隧道富水破碎围岩水泥-水玻璃注浆参数研究

楼重华

(福建省交通建设质量安全监督局 福建福州 350001)

0 引言

隧道工程经常会遇到断层、软弱围岩、岩溶等不良地质环境，围岩多呈破碎饱水状态，具有强度低、易破坏等特点[1]。围岩自稳性差，并极易产生突水突泥、坍塌等重大工程地质灾害。对此，国内外多采用注浆加固技术进行防治。注浆加固技术具有堵水防渗和加固两种作用，能有效提高围岩各项力学性质[2]。

注浆活动开始于1802年的法国。总体来说，在20世纪40年代之前，水泥和水玻璃注浆为主要的注浆材料。20世纪40年代之后，新的化学浆材和改性水泥材料得到了广泛的应用。

而在国内，注浆技术的发展相对较晚，自1953年在黑龙江工程上进行了水玻璃注浆堵水的应用。随后几十年，国内逐步研制出符合自身工程特点的各种化学浆材。2007年，厦门翔安海底隧洞通过注浆技术对风化槽进行堵水处理[3]。2011年青岛胶州湾海底隧道采用超前帷幕注浆技术对含水断层进行治理。

本研究项目以福建省某海底隧道工程为案例，对隧道富水破碎围岩水泥-水玻璃注浆参数开展研究。

1 工程概况

福建省某海底隧道A1标段左右洞全长约5.7km，其中海域段长约3.5km， V级围岩占总长的14%，Ⅳ级围岩则占总长12%。隧道共穿越风化槽2处，浅埋、小径距、软弱围岩富水段1处，工法变换频繁，裂隙水、上层滞留水、孔隙水较发育，对注浆要求高，施工难度大。

隧道主洞净空高为12.75m，宽为17.1m。在IV级围岩段和V级围岩的石质段，采用台阶法进行开挖；在V级围岩的土质段(风化槽段)，则采用双CRD或CD法开挖。

风化槽段基岩受构造和风化影响，全～强风化层发育，以全～强风化变粒岩为主，变粒岩发育，多呈碎裂结构，节理裂隙极发育，部分段可能夹泥质软弱夹层，围岩自稳能力普遍较差；此段围岩拱顶覆盖层37.12m～39.06m，拱顶全～强风化变粒岩厚度25m～28.5m，粉质粘土厚度4m～7.5m，淤泥层厚度2.5m～6m，设计最大涌水量约241m3/d。

在本研究之前，现场曾使用水泥浆注浆技术，以期对不良地质段产生堵水加固作用，但在施工时出现了跑浆、无法灌注等延误注浆进度甚至无效现象。

在高水压、水流量大以及存在较大岩溶裂隙的地质条件下，工程上常采用水泥-水玻璃双液浆对围岩进行堵水加固措施[4]。因此，本项目选取普通水泥-水玻璃作为注浆材料，对凝胶时间影响因素进行室内试验研究，并在隧道内选取围岩稳定性较差的K145+348段进行现场注浆加固试验，验证实际注浆效果。

2 浆液凝胶时间室内研究

在注浆现场施工过程，浆液的凝胶时间显得尤为重要，如果凝胶时间过长将会大大增加地下水的稀释作用，同时降低注浆结石体的强度[5]。对水泥-水玻璃浆液的凝胶时间具有影响作用的参数，主要包括水灰比(W∶C)、水泥浆与水玻璃之比(C∶S)和水玻璃浓度。因此，本次室内试验对不同W∶C、C∶S和不同波美度条件下的双液浆进行多组交叉试验，以期找出W∶C、C∶S以及水玻璃浓度对液凝胶时间的影响规律，并据此找到用于现场注浆施工最适合的配比参数。

