全强风化花岗岩地层注浆参数优化试验研究

钟栋材

(中铁二十四局集团新余工程有限公司 江西新余 338025)

1 引言

随着我国经济建设蓬勃发展，隧道修建数量不断增加，不同地质条件给隧道施工带来挑战。全强风化花岗岩是隧道施工中常见的地层，由于其工程性质的多变性、较低强度及稳定性和工程地质因素的区域性而受到极大关注[1－3]。

全强风化花岗岩围岩隧道施工困难主要有:(1)围岩颗粒小以砂土层为主，力学性能与稳定性受含水量影响较大，易产生难以控制的较大变形，隧道施工风险大；(2)颗粒分布紧密，渗透系数低，注浆浆液难以有效扩散渗透，注浆加固范围与效果难以控制。目前注浆工程的主要理论、材料研究、施工工艺及设备等仍不完善且效果控制一定程度上依赖经验[4－6]。袁敬强[7]进行的注浆室内试验结果及翔安海底隧道注浆经验表明，在全强风化花岗岩地层中注浆时浆液扩散形态以劈裂、渗透与挤出压密型为主，但浆液结石体形状不稳定且粘结融合不充分[8－11]。

本文以云南大临铁路勐麻隧道为依托，针对其注浆加固效果不理想的问题，制作了室内注浆模拟系统并通过改进注浆浆液性能、调整注浆压力及注浆量3个注浆影响因素，结合地勘报告、岩样筛分及渗透系数测定试验结果，配置出全强风化花岗岩模拟岩样并进行室内静压注浆试验，通过各试验组注浆半径及浆液分布情况确定最优注浆参数，对现场注浆施工提供合理建议。

2 工程概况

勐麻1号隧道位于云贵高原西部临沧地区，隧道进口里程DK201＋732，出口里程DK204＋060，全长2 328 m，最大埋深174 m，最小埋深6 m，全强风化花岗岩地层段占隧道总长的89%。隧址区属中山构造剥蚀侵蚀地貌，河流下切强烈，冲沟发育。勐麻2号隧道位于临沧地区北侧内邦村附近，隧道进口里程DK204＋282，出口里程DK204＋535，全长253 m，全段均为全强风化花岗岩地层，最大埋深46 m，为浅埋短隧道。

两隧址区所穿越全强风化地层段占比大，且岩层风化程度高，节理裂隙较发育，围岩构造破碎，整体性较弱，承载能力及稳定性严重不足，隧道开挖及支护施工极具难度。

3 注浆参数优化试验

3.1 水泥浆液性能优化试验

为更贴近施工实际，得出最适合于注浆施工所需浆液主要参数，根据现场注浆中水泥浆液易沉降稳定性较差、结石体易收缩的问题，此次试验选取水灰比1∶1、水玻璃含量为水泥质量3%的42.5R普通硅酸盐水泥浆为试验用浆。

3.1.1 凝结时间试验

(1)试验方案

为缩短浆液初凝与终凝耗时，使浆液及时具备一定强度以加固围岩，本次试验采用水玻璃(波美度38)作为速凝剂。按是否添加速凝剂设置两试验组，根据《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》要求测定凝结时间。参数见表1。

表1 水泥浆试验基本参数

(2)试验结果

采用《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》推荐方法选用维卡仪测试凝结时间。两组试验初凝、终凝时间见表2。

表2 浆液凝结时间 min

由表2知，添加波美度38、3%水泥质量的水玻璃后，浆液初凝时间由896 min缩至453 min，终凝时间由1 521 min缩至850 min，凝结时间明显缩短，更利于注浆施工。

3.1.2 悬浮剂试验

(1)试验方案

为提高浆液稳定性，研发出一种共聚物水泥悬浮剂，结合初终凝试验结果测试悬浮剂效果。在添加水玻璃的基础上，用量筒取250 mL浆液，静置2 h待浆体上部析出液体体积稳定后，对比各量筒析出液体体积，体积越小则稳定性越好。

按照是否添加悬浮剂及悬浮剂含量设置7个试验组并设置1个无外加剂组，共8个试验组。浆液配置完成静置2 h。浆液参数见表3。

表3 水泥浆液参数

(2)试验结果

悬浮剂试验见图1。

图1 悬浮剂试验

观察各组浆液，试验组5量筒内析出体积最小，即此配比下悬浮剂效果最佳，浆液稳定性最佳。

3.1.3 浆液试验结果

由以上两组试验可知，水灰比为1∶1的42.5R普通硅酸盐水泥中加入3%水玻璃(波美度38)并添加水泥质量1.4%的浆液悬浮剂后，可将初凝时间由896 min缩短至453 min，终凝时间由1 521 min缩短至850 min，且使浆液在及时形成强度的同时增加稳定性，减少作业时颗粒堵管现象。

3.2 室内注浆模拟试验

3.2.1 注浆模型试验装置

为得到最佳注浆参数，研制了室内注浆模型试验模拟系统。该系统由围岩试样模拟箱、吸气式压缩泵、浆液贮存舱、注浆喷头等部分组成，见图2。

图2 注浆模型试验模拟系统

可在围岩试样模拟箱中根据目标研究围岩物理力学参数、岩性成分、含水量等关键参数来模拟围岩，使系统可用于多种围岩的注浆模拟；注浆管可组装匹配实际作业中多种型号喷头。考虑到此次试验各试验组参数，模拟箱尺寸选择(800×500×590)mm的PVC箱，箱体周围设置箍筋防止注浆时箱体变形。

