（地质工程专业论文）铜锣山隧道岩溶浅埋段地表注浆试验研究.pdf

摘要 铜锣山隧道岩溶浅埋段地表注浆试验研究 作者简介：龚习炜，男，出生于1 9 8 2 年1 0 月，2 0 0 4 年9 月师从于成都理工大 学李天斌教授，地质工程专业，研究方向为岩土体稳定性及其工程环境效应。 摘要 注浆是一项实用性强、应用范围广的工程技术。目前在我国公路工程建设中， 由于注浆缺乏系统试验和研究，没有形成一套完善的方法体系和技术规程，不免 给设计和施工带来困难。因此，有必要针对我国公路工程建设中的注浆技术进行 全面而深入的研究，进而形成一套适合于公路隧道注浆应用技术的方法体系。 本文以垫邻高速公路铜锣山隧道岩溶浅埋段为研究对象，通过室内浆液配比 试验、注浆设计、现场注浆试验、注浆质量检测及评价等，对铜锣山隧道岩溶浅 埋段地表注浆技术进行了系统研究，获得的主要成果如下： 1 通过浆液配比试验，对拟选用的不同注浆材料进行了正交对比分析，筛 选出了适合于试区的注浆材料及其最佳配比。试验结果表明，纯水泥浆液及水泥 一水玻璃浆液适合于岩溶浅埋段的注浆工程。纯水泥浆液的水灰比推荐选用1 ： 1 ，水泥一水玻璃浆液中水泥浆液与水玻璃的体积比推荐选用1 ：1 。 2 现场注浆试验表明，“孑l 内卡塞”后退式注浆法适合于结构破碎、强度较 低的地层注浆工程，它有利于深层围岩的注浆加固。因此，推荐廖家沟岩溶浅埋 段的地表注浆采用“孔内卡塞”后退式注浆法。 3 浆液充填的直观检测、单位注灰量分析、岩体透水率分析、声波测试成 果分析及岩芯抗压强度对比表明，试区注浆后地层透水率小于5 l u ，声波波速平 均提高1 1 5 ，抗压强度平均提高1 1 ，总体上达到了注浆设计标准。 4 运用层次一模糊分析法，以注浆载体完整性、连续性和坚固性为评价准 则，选取透水率、单孔和对穿声波波速、岩体完整性系数、单位注灰量递减率、 简易压水透水率递减率、抗压强度和压水曲线类型8 个指标，建立了一套适合于 岩溶地区注浆质量评价的体系；利用此次注浆试验的质量检测数据，以层次一模 糊综合评判为手段，对本次注浆试验的质量进行了综合评价，得出“良好”的评价 结果。 5 根据注浆试验过程和结果，对注浆参数进行了优化，得出适合廖家沟岩 溶浅埋段地表注浆的优化参数：最大容许注浆压力为1 5 m p a ，浆液扩散半径为 1 1 5 m ，单孔注浆量为9 1 3 m 3 。 关键词：地表注浆注浆参数压水试验透水率模糊综合评判 成都理j i = 人学硕十学位论文 t h es t u d yo nt h es u r f a c eg r o u t i n g e x p e r i m e n t s i nt h ek a r s ta n ds h a l l o w b u r i e da r e a o fm tt o n g l u ot u n n e l a b s t r a c t g r o u t i n gi s a l le n g i n e e r i n gt e c h n o l o g y ，w h i c hh a sg o o dp r a c t i c a b i l i t ya n di s w i d e l yu s e d i nt h eh i g h w a ye n g i n e e r i n gc o n s t r u c t i o ni nc h i n aa tp r e s e n t ，i tb r i n g s d i f f i c u l t i e st ot h ed e s i g na n dc o n s t r u c t i o no f g r o u t i n g sd u et ot h el a c ko f a p p l i c a t i o n s , t e s t sa n ds t u d i e si n g r o u t i n ga n dn o th a v i n gaf u l lm e t h o d o l o g ys y s t e ma n d r e g u l a t i o n so ft e c h n o l o g y t h e r e f o r e i ti sn e c e s s a r yt ot a k ec o m p r e h e n s i v ea n d i n - d e p t hs t u d i e si ng r o u t i n g a n dt of o r mas e to ft e c h n i q u et h a ti sf i tf o rt h eg r o u t i n g o f r o a dt u n n e l si nt h eh i g h w a y e n g i n e e r i n gc o n s t r u c t i o ni nc h i n a f o c u s i n go nt h el a r s ta n dt h es h a l l o w - b u r i e da r e ao fm tt o n g l u ot u n n e lo f d i a n - l