某膨胀性软岩隧道围岩注浆加固规律研究

2016-12-02李本奎郑俊伟刘晓强张曦呈苑旭光

现代矿业 2016年10期

关键词：软岩周期性水灰比

何毅李本奎,2 郑俊伟刘晓强张曦呈苑旭光

(1.山西江阳工程爆破有限公司;2.太原理工大学矿业工程学院)

某膨胀性软岩隧道围岩注浆加固规律研究

何毅1李本奎1,2郑俊伟1刘晓强1张曦呈1苑旭光1

(1.山西江阳工程爆破有限公司;2.太原理工大学矿业工程学院)

某公路隧道处于较高地应力动压作用下，且隧道围岩膨化、松散，极易失稳、冒落。通过全面分析膨胀性隧道围岩在振动压力作用下的变化规律，采用隧道围岩夯实注浆加固技术改善隧道围岩的三向应力状态并大大提高围岩的承载能力。结果表明，周期性注浆压力有效地提高了膨化、松散隧道围岩裂隙结石度；浆液水灰比的大小直接影响注浆范围的广度与成效；注浆水灰比与注浆压力在很大程度上决定了膨胀性隧道围岩的应力状态和岩体承载性能；膨胀性软岩隧道围岩最佳的加固方法是在周期性注浆压力条件下采用水灰比0.8∶1浆液的联合注浆方式。结果具有较好的现场指导作用。

膨胀性软岩注浆加固周期性压力水灰比

我国软岩隧道支护已形成以锚固与注浆加固为核心的安全高效施工技术[1]。对于膨化、松散、破碎的隧道围岩，孤立的采用锚杆(索)支护，由于锚固剂与松散破碎围岩的黏结力小，达不到支护设计的锚固力要求，锚杆(索)的力学性能不能充分发挥。在这种条件下，注浆加固是隧道围岩控制的有效途径。

长期以来，大量的国内学者对高应力、大变形膨胀性软岩隧道的围岩控制进行深入研究。高应力膨化、松软岩隧道与硬岩隧道的变形特征截然不同，主要表现在3个方面：①围岩变形量大,这是受高应力自身作用的缘故，主要表现为隧道帮部收敛、顶板大面积垮落和底鼓;②围岩变形速率大,在高应力的作用下，变形趋向稳定后仍有较大的流变速度;③围岩变形具有时效性,隧道围岩变形不仅有明显的空间效应,而且有明显的时间效应[2]。如果在变形初期不能采取有效的支护措施，围岩变形会急剧增大，势必导致隧道围岩的失稳破坏。

在围岩的动态变形过程中，注浆动力的形式、注浆材料配合比、注浆扩散半径、水灰比等之间存在着复杂的关系[3]，通过注浆试验，分析隧道围岩变形、变化规律，确定注浆水灰比、注浆动力的形式与注浆扩散半径、注浆围岩强度之间的变化关系，以隧道围岩注浆加固技术为基础，确定适合高应力膨化松散软岩动压隧道围岩改性的相关注浆参数，为类似围岩隧道加固工程提供借鉴经验。

1 工程概况

京昆高速公路盂县—石家庄段某隧道横穿太行山脉底部，从地应力角度，属于深埋隧道，该隧道顶底板围岩基本为中砂岩、细砂岩，其中含泥质成分较高，极易风化，围岩强度较低，属于膨化松散软岩隧道，且该隧道还受到一侧的铁路隧道振动影响，围岩变形破坏程度较大，隧道掘进和维护存在很大的难题。该隧道围岩X射线衍射测定表明[4]，围岩主要由高岭石、绿脱石、伊利石、石英、蒙脱石等矿物组成，表1为隧道围岩各矿物含量，可见围岩中黏土类矿物成分含量较多，高达79.8%，致使隧道围岩强度较低，变形量较大，且极易破碎垮落。

表1 隧道围岩试样的矿物成分 %

2 注浆加固技术

注浆加固技术是一项实用性很强的工程技术，利用高压泵作为浆液输送的动力源，把某些能与岩土体固结的浆液注入到岩土体的裂隙中，通过液体压力将浆液反复作用于注浆自由面，使浆液扩散均匀并且夯实于岩土体裂隙中，使岩土体成为强度高、抗渗性好的新结构体，从而改善岩土体的物理力学性能。

在原金属支架基础上，进行压力注浆加固膨化松散围岩，可以增强支护结构的整体承载能力[5]，保证支护结构的稳定性，注浆加固与原被动支护组成联合支护体系，共同维护隧道围岩的稳定。

