弱膨胀岩注浆前后干湿变形特性试验研究

张乾俊

(中铁十九局集团第一有限公司安全质量监察部，辽宁 辽阳 111000)



弱膨胀岩注浆前后干湿变形特性试验研究

张乾俊

(中铁十九局集团第一有限公司安全质量监察部，辽宁 辽阳 111000)

摘要：以宝兰铁路郭家镇第三系泥岩(弱膨胀岩)隧道仰拱遇水隆起病害为工程依托，采用干湿循环变形测量装置，分别对现场所取的原状土样和经注浆处理后的土样进行了室内浸水及干燥试验，以研究其膨胀机理，为隧道施工及质量控制提供技术支持。对比分析试验结果得到：两种试样浸水后，都会产生一定程度的膨胀变形，且最终均趋于稳定，但发现原状试样发生的变形量较大、达到10.52 mm，而经注浆作用后的试样，其膨胀变形量较前者明显减小、仅为4.11 mm；干燥作用下，原状试样较注浆试样的收缩量也明显。可见，膨胀岩具有遇水膨胀、失水收缩的特性，且膨胀特性更为明显，而注浆能够达到强化膨胀岩内部结构、抵抗膨胀和干缩作用的目的。

关键词：弱膨胀岩隧道；仰拱隆起；浸水；膨胀；干燥；收缩；原状土样；注浆

弱膨胀岩由于其特殊的微观结构，对水具有较强的敏感性，受水浸湿后，强度大大降低，膨胀软化；干燥后，又会失水收缩，引起围岩和支护变形，导致隧道拱顶坍塌、仰拱隆起或开裂等现象，给施工带来安全威胁。

随着西部大开发战略的实施，弱膨胀岩隧道的施工变形控制技术及质量监测受到了国内许多学者的重视。李国富[1]针对膨胀岩巷道在工程扰动下的膨胀、扩容等现象，系统的分析了膨胀岩的变形机理，指出其吸水膨胀是由于在水的作用下形成强结合水层引起的。赵福善[2]以马家坡隧道仰拱的隆起变形现象为例，采用现场勘测与取样检测相结合的方法对隆起原因进行了分析，并提出了适合该工程的支护参考方案。曾贤[3]分析了三联隧道仰拱隆起变形的情况，对病害的原因进行了合理的论述，并进一步提出了针对该地区软弱膨胀岩的施工处理措施和改进方案。卢爱红[4]利用ANSYS软件对膨胀岩隧道在地应力—水的耦合作用下的变形及受力进行了数值模拟，得到了膨胀岩隧道围岩在不同支护条件下的应力、应变分布情况，为施工提供理论依据。赵飞[5]针对新建云桂铁路膨胀岩的工程特性进行了室内试验研究，以确定其在不同含水量条件下的变形规律，试验结果表明：膨胀岩存在起胀含水量，当含水量小于此含水量时，膨胀变形量很小，而含水量超过此含水量后，膨胀变形则大幅增加。总结这些专家学者的研究成果，发现涉及干湿循环条件下膨胀岩变形的分析甚少。

本文以宝兰铁路郭家镇隧道第三系泥岩地层仰拱隆起为实际工程依托，分析了病害机理，采用自制的干湿循环试验仪器研究了原状土样及注浆后土样在浸水、干燥作用下的变形特性，为软弱膨胀岩隧道地区的施工提出合理的理论、技术支持，保障铁路安全运营。

1 工程概况

郭家镇隧道地处天水市郭家镇西北部，穿越黄土梁峁等地区，其进口毗邻高速公路，出口位于背后沟，交通十分便利。地面高程为1 340～1 650 m。坡度约为20～45°，沟谷较深，多呈“V”字型分布，坡上被较多风积黄土所覆盖，斜坡下部及沟心处存在大量第三系泥岩(弱膨胀岩)。起讫里程为IDK827+931.1～ IDK833+062，全长5 131.386 m。隧道途经地区属黄土高原区，该地区地下水分为黄土孔隙裂隙水和基岩裂隙水。前者主要存在于黄土中，而后者则大面积的赋存于泥岩和片岩中。泥岩由于结构较为致密，产状平缓，节理裂隙不发育、渗透性差等构造特点，不利于地下水的储存和运移，故仅在局部孔隙发育地段存有少量地下水。

