裂隙岩体注浆技术探讨.doc

浅析裂隙岩体注浆技术

师长贺
中交一公局第二工程有限公司（环山北路项目）

【摘要】在岩土工程实践中经常会遇到一些经过多次地质构造运动使应力场变得复杂,并且破坏了完整性和连续性的岩体。岩体产生了许多裂隙、节理和断层。在许多实际工程中,往往由于节理裂隙形成了连续的破断面,一旦被黏土矿物充填或挤压破碎之后,就可能形成力学性能最差的软弱夹层和破碎带,同时在这类岩层中有时候还富含压力水或承压水。因此,这类岩土工程的稳定性受到威胁,在这种情况下,就必须对岩体进行加固与封堵水。对大范围受压力水威胁的岩体或破碎岩体,通常的锚固往往起不到很好的效果,而注浆则是一种切实可行的、长期稳定的岩体加固与封堵水的措施。
【关键字】隧道 富水全风化 岩体注浆 支护 止水

1前言
隧道施工中由于围岩不稳定性对施工存在着安全风险，因此在隧道施工中结合工程自身特点确定方案与措施，由于复杂的地层条件和施工工程的隐蔽性,现本文具体就温州市环山北路龙湾段道路工程项目大罗山隧道围岩不稳定地段进行分析。浅析裂隙岩体注浆技术。
2工程简介
大罗山隧道为全国首条采用新奥法施工的双层卵形结构隧道，隧道左洞全长1360米、右洞1430米，其上层设置为三车道机动车道，下层为非机动车道和人行道，衬砌内轮廓采用四心圆卵形曲边墙结构。该隧道洞口段地质条件十分复杂，开挖状态易坍塌，隧道围岩为全-中风化含角砾晶屑熔结凝灰岩,节理裂隙发育，围岩无自稳能力。同时该段岩层中有时候还富含压力水或承压水。因此通过注浆达到切实可行的、长期稳定的岩体加固与封堵水的效果。
3岩体注浆基本理论
由于复杂的地层条件和施工工程的隐蔽性,注浆介质和注浆工艺难以模拟，本工程主要研究渗透型注浆及劈裂式注浆。渗透注浆

是指在压力作用下使浆液充填土的孔隙和岩石的裂隙,排挤出孔隙中的自由水和气体,而基本上不改变原来的岩体或土体的结构和体积,所用注浆压力较小。这类注浆一般只适用于中砂以上的砂性土和有裂隙的岩石。劈裂注浆是指在压力作用下,浆液克服地层的初始应力和抗拉强度,引起岩石和土体的破坏和扰动,使其沿垂直于最小主应力面上发生劈裂，使地层中原有的裂隙或孔隙、浆液的可灌性和扩散性增大，而所用的注浆压力相对较高，达到稳固围岩的效果。
3.1渗透型注浆
对于渗透浆液,浆材颗粒 尺寸dc必须小于被注介质缝隙或孔隙尺寸Dp,也就是说必须满足浆材对孔隙的尺寸效应,即
R=Dp/dc>1
式中,R为净空比,为考虑颗粒堵塞作用的附加影响,在施工控制时要求:R=Dp/dc/3。

3.2劈裂注浆
采用劈裂注浆方式进行注浆时，劈裂现象首先会发生在岩土体中垂直于最小主应力的平面上。 当流量与水头呈线性关系时，水在裂隙中呈层流状态岩土体中未发生水力劈裂；当流量与水头呈平方根函数时,渗流呈紊流状态裂隙中发生阻塞或裂隙中充填料被压密，流量增长高于水头增长时，表明渗流断面已被扩大，这时岩土体被劈裂。
吸渗反应定理。化学浆液对低渗透介质的渗透,主要不是由于压渗作用而是浆液对岩土的润湿能力和亲和能力,也就是吸湿作用。浆液对岩土的润湿性以其接触角H来表示。即
cosH= Rs-Rsl /Rl
式中 Rs:岩土表面张力; Rl:浆液的表面张力;Rsl:浆-固界面张力。如果H<90b,浆液是岩土的润湿相,有吸湿作用;如果H\90b,则无吸湿作用,浆液必须借助压力才能注入。但是,由于黏附功W=Rl(1+cosH)和亲和力F=RcosH,若为了获得接触角H减小,而去减小Rl值,将同时导致W、F减小,从而损害了浆液的黏接强度和浆液内吸渗能力,结果反而对注浆不利。因此,优异的化学浆材应具有适当的表面张力和小的浆-固界面张力 [1] 。 (9)能量耗散定理。在软土的劈裂灌浆中,浆液在摩擦过程中要有能量消耗,只有部分能量参与土体劈裂过程,而能量消耗与振幅和频率有关。使浆液输入能量$E=p0$V(其中p0为平均灌注压力,$V为在特定时间内所灌注的液体的体积)等于地层所储存的能量$Es(岩石和液体中的弹性应变能)和不可能恢复的能量$e(主要是对岩体的水力劈裂中以克服液体摩擦牵引和抗剪阻力中所作的功)。这就可以认为,一个可以增长的微小能量,将使浆源作用半径逐渐增大。因此,注浆速率和注浆压力在注浆过程中同样重要。 2

