巖溶段隧道注漿主要控制因素分析

(重慶交通大學(xué) 重慶 400074)

一、概述

在隧道工程中，注漿加固的作用主要有以下幾點(diǎn)：(1)形成穩(wěn)定的承載結(jié)構(gòu)；(2)提高圍巖的強(qiáng)度(3)改善地質(zhì)環(huán)境。注漿加固可以使原本較破碎的巖體重新聯(lián)結(jié)加固形成整體，承載能力有較大提升；有工程實(shí)例表明，注漿加固可以增加圍巖的內(nèi)摩擦角及粘聚力，提高整體穩(wěn)定性[1-2]。

巖溶地區(qū)注漿的特點(diǎn)主要有：工程量大、施工難度大、處理時(shí)間較長等。而我國還沒有相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)可以參照?qǐng)?zhí)行，很多問題需要從業(yè)者自己按照實(shí)際情況和借鑒其他工程經(jīng)驗(yàn)自行解決。

目前，影響注漿效果和質(zhì)量的主要因素有以下幾點(diǎn)：注漿壓力、注漿材料及配比、注漿厚度等。

二、注漿壓力

注漿壓力的主要作用分為兩部分：一方面是克服漿液自身的粘聚力和內(nèi)摩擦力，另一方面則是需要克服注漿管道和漿液傳播路徑上的摩擦力和阻力。

(一)注漿壓力對(duì)注漿的影響。注漿壓力與漿液在巖體裂隙中擴(kuò)散的深度是成正比的，適當(dāng)增加壓力，可以更好的對(duì)巖體內(nèi)部的裂隙進(jìn)行擠密壓縮，同時(shí)可以減少注漿孔的數(shù)量，達(dá)到降低工程成本的目的。

提高注漿壓力對(duì)注漿效果的影響主要體現(xiàn)在下列幾個(gè)方面：

1)在高壓力作用下，可使巖體中原有裂縫在彈性范圍內(nèi)擴(kuò)大尺寸，使得較小的裂縫也能有漿液注入；

2)高壓會(huì)對(duì)地層施加一部分預(yù)加應(yīng)力，可以抵消一部分上部結(jié)構(gòu)的荷載，使巖體的承載力得到加強(qiáng)；

3)同時(shí)可以擠壓地層，使地層更加密實(shí)，承載力得到提高。

當(dāng)然，注漿壓力過大也會(huì)造成不良反應(yīng)，如：過高的壓力會(huì)使巖體變形突破彈性階段，進(jìn)入塑性變形；而在裂縫較寬的地方，較大的壓力會(huì)使?jié){液流到很遠(yuǎn)的地方，造成不必要的浪費(fèi)。

(二)注漿壓力控制。在巖溶地區(qū)，如何控制注漿壓力，是注漿工程質(zhì)量保證的重要問題。注漿壓力的控制方式一般有兩種：一次升壓和分次升壓。

1)一次升壓。一次升壓就是開始注漿時(shí)，一次性將壓力上升到設(shè)計(jì)壓力值；該方法一般適用于巖層比較完整，斷裂較少的情況。

2)分次升壓。分次升壓又分為兩種：連續(xù)分次升壓和間斷分次升壓。連續(xù)分次升壓是指將注漿壓力分級(jí)依次遞增到設(shè)計(jì)壓力值；間斷分次升壓是指在兩次加壓之間留有一定的時(shí)間間隔，逐步將壓力上升至設(shè)計(jì)壓力。

三、材料選擇及配比要求

巖溶地帶的注漿工程，注漿材料的理化性能與巖溶地區(qū)地質(zhì)情況是否匹配，是選擇注漿材料時(shí)應(yīng)考慮的主要因素。常見的注漿材料有三種：水泥注漿材料、化學(xué)注漿材料、有機(jī)高分子材料。其中，水泥注漿材料是目前應(yīng)用最廣泛、經(jīng)濟(jì)效益最好的注漿材料，本文也將以水泥注漿材料為主對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)分析。

(一)注漿材料的選擇。巖溶隧道注漿具有規(guī)模大、注漿壓力大、強(qiáng)度要求高、環(huán)保要求高等特點(diǎn)，水泥類漿液因其成本較低、穩(wěn)定性高、強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，是目前被廣泛采用的注漿材料。水泥漿液主要使用的幾種材料為：水、水泥、砂和外加劑。

