硬質(zhì)巖地層隧道注漿堵水材料配比及注漿工藝研究

高生苗

(中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 北京市 102600)

隧道在富水地層時(shí)，為了保證后期的運(yùn)營安全，一般采取注漿堵水措施。注漿能在周邊巖體形成一個(gè)加固圈，起到加固隧道周邊巖體、封堵裂隙水的作用，能較好地解決隧道突水、突泥的問題。注漿材料應(yīng)結(jié)合地質(zhì)條件、地下水情況合理選用，注漿材料的性能，直接影響隧道注漿止水的成敗[1]。

1 工程概況

1.1 隧道概況

南莊嶺隧道位于浙江省臺(tái)州市仙居縣，隧道起訖里程為DK89+573～DK93+656，全長4083m。隧道DK90+213～DK90+305段埋深較淺(見圖1)，約6～16m，地表植被茂密，為果園和灌木叢。DK90+290處隧道洞頂為一沖溝，臺(tái)風(fēng)或暴雨過后，溝內(nèi)水量明顯增大。

圖1 南莊嶺隧道滲水段縱斷面

1.2 地質(zhì)概況

(1)工程地質(zhì)

隧道DK90+213～DK90+305段開挖揭示地質(zhì)情況為凝灰?guī)r，強(qiáng)風(fēng)化，巖體極破碎，呈角礫碎石狀松散結(jié)構(gòu)，裂隙很發(fā)育，泥質(zhì)充填，風(fēng)化程度不均，為V級圍巖。

(2)水文地質(zhì)

工點(diǎn)范圍內(nèi)地下水主要為基巖裂隙水，賦存于基巖風(fēng)化層及裂隙中。由于圍巖裂隙很發(fā)育，賦水空間聯(lián)通性好，雨后隧道內(nèi)滲水量大(見圖2)。

圖2 隧道內(nèi)滲漏水情況

1.3 隧道施工現(xiàn)場概況

南莊嶺隧道內(nèi)滲水量隨洞外降雨量大小變化明顯，在暴雨過后洞內(nèi)水量明顯增大且具承壓性。2019年7月3日本地區(qū)突降暴雨，局地降雨量達(dá)到200mm/d。伴隨降雨的持續(xù)，洞內(nèi)水量程逐漸增大的趨勢，隧道內(nèi)最大涌水量2000m3/h。為提高注漿止水效果，需要對地層特點(diǎn)進(jìn)行分析，并選擇一種填充性好、凝結(jié)快、耐久性好的注漿材料。

2 硬質(zhì)巖地層滲漏水特點(diǎn)

硬質(zhì)巖破碎帶的地層，一般裂隙連通性較好，在降雨過后，地表水下滲較快。隧道洞身位于此種地層中時(shí)，施工過程中洞內(nèi)水量會(huì)隨局地降雨變化而變化，若未采取有效的注漿措施，鐵路運(yùn)營期間極易發(fā)生滲漏水病害，對運(yùn)營安全影響較大。

3 現(xiàn)有常用注漿材料的優(yōu)缺點(diǎn)分析

通過調(diào)研，目前常用的注漿材料有普通水泥漿、水泥-水玻璃雙液漿。兩種注漿材料的優(yōu)缺點(diǎn)分析如下：

(1)水泥漿：利用水泥與水按比例拌和，常用比例為1∶1。水泥漿價(jià)格較低，凝結(jié)后強(qiáng)度高，但凝結(jié)時(shí)間長，動(dòng)水狀態(tài)下，漿液留存率低，注漿效果很難保證[2]。

(2)水泥-水玻璃：利用水泥、水玻璃按一定比例混合，加水?dāng)嚢柚瞥傻臐{液。該注漿材料，凝結(jié)時(shí)間短，但是施工工藝復(fù)雜，控制不好易發(fā)生堵塞注漿管。注漿材料的耐久性較差，且單價(jià)較高[2]。

表1 注漿材料的指標(biāo)對比表

4 注漿材料的配合比的研究

4.1 注漿材料指標(biāo)

南莊嶺隧道DK90+213～DK90+305段施工期間正值雨季，臺(tái)風(fēng)活動(dòng)頻繁，局地降雨量較大，雨后洞內(nèi)水量、水壓較大。因此用于隧道注漿材料應(yīng)兼具以下性能：漿液流動(dòng)性好、水下抗分散性能強(qiáng)、抗壓強(qiáng)度高、動(dòng)水留存率高、凝結(jié)時(shí)間適宜、耐久性好，同時(shí)兼具經(jīng)濟(jì)、環(huán)保。通過研究分析，主要的控制指標(biāo)為流動(dòng)度、動(dòng)水留存率和凝結(jié)時(shí)間，各項(xiàng)指標(biāo)的參數(shù)應(yīng)滿足表2指標(biāo)控制值。

表2 注漿材料的指標(biāo)控制值

4.2 注漿材料外加劑的選用

注漿材料以水泥為基材，適量添加水下抗分散材料，增加混凝土的粘聚性和填充能力，通過絮凝作用，達(dá)到抗分散效果，通過調(diào)研選用陰離子聚丙烯酰胺作為抗分散劑。聚丙烯酰胺為水溶性高分子有機(jī)化合物[2]，作為絮凝劑具備以下作用機(jī)理：