i nh i g h w a yi nt h i sp a p e r ，t h es u r f a c eg r o u t i n gt e c h n o l o g yo fm tt o n g i u o t u n n e li ss t u d i e ds y s t e m i c a l l yb a s e do nt h ee x p e r i m e n t so f g r o u t i n gm a t e r i a l s ，d e s i g n s o f t h eg r o u t i n g ，e x p e r i m e n t so f t h ef i e l dg r o u t i n g ，t h em e a s u r e sa n de v a l u a t i o n so nt h e q u a l i t yo f g r o u t i n g t h em a i nr e s u l t sa l ea sf o l l o w s ： 1 t h eg r o u tt h a tb ef i tf o rt h et e s tr e g i o na n dt h eo p t i m u mp r o p o r t i o nw a s s c r e e n e do u tb yt h eo r t h o g o n a le x p e r i m e n to fd i f f e r e n tg r o u t s ，t h er e s e to ft h et e s t i n d i c a t e dt h a tc e m e u tg r o u ta n dc e m e n t - w a t e 唱l a s sg r o u tw e r ef i tf o rt h eg r o u t i n g e n g # n e e r i n gi nt h ek a r s ta n ds h a l l o w - b u f f e da r e a t h er e c o m m e n d e dw a t e r - c e m e n t r a t i oo f t h ec e m e n tg r o u ti s1 ：1 a n dt h ev o l u m er a t i oo fc e m e ma n dw a t e r g l a s si n c e m e n t - w a t e r g l a s sg r o u ti s1 ：1 2 t h es t u d i e si n d i c a t e dt h a tt h er e g r e s s i v e g r o u t i n gi ss u i t a b l ef o rt h ep r o j e c t so f g r o u t i n gi nt h ea r e aw h i c hh a ss t r u c t u r e - c r a c k e da n d1 0 w - i n t e n s i o ns t r a t u m t h e r e f o r e , t h er e g r e s s i v e g r o u t i n gi sr e c o m m e n d e df o rt h ep r o j e c to fg r o u t i n gi nt h ek a r s ta n d s h a l l o w - b u r i e da r e ai nl i a o j i ac h a n n e l 3 t h r o u g ht h eo b s e r v a t i o no fg r o u tf i l l i n g ，t h ea n a l y s i so fg r o u tq u a n t i t y , t h e w a t e rp e r m e a b i l i t yo ft h er o c k , t h er e s u l t so fs o n i cw a v et e s ta n dt h ec o n t r a s to f c o m p r e s s i v es 仃e n g t ho ft h er o c kc o r e ，i ti si n d i c a t e dt h a tt h ew a t e rp e r m e a b i l i t yo f g r o u t e ds t r a t u mw a su n d e r5l u , t h ea v e r a g ei n c r e a s er a t eo fs o n i cw a v es p e e dw a s 11 5 a n dt h ea v e r a g ei n c r e a s er a t eo fc o m p r e s s i v es t r e n g t ho ft h er o c kc o r ew a s 1 1 4 u s i n g t h