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速凝渗透结晶型浆液用于隧道渗漏的防治试验研究现 代 隧 道 技 术MODERN TUNNELLING TECHNOLOGY第60卷第4期(总第411期),2023年8月出版Vol.60,No.4(Total No.411),Aug.2023文章编号：1009-6582（2023）04-0254-10DOI:10.13807/ki.mtt.2023.04.029收稿日期：2023-04-02修回日期：2023-05-29基金项目：国家自然科学基金（52178310）.作者简介：郑坤隆（1991-），男，博士，工程师，主要从事隧道注浆材料和建筑垃圾资源化利用方面的研究工作，E-mail：.通讯作者：王剑云（1983-），女，博士，教授，博士生导师，主要从事微生物自修复混凝土、生物可再生混凝土、建筑材料表面防护与加固方面的研究工作，E-mail：.速凝渗透结晶型浆液用于隧道渗漏的防治试验研究郑坤隆1,2王剑云2令狐延1杨晓华3丁亚特1陈 锟1王志丰3（1.中建丝路建设投资有限公司，西安 710065；2.西安交通大学人居环境与建筑工程学院，西安 710049；3.长安大学公路学院，西安 710064）摘要：为提升渗透结晶型浆液的综合性能，研究其用于防治隧道渗漏时的注浆效果，通过机理分析和制备速凝型浆液，并设计断层破碎带隧道预注浆模型试验，开展无注浆、水泥浆液预注浆和速凝渗透结晶型浆液预注浆3种工况模型试验，对比分析隧道内出水，浆液扩散情况、结石体性能等，综合评价浆液注浆效果。结果表明：（1）氯化钙与材料Penetron ADMIX共同使用时互不降低效果，配比为m砂 m石膏 m水泥 m水=1 0.04 0.03 1的速凝浆液综合性能较优。（2）工况一开挖至30 cm附近出水量最大，约385.3 L/h，防突层厚度约12 cm；工况二开挖至37 cm附近出水量较大，约为53.5 L/h，防突层厚度约5 cm；工况三开挖至断层处仅有少量渗水。（3）断层内两种浆液扩散半径均为23 cm，扩散范围相近，但新型浆液固结体抗压强度大于水泥浆液固结体抗压强度，渗透系数远小于水泥浆液的渗透系数。研究确定水泥浆液预注浆可以减少洞内出水量，但防渗漏效果有限；速凝渗透结晶型浆液结石率高、渗透系数低，相同条件下能有效防治隧道渗漏水，注浆效果优于水泥浆液。关键词：隧道工程；速凝；渗透结晶型浆液；模型试验；浆液性能；注浆效果中图分类号：U456文献标识码：A引文格式：郑坤隆，王剑云，令狐延，等.速凝渗透结晶型浆液用于隧道渗漏的防治试验研究J.现代隧道技术,2023,60(4):254-263.ZHEN Kunlong,WANG Jianyun,LING Huyan,et al.Experimental Study on Prevention and Treatment of Tunnel Leakagewith Rapid Setting Permeable Crystallographic GroutsJ.Modern Tunnelling Technology,2023,60(4):254-263.1引 言渗透结晶型防水材料是一种用于建筑物结构防水的固体粉末状物质，可以与水混合喷涂在建筑物表面或直接抛洒在未凝固的混凝土表面使用1,2。主要由水泥、石英砂、硅粉、活性化学物质和各类催化剂混合制备，其中水泥提升材料适用性，石英砂和硅粉作为骨架提升强度，活性化学物质、活性硅粉和催化剂起到防水作用3。材料中大部分活性物质和催化剂溶于水，通过毛细作用和浓度差渗透进入混凝土结构内部，与结构孔隙中的钙离子发生反应生成不溶于水的结晶体，堵塞、填充孔隙，阻断过水通道，起到结构防水的效果4,5。水泥基浆液具有原材料获取方便、价格低廉、性能稳定等优点，在建筑工程中应用广泛6,7。虽然水泥基浆液凝结时间可控、强度高、制备方法简便，但仍存在诸如固结体防渗防水效果不佳、凝固过程离析、固结后可能开裂等问题8,9；而各种水泥添加剂和其他浆液的研发，合理弥补了不足，如：水玻璃可以控制水泥浆液凝结时间，环氧树脂和聚氨酯化学浆液善于修补渗漏水结构，黏土类浆液常用在堤坝建设和回填工程1012。