富水砂卵石地层超细水泥注浆模型试验与工程应用研究

刘 光 程

(淮南职业技术学院， 安徽 淮南 232001)



富水砂卵石地层超细水泥注浆模型试验与工程应用研究

刘 光 程

(淮南职业技术学院， 安徽 淮南 232001)

通过室内模型试验进行超细水泥注浆研究，提出了富水、围岩松散等复杂条件下斜井全断面超前预注浆、地面预注浆、壁后注浆的综合处理方法。跟踪监测结果表明，注浆后围岩的稳定性和承载力大幅提高，巷道涌水及断面收敛变形的现象得到有效控制。通过工程实践发现，超细水泥注浆起到止水及加固围岩的作用，对富水巷道需不断止水的状况有所改善，达到了预期的安全性和可行性要求。

富水砂卵石地层； 超细水泥； 注浆； 力学指标

古交2#斜井位于古交市区地下，斜井埋置浅，周边一定范围内的建筑物和构筑物会受到斜井施工扰动的影响。斜井穿越地层是第四系全新冲积层，土质为粉土、砂卵石，稳定性较差且受扰动大，施工后大量地下水渗入，地表下沉较严重。施工导致了围岩应力释放，局部大变形甚至坍塌。围岩状态转为流塑状，在地下水作用下涌入巷道而导致涌泥或坍塌，对周边构筑物及斜井的施工安全造成极大威胁。常用的冻结法止水加固技术仍存在较大的局限性[1]，故需探索一种受施工现场条件、水文地质环境影响较小，又能够满足砂卵石地质条件的土层止水加固技术[2-3]。因此，提出超细水泥注浆技术，并进行室内试验研究。超细水泥注浆技术运用了空间岩体力学及注浆理论，选择注浆参数，浆液在富水砂卵石地层中以合理形式充分扩散，达到对地层进行支护或加固的目的[4-7]。

1　超细水泥注浆技术基本理论

超细水泥浆液在地层中的扩散方式有渗透、劈裂、裂隙和挤压填充，浆液在富水砂卵石地质土层中的扩散规律与地层水的扩散运动规律十分相似。注浆后土质的物理力学指标将会发生改变，注浆固结土体的后期强度、抗剪性能指标黏聚力(c)和内摩擦角(φ)均有所提高。黏聚力、内摩擦角可根据泰勒级数计算出来，其增量分别用Δc、Δφ表示[8]。依照Mohr - Coulomb屈服准则，注浆土层的屈服函数可用式(1)表示：

(1)

Δc、Δφ受到浆液材料、注浆方式及注浆效果的直接影响。根据土层注浆作用原理，假如浆液有效注入率为η，则浆液作用有效范围内土层的Δc、Δφ可用式(2)表示：

(2)

式中：cg—— 浆体的内聚力；

cs—— 浆体的内摩擦角；

kc—— 内聚力变化系数；

kφ—— 内摩擦角变化系数。

2　富水砂卵石土层注浆参数室内试验

2.1试验装置

根据古交2#斜井工程的实际情况，选用安徽理工大学土层注浆中型试验箱进行试验。试验设备由5部分构成，分别是钢结构箱体、可调夹板、钢化玻璃板、注浆动力系统和试验参数同步测定系统。其中，注浆动力系统由动力泵、缓冲装置、搅拌装置组成；试验参数同步测定系统由针式测头、黏度测量仪、压力计组成。钢结构箱体上的盖板采用12 mm的钢板制成，可承受最大注浆压力为1.6 MPa。

2.2注浆试验固结体取样

以超细水泥作为注浆原材料，结合富水砂卵石地层土体实际样本，针对不同注浆参数进行了6组室内试验。采用3种具有代表性的注浆试验固结体：球状注浆固结体；柱状注浆固结体立面；片状注浆固结体。

试验中将细水泥以不同的水灰比注入砂(土)模型中：(1)细水泥浆液水灰比是1 ∶1，注浆压力为1.6 MPa；(2)细水泥浆液水灰比是1 ∶1，注浆压力为1.0 MPa；(3)细水泥浆液水灰比是2 ∶1，注浆压力为1.6 MPa；(4)含砂量12%的黏土地层，浆液水灰比为1 ∶1，注浆压力为1.6 MPa。由试验参数和固结体形状的对比分析可知，同一注浆参数下，注浆体的裂隙渗透性直接影响浆液的扩散范围和效果。砂土层主要为柱状扩散，砂层主要为球状扩散。当注浆原浆液水灰比达到2 ∶1，注浆压力达1.6 MPa时，砂层中浆液扩散为劈裂状且扩散范围较大，但土层整体加固效果不明显。在不同注浆压力和注浆参数下，富水砂土地层土体注浆固结体主要有球状固结体、柱状固结体和状固结体3种主要形式。