em e t h o do fa h p f u z z y c o m p r e h e n s i v e e v a l u a t i o na n dt h e i i 摘要 e v a l u a t i n gc r i t e r i o n so f t h ei n t e g r a l i t y ，c o n t i n u i t ya n dc o n s i s t e n c yo fg r o u t i n gc a r r i e r ， a ne v a l u a t i n gs y s t e mo f g r o u t i n gq u a l i t yw h i c hi ss u i t a b l ef o r t h ek a r s ta r e aw a sb u i l t 谢t l l8i n d e x e ss u c ha sw a r t c rp e r m e a b i l i t y ，s o u n d w a v es p e e d ，t h ei n t e g r a l i t yo ft h e r o c k , t h ed e c r e a s er a t eo f t h ec e m e n tv o l u m ep e rm e t e ra n dt h ep e r m e a b i l i t yo f s i m p l e w a t e r - p r e s s u r et e s t , t h ec o m p r e s s i v es t r e n g t ho ft h er o c ka n dt h et y p eo ft h ec u l w ei n n o r m a t i v ew a t e r - p r e s s u r et e s tt h r o u g ht h es t u d i e s a n i c e r e s u l tw a sf i g u r e do u tb y t h eg e n e r a le v a i u a t i o no f g r o u t i n gq u a l i t yo nt h eb a s i co fa h p f u z z yc o m p r e h e n s i v e e v a l u a t i o n 、 ，i t ht h em e a s u r i n gd a t a 5 t h ep a r a m e t e r so fg r o u t i n gw e r eo p t i m i z e da c c o r d i n gt ot h ep r o c e s sa n dt h e r e s u l to fg o u n t i n g ，a n dt h eo p f t m i z e dp a r a m e t e r sw h i c hw e r ef i tf o rs u r f a c eg r o u t i n g i l lt h ek a r s ta n ds h a l l o w b u r i e da r e ai n l i a o j i ac h a n n e lw e r eg i v e na sf o l l o w s ：t h e m a x i n l u mp r e s s u r eo fg r o u t i n gi s 1 5 m p a , t h ep e n e t r a t i o nr a d i u si sr a n g e df i o m 1 1 5 m , a n dt h ev o l u m eo f s i n g l e - h o l eg r o u t i n gm a yb er a n g e df r o m9 - 1 3 一 k e yw o r d s ：s u r f a c eg r o u t i n g p a r a m e t e r so f g r o u t i n g w a t e r - p r e s s u r et e s t , w a t e rp e r m e a b i l i t y f u z z yc o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o n i i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得盛鳌堡王太堂或其他教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 靴剩磁彩“ 学位论文作者签名：x - 刃彩 , - - 9 7 年只，乎r ， 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盛壑堡至太堂有关保留、使用学位论文的规 定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查 阅和借阅。