新型注漿材料在巖溶隧道支護中的應用研究

作者簡介：何兆武（1983—），工程師，主要從事橋涵施工工作。

我國西南地區巖溶地質條件發育良好，為交通隧道建設帶來極大的挑戰。為了能夠科學治理巖溶隧道突涌、塌陷等問題，文章通過室內研發、制備新型巖溶地層注漿加固材料，對其開展凝結試驗與抗壓強度等物理性質研究，并依托西南某公路隧道工程對其工程實際應用性與經濟性展開了深入探討，發現新型注漿材料在巖溶隧道支護中取得了良好的加固效果，且具有工期短、經濟成本低的特殊優勢，在巖溶隧道支護中應用前景十分廣闊。

新型注漿材料;巖溶地質;隧道支護;公路工程

U455.7A511843

0 引言

巖溶地貌，亦稱為喀斯特地貌，具有地下水含量高、地質條件差、容易發生突涌事故的特點，給隧道建設帶來極大的挑戰[1-4]。

為有效治理巖溶地質條件的不良影響，李鴻儒[5]依托黔張常鐵路巖溶處理工程，深入分析探討了注漿技術在覆蓋型巖溶路基地段的施工關鍵工藝，并指出巖溶區段路基注漿整治效果顯著，對類似工程具有一定的參考價值。張開偉等[6]引入對稱四級電測深技術，對巖溶注漿加固處理區注漿前后電性參數可能發生的地電參數特征進行分析，并通過電性參數曲線的變化趨勢展開巖溶區域地質條件的注漿加固處理效果分析與評價。韋秋猛等[7]深入分析黃織鐵路鳳凰山隧道穿越巖溶地段所存在的風險，并指出帷幕注漿技術在巖溶地質條件下處理大型泥石混合充填溶腔的能力。

本課題組通過室內研究，制備出含不同速凝劑摻量及水下抗分散劑的新型注漿材料，通過室內試驗及工程應用探討了其在巖溶地質隧道注漿支護中的應用性能與優勢。

1 材料制備與性能檢測

1.1 注漿材料制備

由于巖溶地質含水量較大，為制備本研究所研發的巖溶隧道新型注漿材料，首先需要進行水下抗分散劑選擇試驗，得到抗分散性較好的抗分散劑，確保最終配置出的注漿材料在富含地下水的環境下不會分解破壞。此后，以普通水泥及硫酸鋁鹽水泥為新型注漿材料的主要材料，通過添加粉煤灰、少量建筑垃圾粗細骨料、硅灰及各種外加劑，制備新型注漿材料。為對新型材料進行配比，本試驗還需要制備不同的速凝劑摻量條件下的新型注漿材料，以對比選擇出最佳配比方案，如圖1所示。

1.2 材料性能檢測

在室內對所制備的不同速凝劑摻量的新型注漿材料初凝及終凝時間進行對比分析，設計制備0、0.01%、0.02%、0.05%、0.2%、0.5%、0.8%、1.0%、1.5%、1.8%及2.0%共11個速凝劑摻量的新型注漿材料，以確定材料制備的最佳配比方案。

1.2.1 凝結時間

在室內對各不同速凝劑摻量新型注漿材料的凝結（初凝、終凝）時間進行觀察記錄，得出速凝劑摻量對注漿材料凝結時間曲線如圖2所示。由圖2可知，隨著速凝劑摻量逐漸增大，新型注漿材料的初凝與終凝時間均逐漸減少，在不摻入速凝劑的條件下，新型注漿材料的初凝過程需要115 min;終凝過程需要136 min;摻入0.01%的速凝劑后，初凝時間僅需要38 min，同比降低67%;終凝時間僅需要47 min，同比下降66%。由此可見，速凝劑對新型材料的影響明顯。新型材料的凝結速度隨速凝劑摻量增大不斷提高，是因為原材料水泥中的石膏具有緩凝作用，而摻入的速凝劑含有一定量的鋁酸鈉與碳酸鈉，大量消耗了石膏并提高了注漿材料的凝結速度。

隨著速凝劑摻量的不斷提高，新型材料的凝結速度逐漸加快，但凝結速度增大速率逐漸降低，凝結時間最終趨于一個較穩定的值。如圖2所示，新型材料的初凝時間-速凝劑摻量曲線與終凝時間-速凝劑摻量曲線均具有十分明顯的階段性，且以速凝劑摻量為0.5%為界線。當速凝劑摻量<5%時，隨著速凝劑摻量增大，新型注漿材料的初凝、終凝時間均產生較為明顯的下降;當速凝劑摻量>5%時，新型注漿材料的凝結時間隨時間變化幅度極小，基本處于穩定狀態，初凝時間最終穩定值為8.05 min，終凝時間最終穩定值為12.71 min。綜上可知，從凝結時間上看，速凝劑摻量為5%為最經濟、有效的速凝劑摻量方案。

