水泥基- 玻璃纖維注漿液的制備及工程應(yīng)用*

鐘 天，焦玉勇，張國華，張宇翔，黃才彬

（中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院，湖北武漢430074）

巖溶隧道施工中存在的突水、突泥等問題嚴(yán)重影響施工進(jìn)度，給工程帶來巨大損失。因此，如何解決巖溶隧道施工中存在的這些難題，是當(dāng)前施工領(lǐng)域研究的重點。注漿技術(shù)作為解決突水、突泥的手段，可通過注漿材料的封堵和加固，以實現(xiàn)隧道圍巖加固的目的，進(jìn)而減少以上災(zāi)害帶來的損失。但注漿技術(shù)為綜合性技術(shù)，注漿材料更是其中的關(guān)鍵。因此為找到更適合的注漿材料，孫星亮提出在水泥基里加入水玻璃，以提高水泥基的力學(xué)性能［1］；盧偉敏則嘗試在注漿材料中加入高聚物，以提高堤壩防滲性能［2］；朱慶凱嘗試在水泥基中添加玻璃纖維，以提高水泥基的穩(wěn)定性［3］。從以上研究看出，在注漿材料中加入高聚物或者是纖維材料成為當(dāng)前研究的重點。本研究則嘗試在水泥基材料中加入不同的玻璃纖維，并探討不同玻璃纖維及摻量對注漿材料性能的影響。最后嘗試將所制備的材料用于實際工程案例中，以此為巖溶隧道施工提供實際應(yīng)用案例借鑒。

1 試驗部分

1.1 試驗材料與儀器

本試驗主要材料與設(shè)備見表1、表2。

表1 試驗主要材料Table 1 Main experimental materials

表2 實驗主要設(shè)備Table 2 Main experimental equipment

1.2 試驗過程

（1）稱取制備試件所需的復(fù)合硅酸鹽水泥、玻璃纖維A、玻璃纖維B；

（2）按水灰比1:1 比例，將水泥和水倒入JJ-5型行星式膠砂攪拌機(jī)中慢慢攪拌，并放入稱取的玻璃纖維進(jìn)行攪拌。將攪拌完全后的材料倒入刷油過的10cm×10cm×10cm 模具中振搗，使之表面保持平整。最后對制備的試件進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。

（3）分別養(yǎng)護(hù)3d、7d、15d、28d，然后分別進(jìn)行抗壓、抗?jié)B透、抗拉等測試。為得到準(zhǔn)確結(jié)果，不同類型試塊在各個養(yǎng)護(hù)期的測試數(shù)量應(yīng)不少于3 塊。

1.3 性能測試

1.3.1 抗壓強(qiáng)度試驗

用YAW-100/300 型數(shù)字壓力試驗機(jī)分別對試塊進(jìn)行加載，加載速率為 0.5MPa/s。待試塊破壞，停止施壓。讀取試塊遭到破壞后的數(shù)據(jù)并記錄，取3 個試塊的平均值作為最后結(jié)果。若其中一個值與平均值偏差超過15%，則舍棄該數(shù)據(jù)，用其余兩個試塊平均值作為最終結(jié)果［4］。具體試驗過程如圖1 所示。

圖1 抗壓拉強(qiáng)度試驗過程圖Fig. 1 Process diagram of compressive strength test

1.3.2 抗拉強(qiáng)度試驗

（1）在試塊上設(shè)置劈裂墊條，墊條長度比試塊長度多5mm；墊條截面為5mm×5mm；墊條材料為鋼制。確定劈裂墊條位置后利用數(shù)字壓力試驗機(jī)對試塊進(jìn)行施壓，加載速率為6mm/min。記錄試塊遭到破壞時的載荷，并按照抗壓強(qiáng)度實驗處理數(shù)據(jù)方式取其平均值。

（2）得到荷載數(shù)據(jù)后，利用公式(1) 對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以完成載荷與壓強(qiáng)的換算［5-7］，得到最終的抗拉強(qiáng)度結(jié)果。

1.3.4 抗?jié)B試驗

（1）按照1.2 的步驟制備上口直徑185mm，下口直徑175mm，高度210mm 的水泥基試塊；將試塊晾干并清理其表面粉塵。

（2）對抗?jié)B機(jī)和試塊擦油備用并提前檢查抗?jié)B機(jī)工作狀態(tài)，是否存在松動位置，若抗?jié)B管道有氣泡需提前排除。將試塊放入HP-4.0 自動調(diào)壓抗?jié)B機(jī)，分別對試塊施加0.5MPa、1.0MPa 的壓力，施壓時間為1h。加壓完成后將試塊取出并讀取滲透高度數(shù)據(jù)，按照抗壓強(qiáng)度實驗處理數(shù)據(jù)方式取其平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 抗壓強(qiáng)度