本人授权盛壑堡王盔堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有 关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 靴敝储签哆叫 2 叼年旯，挈b 第1 章前言 第1 章前言 1 1 选题依据及研究意义 1 1 1 工程概况及选题依据 沪蓉国道主干线支线重庆垫江至四川邻水高速公路( 图1 1 ) ，东接重庆忠县 至垫江高速公路，西接已建成通车的广邻高速公路，是国家规划的“五纵七横” 国道主干线公路网的重要组成部分，是国家重点规划的四川出省主通道之一，是 川渝地区快速交通的重要通道。该高速公路共设置三座隧道：明月山隧道、铜锣 山隧道和大地坡隧道。其中，明月山隧道和铜锣山隧道均为超过5 k m 的长大隧 道，是该高速公路段的重点控制性工程。 图1 1 垫邻高速公路交通示意图 铜锣山隧道双线全长5 1 9 7 m ，是垫邻高速公路第二长大隧道。根据隧道施工 前的地质勘察成果，该隧道主要穿越三叠系须家河组、雷口坡组和嘉陵江组以及 侏罗系地层，主要岩性为泥岩、砂岩、灰岩、自云质灰岩和岩溶角砾岩等。隧道 地质情况复杂、不良地质地段多，途经9 3 m 洞口泥岩浅埋段、2 5 m 煤层采空区、 2 7 7 m 含煤地层段、1 2 0 m 岩溶角砾岩段、1 5 0 0 m 岩溶易涌( 突) 水段、两个断层 破碎段，施工难度极大。受地层岩性、地质构造和外动力地质条件的控制，隧道 区岩溶较发育，根据施工中的情况看，铜锣山隧道的涌( 突) 水现象较为严重。 铜锣山隧道廖家沟浅埋段，位于梁板乡清水村。隧道洞跨d 为1 2 7 m ，埋深 h 为6 m 2 5 m ，h 2 d 。围岩主要以薄层钙质泥岩为主，夹白云质灰岩、泥灰岩 及少量岩溶角砾岩，均为可溶性岩。岩层渗透性较好，富水性较强，岩体破碎、 软弱，自稳能力及成拱能力差，开挖过程中极易出现地面沉陷、岩溶塌陷、地下 成都理jr 大学硕+ 学位论文 水流失、地表供水水源枯竭等地质灾害。此外，由于廖家沟浅埋段地表水及地下 水较发育，该浅埋段隧道在开挖过程中极易出现洞内涌( 突) 水现象，并将给隧 道施工带来极大困难。因此，该浅埋段采用地表注浆，加固围岩，防渗堵漏，以 便隧道施工能够顺利安全地通过该浅埋段。 铜锣山隧道廖家沟浅埋段地表注浆，设计有2 0 1 2 个注浆孔，规模大，范围 广，地形多变，属v ”字型槽谷区，地层结构复杂，各个方向存在较大的不均匀 性。因此，有必要在正式注浆施工前选择代表性的注浆试验区进行注浆试验研究。 本人在导师的指导下，结合“铜锣山隧道岩溶段注浆技术应用研究课题”，选 择“铜锣山隧道岩溶浅埋段地表注浆试验研究”作为硕士论文选题。 1 1 2 研究意义 注浆技术是一项实用性很强、应用范围很广的工程技术，它的发展已有近百 年的历史i i j 。特别是到了2 0 世纪4 0 年代，注浆技术的研究和应用进入了一个鼎 盛时期，各种水泥浆材、化学浆材相继问世，注浆技术的应用范围及规模也越来 越大。我国注浆技术的研究和应用较晚，5 0 年代初开始起步，经过5 0 多年的发 展，我国在注浆技术方面取得了一定的进展，注浆应用的领域也逐渐扩大，己遍 及水利、建筑、铁路和矿业等多个领域。但是在我国公路工程建设中，由于缺乏 系统的试验和研究，在注浆基本理论的研究、注浆材料的选择及配比、施工工艺 以及质量检测标准等方面大都借鉴水利注浆工程的经验，没有形成一套完善的方 法体系，不免给设计和施工带来巨大困难，对工程造成巨大损失。因此，有必要 针对我国公路工程建设中的注浆技术进行全面而深入的研究，进而形成一套适合 于公路隧道的注浆应用技术和方法体系。 对公路工程建设中的注浆技术进行全面而深入的研究，需要大量工程实践经 验的积累和总结。本次铜锣山隧道岩溶浅埋段地表注浆试验，可以进行注浆参数 的设计、对不同注浆材料进行浆液配比试验研究、对比不同注浆施工工艺的优缺 点及其适用条件、进行注浆质量检测方法与评价研究等，进而为形成一套适合于 岩溶地区公路隧道地表注浆技术的方法体系提供技术支撑，这项研究对今后类似 地区的注浆工程也具有一定的指导意义和参考价值。 1 2 国内外研究历史及现状 注浆( h j e e t i o ng r o u t ) ，又称为灌浆( g r o u t i n g ) ，它是将一定材料配制成浆 液，用压送设备将其注入地层或缝隙内使其扩散、凝胶或固化，以达到加固地层 或防渗堵漏的目的嘲。注浆技术是岩土工程学的一个分支，属于地基处理的范畴。 2 第1 章前言 像土力学发展一样，注浆技术由经验方法逐步完善成为一门具有理论的技术。注 浆技术涉及流体力学、工程地质学、水文地质学、土力学、岩石力学、化学、勘 探地球物理学等学科，而且还和液压技术、泵技术、射流技术、电子技术息息相 关f 3 1 。 1 2 1 注浆技术的发展历史 注浆技术的发展历史大致可分为四个阶段： 1 原始粘土浆液阶段( 1 8 0 2 1 8 5 7 年) ： 1 8 0 2 年，法国人查理斯贝里格尼在修理第厄普( d i e p p e ) 冲刷闸时，用一 种木制冲击简装置，人工锤击方法向地层挤压粘土浆液，被称为注浆的开始1 4 1 。 