2.3注浆固结体力学性能试验

为了得到富水砂土地层注浆固结体的力学性能指标，评判注浆效果，进行了注浆固结体力学性能试验。

为了确保注浆体固结、硬化，注浆结束72 h后方能对注浆体进行取样。依据土工试验国家标准，采取环刀法分层取样。分别沿注浆体高度向下 5.5、10.5、15.5、25.5 cm进行分层。各分层面上设定2个对称测点，距中心线(注浆管)的距离D分别为8、16 cm，测点布置如图1所示。

图1　测点布置图

物理力学性能试验结果见图2、图3、图4。在不同的水灰比注浆条件下，富水砂土地层土体注浆固结体的密实度差别较大。通过1 ∶1和2 ∶1水灰比注浆测点注浆体检测结果可知，前者的密度比后者高10%左右；而前者的测点位置固结体黏聚力比后者低4%左右。

图2　湿密度曲线图

浆液水灰比不同使得富水土体的扩散加固效果表现出明显差异：浆液水灰比越小，浓度越大，在富水砂土地层中的扩散性能就越差，对土体的加固作用主要依靠注浆压力挤压土体，使之密实；反之，浆液水灰比越大，浓度越低，在富水砂土地层中的扩散性能就越好，土体加固主要依靠注浆在压力下渗透进入颗粒间隙产生的胶结作用来实现。挤密注浆主要可提高富水砂土地层的密实度，渗透注浆主要可提高富水砂土地层土体的黏聚力。

图3　干密度曲线图

图4　黏聚力曲线图

在相同的富水砂土地层中，注浆固结体的自然密度及黏聚力随土体深度加深而增大，但固结体内摩擦角和干密度的最大值则出现在注浆孔竖向中间深度范围内，沿注浆孔向上、向下均逐步减小。在同一水平面沿径向，注浆半径8.0 cm比注浆半径16.0 cm时的固结体物理性能指标更优，且注浆半径越大固结体物理性能指标受影响的衰减效果越明显。

3　注浆方案的工程实践

3.1工程概况

古交矿区属古交市所辖，古交电厂燃料运输工程大致呈东西走向。2#斜井地处屯兰井田内，区内地形复杂，切割剧烈，地表被第四系卵石、砂层覆盖，地势较平坦。古交2#斜井中心坐标中，x=4 197 436.482 m，y=37 598 216.843 m，方位角为80°53′25″，净断面面积15.2 m2，倾角16°， 下行掘进。斜井地表土段采取钢筋混凝土结构，基岩巷施工采取锚喷支护，巷道断面为直墙半圆拱。区内有2条河流穿过，地表为第四系卵石层，含水层较多，预计局部地层施工中涌水量可达到130～320 m3h。工作面发生片帮冒顶现象，上部由大量泥沙砾涌出，形成泥石流；随后顶板及帮部围岩压力激增，致使工作面处3架外拱下沉了200 mm，1架帮拱挤回巷道约300 mm。

3.2注浆方案

根据古交矿区2#斜井实际情况及施工要求，确定选用全断面超前预注浆及壁后注浆+地面预注浆的综合方案。采用单液水泥浆及水泥加水玻璃双液浆，32.5普通硅酸盐水泥，水灰比为(5 ∶10)～(2 ∶1)。水玻璃为液体硅酸钠型，浓度为20 ～ 35波美度，模数为2.2 ～ 2.6；孔径为50 mm，孔深为1.5 m，间距为200 mm，布置为梅花状。

(1)全断面超前预注浆。全断面超前预注浆按12 m的段长设计，封闭工作面施工采取四周同距2 m×2 m，斜向角10°预埋10个注浆管的孔口管。

(2)地面预注浆。地面预注浆按斜井斜长考虑，即斜长59～69 m(水平长度为56.8～66.2 m段)段。注浆时沿古交2#斜井方向距中心400 cm处于两侧各布置一排注浆孔，每排4个，间距500 cm。采用钻机施工注浆孔，钻杆直径5 cm作为注浆管，每根长1.5 m。按梅花状布置φ8 mm注浆孔，间距200 mm，每个注浆段布6个孔。

