果分析

水量檢測是通過對ZK19+800—ZK19+910段隧洞里兩側(cè)排水溝的排水量和總的排水量來觀測裂隙注漿效果，如圖7所示。

圖7 排水量監(jiān)測數(shù)據(jù)Fig.7 Monitored data of drainage

由以上水量檢測數(shù)據(jù)可得：

(1)突水量隨著注漿治理開始逐漸變小，在開始時候的水量上升是由于開挖鉆孔引起的水量增大。

(2)水量變化在0～5次，變化不是很大，在5～10次時間段內(nèi)變化較大，總的排水量由96 m3/h減小到13 m3/h，堵水情況得到改善。

(3)注漿治理后，排水量減小到1.5 m3/h，注漿效果明顯，裂隙突水情況得到解決。

通過工程實(shí)際應(yīng)用可知，水泥基-玻璃纖維材料的運(yùn)用有效治理了突水災(zāi)害，與模擬試驗(yàn)結(jié)果吻合，驗(yàn)證了模擬試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，證明了水泥基-玻璃纖維漿液實(shí)際應(yīng)用的可行性。

5 結(jié) 論

針對水泥基-玻璃纖維漿液注漿堵水可行性問題，研究了該漿液對調(diào)節(jié)裂隙發(fā)展的機(jī)理，從斷裂力學(xué)的角度研究了水泥破壞和裂隙產(chǎn)生的3種形式，分析了玻璃纖維對裂隙發(fā)展的影響，推導(dǎo)出裂縫尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子公式；分析了水泥基-玻璃纖維漿液對彈性模量、黏聚力和內(nèi)摩擦角的影響，為水泥基-玻璃纖維漿液在工程中的應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)。所得結(jié)論如下。

(1)通過建立數(shù)值模型，分析4種工況下的位移場分析，計算隧道注漿在形成加固圈為0，3，5，7 m的情況下的應(yīng)力場。結(jié)果顯示，豎向應(yīng)力、水平應(yīng)力和最大主應(yīng)力隨著注漿圈的增加而減小，豎向應(yīng)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；在位移場方面，拱頂最大下沉量為5.8 mm，拱底隆起量為6 mm，注漿加固后，拱頂最大下沉量下降到4.0 mm，拱底隆起量下降到4.3 mm；隧道水平位移為1.6 mm，主要位移分布在拱腳位置，隨著注漿后形成注漿圈的加固，水平位移開始減少，并注漿趨于穩(wěn)定。

(2)針對利萬高速齊岳山隧道注漿加固工程，設(shè)計了一種新型漿液制備系統(tǒng)，結(jié)果表明該系統(tǒng)可以滿足玻璃纖維-水泥基漿液的可注性；通過涌水量監(jiān)測和圍巖變形監(jiān)測，對注漿效果進(jìn)行了檢驗(yàn)分析，得出注漿加固措施起到了顯著的治理效果，驗(yàn)證了模擬試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，證明了水泥基-玻璃纖維漿液實(shí)際應(yīng)用的可行性，為類似工程提供借鑒。