2.1 试验原料

试验原料选用425#普通硅酸盐水泥，波美度为 36°Be′，模数3.4的水玻璃。

2.2 试验步骤

(1)普通水泥浆的配制

计算好试验配置水泥浆所需要的水泥和水的用量，在搅拌机中先后加入并强力搅拌均匀。W∶C的比例分别为0.7∶1、0.8∶1、0.9∶1和1∶1。

(2)水玻璃的配制

根据试验需求，对高浓度水玻璃进行稀释制配出 36°Be′、32°Be′、28°Be′以及 24°Be′等4种不同浓度以供使用。

(3)水泥-水玻璃浆液的凝胶时间的测定

本次室内试验根据国家标准 GB1346-2001，采用维卡仪法对浆液的凝胶时间进行测定。

2.3 试验结果与分析

在C∶S一定的情况下，通过改变W∶C以及水玻璃浓度，来获取相应的凝胶时间，得到其中的影响规律[6]。共对C∶S分别为1∶0.6，1∶0.8，1∶1和1∶1.2四种比例进行测试。图1所示为试验中在不同C∶S比例下改变W∶C和水玻璃浓度，得到的水泥-水玻璃浆液的凝胶时间。

图1 不同C∶S下水灰比和水玻璃浓度对水泥-水玻璃浆液的凝胶时间

由图1可以看出：

(1)在不同的C∶S、W∶C和水玻璃浓度的条件下，水泥-水玻璃浆液的凝胶时间分布相差巨大，大致为40s～110s。

(2)整体上，在其他条件相同的情况下，双液浆的凝胶时间与水灰比呈正相关关系，该关系在低水玻璃浓度(24Be’)时尤为明显，水灰比为1∶1条件下的胶凝时间可以达到水灰比为0.7∶1的两倍；同时，胶凝时间与C∶S呈负相关关系，该关系在低水灰比低水玻璃浓度下影响并不大，C∶S=1∶0.6和C∶S=1∶1.2只相差25%左右，但在高水灰比高水玻璃浓度下，胶凝时间在C∶S=1∶0.6和C∶S=1∶1.2可相差80%。

(3)水泥-水玻璃浆液的凝胶时间与水玻璃浓度呈负相关关系，但当C∶S与W∶C都处于较小的水平时，反而呈正相关关系。这是由于水玻璃浓度过高导致没有足够的水泥浆与之产生反应，导致胶凝时间变长。

2.4 试验结论

根据试验结果，若遇到突水、涌水等突发情况，需要浆液尽快达到凝固状态，应选取W∶C较小，C∶S较大，水玻璃浓度较小的配比参数，此时水泥浆液较浓，水玻璃掺量较多。另外，根据刘鹏(2016)研究结果显示，水泥中粉煤灰掺量不能太多，否则早期结石体强度降低会影响早期注浆效果。因此，本次现场注浆试验选取W∶C=1.2∶1，C∶S=1∶0.6，水玻璃浓度为28°Be′的浆液参数。

3 软弱围岩现场注浆试验

本次现场注浆工程选取A1标Ⅴ级围岩(F1风化槽)左线BZK13+470～500段落，将Ф50、长度为5m、外露长度约1m的热轧无缝钢管，按梅花形布设，钻孔间距1.2m～1.5m，注浆机选取 ZKSY90-125双系统设备，选择全孔一次性的方式进行注浆作业。根据凝胶时间室内研究结果，选取的浆液配比为W∶C=1.2∶1，C∶S=1∶0.6，水玻璃浓度为28°Be′，注浆压力取为1.0MPa。现场探测断面的注浆孔分布情况具体如图2所示。

图2 BZK13+470注浆孔分布情况

现场注浆过程进行顺利，未发生不良注浆现象。检测结果显示：该配比下水泥浆液可以有效地控制水泥的扩散半径，并且该浓度可以保证浆液在到达围岩前不会堵管，现场施工效果理想。

4 结论

(1)水泥-水玻璃作为围岩加固注浆材料，具有浆液凝胶时间短、结石加固体强度高和整体堵水防渗效果好的优点。总体上，凝胶时间随W∶C的增大而增加，随C∶S增大而减少，随水玻璃浓度的增大而减少。为达到减少凝胶时间，保证注浆强度的目的，本次现场注浆试验选取配比为W∶C=1.2∶1，C∶S=1∶0.6，水玻璃浓度为28°Be′的浆液参数。

(2)对围岩稳定性较差的K145+348段进行现场注浆加固堵水，检测评价结果显示，该配比下的水泥-水玻璃浆液具有良好的堵水加固效果。

综上此见，针对隧道施工过程中遇到的富水破碎带注浆问题展开研究，研究内容包括室内浆液凝胶时间试验和隧道现场注浆试验。研究结果对解决富水破碎带等复杂地质条件下隧道的施工，具有重要的指导意义。