尽管浆液种类繁多，但目前确定一类强度高、析水率低、稳定性好、防水防渗能力强、经济环保的水泥基浆液仍然是研究重点。由于渗透结晶型材料中含有水泥，结合材料的性能特点，判断其可以使用在水泥基注浆材料中，发挥防水作用13。以此为突破口，杨晓华团队对比分析国内外各材料性能特征，选择Penetron Admix材料（材料PA）添加到水泥浆液中，通过系统的试验研究了材料添加量不同对浆液的性能影响规律，结合254速凝渗透结晶型浆液用于隧道渗漏的防治试验研究现 代 隧 道 技 术MODERN TUNNELLING TECHNOLOGYVol.60,No.4(Total No.411),Aug.2023第60卷第4期(总第411期),2023年8月出版固结体微观结构变化特征对渗透结晶型材料的作用机理进行合理的完善，研究结果表明，添加适量的渗透结晶型材料可以提高水泥浆液的结石率、抗压强度，有效降低固结体渗透系数，提升浆液抗渗性，该材料能够与水泥等物质混合制备成新型渗透结晶型浆液使用14,15。虽然渗透结晶型浆液既有水泥浆液的优点，又有很好的结石率与防渗性能，但目前仍处在基础性能研究阶段，对浆液的工程应用和实际注浆效果讨论较少16。为了进一步提升渗透结晶型浆液性能，研究注浆效果，结合课题组现有资源，通过模型试验，模拟浆液预注浆在预防和治理山岭隧道渗漏水病害中的效果，从而系统地评价新型浆液的工程应用情况。2速凝渗透结晶型浆液制备已有研究表明，渗透结晶型浆液凝结时间不受材料PA影响，但凝结时间直接影响注浆效果。为了进一步提升渗透结晶型浆液的综合性能，尝试通过添加速凝剂来缩短浆液的凝固时间，而传统的速凝剂种类繁多，需要通过机理分析和试验研究，确定各添加剂能否与渗透结晶型材料共同使用，且互不降低作用效果。氯化钙是一种常见的速凝剂，其遇水溶解为钙离子和氯离子，产生盐效应，使熟料矿物的溶解度增大，溶解过程的加速又触发了“同离子效应”，使水化产物溶度积变小，利于沉淀物析出和晶核生成；同时钙离子和氯离子还可以与某些矿物和水化物生成水化氯铝酸钙、水化氧氯化钙等复盐，这些复盐能够增大水泥浆液中的固相比例，利于浆体硬化、缩短凝结时间。结合渗透结晶型材料反应机理，判断氯化钙作用过程并没有降低材料效果的可能性，产生的钙离子还可以促进活性物质的反应，因此尝试使用氯化钙来缩短浆液的凝结时间17,18。水泥浆液中氯化钙的添加质量通常为3.0%左右，本试验使用无水氯化钙，添加量为水泥总质量的3.0%。结合前期研究内容，进行浆液凝固时间试验，并通过结石率来确定材料PA的作用效果，具体配比和试验结果见表1。通过表1可知，添加有氯化钙的3号浆液初凝和终凝时间分别为415 min和795 min，相较于1号浆液分别下降了39.5%和31.9%，相较于添加两种材料的4号浆液分别增加了11.7%和1.4%。可见材料PA会小幅度降低氯化钙对浆液的初凝能力，但不影响终凝时间，说明氯化钙可以在渗透结晶型浆液中表1 氯化钙和材料PA对浆液作用效果试验结果Table 1 Test results of effect of calcium chloride and Penetron ADMIX on grouts编号1234氯化钙质量/（%）003.03.0PA质量/（%）04.004.0初凝时间/min686819415470终凝时间/min1 1671 180795806结石率/（%）74.397.482.597.0正常发挥作用。同时4号浆液结石率为97.0%，与2号相近，说明氯化钙没有降低材料PA作用效果，浆液结石率无显著变化。综合分析可知，氯化钙作用原理中没有与材料PA防水原理相冲突的内容，氯化钙溶水后分解成钙离子和氯离子，而材料PA中的部分活性物质与钙离子反应生成不溶于水的结晶体，这种结晶反应会随时间不断进行，所以氯化钙在发挥速凝作用的同时，产生的钙离子还可以参与活性物质的结晶反应，相当于钙离子的补充，两种材料均能正常发挥作用。综上所述，确定速凝渗透结晶型浆液配比为m水泥:mPA:mCaCl2:m水=1 0.04 0.03 1，根据规范要求进行性能测定试验，得到速凝浆液密度为1.5 g/cm2、黏度值为 330 mPas，初凝和终凝时间分别 407 min、860 min，浆液结石率为97.0%，28 d标准养护固结体的渗透系数约为4.210-7cm/s、抗压强度约为9.9MPa。