此后，法国在1 9 世纪中叶，应用这种注浆方法对建筑物的地基进行加固。在这 段时期，注浆技术处于原始萌芽阶段，注入的方法比较原始，浆液主要是粘土、 火山灰、生石灰等简单材料。 2 初级水泥浆液注浆阶段( 1 8 5 8 1 9 1 9 年) ： 在1 8 5 6 1 8 5 8 年间，英国的基尼普尔用水泥作为注浆材料进行了一系列注 浆试验，并获得成功，这是第一次用水泥材料注浆；1 8 6 4 年，巴洛利用水泥浆 液在隧洞衬砌背后充填注浆并用于伦敦、巴黎地铁；1 8 7 6 年，美国的托马斯、 霍克斯莱利用浆液下流方式向腾斯托尔水坝的岩石地基注入硅酸盐水泥浆液，随 后他们又相继研制了压缩空气和类似目前采用的压力注浆泵等注浆设备。硅酸盐 水泥的发明和注浆泵的出现，为注浆技术的迅速发展创造了有利条件。 3 中级化学浆液注浆阶段( 1 9 2 0 一1 9 6 9 年) ： 荷兰采矿工程师尤斯登在1 9 2 0 年首次用水玻璃、氯化钙双液双系统二次压 注法进行注浆，被认为是应用化学注浆技术的开始【5 1 。从化学注浆开始到4 0 年 代，注浆材料主要是以水玻璃为主，在欧美各国广泛采用；随后美国研制了木质 素类、酚醛树脂类、丙烯酸盐类等性能各异的注浆材料。我国化学注浆主要以水 玻璃浆材为主( 又称硅化法) ，其他化学注浆材料始于5 0 年代，由于长江三峡水 利工程的需要，进行环氧树脂和甲基丙烯酸酯类材料的研究，6 0 年代又研究了 脲醛树脂、聚氨酯、改性水玻璃等材料【6 】。 随着化学注浆的出现和发展，注浆理论和工艺相继产生。1 9 3 8 年马格( m a a g ) 发表了在颗粒材料中注浆的简化理论【_ ”，随后出现了柱状渗透理论，注浆工艺也 在不断的革新。随着注浆技术的广泛应用和深入研究，逐步形成渗透注浆、压密 注浆、劈裂注浆和复合注浆等理论和工艺。 4 现代注浆阶段( 1 9 6 9 年至今) ： 6 0 年代末期，出现了高压喷射注浆技术网。将水力采煤技术与注浆技术结合 成都理i ：人学硕士学位论文 起来，用水或浆液切割土层形成空穴再将浆液与土层搅拌固结成形，克服了软土 注浆难以控制的不足。高压喷射注浆技术的出现，使注浆结石体由散体发展为结 构体，即渗透注浆( 低压、土体不变形、土颗粒间孔隙被浆液充填) 一压密注浆 ( 中压、土体变形、浆液形成柱状固结体) 一劈裂注浆( 压力增大，土体破坏， 浆液成脉状固结体) 一高压喷射注浆( 高压、土体切割后被排出、切割范围内浆 液全部均匀替代) ，从而使注浆技术具有高度的统一性 9 】。另一方面，注浆材料 向超细水泥方向发展，逐步替代化学浆材，减小对环境污染和降低工程造价。 1 2 2 注浆技术的研究现状 随着注浆技术的发展，注浆理论得到了进一步完善，但由于注浆介质条件的 复杂及注浆工程的隐蔽性，模拟研究比较困难，因此注浆理论的发展落后于其他 科学技术；注浆材料方面目前开发出了高强度的水玻璃浆液和消除了碱污染的中 性、酸性水玻璃浆液，研制了非石油来源的多种高分子浆液，可注性好的超细水 泥浆液也得到了进一步应用【l o 】；注浆方法上，从脉状注浆、渗透注浆发展到应 用多种材料、工艺的复合注浆，从钻杆法、过滤管法发展到双层过滤管法和多种 形式的双重管瞬凝注浆法，从无向压住发展到通电、抽水、压气和喷射等多种诱 导注浆法等。 1 注浆理论研究现状 ( 1 ) 岩体介质理论的研究现状 岩体孔隙或裂隙是浆液流通的通道，由于岩体介质的不同，造成浆液流经的 方式和途径不同，从而产生不同的注浆效果。因此，对岩体介质的研究是整个注 浆理论的基础1 1 1 】 1 2 11 1 3 1 。 乱多孔介质理论：该理论认为岩体是一种多孔结构，孔隙是流体流经岩体的 通道，根据其孔隙分布情况，又可分为各向同性多孔介质和各向异性多孔介质。 b 拟连续介质理论：该理论认为岩体虽受裂隙分割，但通过应用等效原理处 理后，岩体空间内每一点上岩石和裂隙都保持连续。因此，在岩体内每一点上都 同时存在岩石介质和孔隙介质，浆液就是通过这些孔隙在岩体内流动的。 c 裂隙介质理论：该理论认为岩土是受裂隙分割的不连续体，浆液在岩体内 通过裂隙网络流通。 d 孔隙和裂隙双重介质理论：该理论认为岩体由孔隙性差而透水性强的裂隙 系统和孔隙性好而透水性弱的岩块系统组成，浆液在该种介质中流动时，既可在 裂隙中流动，又可在岩块中流动，并在两者之间发生强烈的质量交换。 ( 2 ) 注浆理论可归类为渗透注浆理论、压密注浆理论和劈裂注浆理论 乱渗透注浆理论 4 第1 章前言 渗透注浆是通过注浆压力，使浆液克服阻力渗入到孔隙或裂隙中，就地凝固 而达到加固或减少渗漏的注浆方法。其作用机制是假定被注载体为均质各项同性 介质，诸如土体等位于钻孔底部的注浆按球形或柱形扩散渗入孔隙或裂隙并充填 凝固。 马格( m a a g ) 首先建立了在砂土层的球形渗透扩散理论。随后，卡罗尔( k m 0 1 ) 及拉芙莱( r a f f l e ) 等也根据各自的研究成果，相应给出了类似的计算公式。实 践应用表明，马格及拉芙莱的理论公式应用较广泛，而卡罗尔公式应用较少4 】。 随着国内外学者对渗透注浆理论的深入研究，相继发展了柱形扩散理论、刘嘉才 的单平板裂隙注浆渗透模型、b a k e r 公式及g l o m b a d 公式等i l ”。 