表3 為抗壓強(qiáng)度實驗結(jié)果。從表3 可知，摻入玻璃纖維后，水泥試塊抗壓強(qiáng)度明顯增加,添加玻璃纖維后，每種齡期的水泥試塊都達(dá)到了預(yù)期要求。通過與純水泥試塊對比可知，Cem-FIL60 玻璃纖維(A) 比HD 玻璃纖維(B)的抗壓強(qiáng)度效果更為明顯;養(yǎng)護(hù)齡期越大，抗壓強(qiáng)度增加幅度也越大，即Cem-FIL60 玻璃纖維能夠更好地幫助水泥基提高硬化速度和硬化強(qiáng)度。

表3 試塊抗壓強(qiáng)度結(jié)果Table 3 Compressive strength results of test blocks

對比同種類型同等養(yǎng)護(hù)齡期不同玻璃纖維摻入量試塊抗壓強(qiáng)度結(jié)果可知，在摻量為0.5% 時，A、B 兩種纖維的抗壓強(qiáng)度達(dá)到最高，即抗壓強(qiáng)度并非隨著摻量的增加而增加，而是存在一個最佳摻量。經(jīng)實驗證明，A、B兩種纖維的最佳摻量都為0.5%.

2.2 抗拉強(qiáng)度

表4 為載荷/ 壓強(qiáng)公式換算處理后得到的數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果。從表4 可知，加入玻璃纖維后，試塊的抗拉強(qiáng)度明顯優(yōu)化。這是因為水泥試塊結(jié)構(gòu)特性導(dǎo)致的，玻璃纖維本身具備一定的連接能力，在摻入水泥試塊后，摩擦加筋的作用能有效避免水泥間發(fā)生錯動，水泥黏聚力增加，從而抗拉能力增加。

表4 抗拉強(qiáng)度實驗結(jié)果Table 4 Tensile strength test results

另外，通過與純水泥試塊對比可知，Cem-FIL60 玻璃纖維比HD 玻璃纖維的抗拉強(qiáng)度效果更為明顯; 對比同種類型同等養(yǎng)護(hù)齡期不同玻璃纖維摻入量試塊抗拉強(qiáng)度結(jié)果可知，在摻量為0.5% 時，7～28d 的抗拉強(qiáng)度都最高。

2.3 抗?jié)B實驗結(jié)果分折

表5、表6 分別為0.5MPa、1.0MPa 壓力下抗?jié)B結(jié)果。通過表5、表6 看出，壓力越大，試塊的滲透性越大。添加玻璃纖維后，試塊的抗?jié)B性能明顯提高。以純水泥試塊作為參照，Cem-FIL60 玻璃纖維比HD 玻璃纖維對試塊抗?jié)B效果更為明顯; 在相同養(yǎng)護(hù)齡期和玻璃纖維類型下，摻量不同，試塊抗?jié)B性能也有所差異，且在摻量為0.5% 時，試塊抗?jié)B達(dá)到最高。這就說明摻量為0.5%的Cem-FIL60 玻璃纖維更適合運用在實際工程中。

表5 0.5MPa 壓力下抗?jié)B實驗數(shù)據(jù)Table 5 Test data of impermeability under 0.5MPa pressure

表6 1.0MPa 壓力下抗?jié)B實驗數(shù)據(jù)Table 6 Test data of impermeability under 1.0MPa pressure

綜合對比表5、表6 數(shù)據(jù)看出，試塊在1.0MPa 壓力下比在0.5MPa 壓力下的抗?jié)B效果更好，此現(xiàn)象在低齡試塊中表現(xiàn)最為明顯。這說明Cem-FIL60 玻璃纖維摻入量0.5% 制作出來的水泥基- 玻璃纖維材料可以作為封堵高壓水的注漿材料。

3 水泥基- 玻璃纖維漿液在巖溶隧道加固中的應(yīng)用實例

3.1 工程概況

為更好對比以上制備材料的性能，將以上材料應(yīng)用到某工程實例中。該工程所在地區(qū)地質(zhì)特點為巖體比較破碎，灰?guī)r發(fā)育中間夾帶有頁巖發(fā)育。且隧道通過的地方斷層較多，巖溶發(fā)育也比較明顯。在開挖過程中，發(fā)現(xiàn)有大量的巖溶水涌出現(xiàn)象。且在隧道選址背斜出，發(fā)現(xiàn)有大量的裂縫，層理現(xiàn)象。ZK19+245-ZK19+285，ZK20+236-ZK20+276 處位于斷層破碎帶，圍巖破碎程度較高，且在開挖過程中，發(fā)現(xiàn)有小巖塊的脫落，水含量較為豐富，有局部涌水的現(xiàn)象。YK19+340-YK19+920，ZK19+332-ZK19+911 存在較為穩(wěn)定的裂縫水和突水現(xiàn)象，經(jīng)過統(tǒng)計，該隧道涌水區(qū)域共1854m。

3.2 工程注漿堵水加固方案

根據(jù)以上工程概況以及結(jié)合實地工程勘察，以水泥基- 玻璃纖維復(fù)合材料作為注漿加固主體對隧道進(jìn)行堵水加固，具體施工工藝如圖2 所示。

