分层注浆技术在破碎岩体地基加固中的应用

2012-03-12贾林刚徐法奎

采矿与岩层控制工程学报 2012年3期

关键词：浆液裂隙半径

贾林刚，徐法奎

(天地科技股份有限公司开采设计事业部，北京 100013)

分层注浆技术在破碎岩体地基加固中的应用

贾林刚，徐法奎

(天地科技股份有限公司开采设计事业部，北京 100013)

简述了分层劈裂注浆的基本理论和简要步骤，结合具体工程实例，根据破碎岩体地基的特点，设计出了注浆压力、浆液扩散半径以及各注浆孔的注浆量等注浆参数，经检验，注浆后有效改善了岩体结构和力学性能，可为同类工程提供有益借鉴。

分层注浆;地基加固;参数设计

Application of Layered Grouting Technology in Foundation Consolidation for Broken Rock

注浆技术经过百余年的发展，在理论上已取得长足的进步，在实践中得到了广泛的应用，尤其是20世纪60年代以来，随着渗透注浆理论、劈裂注浆理论、浆液流变特性等注浆理论研究的深入以及注浆材料、注浆工艺和注浆设备的飞速发展，注浆加固技术应用的工程范围越来越广，从地基处理到大型坝体加固;从岩溶水患治理到流沙层的固沙;从井工开采的井筒加固到露天边坡的稳定，几乎涉及矿山建设、隧道桥梁、水力水电等所有岩土工程和土木工程领域［1－3］。

1 分层注浆理论及注浆施工工艺

分层注浆技术是裂隙岩体劈裂注浆理论的具体应用，劈裂注浆是在地层中给注浆液体施加压力，浆液克服地层的初始应力和抗拉强度，引起岩石和土体的破坏和扰动，岩土体产生裂隙，浆液充填固结裂隙岩体，起到加固地层的作用。劈裂现象首先发生在岩土体垂直于最小主应力的面上。

式中，p0为注浆压力;γ为岩石的密度;h为孔深;ν为岩石的泊松比;σt为岩体抗拉强度;N为用来扩张孔壁的流体压力的比例系数，0～1.0之间;K0为侧压力系数。

一般情况下，完整岩石的抗拉强度在7MPa以上，一般岩体内注浆压力不超过5MPa，因此，完整的岩石很难发生水力劈裂。而在裂隙岩体内注浆时，由于裂隙岩体存在不同形式的软弱面和微小裂隙，强度很低，容易在2MPa左右的较小压力下首先从弱面劈裂或使微小裂隙扩张并导致岩层的变形，软弱面和软弱层的存在控制着劈裂的发生和发展［4］。

劈裂分层注浆工艺一般分为以下几步:

(1)钻孔。钻孔直径一般为80～100mm，首先进行松散层段钻进，采用泥浆护壁，然后下套管，为防止泥浆堵塞裂缝，基岩以下注浆段采用清水钻进，禁止使用泥浆，成孔后，清水冲洗钻孔。

(2)注入套壳料。套壳料又称封闭泥浆，是用膨润土和水泥混合制成的浆液 (膨润土与水泥的比为7∶1)。钻孔成孔后将套壳料从孔口注入孔内，其作用是封闭单向阀管和钻孔壁之间的空隙，迫使从单向阀管压出的浆液注入四周岩土层。

(3)在充满封闭泥浆的钻孔中插入单向阀管(劈裂注浆管)至钻孔底部，单向阀管间用连接件相连，每隔350mm有一组射浆孔，外包橡胶套，注浆时浆液在压力作用下，冲破橡胶套向周围岩层注浆。

(4)在封闭泥浆达到一定强度后，在单向阀管内插入双向密封注浆芯进行分层注浆，止浆阀阻止浆液向上下段窜浆，在固定段通过φ20mm注浆钢管对注浆孔进行注浆，浆液沿着岩体裂缝扩散，达到一定的压力后，提起1m再注浆，这样重复进行至注浆结束。

浆液通过注浆泵给压，经过单向注浆管从钻孔底部逐段向岩土层中注浆，扩展了地层中原有的裂隙，浆液的可灌性和扩散性增大，浆液充满原有裂隙和扩展裂隙且达到一定的压力并稳定后，提起一段再进行下一段注浆，如此反复进行，直至注浆结束，单向阀管注浆示意图如图1所示。

图1 单向阀管注浆示意

2 应用实例

2.1 工程背景

抚顺发电厂厂区位于抚顺西露天矿北帮边坡岩体上，距离抚顺西露天矿边坡坡肩的最近距离为180m，厂区东西长轴方向与抚顺西露天矿北帮边坡平行。对发电厂厂区变形趋势起直接控制作用的地质构造是F1和F1A逆断层，F1逆断层部分段横贯西露天矿坑，F1A断层于厂区中部自西向东穿过。在厂区范围内，F1逆断层倾角52°左右，F1A断层倾角约为60°左右。由于F1A与F1逆断层的倾角不同，形成了“倒三棱体”。

由于露天矿开挖深度和边坡角的逐渐加大，整个北帮边坡有向矿坑临空面移动的趋势，同时在抚顺西露天矿采剥作用下，两大断层活化移动，在断层露头处及断层面上形成了断层破碎带。受厂区所处地理位置、特殊地质环境的影响，厂区内地表及岩层出现了移动变形。由于“倒三棱体”破碎岩体断裂带的存在，在地面上有可能出现台阶式的破坏。破裂岩体地基的变形移动可导致厂房及设备的破坏，而发电机属于对变形比较敏感的生产设备，抗变形能力差。为此，发电厂逐渐开始认识到地质灾害的危害性，加大了对厂区内地质灾害的治理力度。