(3)壁后注浆。壁后注浆分上下段进行，上段长20 ～ 60 m，下段长60 ～ 70 m。用取心钻垂直于井壁钻开注浆孔：在上段布孔，φ42 @3 000 mm，穿透井壁处增加0.5 m，每一断面布6个孔；下段布孔，φ42 @2 500 mm，穿透井壁处增加0.5 m，每一断面布6个孔。注浆孔按梅花状布置。注浆管间距20 cm，按梅花状布置。

4　施工后期监测及效果评价

为掌握注浆模型试验的实际工作性能，进一步完善超细水泥浆液在富水砂卵石地层中的实际运动规律，采用RSM-SYS5 声波测井仪监测注浆固结体，评判注浆效果。其中岩石注浆结石体及分界面周边效果如图5所示，斜井断面收敛曲线如图6所示。

图5　注浆结石体取样图

图6　斜井断面收敛曲线

通过对注浆固结体取样进行无侧限抗压强度试验，测得其强度分布区间为 6.0～13.2 MPa。变化区间较大，完全满足室内试验岩心抗压强度应大于等于5 MPa的理论要求。顶底板注浆体的强度明显高于两帮，强度最低的固结体样本取自两帮砂砾层的注浆孔。

固结体强度试验表明注浆效果良好，质量达到设计要求。斜井富水砂卵石地层注浆结束后，巷道开挖施工中看到注浆土层密实、坚硬，空隙很少，斜井地层的承载能力和稳定性都大大提高。巷道掘进及后期生产中都没有出现较大的涌水、坍塌现象。工程应用实践表明，细水泥注浆加固砂卵石地层，能有效地将涌水量控制在10 m3h以下，是一种有效堵水并加固围岩的实用方法。

施工现场跟踪监测表明，注浆完成60 d时围岩断面收敛率最大(收敛率为1.8 mmm)，之后收敛速度趋缓，至95 d左右斜井断面变形平稳。这种现象表明，应用细水泥注浆加固砂卵石，经过一段时间后巷道变形可趋于稳定。

5　结　语

室内试验结果表明，富水砂土地层采用注浆止水和加固时，水灰比是影响被注砂层的物理力学性能的重要因素。当水灰比小于2 ∶1时，浆液黏度较小。随着水灰比的增大，其流动性、可灌性也逐步增大，注浆效果也越好。

现场监测结果表明，超细水泥注浆后的砂卵石地层承载能力和稳定性都大幅提高。巷道掘进及后期生产中都没有出现较大的涌水、坍塌现象，且巷道收敛变形得到有效控制。

工程应用实践表明，超细水泥注浆技术施工安全、工艺可行，起到了止水及加固围岩的综合作用，改善了富水巷道需要不断止水的状况。

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ExperimentandEngineeringApplicationResearchofUltra-FineCementGroutingModelinWater-RichSandyGravelStratum

LIU Guangcheng

(Huainan Vocational and Technical College, Huainan Anhui 232001, China)

Throughindoormodelexperiment,ultrafinecementgroutingresearchwasconductedinthispaperanditputforwardacomprehensivetreatmentprogramofadvancedpre-grouting,surfacepre-groutingandwallgroutingforinclinedsectionundercomplexconditions,suchaswater-richandsurroundingrockloose.Sitemonitoringindicatesstabilityandbearingcapacityofsurroundingrockaftergroutinghavebeengreatlyimproved,andthesectionofroadwaygushingconvergencedeformationhasbeeneffectivelycontrolled.Engineeringapplicationshowedfinecementgroutingplayedaroleinsealingandstrengtheningthesurroundingrock,andcouldimprovetheconditionofkeepingsealingwater-richroadways.Andthetechnologyalsomeetstheneedsofsafetyandfeasibilityinconstruction.

water-richsandygravelstratum;ultra-finecementgrouting;slipcasting;mechanicsindex

2015-11-30

安徽高校自然科学重点项目“深井软岩及动压影响下硐室群围岩控制与支护关键技术研究”(KJ2015A346)；安徽省高校省级优秀青年人才基金项目“深井软岩巷道底臌综合治理关键技术研究”(2012SQRL257)；淮南职业技术学院自然科学基金项目“深井高应力大变形软岩巷道新型复合支护技术研究及应用”(HKJ14-2)；2013年淮南职业技术学院精品课程“地基与基础工程”

刘光程(1982 — )，男，硕士， 讲师，研究方向为岩土工程与新型混凝土支护。

TE256

A

1673-1980(2016)04-0025-04