系统基本思路为:首先配置还原围岩；再根据试验方案选择调整注浆喷头参数、注浆压力与注浆量；最终借助压缩泵还原注浆压力，进而得到各试验条件下的注浆效果。系统设计方案见图3。

图3 注浆模拟装置设计方案

3.2.2 模拟岩样配置

本试验从控制砂层渗透系数、孔隙度和级配情况来还原全强风化花岗岩围岩的主要特征。

根据勐麻隧道地质勘查报告，结合浆液试验结果，配置2个试验组。

组1:粗粒含量70%，渗透系数K＝0.461，颗粒级配见表4。

表4 组1粒径分布

组2:粗粒含量50%，渗透系数K＝0.351，颗粒级配见表5。

表5 组2粒径分布

3.2.3 模拟注浆试验方案

(1)试验材料

结合上述水泥浆液性能优化试验结果，设置水泥浆液配置方案，见表6。

表6 模拟注浆浆液配置方案

(2)注浆参数设计

试验采用静压渗透注浆方法。注浆前将注浆管预先埋入模拟岩样后夯实、压密。喷头管为长55 cm、内径2 cm的PPR管，在管道上下侧各设置1个内径8 mm的圆孔，见图4。

图4 喷头管设计(单位：mm)

各试验组注浆量及注浆压力试验参数见表7。

表7 试验组参数设置

(3)试验步骤

配制试验浆液与模拟岩样分别装入浆液存储舱与模拟箱中并对模拟岩样夯实压密，检查系统中管路密封性及压缩泵的连接情况；确认管路连接顺序无误、密封性良好之后打开压缩泵调试压力大小，待压力稳定后打开喷头开始注浆；注浆结束，待浆液强度形成拆除模拟箱，测量记录胶结体尺寸特征、记录并拍照。

(4)试验结果

注浆完成待浆液固结硬化后挖出的结石体形态见图5。

图5 注浆胶结体

拆除模型，测量试样尺寸，计算浆液扩散距离，结果见表8。

表8 注浆半径试验结果

观察浆液结石体形态，注浆后浆液以注浆管的出口为中心向周围扩散。由于浆液水灰比为1∶1、模拟岩样粗粒含量为70%和50%，注浆后浆液的分布扩散空间均较大，为渗透扩散，浆液与岩样结合效果较好，胶结体强度较高，但受限于模拟岩样箱的尺寸，个别试验组中出现了浆液沿箱体内壁扩散流动的现象。

3.2.4 试验结果分析

由表8数据绘制出注浆压力与浆液扩散半径关系曲线，见图6。

图6 注浆压力与扩散半径关系曲线

由图6及表8数据，注浆压力与注浆量对注浆效果影响结论如下:

(1)扩散半径与注浆压力近似呈线性关系，注浆压力越大，浆液在全强风化花岗岩中的扩散半径越大。

(2)与纯水泥浆组对照可见，当注浆压力达0.15 MPa时，无外加剂组渗透半径比其余组稍大。出现这种情况是因为无外加剂浆液黏度较小，浆液注入难度相对较小。

(3)粗粒含量为70%和50%的试验组试验结果可以发现，注浆压力为0.2 MPa时的扩散半径均为400 mm，受制于岩样模拟箱尺寸，实际真实渗透半径应大于400 mm。

(4)本次试验中2组全强风化花岗岩的渗透系数较大，分别为K1＝0.461、K2＝0.351，浆液扩散半径也较大，仅调节注浆压力难以实现最优注浆效果，无法得到最优注浆参数。

(5)由注浆量为15 L试验组结果可知，加固岩体主要分布在模拟箱中下部与注浆管前端，表明注浆时浆液主要沿注浆喷头管外壁流动。

(6)由注浆量为20 L试验组结果可知，胶结体形状特征明显发生变化，主要集中在模拟箱中下部，同时更接近于椭球形。

(7)由注浆量为25 L试验组结果可知，注浆完成后，浆液几乎充满了整个箱体，胶结体形状接近模拟箱，胶结效果较好并具有相当强度，仅少量未胶结的全强风化花岗岩掉落。

对比分析各组结果可知，浆液渗透扩散体的大小及形状特征受注浆量大小影响，随着注浆量的提升，渗透扩散体体积越大且形状越规则。

4 注浆参数优化建议

根据对注浆浆液性能改善试验及室内注浆模拟试验结果分析，对注浆参数提出以下建议:

(1)注浆浆液

水泥:浆液采用普通硅酸盐水泥配置的水泥浆，水泥类型为42.5R，水灰比1∶1。

外加剂:外加剂主要采用水玻璃和悬浮剂。水玻璃波美度为38，用量为水泥质量的3%；悬浮剂为自行研制，用量为水泥质量的1.4%。

(2)注浆压力

根据图6注浆压力与浆液扩散半径关系曲线可知，随着注浆压力的提升，浆液渗透扩散范围越大，但为保持浆液的扩散形式为渗透扩散，需将注浆压力水平进行限制，不能过大，因而注浆压力取0.20 MPa。

(3)小导管间距

由注浆模拟试验所得注浆压力为0.2 MPa时，浆液扩散半径至少为40 cm，再结合现场隧道开挖和注浆条件，基于安全考虑，选取注浆小导管间距为35 cm。

5 结论

在水灰比为1∶1的42.5R普通硅酸盐水泥中添加水泥质量的3%、波美度38的水玻璃可有效优化浆液凝结时间；悬浮剂可提高浆液稳定性且添加量为水泥质量的1.4%时稳定性最优；扩散半径与注浆压力近似呈线性关系，注浆压力越大浆液扩散半径越大。