圖2 注漿施工工藝Fig. 2 Grouting construction process

以上步驟中，首先對巖溶隧道進(jìn)行地質(zhì)分析，以判斷隧道突水情況、含水構(gòu)造、水源補(bǔ)給等情況；其次，對涌水處的特征、水壓、水量等進(jìn)行全面分析；進(jìn)而確定鉆孔的密度、排列方式等；對涌水區(qū)域進(jìn)行鉆孔，在綜合分析基礎(chǔ)上得出關(guān)鍵孔。最后安裝膜袋注漿管裝置對孔口進(jìn)行封堵，并分段、分序注入本文制備的水泥基-玻璃纖維材料結(jié)合外加劑混合液對突水處進(jìn)行封堵、加固。

3.3 水泥基-玻璃纖維材料工程制備

本工程用的水泥基- 玻璃纖維注漿材料制備采用圖3 的制備方案。

圖3 工程中水泥基-玻璃纖維材料制備方法[8-10]Fig. 3 Cement-based-glass fiber material engineering preparation system

以上制備方案是在原有的漿液制備方案上進(jìn)行改進(jìn)，原有漿液制備設(shè)備上增加一個第三攪拌桶。純水泥漿液經(jīng)過第二攪拌桶過濾后進(jìn)入第三攪拌筒，在第三攪拌桶中加入玻璃纖維，實現(xiàn)玻璃纖維與水泥漿液的完全混合，同時也保證了漿液的均勻混合。

3.4 注漿治理方案分類

根據(jù)本工程隧道突水災(zāi)害發(fā)生的具體情況，設(shè)計三種治理方案：高水壓、大水量突水注漿，散水注漿和基底周邊加固注漿。以高水壓、大水量突水注漿為例，針對出水量每秒超過 2L 的出水點，以該出水點為圓心開始畫圓，在離圓心較遠(yuǎn)地方開始鉆孔注漿，鉆孔位置由外向內(nèi)慢慢朝圓心位置靠攏，如圖4 所示，具體孔位布置需依據(jù)工程情況而定。將此方案運用在本工程中，在離出水點2～3m 的圓環(huán)上進(jìn)行布孔，根據(jù)工程情況，設(shè)置鉆孔4 個，孔深6～8m，對鉆孔進(jìn)行注漿。繼續(xù)在第二環(huán)設(shè)置孔位注漿，再次對外環(huán)的鉆孔注漿加密，以此提高封堵加固的范圍，實現(xiàn)對涌水的封堵。

圖4 鉆孔布置圖Fig. 4 Borehole layout

根據(jù)圖4 的鉆孔，找到關(guān)鍵孔進(jìn)行施工、加固。

3.5 工程實際應(yīng)用效果

在完成以上施工后，設(shè)置圖5 的孔監(jiān)控方案。

圖5 檢查孔布設(shè)方案Fig. 5 Layout scheme of inspection hole

對上述突水孔進(jìn)行實時監(jiān)控。監(jiān)控結(jié)果如圖6 所示。

圖6 涌水量變化曲線Fig.6 Water inflow variation curve

從圖6 即可看出，經(jīng)過注漿加固后，突涌水得到了很好的控制，證明水泥基- 玻璃纖維材料工程運用效果明顯。

4 結(jié)論

為尋找水泥基- 玻璃纖維材料的最佳配比，本文設(shè)計實驗對不同摻入量、不同種類玻璃纖維、不同養(yǎng)護(hù)齡期的水泥基- 玻璃纖維試塊的抗壓、抗拉、抗?jié)B性能進(jìn)行探討。實驗結(jié)果表明，摻入量為0.5% 的Cem-FIL60玻璃纖維各方面性能最佳，為工程運用中的選擇最優(yōu)配比提供理論支持。具體結(jié)論如下：

（1）加入玻璃纖維后，各個齡期水泥基的抗壓強(qiáng)度比純水泥基有明顯提高。其中Cem-FIL60 玻璃纖維摻入量為0.5%時硬化速度及硬化強(qiáng)度達(dá)到最大。

（2）加入玻璃纖維后，各個齡期水泥基的抗拉強(qiáng)度比純水泥基有明顯提高。且Cem-FIL60 玻璃纖維對抗拉性能的提高明顯優(yōu)于HD 玻璃纖維，在玻璃纖維摻入量為0.5%時，抗拉性能最好。

（3）在不同壓力下對試塊進(jìn)行抗?jié)B實驗，結(jié)果表明在高壓情況下，該材料抗?jié)B性能較好，且Cem-FIL60 型玻璃纖維摻入量為0.5%對水泥塊抗?jié)B性能優(yōu)化效果最為明顯，可作為封堵高壓水的注漿材料。

（4）將制備材料應(yīng)用到工程中，在配合一定的加固方案下，可有效封堵涌水，證實了該材料在實際運用中的可行性。