1.水。水在注漿材料中的作用主要分為兩個(gè)方面：一方面是為漿液中的固體顆粒提供流動(dòng)性，使其能夠順利地進(jìn)入巖體的縫隙中；另一方面水可以與漿液中部分物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，二者共同生成具有一定強(qiáng)度和密實(shí)性的物質(zhì)，加固圍巖。

2.水泥。水泥是一種硬性無機(jī)膠凝材料，呈粉末狀，在空氣中或水中能硬化，可以作為漿液的骨架材料，對(duì)漿液的整體強(qiáng)度有較大的提高[5]。

用于注漿的水泥需要在強(qiáng)度、細(xì)度和耐蝕性幾個(gè)方面滿足要求，在相關(guān)規(guī)范[6]中有明確要求：用于帷幕注漿的水泥其標(biāo)號(hào)不應(yīng)低于425，細(xì)度要求是通過孔徑為80μm的篩子篩余量不大于5%。

3.砂。注漿所選用的砂可為堅(jiān)硬的天然砂或人工砂，對(duì)砂的粒徑也有相應(yīng)的要求，砂的粒徑選擇主要取決于巖石中裂隙、空洞等因素，同時(shí)還與灌注條件等有關(guān)。

4.外加劑。在對(duì)水泥漿液的密度、流變性和稠化時(shí)間等因素有特殊要求時(shí)，可以在漿液中加入一定量的外加劑，使其某一方面的性質(zhì)滿足特殊的要求。而在巖溶地區(qū)，帷幕注漿常用的外加劑為水玻璃，其實(shí)質(zhì)是一種速凝劑，作用是加快水化作用的進(jìn)程，增強(qiáng)漿液的早期強(qiáng)度。

(二)漿液水灰比的選擇及變換。注漿漿液水灰比的選擇是注漿工程質(zhì)量控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，也將直接影響工程施工難度和效率。

若采用較大的水灰比，則漿液的流動(dòng)性強(qiáng)，能夠滲透到巖體中的微小裂隙之中，但是較大的水灰比則會(huì)導(dǎo)致漿液凝結(jié)后整體強(qiáng)度不高的問題；若采用較小的水灰比，則漿液結(jié)石后強(qiáng)度高且密實(shí)性好，但是漿液會(huì)過早凝結(jié)，易堵塞注漿通道，導(dǎo)致注漿壓力增大。在巖溶地區(qū)，應(yīng)當(dāng)采用較低的水灰比，不然地下水可能會(huì)導(dǎo)致結(jié)石的均勻性差、密實(shí)性低。

在漿液灌注過程中，漿液的水灰比是一個(gè)變化的過程，大多數(shù)注漿工程是漿液由稀到濃的注漿過程。水灰比較大的漿液流動(dòng)性較好，能優(yōu)先將巖體中的細(xì)小的裂縫和空洞進(jìn)行灌注，隨后逐步提升漿液的濃度，再對(duì)較大的裂隙和空洞進(jìn)行填充。

四、加固圈厚度

加固圈厚度是影響注漿效果的重要因素，厚度不足會(huì)導(dǎo)致滲水量過大，而厚度過大則會(huì)造成不必要的浪費(fèi)，如何確定一個(gè)合適的注漿加固厚度，是目前需要研究的問題。

關(guān)于該問題，相關(guān)學(xué)者由Waganer與Kolymbs理論[7]研究得到了隧道中的排水量的計(jì)算公式，在此基礎(chǔ)上，李立新、鄒金鋒[8]通過水流耦合和滲流耦合原理，總結(jié)出了注漿加固圈中滲流量的計(jì)算公式，可為相關(guān)工程提供參考借鑒。

五、結(jié)論

隨著隧道工程建設(shè)的發(fā)展，目前最理想的注漿材料在成本條件可行的條件下應(yīng)具有以下的性能和優(yōu)點(diǎn)：漿液凝結(jié)時(shí)間適當(dāng)且可調(diào)整、在水中具有良好的性能、后期強(qiáng)度高且不溶于水。

本文總結(jié)了影響巖溶地區(qū)隧道注漿的相關(guān)因素，可為行業(yè)從業(yè)者提供一定的參考和借鑒。