在实际使用中，可以根据工程要求对氯化钙添加量和水灰比进行调整。3隧道预注浆模型试验设计3.1试验目的与研究内容断层破碎带内部结构复杂，裂隙纵横发育，当隧道通过时容易发生塌方冒顶、渗漏水等灾害。为了确定渗透结晶型浆液在工程中的防渗防水效果，结合现有资源，决定采用室内模型试验分别模拟水泥浆液和渗透结晶型浆液预注浆。试验模拟隧道穿越富水断层破碎带，对比分析两种浆液注浆后隧道开挖靠近断层过程中掌子面附近的渗漏水情况，评估渗透结晶型浆液注浆效果。主要研究内容包括：（1）模拟隧道开挖靠近有地表水补给的断层破碎带，分析过程中掌子面附近出水量、断层内水压力和隧道防突层厚度等参数的变化情况，与实际工程相关数据进行对比，判断试验中相似材料选择、模型建立和试验方法的正确性；（2）模拟分别使用水泥浆液和渗透结晶型浆液进行断层预注浆后进行隧道开挖，记255速凝渗透结晶型浆液用于隧道渗漏的防治试验研究现 代 隧 道 技 术MODERN TUNNELLING TECHNOLOGY第60卷第4期(总第411期),2023年8月出版Vol.60,No.4(Total No.411),Aug.2023录与分析相关参数的变化情况；（3）研究两种浆液在破碎带内的扩散情况和固结体性能特征，综合确定渗透结晶型浆液的注浆效果19,20。3.2相似关系与相似材料确定以相似理论为基础设计模型试验，本次模型试验所需相似材料包括：围岩相似材料、断层破碎带和隧道衬砌相似材料。结合工程实际参数和实验室条件，通过量纲矩阵分析法确定试验各物理参数的相似关系和相似常数，通过系统的试验研究制备出满足要求的三种相似材料20,21。模型箱尺寸为320 cm70 cm200 cm，隧道平面开挖尺寸为1 238 cm1 035 cm。模型试验中围岩范围为隧道直径的35倍时，围岩对隧道的作用和影响情况与实际工程较为相似。通过相似推导确定系统中Cl=50、C=1、Ck=1，根据相似判据得到各物理量的相似常数值见表2。结合隧道围岩相关参数换算出相似材料各参数见表3。表2 模型试验中各物理量的相似常数Table 2 Similarity constants of various physical quantitiesin model test物理量几何尺寸重度渗透系数黏聚力内摩擦角抗压强度相似常数关系式ClCCkCc=CCl1Cp=CCl相似常数501150150物理量泊松比弹性模量时间流量应力应变相似常数关系式1CE=CClCT=Cl/CkCQ=Cl2CkC=CCl1相似常数150502 500501表3 原型与模型相关物理量换算Table 3 Conversion of physical quantities related toprototype and model物理量实际围岩理想型相似材料弹性模量/GPa120.020.04重度/（kNm3）18.118.1渗透系数/（cms1）1.1610-31.1610-3选择河砂、水泥、石膏和水，设计一类应用范围广、制备简便的改进型围岩相似材料；原材料选择中砂、“海螺牌”复合硅酸盐水泥P.C 32.5、1 500目95白度石膏。为了确保材料弹性模量、重度和渗透系数尽可能与理想型相似材料接近，试验中固定砂的质量，石膏用量为砂子总质量的15%，水泥用量分别为 3%、4%、5%、6%、7%和 8%，水用量为 4%、5%、6%、7%、8%、9%和10%，共设计12组配比方案，对各组试样进行试验研究。最终确定配比为m砂 m石膏m水泥 m水=1 0.15 0.03 0.04时，围岩相似材料的弹性模量为29.72 MPa，抗压强度为0.19 MPa，重度为16.65 kN/m3，渗透系数为1.3310-3cm/s，基本满足相似关系。断层破碎带材料选择需要考虑“粒径效应”的影响，工程中断层内岩土体极其松散破碎、结构杂乱，且含水量高，无法准确获得断层的强度、透水性等物理量参数。综合相关资料和工程情况，选择机制砂作为断层破碎带相似材料，机制砂颗粒形状各异与断层中破碎岩土体的无规则形状相似，同时确保模型尺寸与土颗粒平均粒径之比大于50，以消除“粒径效应”。最终通过试验确定平均粒径d50约为0.4 mm的机制砂满足试验要求22,23。将设计图纸中隧道结构尺寸参数缩小50倍，得到衬砌模型的要求尺寸。