2.2 地质特性

根据地质勘察资料，厂区内岩土层由上至下为杂填土、粉质黏土、黏土、细砂、粗砂、砾砂、圆砾，基岩为中等风化－强风化混合花岗岩和凝灰质次鞍山岩，第四系地层厚度约12～18m。由地表移动观测分析，F1A断层破碎带及其两侧岩体比较破碎，地表沉降较大，F1A断层破碎带主要由断层泥夹角砾构成，原岩为辉绿岩、凝灰岩等，地质结构疏松，可导水;F1A断层以北是太古界结晶基底和第四系地层，以混合花岗岩和混合岩为主体，并夹有大小不等的斜长角闪岩、变粒岩、浅粒岩残留体，基岩面大致呈北高南低。厂区拟治理区土层的天然孔隙率为42.3～47.5%，压缩系数为0.36～0.44。

分层劈裂注浆法在该工程使用，主要是针对断裂带岩体比较破碎，存在大量裂隙和由于断层的地质运动造成的弱面。一方面浆液充填已产生的岩体破碎裂隙，另一方面由于浆液带压产生挤压劈裂作用，使已有微小裂隙的弱面产生较大裂缝，水泥浆液充填该裂缝，待凝固后，对岩体产生固化作用。

2.3 注浆参数的设计

2.3.1 注浆材料的选择及浆液浓度的确定

常用的注浆材料有水泥注浆、化学注浆和沥青注浆等，与其他注浆材料相比，水泥浆液具有结石体强度高和抗渗性强的特点，既可用于防渗又可用来加固，而且水泥具有来源广、价格便宜、黏结力强、无毒无污染、运输储存方便且注浆工艺简单的特点，因而注浆材料采用32.5普通硅酸盐水泥。

浆液浓度是度量流体粘滞性大小的物理量。浆液浓度的大小直接影响浆液的扩散半径，同时也决定着浆液的压力、流量等参数的确定，从而影响到注浆效果。浓度小，则扩散半径大，但注入水量也多，短时间内大量的水分充填占据着岩体空间裂隙，水泥注入量较少，待水分扩散流失后又留下大量空隙，影响注浆效果;浆液浓度大时，浆液注入岩体后，扩散半径较小，同时也容易堵塞注浆管路，同样注浆效果不好。因此，浆液的配比浓度对注浆效果也非常重要。经反复试验，水灰重量比为1.5∶1～1∶1的配比浓度时，注浆效果较好。在注浆时，每段注浆浆液浓度从初期到结束浆液浓度逐步提高，以利于浆液扩散充填裂隙。

2.3.2 注浆压力的设置

注浆压力是劈裂分层注浆的一个重要环节，关系到浆液扩散范围和注浆效果。一般来说，注浆压力大，扩散半径大，同时可劈裂岩体中的微裂隙，浆液注入充分，可达到较好的注浆效果，但压力大，对注浆设备要求也高，同时对地下埋设物体冲击破坏也大;注浆压力小，扩散半径小，注入水泥也较少。

由于本区域地表下5m范围内地下管道、管线等设施多，为避免冲毁管道、管沟，注浆压力不宜太大。因此，注浆压力设计在0.5～2.5MPa，原则上在岩层下部孔底开始注时压力应大些，在停止本段注浆时压力应维持在2.5MPa左右一段时间，在地表下10m内压力应适当小些，以控制在1.5MPa内为宜。

2.3.3 扩散半径计算及注浆孔的布置

由于复杂的地层条件和各注浆孔布置位置的不同，在分层注浆中，各孔各层位的裂隙发育变化很大，其空隙率完全不同，不管是以球形注浆半径扩散理论还是以柱型半径扩散理论计算所得的注浆半径与实际情况都有较大差别。

在岩层中，理论上计算所得的浆液扩散半径为浆液劈裂岩体的单条裂隙长度，而实际上注浆的扩散半径主要与岩体裂隙的分散度和联通性相关;而处于第四系土层中注浆液的扩散半径与土体的密实度相关。通常情况下，在相同的浆液浓度和注浆压力下，处于地表回填土的表层浆液扩散半径较大、原状土层次之，裂隙普通发育情况下岩体的内注浆其浆液扩散半径最小，但处于断层裂隙带的情况又有不同，其扩散范围视断层活化移动程度和岩体破碎情况而定。

发电厂区内的地质灾害治理主要针对F1A断裂带进行，经综合考虑，确定注浆半径为10m，注浆孔布置需权衡经济投入和治理效果，根据断裂带的变形宽度和断层倾角，布置3排注浆孔，孔深分别为30m，45m和64m。

2.3.4 注浆量及注浆结束标准

注浆量可根据以下公式进行计算:

式中，Q为注浆量;K为浆液有效充填系数，可取为0.9;R为注浆半径，m;H为注浆段，m;α为孔隙充填系数。

为了获得良好的注浆加固效果，确保浆液在有效扩散半径内，有效充填固结破碎岩体，各分段从开始到注浆结束浆液浓度不同:开始浆液浓度较小，然后逐渐加大。同时由于注浆孔深度和位置不同，各孔各层位的注浆量相差较大，这样无法单以注浆量来说明问题，因此采用注浆水泥量作为注浆指标之一。经计算和综合考虑，第1排平均每孔注浆水泥量设计为5～6t，第2排平均每孔水泥量为8t左右，第3排平均每孔水泥量为9～10t。由于每个层位的岩性不同、裂隙发育程度和空化程度不同，每个注浆孔注浆量相差很大，多者达1～2t，少者为数百公斤。

在浆液浓度达到1∶1，注浆孔10m以下时，注浆压力连续1min达到2.5MPa;在10m内时，注浆压力连续1min达到1.5MPa时作为本段注浆结束标准，停止本段注浆，提升注浆芯进行上一段注浆，直至整孔注浆结束。注浆停止深度在地表以下1.5m。