巖溶段隧道注漿主要控制因素分析

(重慶交通大學 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：(1)形成穩(wěn)定的承載結構；(2)提高圍巖的強度(3)改善地質環(huán)境。注漿加固可以使原本較破碎的巖體重新聯(lián)結加固形成整體，承載能力有較大提升；有工程實例表明，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)注漿的特點主要有：工程量大、施工難度大、處理時間較長等。而我國還沒有相關行業(yè)標準可以參照執(zhí)行，很多問題需要從業(yè)者自己按照實際情況和借鑒其他工程經(jīng)驗自行解決。

目前，影響注漿效果和質量的主要因素有以下幾點：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)注漿壓力對注漿的影響。注漿壓力與漿液在巖體裂隙中擴散的深度是成正比的，適當增加壓力，可以更好的對巖體內(nèi)部的裂隙進行擠密壓縮，同時可以減少注漿孔的數(shù)量，達到降低工程成本的目的。

提高注漿壓力對注漿效果的影響主要體現(xiàn)在下列幾個方面：

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

2)高壓會對地層施加一部分預加應力，可以抵消一部分上部結構的荷載，使巖體的承載力得到加強；

3)同時可以擠壓地層，使地層更加密實，承載力得到提高。

當然，注漿壓力過大也會造成不良反應，如：過高的壓力會使巖體變形突破彈性階段，進入塑性變形；而在裂縫較寬的地方，較大的壓力會使?jié){液流到很遠的地方，造成不必要的浪費。

(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，一次性將壓力上升到設計壓力值；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依次遞增到設計壓力值；間斷分次升壓是指在兩次加壓之間留有一定的時間間隔，逐步將壓力上升至設計壓力。

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)地質情況是否匹配，是選擇注漿材料時應考慮的主要因素。常見的注漿材料有三種：水泥注漿材料、化學注漿材料、有機高分子材料。其中，水泥注漿材料是目前應用最廣泛、經(jīng)濟效益最好的注漿材料，本文也將以水泥注漿材料為主對其進行詳細分析。

(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、強度要求高、環(huán)保要求高等特點，水泥類漿液因其成本較低、穩(wěn)定性高、強度高等優(yōu)點，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方面：一方面是為漿液中的固體顆粒提供流動性，使其能夠順利地進入巖體的縫隙中；另一方面水可以與漿液中部分物質發(fā)生化學反應，二者共同生成具有一定強度和密實性的物質，加固圍巖。

2.水泥。水泥是一種硬性無機膠凝材料，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，對漿液的整體強度有較大的提高[5]。

用于注漿的水泥需要在強度、細度和耐蝕性幾個方面滿足要求，在相關規(guī)范[6]中有明確要求：用于帷幕注漿的水泥其標號不應低于425，細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硬的天然砂或人工砂，對砂的粒徑也有相應的要求，砂的粒徑選擇主要取決于巖石中裂隙、空洞等因素，同時還與灌注條件等有關。

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

(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量控制的關鍵環(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，則漿液的流動性強，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導致漿液凝結后整體強度不高的問題；若采用較小的水灰比，則漿液結石后強度高且密實性好，但是漿液會過早凝結，易堵塞注漿通道，導致注漿壓力增大。在巖溶地區(qū)，應當采用較低的水灰比，不然地下水可能會導致結石的均勻性差、密實性低。

在漿液灌注過程中，漿液的水灰比是一個變化的過程，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性較好，能優(yōu)先將巖體中的細小的裂縫和空洞進行灌注，隨后逐步提升漿液的濃度，再對較大的裂隙和空洞進行填充。

四、加固圈厚度

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

關于該問題，相關學者由Waganer與Kolymbs理論[7]研究得到了隧道中的排水量的計算公式，在此基礎上，李立新、鄒金鋒[8]通過水流耦合和滲流耦合原理，總結出了注漿加固圈中滲流量的計算公式，可為相關工程提供參考借鑒。

五、結論

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

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