结合各物理量相似常数关系，得到理想型相似材料性能参数，具体内容见表4。表4 实际衬砌和相似结构主要物理参数Table 4 Main physical parameters of actual lining andsimilar structure模型实际衬砌结构理想型结构厚度/cm601.2长度/cm2 00040弹性模量/MPa280.56试验研究发现，在石膏、重晶石粉和水的混合材料中加入少量水泥，可以提高混合材料的抗压强度和弹性模量；重晶石粉含量增加，虽然可以小幅度提升材料抗压强度，但会降低弹性模量。因此，通过系统的试验研究，确定衬砌相似材料配比为m砂 m石膏m水泥m水=1 0.09 0.05 1.4，此时材料弹性模量为0.53 MPa，与理想型材料的0.56 MPa参数较为接近，可用于模型试验。根据模型隧道衬砌尺寸制作PVC泡沫板组装式衬砌成型模具，浇筑材料、养护模型，并进行防水薄膜和胶带的粘贴，确保衬砌结构不渗水，具体操作如图1所示。4隧道预注浆模型试验过程4.1模型箱填筑根据研究内容设计三维可视化模型试验装置，包括主体试验箱、供水装置、注浆装置和信息采集系统，如图2所示。试验箱由钢架和钢化玻璃板组成，尺寸为320 cm70 cm200 cm，内部可填筑；供水装256速凝渗透结晶型浆液用于隧道渗漏的防治试验研究现 代 隧 道 技 术MODERN TUNNELLING TECHNOLOGYVol.60,No.4(Total No.411),Aug.2023第60卷第4期(总第411期),2023年8月出版置为底部尺寸与断层平面尺寸接近、高15 cm的水箱，底部焊接有4根长50 cm的多孔、尖嘴注水管，便于向断层内渗流；采用25 kg手动试压泵进行注浆，3根注浆管的出浆口预埋在断层内，分别为隧道前进方向的左、中、右位置，具体见图2。注浆压力缓慢提升，控制在0.6 MPa内。本次试验将注浆范围控制在断层内隧道前方2倍洞径范围，估算被注结构体积约0.072 m3，按照10%的注浆量系数得到浆液体积约7.2 L。使用微型孔隙水压力计和动静态电阻应变仪实时采集试验过程中水压力变化数据，压力计埋设在断层内隧道前进方向的拱顶和拱腰外侧，具体位置详见图2。图2 模型试验箱填筑示意Fig.2 Schematic diagram of model test box filling4.2模型试验过程根据研究内容可将试验分为3种工况，在断层富水状态时分别进行断层内无预注浆、水泥浆液预注浆、渗透结晶型浆液注浆后隧道开挖，具体过程如下：（1）在地表有水源补给、断层为富水状态、无预注浆时进行隧道开挖。此工况模拟实际隧道的施工条件，记录开挖过程中隧道掌子面附近的出水量，通过相似关系换算出原型隧道出水量，并与施工中记录的水量进行比较，判断试验设计的合理性；若结果相差较大，需重新对试验设计进行校正。（2）确定试验合理，重新填筑试验箱，进行断层内水泥浆液预注浆，浆液水灰比为1 1，氯化钙添加量为3.0%，水泥为P.C 32.5R。注浆后14 h进行模型开挖，开挖面较衬砌尺寸略大，循环开挖后将衬砌缓慢向前顶进；前20 cm单次循环开挖2 cm，间隔时间约20 min，20 cm后单次开挖1 cm，间隔时间15 min；当隧道掌子面发生渗漏水，记录出水量和水压力，计算防突层厚度；清理断层，对浆液脉络拍照、取样。（3）进行速凝渗透结晶型浆液预注浆试验，配比方案见第2节所述，注浆14 h后进行开挖，直至隧道发生渗漏水或接触到浆液固结体，记录出水量、水压力等数据，计算防突层厚度；清理断层，对浆液脉络进行拍照、取样。主要试验过程如图3所示。5隧道预注浆模型试验结果分析5.1断层内无注浆试验结果分析将工况一隧道内出水量和监测点水压力随开挖长度变化情况绘制成曲线，如图4所示。由图4可以发现，隧道开挖长度为010 cm时洞内渗水量为0，当开挖长度为1016 cm时，观察到掌子面附近有少量水渗出（无法收集）；开挖1830 cm时，隧道内出水量缓慢增加，水量可以通过引流槽收集量取；开挖3032 cm时，隧道内出水量小幅度增加，继续开挖至34 cm附近时出水量激增，掌子面下半部分发生小塌方，伴有涌水情况，水量约为385.3 L/h，开挖至33 cm附近发生涌水。