在IDK828+717～828+851、IDK829+141～829+322等处均发现隧道中心位置有不同程度的仰拱隆起，最大隆起值达到22 cm，表面裂缝宽度约为1.5～4 cm。有必要对隧道弱膨胀岩的遇水膨胀等特性及采取的针对性措施的效果进行研究。

2 室内试验结果及分析

2.1 浸水试验

2.1.1 试验仪器

设计思路如图1所示，该装置由加压设备、压力室、传压杆、电位计、电脑和进水装置组成，结构简单，操作方便，能通过电脑与电位计配合对变形数据进行实时监测，采用自下而上的补水方式，保证试验土样充分浸水，进水管下方带有控制阀门，可调节浸水量。

图1 浸水装置示意图

2.1.2 试验方案

本文采用对比试验，一组为原状土试样，另一组为相同条件但经注浆处理过的试样，试样高度均为8 cm，底面积为30 cm2。

2.1.3 试验步骤

(1)分别将两组试样置于压力室内，并通过加压设备对压力室及内部土样施加应力。

(2)待土样在外加应力作用下变形稳定后，打开进水管下方的控制阀，对土样进行补水，直至饱和。

(3)待土样在浸水作用下稳定后，根据电脑所记录的变形数据，绘制变形曲线，掌握其变形规律。

2.1.4 试验结果分析

试样浸水试验结果见表1和图2。

综合分析表1及图2中数据发现，两类土样均先在轴向压力的作用下达到压密变形稳定，浸水后均产生膨胀变形，最终也逐渐趋于稳定。通过对比曲线发现，两者的变形规律相似，但经注浆作用处理后的土样，其浸水后产生的膨胀变形量要明显小于原状土样。再根据表1中所示数据，原状试样的膨胀变形量达到10.52 mm，膨胀系数也较大，为0.13；而经注浆处理后的试样遇水后产生的膨胀量仅为4.11 mm，膨胀系数也仅为0.05，较原状试样有大幅度的减小。结合弱膨胀岩吸水膨胀的机理，分析产生此现象的原因认为：膨胀岩主要由蒙脱石、高岭石和伊利石构成，其内部晶胞活跃性很强，以致水分子很容易分散于其中，大大降低了颗粒之间的引力，引起土体膨胀。但对土样进行注浆后，浆液对软弱结构面有强化作用，对颗粒间引力的减小有一定的抑制作用，注浆后的结构稳定性显著增强，达到抵抗膨胀变形的目的。

表1 原状试样与注浆后试样膨胀与收缩变形数据

图2 原状土样与注浆土样浸水试验对比曲线

2.2 干燥试验

2.2.1 试验仪器

干燥装置(如图3所示)主要由5部分组成，分别是：加载装置、加热装置、保温材料、金属温度计、温度控制装置。该装置上部开有两个孔，一个用于放置金属温度计，另一个允许传压杆通过。

图3 干燥装置

2.2.2 试验步骤

试验过程中，将装有土样的压力室置于干燥装置内部，加载设备通过传压杆作用于压力室内的土样，先对土样进行前面所介绍的浸水试验，待浸水变形稳定后，拔去浸水导管，利用温度控制装置将温度调至试验所需温度(本试验结合现场实际，设置温度为30 ℃)，对试样进行干燥处理。同时利用电位计与电脑，将试样在干燥过程中的变形进行实时采集，最终根据记录数据绘制曲线。

2.2.3 干燥试验结果分析

从表1和图4可以看出，原状试样在干燥过程中产生了稍明显的收缩变形，最大变形量为3.40 mm，对应的收缩系数为0.04；而注浆后的试样收缩变形有所减小，约为1.15 mm，收缩系数也随之降低，为0.01，后者的变形曲线较前者波动更为平缓，达到变形稳定的时间也远小于前者。分析原因认为：弱膨胀岩中的内部结构在失去水分后，颗粒之间的引力迅速恢复，颗粒间紧聚在一起，导致土体收缩，严重时会发生硬裂等现象。然而，对土样进行注浆处理后，由于浆液与膨胀岩内部结构之间形成了高强度的复合结构，虽然干燥过程中水分流失会造成土样体积的减小，但由于复合结构稳定性较强，并不会使土颗粒之间由于引力作用而聚在一起，即不会发生明显的收缩变形。