 岩体裂隙的调查与表征   在注浆过程中,浆液是沿着裂隙进入到被注介质的,因此对裂隙的调查与分析是至关重要的。由于渗流实验研究方面取得了重大进展,过去因为无损探测和显示技术方面的困难,在实验研究方面渗流力学落后于其它力学分支。当前无损细观研究可以用X射线层析成像仪(X-CT)和核磁共振成像仪(MRI或NMRl)。X-CT的工作原理是X射线透过被测物体时,其密度差异引起X射线有不同程度的衰减。由此可观察被测物体的内部结构、多孔介质的孔隙和裂缝分布及其分形参数。MRI的功能优于X-CT。其工作原理是先获得被测物体的核磁共振信息,根据其弛豫时间的差异,再由计算机以Fourier变换重建法等方法成像,既可检测多孔介质的结构持性(孔隙和裂缝分布、孔隙度、分形参数等),也可检测某些物理特性和流动参数(表面湿润性、饱和度分布、流体特性变化等)以及流体与岩石间相互作用等。另外,由煤炭科学研究总院北京开采研究所开发的KSY-3000型矿用窥视仪,将其探头放入钻孔可拍摄到被测岩体的裂隙分布等参数,这对裂隙的调查提供了有利的条件。同时有研究表明,分形维数与结构面分布密集程度之间有下列关系:岩体结构面的分形维数Dc越小,结构面分布越稀疏;Dc越大结构面分布越密集,而且优势面组数越多 [2] 。 3 岩体注浆技术参数的确定依据 311 渗透型注浆理论   渗透注浆是指在压力作用下使浆液充填土的孔隙和岩石的裂隙,排挤出孔隙中的自由水和气体,而基本上不改变原来的岩体或土体的结构和体积,所用注浆压力较小。这类注浆一般只适用于中砂以上的砂性土和有裂隙的岩石。代表性的渗透理论有球形扩散理论、柱型扩散理论和袖套管法理论。 (1)球形扩散理论,是Maag于1938年首次以牛顿流体为基础发表的球形扩散理论,后来卡罗尔(Karol)及拉芙莱(Raffle)在各自的研究基础上建立了类似的计算公式。Karol渗透理论公式:
t=
nB3kh1r2
1
, r1=3kh1tBn
  Raffle渗透理论公式:
t=
nr20
kh1
B3r31r30
-1-B-12r

2
1r
20
-1
式中 t)))注浆时间;
r1)))浆液扩散渗透半径;B)))浆液黏度对水的黏度比;n)))被注载体的孔隙率;k)))被注载体的渗透系数;h1)))注浆压力;r0)))注浆管半径。
  球形渗透理论假定:¹被注砂土为均质的各向同性体;º浆液为牛顿流体;»浆液从注浆管底端注入地基土内,浆液在地层中呈现球形扩散。
(2)浆液柱形扩散渗透理论。当浆液在注浆压力作用下,浆液在孔下部呈柱形扩散。
t=
nBr2
ln(r1/r0)
2kh1
, r1=2kh1t
nBln(r1/r0)
  (3)袖套管法理论。该理论假定浆液在砂粒中
做紊流运动,则扩散半径r1为
r1=2
tn
kvh1r0de
式中 de)))被注载体的有效粒径;
v)))浆液的运动黏滞系数。
312 劈裂注浆理论
  劈裂注浆是指在压力作用下,浆液克服地层的初始应力和抗拉强度,引起岩石和土体的破坏和扰动,使其沿垂直于最小主应力面上发生劈裂,使地层中原有的裂隙或孔隙、浆液的可灌性和扩散性增大,而所用的注浆压力相对较高。

(1)砂和砂砾石地层,可按照有效应力的库仑-莫尔破坏准则计算。即
Rc1+Rc32sinUc=Rc1-Rc3
2-CccosUc式中 Rc1)))有效最大主应力,Pa;   Rc3)))有效最小主应力,
Pa;Uc)))有效内摩擦角,(b);Cc)))有效内聚力,Pa。
  由于注浆压力的作用,使砂砾岩的有效应力减小,使地层导致破裂的注浆压力为
P0=Ch(1+K)2-Ch(1-K)2sinUc-Cwhw
+CccotUc式中 P0)))注浆压力,MPa;
C)))砂或砂砾石的密度,kg/m3
;
Cw)))水的密度,kg/m3
;hw)))地下水位高度,m;h)))灌浆段深度,m;
K)))为主应力比。
(2)在黏土层中,水力劈裂将引起土体固结挤出现象,在只有固结作用的条件时,可用下式计算注入浆液的体积V和单位土体所需的浆液量Q。
V=
Q
0
a
(P0-u)mv4Pr2
dr
Q=Pmv
式中 a)))浆液的扩散半径,m;
u)))孔隙水压力,MPa;mv)))土的压缩系数;P)))有效注浆压力,MPa。
4 岩体注浆材料选择与注浆效果检测