同时开挖长图1 隧道衬砌模型制作Fig.1 Fabrication of tunnel lining model257速凝渗透结晶型浆液用于隧道渗漏的防治试验研究现 代 隧 道 技 术MODERN TUNNELLING TECHNOLOGY第60卷第4期(总第411期),2023年8月出版Vol.60,No.4(Total No.411),Aug.2023图4 工况一中隧道内出水量和水压力变化曲线Fig.4 Curve of water leakage and water pressure in tunnel(Case 1)度小于18 cm时各点的水压力呈稳定状态，开挖1828 cm时水压力仅小幅度降低；开挖2834 cm时各监测点数值下降明显，仰拱位置处水压力最小，约为5.2 kPa，相较于未开挖时下降了约38.5%。最终判断隧道开挖至30 cm时出水量增多，综合判断，防突层厚度约为12 cm。工况一中最大出水量约为385.3 L/h，根据流量相似常数 2 500 换算得到实际原型最大出水量约963.2 m3/h；而现场隧道右洞发生涌水后稳定出水量约900 m3/h，可见换算出水量略大。分析原因为：模型断层内部材料单一，机制砂堆叠压密，而实际山体断层内物质复杂、围岩结构多变，所以水在模型中流动的顺畅度要高于实际断层中，因此模型出水量略大于实际隧道出水量，提高约6.6%，增长幅度较小。综合判断此模型试验的设计与操作较为合理，可进行后续工况研究，同时换算出实际隧道防突层厚度至少为6 m。5.2水泥浆液断层预注浆试验结果分析将工况二隧道内出水量和监测点水压力随开挖长度变化情况绘制成曲线，如图5所示。图5 工况二中隧道内出水量和水压力变化曲线Fig.5 Curve of water leakage and water pressure in tunnel(Case 2)由图5可知，开挖至020 cm范围内时隧道无渗水，开挖至2028 cm时掌子面处湿润、有水渗出；开挖至2834 cm时掌子面附近渗水量增多，通过刮片收集出水量约为8.9 L/h；开挖至3438 cm时出水量增长明显，其中36 cm附近时掌子面底部出现小水流，水量约为29.1 L/h，继续开挖至37 cm附近时掌子面底部发生小垮塌，并伴有泥水混合物流出，出泥量约为53.3 L/h，故防突层厚度至少为5 cm。各监测点水压力在开挖026 cm为稳定状态，2634 cm时各点水压力小幅度下降，3437 cm时降幅明显，最小压力约5.1 kPa，相较于未开挖时下降约33.8%。图3 模型试验过程Fig.3 Model test process258速凝渗透结晶型浆液用于隧道渗漏的防治试验研究现 代 隧 道 技 术MODERN TUNNELLING TECHNOLOGYVol.60,No.4(Total No.411),Aug.2023第60卷第4期(总第411期),2023年8月出版分析发现工况二中水量可测位置、出水量激增和水压变化等位置相较于工况一均有延后，其中涌水发生位置延后约7 cm，最大出水量相较于工况一减少约86.2%，防突层厚度减少约54.5%。由此可见，水泥浆液的预注浆可以延后涌水事故发生位置，有效降低出水量，但不能完全阻止病害发生。5.3渗透结晶型浆液预注浆试验结果分析将工况三隧道内出水量和监测点水压力随开挖长度变化情况绘制成曲线，如图6所示。图6 工况三中隧道内出水量和水压力变化曲线Fig.6 Curve of water leakage and water pressure in tunnel(Case 3)由图6可知，开挖至020 cm时洞内无渗水，开挖至2032 cm时掌子面附近逐渐湿润、含水；继续开挖掌子面处可见少量水渗出，直至40 cm处触碰到渗透结晶型浆液固结体。在开挖至3240 cm区段中没有发生类似工况一、二中水量激增或掌子面垮塌情况。另外，断层中各监测点水压力平稳，无明显降低。通过上述分析确定工况三中未发生涌水，仅在开挖后期的掌子面附近出现渗水或滴水，出水量约为0.7 L/h，相较于工况一、二分别下降约99.8%和98.6%。同时断层内各监测点的水压力平稳变化，未见明显降低。综合3种工况，确定速凝渗透结晶型浆液预注浆对于防治隧道水灾类病害的效果优于水泥浆液，即渗透结晶型浆液在此模型中可以有效预防和治理隧道渗流水。