1.2.2 抗壓強度

為進一步檢測新型注漿材料的承載能力，對終凝結束后并養護不同時間后的新型注漿材料展開抗壓強度試驗，試驗結果如表1所示。由表1可知，新型注漿材料的抗壓強度隨著養護時間增大而逐漸升高，這是由于養護時間越長，水化反應程度越高。進一步觀察到，對于未摻加速凝劑的新型材料，養護28 d條件下其抗壓強度為18.54 MPa，養護7 d條件下其強度為16.22 MPa，僅達到養護28 d條件下的87%。在摻加一定速凝劑后，其養護7 d與養護28 d的材料之間強度相差較小，養護7 d的注漿材料抗壓強度分別達到養護28 d后的0.90%、92%、99%、99%及92%。因此可見，速凝劑能夠加快注漿材料的凝結速度，且能夠達到要求強度的90%以上。

速凝劑能夠提高注漿材料的最終強度，在速凝劑摻量為0條件下經過28 d養護后其強度為18.54 MPa，而摻加一定量速凝劑后，其抗壓強度超過21 MPa，但速凝劑摻量對材料的強度影響不明顯，不同摻量下注漿材料的強度波動較小且無明顯規律。對注漿材料強度有終凝強度增長迅速、早期強度高、后期不倒縮的特殊要求，而本研究所研發的新型注漿材料在摻加速凝劑后，其7 d強度可以達到28 d強度的90%以上，能夠滿足巖溶隧道注漿要求。

2 工程應用研究

2.1 工程概況

某在建高速公路隧道，全長2 390 m，穿越向斜巖溶蓄水構造，預計總涌水量超過1.5萬m3/d，因此出現隧道大規模突涌的風險較大。

2.2 施工要點

本工程開發的高風險巖溶隧道注漿材料具有良好的水下抗力，抗動態水蝕能力強，漿液凝結時間可控，價格低廉，能源充足。根據不同工況，隧道涌水涌泥控制效果較好，適用于隧道軟巖加固、注漿堵水、滲漏水處理、工程搶險等處理，應用前景廣闊。但是在施工過程中應注意以下幾點：

（1）采用注漿加固圍巖裂隙及破碎帶時，考慮到滲入裂縫和小裂縫的時間，適當延長泥漿凝結時間，防止泥漿灌漿、凝結過快造成堵管或補強不足。

（2）灌漿施工嚴格按工藝進行，準確地控制灌漿量，當孔壁壓力突然上升或溢出時，應立即停止灌漿。

（3）灌漿施工是一項隱蔽工程，技術人員和監理人員應全程待命，確保灌漿施工按要求進行。

2.3 效益研究

經過研究發現，新型材料注漿的效益主要有以下幾個方面：

（1）本次研究所提出的新型注漿材料為水泥基灌漿材料，其具有無毒無害、綠色安全環保的特殊優勢，符合國家工程建設要求與發展趨勢，能為工程建設帶來良好的環境效益。

（2）新型注漿材料的漿液灌漿性能好，漿液的初、終凝時間可控，且其早期強度較高，能有效提高工程施工效率。在本工程建設中，大幅縮短了工程建設總工期，為工程節約了大量的成本。

（3）采用上述新型注漿材料展開高風險巖溶隧道注漿處理，處理之后的巖溶隧道的圍巖及地層強度得到了顯著提升。新型注漿材料具有遇水不分散、止水效果好等特殊優勢，能夠有效防止隧道施工過程中發生工程地質災害。

3 結語

本文依托西南地區某隧道建設工程，深入研究了新型注漿材料在巖溶隧道注漿及支護中的應用，并得出以下結論：

（1）室內研發、制備適用于巖溶隧道的新型注漿材料，凝結速度隨速凝劑的摻量增加越來越快，5%為摻加速凝劑的最佳方案。摻加速凝劑能夠大幅提高注漿材料的早期強度，養護7 d時間下材料的強度均能夠達到養護28 d的90%以上。

（2）新型注漿材料凝結速度快、早期強度高，在巖溶隧道注漿支護中具有加固效果優、施工進度快及環境效益好的特殊優勢，具有良好的應用前景。

（3）本研究探討了速凝劑摻量的影響而未分析其他成分如水下抗分散劑摻量的影響，仍需要進一步完善以得出工程應用最經濟、最合理的新型材料配比方案。

[1]江思義，吳 福，劉慶超，等.巖溶地區建設用地地質環境適宜性評價——以廣西桂林規劃中心城區為例[J/OL].中國地質災害與防治學報，2019，30（6）：84-93.

[2]張樹東，胡 華，張 宇，等.四川盆地中部高石梯地區深層巖溶儲層水平井地質導向技術[J].天然氣工業，2019，39（10）：42-52.

[3]周 全.明挖基坑巖溶處理施工技術研究[J].四川水泥，2018（5）：139-140.

[4]薛 .黔張常高速鐵路巖溶注漿強化地基沉降特性分析[D].北京：北京交通大學，2018.

[5]李鴻儒.軟弱不良路基巖溶處理施工技術研究[J].黑龍江交通科技，2019，42（3）：31-32.

[6]張開偉，聶慶科，馬清洲，等.巖溶注漿加固處理效果評價中電測深法的應用[J].勘察科學技術，2017（S1）：217-220.

[7]韋秋猛，蘭天仕.巖溶地質隧道施工中注漿技術的應用[J].科技資訊，2010（6）：97-98.