图4 原状土样与注浆土样干燥试验对比曲线

浸水试验与干燥试验结果有力地说明，对仰拱底部注浆可以有效地降低围岩的膨胀特性，同时也可以达到降低及控制其失水收缩变形的目的。因此，本工程项目在后期施工阶段对仰拱位置在其施工前进行了预注浆，发现仰拱的隆起变形量得到明显的降低，保障了后期施工得以安全、顺利进行。

3 结论

(1)在浸水过程中，原状试样和经注浆作用处理后的试样都会发生膨胀变形，并最终均趋于稳定，变形规律一致，但后者的膨胀量仅为4.11 mm，明显小于前者的10.52 mm，说明注浆具有抗膨胀的作用。

(2)在干燥过程中，原状试样会产生稍显著的收缩变形，变形量为3.40 mm，而注浆后的试样变形较小，约为1.15 mm，说明注浆也能达到抗收缩的作用。

(3)结合图表数据得到，弱膨胀岩具有遇水膨胀、失水收缩的工程特性，但其膨胀性表现的更为明显。例如，原状试样在浸水下的膨胀量达到10.52 mm，而干燥后的收缩量仅为3.4 mm，故工程中对膨胀岩的水分应进行严格控制。

(4)对弱膨胀岩进行注浆处理可以达到强化其结构的目的，大大降低隧道仰拱遇水隆起、失水硬裂等不良工程病害，使施工工程安全，有效地提高隧道质量。

参考文献

[1]李国富,戴铁丁,吕芳礼,等.膨胀岩变形机理与注浆强化技术[J].采矿与安全工程学报,2007,24(4): 444-448

[2]赵福善.特殊地层隧道仰拱隆起原因及工程措施探讨[J].铁道建筑技术,2014(S1): 145-147

[3]曾 贤,任登富.高地应力软弱膨胀岩隧道仰拱变形隆起处置[J].山西建筑,2012,38(27): 204-206

[4]卢爱红,茅献彪,徐金海,等.膨胀岩巷道变形及其控制的数值模拟[J].辽宁工程技术大学学报,2005,24(2): 193-195

[5]赵 飞,汪家林,张莲花,等.新建云桂铁路膨胀岩膨胀特性试验研究[J].工程勘察,2011(6):14-18

An Experimental Study of the Pre-Grouting and Post-Grouting Deformation Properties of Weak Swelling Rock

Zhang Qianjun

(First Engineering Co. Ltd. of the 19th Bureau Group of China Railway,Liaoyang 111000,China)

Abstract:With the disease of the inverted arch of the Guojiazhen Tunnel of the Baoji-Lanzhou Railway made of the 3rd-system mudstone (weak swelling rock), which uplifts when encountering underground water, as the engineering background, a new dry-wet cycling instrument is used to conduct laboratory soaking and drying tests in both the original soil sample taken from the site and the slip-casting-treated soil sample to study the expanding mechanism of them so as to provide technical support for tunneling construction and quality control.Through comparing the test results it is found that both the samples will show a certain amount of expansive deformation after being soaked,and finally tend to be stable. However,it is found thatthedeformationoftheundisturbedsampleisgreater,upto10.52mm,whiletheexpansivedeformationofthepost-groutingspecimenisobviouslylessthantheformer,only4.11mm.Theshrinkageoftheundisturbedspecimenisalsoobviousinthedryingprocess.Itisthusreadilyseenthatexpansiverockhasthepropertyofexpandingwhensoakedwithwaterandshrinkingwhendried,anditsexpansivepropertyisveryremarkable.Itisalsoobviousthatgroutingcanachievetheaimsofstrengtheningtheinternalstructureofexpansiverock,andresistingtheexpandingandshrinkingaction.

Key words:weak swelling-rock tunnel;inverted uplifting;soaking;expansion;drying; shrinkage;undisturbed soil sample;grouting

中图分类号：U455.49

文献标识码：B

文章编号：1672-3953(2016)02-0040-04

DOI：10.13219/j.gjgyat.2016.02.011

作者简介：张乾俊(1971—)，男，工程师，主要从事土木工程施工技术管理工作

收稿日期：2015-12-07