  注浆工程中所用的原材料分为粒状材料和化学材料2个系统。粒状浆材配成的浆液是悬浊液型。由于固体颗粒悬浮在液体中,所以这种浆液容易离析和沉淀,沉降稳定性差,结石率低。另外,浆液中含固体颗粒尤其是较大颗粒,使浆液难以进入土层细小裂隙和孔隙中。为改善粒状浆材的性质,以适应各种不同地层条件的需要,往往在浆液中加入各种外加剂。近来已经开发出无机纳米XPM混凝土外加剂,在混凝土中加入此种外加剂,可以使现在的水泥颗粒从7500nm降到10nm,黏结力达到3189MPa。从而使水泥浆材的使用范围得到了提高。但是在对于裂隙较大岩体或者有强烈地下水流动的裂隙岩体进行注浆封堵与加固时,根据/桥堵0理论,让浆液中的最大固体颗粒,在通道的窄处或转角处由1~3个同时通过的颗粒造成桥架,逐级拦截住次一级的固体颗粒,在不断注浆过程中
形成反滤层,逐步堵死[3]
。所以,应该根据地质条件的不同选择合适的浆液。
  一般的化学浆液属溶液型,化学浆液较粒状浆材配成的浆液不易出现颗粒的离析,黏度较低,易于进入土体的细小裂隙或孔隙之中,其注入能力较强。但化学浆液通常成本较高,有污染问题等。所以,它的应用受到了限制而且由于有些行业性质要求的不同对化学注浆材料性能要求也不同,现在的好多化学浆材在反应的过程中都要放热属于放热反应。用此种浆材对煤层进行加固时,由于操作工艺的失误或不当,可能会引起煤层的自燃或起火,给矿井造成安全隐患。在西山矿务局就曾因对工作面冒顶采取高发泡的化学材料进行加固时,而引起工作面起火。介于上述原因,要求理想注浆材料要具备如下条件:
(1)浆液的初始黏度要低,流动性好,可注性强,能渗透到细小的裂隙或孔隙内。
(2)凝胶时间可以在几秒至几十分钟范围内任意调整,并能准确控制。
(3)稳定性好,在常温、常压下较长时间存放不改变其基本性质,存放不受温度的影响。(4)无毒、无臭、不污染环境,对人体无害,属非易燃、非易爆品。
(5)浆液对注浆设备、管道、混凝土结构物等无腐蚀性,并容易清洗。
(6)浆液固化时无收缩现象,固化后与岩体、混凝土等有一定的黏结力。
(7)结石体具有一定的抗压、抗拉强度,抗渗性好,抗冲刷及耐老化性能好。
(8)材料来源丰富,价格便宜。
(9)配制方便,操作简单。
  过去通过目测、压水、注水等常规方法,现在发展到钻孔取芯,通过岩芯的完整性情况来评价注浆效果。也有弹性波探测,是通过注浆前后岩体的纵波与横波比值的差异来反映岩体的密实情况,进一步来评价注浆效果。
5 注浆技术研究和发展展望

  由于地层内部构造的复杂性和多变性,浆液在地层中流动的隐蔽性,以及浆液自身性质的多样性,给注浆理论研究带来了很大困难。因而,理论研究相对于实际工程需求还相差很远。为了满足工程实践需求,加强注浆理论的研究是非常必要的。
(1)尚需进行理论研究的方面:¹浆液流体的力学与其本构关系;º浆液在岩体裂隙中的流动和松散介质中的渗透规律(尤其是非牛顿流体浆液);»注浆加固的力学机理;¼注浆理论的优化及可靠性分析(目前有研究人员通过绘制成功树来分析注浆可靠性[4]
)。
(2)注浆材料研究开发方面:¹应进行无毒
催化剂的研制,因为目前大部分化学注浆材料都要靠固化剂或催化剂来调整固化时间,而且基本上所有的这些外加剂都有毒或有强的腐蚀性;º无溶剂型浆材的开发;»水做介质的化学浆材的研制(目前长江科学院已经研制出用水作为溶剂的环氧注浆材料);¼新型高浸润、高渗透性注浆浆材的研究;½弹性化学浆材的开发,包括低温反应,高发泡化学材料的开发;¾耐久性浆材的开发,包括耐水、耐酸碱、耐气候、耐紫外光、耐冻融和干湿循环、耐磨蚀、耐微生物作用(霉)等方面
[5]
。
(3)注浆设备仪器的系列化、成套化、标准化和环保化。¹高性能高压注浆泵的系列化、成套化和标准化,高性能注浆泵是实施注浆作业的主要设备,国内有多家研究所和小企业研制和开发,但都只能小批量生产或试生产,同时国内基本上没有高压注浆泵的生产厂家,高压化学注浆泵主要是用国外的设备,今后应定点、定型生产,并向产品的系列化、成套化、标准化方向发展,以便注浆技术的推广应用;º注浆自动记录仪的研制,可有效地避免人工记录难免出现的一些差错,对提高隐蔽工程注浆质量起到很好的监控作用,并使注浆数据分析建立在可靠的基础之上。

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