b 压密注浆理论 压密注浆是采用严密施工控制的方法将很稠的浆液( 其坍落度小于2 5 r a m ) ， 通过钻孔挤向被注载体并在注浆处形成球形的浆泡( 结石体) ，使其周围被注介 质得到压密。 压密注浆的效果取决于浆液、浆压、被注载体及其控制的抬升作用等。压密 注浆可以引起三种载体变形模式【1 6 】：当上升力超过上覆盖的重量时，将会发生 圆锥型破坏模式，相应的地面隆起非常明显；当上台力小于上覆盖重时，周围载 体仅发生弹性或塑性膨胀，地面抬升很小；当破坏模式变化时，浆液很容易沿裂 面窜到地面，发生明显的水力劈裂现象。引起锥形剪切、破坏的机理是非常复杂 的。圆锥与周为载体间的摩擦力很难确定，m o h y a n y 和h w a n g 于1 9 9 4 年初步 建立了锥形破坏条件旧。 c 劈裂注浆理论 劈裂注浆是通过注浆钻孔内施加液体压力于具备可注性的注浆载体中，当液 压超过渗透注浆和压密注浆的极限力时，使被灌载体发生水力劈裂并产生新的裂 隙，或者使原有裂隙沿最小阻力抗线方向继续扩展、张开，然后浆液扩散其中并 最终凝固。 浆液在劈裂过程中的流动分为三个阶段u s ：首先是在未劈裂成新裂隙或原有 裂隙扩展张开之前，液压使被注载体的可注范围沿钻孔孔径方向发生位移“，即 压密变形；第二阶段为劈裂流动阶段，当注浆压力增加到一定程度时，此时的压 力称其为初始开裂压力，于是浆液则在被注载体内发生劈裂流动；最后，裂缝发 展到一定程度，注浆压力又再次上升，则载体中大、小主应力方向发生变化，即 水平向主应力转化为被动载体压力状态，这时更大的注浆压力将使载体中裂缝加 宽或产生新的裂隙。 2 注浆材料研究现状 随着注浆技术的广泛应用，注浆材料得到了较快的发展，从最早的石灰和粘 成都理f 大学硕士学位论文 土和水泥发展到今天的水泥一水玻璃浆液和各种化学浆液。通常说的注浆材料是 指浆液中的主剂，习惯上把注浆原材料分为粒状材料和化学材料两个系统。而浆 液是同主剂、固化剂、溶剂等经混合后所配成的液体，分为溶液型和悬浊型两大 类【1 9 l 。 ( 1 ) 溶液型浆材 乱水玻璃类浆液 水玻璃( 硅酸纳) 是化学注浆中最早使用的一种材料，水玻璃类浆液是由水 玻璃溶液和相应的胶凝剂组成。其胶凝剂有氯化钙、铝酸纳、醋酸、酸性有机盐 等。灌浆用水玻璃模数在2 4 3 4 之间为宜，水玻璃溶液的浓度在3 5 4 5 0 b e 为宜。水玻璃浆材的胶凝时间短，可灌性好，毒副作用小，造价低，在注浆工程 中应用广泛。 b 木质素类浆液 木制素类浆液由纸浆废液、胶凝剂和促凝剂等组成。木质素类浆液包括铬木 素和硫木素浆液。铬木素浆液的固化剂是重铬酸纳，但因其毒性大，难以大规模 使用。硫木素浆液是在铬木素浆液的基础上发展起来的，是采用过硫酸铵代替重 铬酸纳，使之成为低毒、无毒木质素浆液，是一种很有发展前途的注浆材料【2 0 】。 c 丙稀酰胺类浆液( 丙凝浆液) 丙稀酰胺类浆液，国内又称丙凝浆液，是以丙稀酰胺为主剂，和其他交联剂、 促凝剂和引发剂等材料组成。常用的交联剂为n - n 一亚甲基双丙稀酰胺( 简称 m ) ，引发剂为过硫酸铵，常用的促凝剂有口一二甲基丙腈和三乙醇胺，缓凝剂 一般用铁氰化钾( 简称k f ) 。丙稀酰胺类浆液粘度小，可灌性良好，胶凝时间可 准确地控制在几秒至数十分钟之间，但胶凝体的抗压强度较低，耐久性较差，且 具有一定毒性【1 9 1 。 d 丙烯酸盐类浆液 丙烯酸盐浆液是由一定浓度的单体、交联剂、引发剂、缓凝剂等组成的水溶 液、常用的交联剂多为n n 一亚甲基双丙稀酰胺和六氰1 ，3 ，5 三丙稀酰基一均三 嗪。浆液可灌性好，胶凝时间可控制在数秒至数小时之间。 e 聚氨酯类浆液 聚氨酯类浆液分非水溶性聚氨酯浆液( 简称p m ) 和水溶性聚氨酯类浆液( 简 称s p m ) 。非水溶性聚氨酯浆液不易被地下水冲稀，浆液遇水产生膨胀，有较大 的扩散半径和凝固体积比，粘度低，可注性能好，无环境污染：水溶性聚氨酯类 浆液是由预聚体和其他外加剂所组成，其与p m 的主要区别在于所用的聚醚是环 氧乙烷聚合物，具有亲水性，因此浆液能均匀地分散或融解在水中，胶凝后形成 包含有大量水的弹性体【1 9 l 。 6 第1 章前言 环氧树脂类浆液 环氧树脂具有强度高、粘结力强、收缩小、化学稳定性好等特点。其粘结力 和内聚力均大于混凝土，因此对于恢复结构的整体性可以起到很好的作用。但其 浆液粘度大，可注性差，憎水性强，与潮湿裂缝粘结力差。 ( 2 ) 悬浊液型浆材 悬浊液型浆材是指固体颗粒悬浮在水中的注浆材料。主要包括纯水泥浆、水 泥粘土浆、水泥水玻璃浆等。 a 水泥浆液 注浆工程中目前最常用的是普通硅酸盐水泥。水泥细度是决定水泥性能的重 要因素之一。水泥浆液材料来源广泛，成本较低，无毒性，施工工艺简单方便， 结石率可达9 9 ，结石抗压强度可达2 2 m p a z 1 1 。但水泥浆液的稳定性较差，易 沉淀析水，在地下水流速较大的条件下注浆时，浆液易受水的冲刷和稀释。可适 当掺入掺合料如粘性土、水玻璃、粉煤灰等改善水泥浆液性能。 b 水泥粘土类浆液 水泥粘土浆液是由水泥粘土按一定比例混合而成。作为加固注浆时，粘土掺 量一般为5 1 5 。由于粘土的分散性高，亲水性好，因而浆液沉淀析水性较 小，水泥粘土浆液的稳定性大大提高。