5.4浆液扩散情况分析试验被注介质均为富水机制砂，注浆压力与注浆量均相同，因此影响两种浆液注浆效果的主要因素是浆液的基础性能。对各工况下断层进行清理，记录各组浆液的扩散脉络、半径和范围情况，如图7所示。通过图7可以看出，水泥浆液和速凝渗透结晶型浆液的扩散范围、形状相似，二者扩散半径约为23 cm，水泥浆液最远扩散位置距注浆孔约44 cm，渗透结晶型浆液最远扩散约40 cm。最终确定新型浆液的扩散情况与水泥浆液扩散情况基本相同，故渗透图7 两种浆液在断层中的扩散情况Fig.7 Diffusion conditions of two types of grouts in fault259速凝渗透结晶型浆液用于隧道渗漏的防治试验研究现 代 隧 道 技 术MODERN TUNNELLING TECHNOLOGY第60卷第4期(总第411期),2023年8月出版Vol.60,No.4(Total No.411),Aug.2023结晶型浆液在实际工程中的注浆参数可参照水泥浆液注浆经验来选取。5.5浆液固结体性能分析对两种浆液的基础性能进行测定，结果见表5。清理断层的同时将包裹砂石的各浆液固结体在较为成型的状态下取出，养护7 d后加工为试块进行抗压强度和渗透系数测定，结果见表6。表5 两种浆液基础性能对比Table 5 Comparison of basic properties of two types ofgrouts浆液水泥浆液渗透结晶型浆液黏度/(mPas)335330初凝时间/min405476终凝时间/min772783抗压强度/MPa4.164.83渗透系数/（cms-1）3.2110-41.1010-6表6 断层中两种浆液固结体抗压强度及渗透系数Table 6 Compressive strengths and permeabilitycoefficients of two types of consolidated grouts in fault类型抗压强度/MPa渗透系数/(cms-1)水泥浆液2.51/1.476.5210-4渗透结晶型浆液2.863.1610-5隧道围岩0.191.3310-3断层破碎带0.32由表6可知，断层内两种浆液固结体抗压强度均大于围岩强度值，渗透系数均小于围岩和断层。仅从数据上看，两种浆液断层预注浆后，隧道正常开挖均不会发生水灾事故。但实际现场试验结果并非如此，工况二发生小量出水，工况三靠近断层附近时有少量水渗出。分析原因，在未注浆之前，断层中的水已向隧道围岩中渗透，形成一些过水通道。水泥浆液在围岩和断层交界处扩散面积较小，浆液渗透系数略大，所以注浆后仍有部分水向围岩内渗透；同时浆液在断层内扩散范围有限，未能完全阻断和挤排水，最终在开挖时发生了小量涌水。而渗透结晶型浆液虽然扩散范围有限，但其优秀的防水抗渗性能能有效阻断大部分水源向隧道附近围岩渗透，使得隧道开挖未发生涌水；但断层内固结体分布不均，部分区域无浆液，会有少量水进入围岩，故工况三内仍有少量地下水渗出。5.6预注浆效果对比分析对各工况下隧道内出水量激增点、防突层厚度、浆液扩散半径和最远扩散距离等参数进行整理，模型试验结果见表7。通过表7可以看出不同浆液的预注浆作用效果，当断层中无预注浆施工时，隧道开挖至距断层约10 cm位置处便发生了有规模的涌水，最大出水量约385.3 L/h，此时隧道防突层厚度约为12 cm，换算表7 各工况下隧道模型试验结果Table 7 Results of tunnel model test under various cases工况一二三最大出水位置/cm3037最大出水量/（Lh-1）385.353.50.7防突层厚度/cm125浆液扩散半径/cm2344浆液最远扩散距离/cm2340至实际施工中的安全厚度约6 m；当断层内分别注入水泥浆液和渗透结晶型浆液后，两种浆液的扩散半径相同，虽然水泥浆液的最远距离比新型浆液增加了约10%，但工况二发生了局部小垮塌，且出水量较工况一减少了约86.1%，而工况三仅有少量地下水渗出，出水量约为0.7 L/h。综上所述，可知水泥浆液的预注浆虽然未能阻止隧道开挖时发生水灾病害，但可以有效减少出水量，降低防突层厚度，起到一定的防水效果。而速凝渗透结晶型浆液有着较好的防水能力，虽然其扩散范围与水泥浆液相近，但是得益于其固结体低渗透系数，渗透结晶型浆液在本模型试验中成功预防了隧道突涌水病害的发生。