3 注浆加固试验

由于该隧道围岩膨化松散且围岩中黏土类矿物成分含量较多，同时受高应力地质条件及相邻铁路振动的影响较大，而且水泥-水玻璃双液浆凝结时间可控[6-7]，因此注浆材料采用水灰比分别为1∶1、0.8∶1、0.6∶1的水泥-水玻璃双液浆，材料配比参数见表2。

表2 注浆材料配合比参数

采用周期性压力注浆试验，计算机控制注浆管内浆液输送压力，注浆完毕后，钻孔取芯并在压力机上进行抗压试验，研究膨化松散岩体强度变化规律以及注浆扩散分布规律，综合评价注浆效果。试验用设备UB0.3型灰浆注浆泵见图2。

图1 注浆设备

4 试验结果及分析

4.1 扩散半径随浆液水灰比的变化规律

将从该隧道中采集的岩样装入注浆室，并安装压力传感器，通过高压注浆管与注浆泵连接，开动注浆泵并设置周期性压力，浆液注入注浆室内的岩体中，试验按3种浆液水灰比依次进行，考察注浆扩散分布规律，测定结果见图2。

图2 不同水灰比的浆液扩散半径随时间的变化

由图2可知，在周期性注浆压力作用下，注浆扩散半径随注浆时间延长不断扩大，最终趋于稳定[8]。当浆液水灰比为0.6∶1时，浆液在围岩中的渗透扩散效果很不理想，浆液扩散范围较小。随着浆液水灰比的提高，浆液流动速率及扩散范围明显增大，当浆液水灰比为1∶1时，浆液扩散半径达到2.3 m 之多，由此可知，浆液水灰比的提高势必能够增大浆液的扩散半径，但考虑到实际工程情况，浆液扩散半径过大或过小均不符合工程的经济性施工，根据注浆锚杆间排距的要求，工程上一般认为扩散半径为1.2～1.5 m时注浆工程的经济效果最佳，因此，浆液采用0.8∶1水灰比较合适。

4.2 围岩强度随浆液水灰比的变化规律

待注浆完毕7 d后通过钻孔取芯，用切割机、研磨机加工成标准试件，通过伺服压力机测定试块的抗压强度。图3为周期性压力注浆后的3种不同浆液水灰比试件试验加载过程中岩体的破坏形态，加载依次为5，15，25 MPa，水灰比依次为0.6∶1，0.8∶1，1∶1。

图3 周期性注浆压力时岩体试块受压破坏过程

由图3可以看出，试件1-1和3-1在压缩应力作用下产生较大变形，且有明显的裂缝扩张，主要表现为纵向裂缝发展。试件2-1在压缩应力作用下仅仅只产生较小的裂纹，说明注浆水灰比为0.8∶1时围岩耐压性能较好。

周期性正弦波形式的输送压力循环往复地作用于注浆自由面，能够有效地使浆液夯实于膨化松散围岩裂隙内。注浆水灰比为0.8∶1时，试样力学特性得到了显著的改善，内聚力、内摩擦角比注浆前明显增大，抗压强度明显增大。水灰比为0.6∶1时，浆液较浓，难以注入，而水灰比为1∶1时，结石体抗压强度略低。因而可以认为，膨化松散隧道围岩注浆结石体的抗压强度和浆液扩散半径的范围是浆液水灰比与注浆压力形式共同作用的结果。

4.3 围岩变形随浆液水灰比的变化

图4为高地应力作用下采用相同周期性注浆压力和不同注浆水灰比时隧道膨化松散围岩顶板、底板、巷帮的变形规律与特征。

图4 不同注浆水灰比时隧道围岩变形情况

由图4可知，膨化松散隧道围岩未注浆、注浆水灰比为0.6∶1和1∶1时，顶板中部较两侧下沉量大，最大下沉量分别为0.275，0.195和0.142 m，且下沉趋势依次递减；注浆水灰比为0.8∶1时，隧道顶板中央及两侧下沉量较小，且近似同步下沉(约0.02 m)，注浆加固效果极为显著。未注浆、注浆水灰比为0.6∶1，0.8∶1和1∶1时，底板中部较两侧鼓起量大，最大底鼓量分别为0.61，0.41，0.11和0.32 m，两帮最大收敛量分别0.95，0.65，0.10和0.38 m。显然注浆水灰比为0.8∶1时，隧道底板鼓起量与两帮收敛量均最小，隧道底鼓及巷帮内移得到有效控制。

从隧道膨化松散围岩变形的角度对比分析不同配比的注浆材料在周期性注浆压力作用下注浆加固效果，认为对隧道膨化松散围岩注浆加固的浆液水灰比为0.8∶1时，注浆加固效果最佳，工程上既经济又高效。