水泥粘土类浆液的结石率比纯水泥浆液高， 可达1 0 0 ，结石抗压强度可达1 3 6 m p a 2 ”。 c 水泥水玻璃类浆液 水泥水玻璃浆液亦称c s 浆液，是以水泥和水玻璃为主剂，两者按一定比例 采用双液方式注入，必要时加入速凝剂或缓凝剂所组成的注浆材料。它克服了纯 水泥浆的凝结时间长等缺点，提高了水泥注浆的效果，扩大了水泥注浆的适用范 围。 d 微细水泥浆液 微细水泥浆液又叫m c 浆液，其平均粒径为4 1 m a ，最大粒径不超过l o g a n 。 这个特性使m c 浆液能够渗入渗透系数为1 0 0 1 0 4 c m s 的细砂层和岩石的细裂 隙中田】。结石具有较高的耐久性，抗压强度高，可达2 5 m p a ，浆液可注性强， 稳定性高。 3 注浆工艺研究现状 目前注浆工艺从注浆机理上可分为高压喷射注浆和静压注浆，从施工工序上 可分为“孔内卡塞”式和孑l 口封闭”式注浆】阱】。 ( 1 ) 高压喷射注浆和静压注浆 高压喷射注浆技术式利用压缩空气流保护的高压水射束，对土体进行冲切切 割，增强置换作用，同时灌注水泥浆液，使之成为理想形状的凝结体。该工艺可 7 成都理一r 大学硕十学位论文 以有效地控制形成凝结体的形状、范围，对非喷射方向上的土体扰动很小，施工 速度快，造价低；静压注浆又称劈裂注浆，利用劈裂作用机理，用压力注入比重 较大的水泥浆液，在压力传递下，注入的浆液沿地层应力场中最小主应力面或弱 应力分布区劈裂、延伸，所形成的脉状或不规则状的凝结体，对周围土体具有挤 密和压实作用，使土体的孔隙减小，压缩模量增大。静压注浆的特点是施工简捷， 工期短，成本低。 ( 2 ) 孑l 内卡塞”式和孑l 口封闭”式注浆 孑l 内卡塞”注浆又叫“后退式”注浆，注浆工艺为段顶堵塞、自下而上、分段 注浆，即下入套管一次性钻孔到底，套管跟至最底段的段顶，下入纸浆塞至套管 底部进行注浆，而后自下而上分段注浆，最后一段安设孔口管进行灌注；“孔口 封闭”注浆又叫“前进式”注浆，注浆工艺为孔口封闭、自上而下、封闭注浆，即 在孔口段埋设孔口管，而后自上而下分段钻进，安设孔口封闭器进行注浆，如此 循环钻注直至结束。 除上述工艺方法外，注浆强度系数法( 简称g i n 法) t 2 5 1t 2 6 1 是目前国外比较 流行的一种注浆技术，即在一定注浆段内，保持注浆压力尸与灌浆量矿的乘积p 矿 为一常数来进行岩体注浆。该法的提出者是g 隆巴迪与d 迪瑞( g l o m b r d ia n d d d e e r e ) ，他们以g i n = p v - - e o n s t 的办法来设计与控制注浆全过程，其工艺简 单，采用计算机控制精确可靠。此外，湿磨水泥注浆、岩溶区大渗漏量注浆、伸 缩缝止水注浆、混凝土裂缝注浆、深层搅拌注浆等工艺技术目前在水电工程上都 得到了广泛应用。 4 注浆设计现状 近年来，在注浆设计中往往采用综合注浆法，包括不同浆材、不同注浆方式 的联合，以适应某些特殊地质条件和专门注浆目的的需要【2 7 】；其次是注浆标准 的确定，所采用的注浆标准的高低直接关系到注浆工程的质量、进度、造价和建 筑物的安全；第三是选择适宜的注浆材料。注浆目的、标准不同，所采用的材料 也不同，同时还要考虑对人类和自然环境的影响，这个问题越来越引起工程界的 重视，成为注浆方案取舍的重要因素 2 8 1 ；第四是注浆参数的确定，注浆参数主 要有注浆压力、浆液扩散半径、浆液浓度及凝胶时间等。注浆压力的大小与地层 的密度、强度、渗透性、钻孔深度、位置、注浆顺序及注浆材料的性质有关，因 而难以准确制定，需通过现场注浆试验确定。浆液扩散半径是一个重要参数，可 通过理论公式进行计算。但通常浆液的实际扩散半径要小于理论值，这是由于在 注浆过程中，计算所用的一些参数实际上均为变量，从而导致计算值与实际值的 差别 2 9 。 5 注浆监控及质量检测研究现状 8 第1 章前言 注浆效果的检测是注浆技术中的一个重要环节，随着科学技术的进步，电子 仪器及相应的技术已在注浆工程中得到广泛采用。日本、英国、法国、美国等国 家的注浆施工监控已达到半自动或自动化程度，任一注浆阶段的注浆压力、流量、 浆液成分及所注浆液的发展情况都可以及时获得并用来指导注浆全过程，具有统 计、分析及说明注浆结果所需的全部资料【3 0 1 。对于以堵水为目的的注浆，可以 检测注浆前后岩土体渗透性的变化，并进行比较和判定，如压水试验、漏水试验 及潜望镜、孔内摄影等；对于以加固为目的的注浆，则可通过测定注浆前后受注 岩土体的强度变化来判断注浆效果，如标准贯入试验、载荷试验、利用弹性波、 电阻及放射性同位素等方法。此外，扫描电镜、透反射偏光显微镜、x 射线衍射 仪和能谱仪等现代的理化分析检测手段，能定量分析判断浆材在裂隙中的充填程 度【3 1 1 。 6 目前存在的问题 注浆技术无论是在理论上，还是在实际应用上，都取得了长足的进展，发展 了不同的注浆理论。但由于注浆工程的隐蔽性以及地质条件的复杂性，使注浆技 术的发展仍相对落后于其他科学技术，目前建立的理论和技术方法仍存在很多局 限性和不足，注浆理论已不能满足实际注浆工程的需要。 ( 1 ) 岩体结构理论不够完善。