6结 论本文以渗透结晶型材料研究为基础，根据其作用机理和试验研究确定性能合理的速凝渗透结晶型浆液，通过断层破碎带隧道预注浆模型试验，对比分析无注浆、水泥浆液和新型浆液预注浆3种工况的施工效果，得到以下的主要结论：（1）速凝剂氯化钙可以与渗透结晶型材料共用，制备出性能合理的新型浆液（m水泥mPAmCaCl2260速凝渗透结晶型浆液用于隧道渗漏的防治试验研究现 代 隧 道 技 术MODERN TUNNELLING TECHNOLOGYVol.60,No.4(Total No.411),Aug.2023第60卷第4期(总第411期),2023年8月出版m水=1 0.04 0.03 1），此时浆液密度为1.5 g/cm2、黏度值为 330 mPas、初凝时间为 407 min、终凝时间860 min、结石率97.0%，标养28 d固结体渗透系数约4.210-7cm/s、抗压强度约为9.9 MPa。（2）设计富水断层预注浆隧道开挖模型试验，通过相似理论和试验确定模型围岩（m砂 m石膏 m水泥m水=1 0.15 0.03 0.4）、断层破碎带（d50=0.4 mm机制砂）和衬砌（m石膏m重晶石粉m水泥m水=1 0.09 0.07 1.4）3种相似材料，使用自行设计的模型试验操作平台完成3种工况下的研究。（3）工况一中隧道开挖至30 cm附近出水量较大，约为385.3 L/h，相似换算后出水量与工程实测值接近，验证了试验设计的合理性，此时防突层厚度约为12 cm，故类似工程可将防突层厚度设计为6 m；工况二中开挖至 37 cm 附近时有少量出水，约为53.5 L/h，防突层厚度约为5 cm；工况三中开挖至断层位置未发生出水，仅有少量水渗出，约为0.7 L/h。断层内两种浆液扩散半径均为23 cm，扩散范围相似。速凝渗透结晶型浆液固结体抗压强度大于水泥浆液固结体抗压强度，渗透系数小于水泥浆液的，因此得益于速凝渗透结晶型浆液更优的抗渗防水能力，工况三仅有少量渗水。综合上述分析，确定水泥浆液预注浆未能阻止隧道开挖时发生出水，防水效果有限，但可有效减少出水量，降低防突层厚度；而速凝渗透结晶型浆液结石率高、渗透系数较低，相同的施工条件下抗渗防漏效果优于水泥浆液，试验中有效防治了隧道渗漏水。结合水泥浆液现阶段在隧道工程中使用情况，可以将速凝渗透结晶型浆液加以推广，为实际工程提供更多的注浆材料选择。参考文献References1 谢俞超.渗透结晶型水泥基防渗材料的制备及防渗机理研究D.太原:中北大学,2017.XIE Yuchao.Preparation and Waterproof Mechanism of Cement-based Permeable Crystallization Type Anti-seepage MaterialsD.Taiyuan:North University of China,2017.2 郑仕跃,朱 应,关瑞士,等.水泥基渗透结晶型防水材料性能优化试验研究J.公路,2022,67(12):352-357.ZHENG Shiyue,ZHU Ying,GUAN Ruishi,et al.Experimental Study on Performance Optimization of Cement-based PermeableCrystalline Waterproof MaterialJ.Highway,2022,67(12):352-357.3 张战祥,蓝丽江.水泥基渗透结晶型防水材料在海外某工程中的应用J.工程建设与设计,2018(19):184-186+189.ZHANG Zhanxiang,LAN Lijiang.The Application of Cementitious Permeable Crystalline Waterproofing Materials in a Project OverseaJ.Construction&Design for Engineering,2018(19):184-186+189.4 WANG Guiming,YU Jianying.Self-healing Action of 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