(1)架橋作用

聚丙烯酰胺可以使混凝土拌和物粘度增大，對分散式泥漿體起到穩(wěn)定作用。

(2)表面活性作用

分子中有親水和憎水基團(tuán)，有表面活性，可降低表面張力，有利于粒子分散穩(wěn)定。

(3)橋鍵作用

各種粒子的結(jié)合，形成穩(wěn)定橋鍵，使?jié){液失去流動(dòng)性，拌和物粘度顯著提高，出現(xiàn)更多凝膠體。

4.3 注漿材料配比試驗(yàn)

外加劑的摻量范圍需要通過分組配比實(shí)驗(yàn)，通過測定各項(xiàng)性能指標(biāo)是否能滿足硬質(zhì)巖地層注漿的各項(xiàng)性能要求，制定合適的配比。

(1)水下抗分散性

水下抗分散性的測試可通過觀察和PH值測定相結(jié)合的方法來判斷抗分散劑的效果。

①觀察法是將加入抗分散劑的漿液直接倒入水中，觀察漿液在水中的凝固效果。分別將未摻抗分散劑和摻入0.4%、0.5%、0.6%的外加劑進(jìn)行試驗(yàn)。未添加抗分散劑的水泥漿倒入水后迅速分散，摻入抗分散劑的水泥漿有明顯的不易溶解，易結(jié)成團(tuán)。

②注漿材料對隧道混凝土材料耐久性有一定影響，需要對注漿材料的PH值進(jìn)行測定。將300ml漿液倒入1000ml水中，通過對倒入水中的材料靜置5mim，測試其PH值不應(yīng)大于9[3]。通過測試，摻入抗分散劑的材料的PH值基本無變化，PH值為7.1～7.3。

(2)漿液強(qiáng)度測試

將未摻抗分散劑和摻入0.4%、0.5%、0.6%[4]外加劑的水泥漿液(1∶1水泥漿)進(jìn)行試驗(yàn)，分別進(jìn)行水、空氣中的抗壓強(qiáng)度測試，抗壓強(qiáng)度值如表3。

表3 抗壓強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)表(單位：MPa)

通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，試件在水中和空氣中的強(qiáng)度比均大于80%[5]。試件的強(qiáng)度隨著摻量的增加而逐漸降低，摻量大于0.5%后，強(qiáng)度下降明顯，因此，摻抗分散劑的摻量不應(yīng)大于0.5%。

(3)動(dòng)水留存率測試

將未摻加抗分散劑和摻加0.4%、0.5%、0.6%外加劑的水泥漿液(1∶1水泥漿)進(jìn)行試驗(yàn)，在一定水流速條件下的留存率，以此來評價(jià)漿液的抗動(dòng)水沖刷性。本次試驗(yàn)通過自制水槽在室內(nèi)進(jìn)行。分別選取水流速為0.5m/s和1.0m/s進(jìn)行試驗(yàn)。留存率見表4。

表4 動(dòng)水留存率統(tǒng)計(jì)表

試驗(yàn)結(jié)果表明，摻加抗分散劑的注漿材料動(dòng)水留存率明顯提高。

(4)注漿材料的配合比的確定

通過試驗(yàn)研究，最終確定注漿材料為1∶1水泥漿，水泥采用普通硅酸鹽水泥，抗分散劑采用陰離子聚丙烯酰胺，摻量為0.5%。

5 注漿工藝參數(shù)的選定

為保證注漿質(zhì)量，在注漿前選取了試驗(yàn)段進(jìn)行注漿試驗(yàn)，對注漿壓力、注漿孔間距等參數(shù)進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)。試驗(yàn)段長度30m，對注漿孔間距1.5m、2.0m、2.5m[6]各施做10m，注漿壓力控制在0.5～1.0MPa，注漿范圍為開挖輪廓線外5.0m。

注漿完成后，對注漿效果進(jìn)行打孔檢查，檢測注漿效果，通過取芯檢驗(yàn)注漿擴(kuò)散情況、裂隙的填充效果以及滲水量大小判斷注漿效果。裂隙填充率大于95%，延米滲水量不大于1m3/d。滿足上述條件，則認(rèn)為注漿達(dá)到效果，注漿達(dá)到效果后方可進(jìn)行開挖。

通過取芯，注漿孔間距1.5m的巖體漿液飽滿，注漿止水效果較好；注漿孔間距2.0m、2.5m的取芯發(fā)現(xiàn)部分裂隙內(nèi)沒有漿液填充，效果不理想，且局部仍有滲水，需進(jìn)行補(bǔ)充注漿。因此，選用注漿間距1.5m，注漿范圍為開挖輪廓線外5m(見圖3)，注漿壓力為0.5～1.0MPa。

圖3 徑向注漿堵水橫斷面

6 結(jié)論

對硬質(zhì)巖地層地下水滲漏特點(diǎn)進(jìn)行分析，通過摻加外加劑改善注漿材料的性能，并通過試驗(yàn)確定了合理摻量。結(jié)合現(xiàn)場試驗(yàn)，確定了合理的注漿工藝參數(shù)，使得在硬質(zhì)巖裂隙聯(lián)通性較好地層中的注漿堵水效果大大提高，降低了鐵路后期運(yùn)營風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)也為類似地層的注漿堵水提供一定的參考。