岩体的裂隙是天然条件下形成的不规则破裂 面，其不规则特征对浆液渗流过程的影响显著，裂隙的分布、表面特征具有随机 性，服从一定的随机分布规律，该规律有待进一步深入研究。 ( 2 ) 注浆浆液的非牛顿体特征研究不够完善p 2 1 3 3 1 。现在大多数裂隙注浆理 论都是建立在牛顿流体稳定渗流的模型上，而实际裂隙岩体的注浆过程具有明显 的非稳定特性和非牛顿流体特性。 ( 3 ) 在注浆材料方面，目前使用的高分子化学浆材施工成本较高，在经济 型及耐久性方面使其难以广泛应用，且都有一定程度的毒性，易污染环境并危及 人的身体健康 3 4 】。 此外，我国公路部门的注浆技术大都借鉴水电部门的经验，没有形成一套适 合于公路工程的注浆技术方法和规程，并且水电部门的注浆技术适用条件和应用 范围与公路工程有一定差异，一味地借鉴水电部门的注浆技术难免会给公路部门 的注浆工程带来困难和造成损失。因此，需要结合具体工程，系统开展公路工程 注浆技术的应用研究。 9 成都理】：大学硕士学位论文 1 3 研究内容、思路及技术路线 1 3 1 主要研究内容 本论文的研究内容主要包括以下4 个方面： 1 铜锣山隧道地表注浆材料选择及浆液配比试验研究； 2 锣山隧道地表注浆试验设计研究； 3 锣山隧道地表注浆现场试验方法研究； 4 锣山隧道地表注浆质量评价体系研究。 1 3 2 研究思路 本论文的研究思路是：采用现场调研和室内分析相结合、现场测试与地质分 析相结合、层次分析与系统评价相结合的思想。深入施工现场，在全面收集铜锣 山隧道工程地质勘察和设计资料并查明廖家沟浅埋段地形地貌、地层岩性、地质 构造及水文地质条件的基础上，进行室内注浆材料配比的正交试验，对现场注浆 参数进行设计，选择具有代表性的试验区进行现场注浆试验，对注浆试验的实施 与过程控制进行分析和研究，确保试验的顺利进行；通过室内资料整理和分析， 进行注浆效果和质量的检测分析研究，并利用层次一模糊综合评判方法对注浆质 量进行评价，形成一套适合于岩溶地区公路隧道注浆质量的评价体系。 1 3 3 技术路线 本文的技术路线如图1 2 所示： i o 第1 章前言 图l - 2 技术路线图 成都理工人学硕十学位论文 第2 章试区工程地质条件 k 3 3 + 9 4 0 k 3 4 + 0 3 5 段为铜锣山隧道廖家沟浅埋段，位于梁板乡清水村，隧 道洞跨d 为1 2 7 m ，埋深h 为6 2 5 m ，h 2 d 。地质条件极为复杂，地表为坡积层 和残积层粉质粘土夹碎石混合物，潮湿，厚2 5 m ，地下水位距地表2 6 m 。岩 石为薄层钙质泥岩夹灰岩、白云岩不等厚互层，全风化，多数泥化，岩石里碎裂 状，钙质泥岩手捏可成碎沫，灰岩白云岩可手掰成碎块。裂隙极为发育，局部有 溶洞( 图2 1 ) 。 图2 。l廖家沟地表出露小型溶洞图图2 2 廖家沟浅埋段地形地貌 2 1 自然地理及地形地貌 试区位于四川省邻水县东南约5 k m 的铜锣山背斜翼部，属邻水县元市镇和 城南镇管辖。气候属亚热带温暖、湿润季风气候，雨量充沛，具冬暖、春早、夏 热、秋多雨的特征。据邻水气象资料，年平均气温1 6 9 c ，日气温最高4 0 4 1 2 ， 最低3 8 ，年平均降雨量1 2 1 5 5 m m ，最大1 5 2 9 8 m m ，最小8 3 6 6 m m ，降雨集 中在7 9 月，占年降雨量的7 0 。相对湿度8 0 ，无霜期2 9 2 天，多东北风， 平均风力一般1 6 2 1 级，最大达8 级。 廖家沟总体属侵蚀构造地貌，沟谷北侧为陡坡，最大坡度大于6 0 。，南侧为 反向斜坡，岭脊展布与构造走向一致，为地表分水岭，横向冲沟较发育。廖家沟 大致沿n 2 5 0 e 方向延伸，与右洞东约3 0 0 m 处的清水溪交汇。沟谷较狭窄，岭脊 陡峭，区内相对高差达5 0 6 0 m ，地形切割较强烈( 图2 - 2 ) 。 1 2 第2 章试区t 程地质条件 2 2 地层岩性 2 2 1 地层及主要岩性 试区内出露地层主要为第四系全新统松散堆积层( q 4 。1 ) 和三叠系中统雷 口坡组二段( t 2 1 2 - 1 ) 。主要岩性描述如下： 1 第四系全新统松散堆积层( q 4 c m l ) 岩性主要为粉质粘土，黄灰色，软塑状，结构紧密，较湿润，含有角砾角， 石质成份为钙质泥岩及灰岩。 2 三叠系中统雷口坡组二段( t 2 1 2 。1 ) 岩性为钙质泥岩夹灰岩，白云岩不等厚互层。钙质泥岩为灰色、深灰色，质 细密，层厚l 3 e m ，有的呈几毫米厚微层，层间裂缝有方解石脉充填。灰岩、 白云岩层厚一般5 l o e m ，厚者达3 0 e r a ，由于是不等厚互层，形成软岩中的硬质 骨架。 2 2 2 岩层风化情况 自地表而下，依次分布如下风化岩层，直到原岩( 图2 3 ) ： 1 地表：坡积层和残积混合物，由泥、碎石混合组成，潮湿含水，厚达2 5 m 。对竖井口形成滑动侧压。表面有植被生长。 2 全风化岩石：薄层钙质泥岩夹灰岩，自云岩不等厚互层，全部风化，多 数泥质化、土层化，但有不明显的岩层层理遗址，质软易垮，厚2 3 m 。 3 强风化岩石：岩石因强风化而破碎，钙质泥岩手捏可成碎沫，灰岩白云 岩可手掰成碎块。裂隙多，难自稳，厚2 3 m 。 4 弱风化岩石：岩石结构、层理清楚，节理发育。岩石质硬而破碎。