注浆加固（陈相军讲授）.doc

铁路隧道围岩注浆加固工程一、铁路是国民经济的大动脉。随着国民经济的飞速发展及西部大开发战略的实施，铁路隧道的修建与日俱增，然而，隧道通过软弱围岩地段给设计和施工带来极大困难，要顺利通过，确保安全较为有效的办法之一就是围岩注浆加固。 1、注浆工法。就是用压送的手段把具有一定凝固时间的浆液注入到松散土层或含水岩层裂隙中，浆液凝结后固结土的颗粒或者充填岩层裂隙使围岩性质得以改善，对这种方法称之为注浆加固工法，也称为化学注浆或化学灌浆。其优点;(1)施工设备简单，（2）规模小投资少，（3）占地面积小对交通影响小，（4）工期短见效快，（5）施工对环境影响小，（6）对场地要求不高,（7）加固深度可深可浅易于控制。 2、注浆工法及材料发展过程。据文献记载，最早的注浆是法国人（charlesberijny）于1802年首次用冲击泵注入粘土和石灰加固港口砌筑墙，据今已有202年的历史了。1838年英国汤姆逊隧道开始用水泥浆进行填充注入，在后来的实践发现水泥浆的颗粒太大不宜注入，不得不研究溶液形态的化学浆液注浆。1884年英国豪斯古德（hosagood）在印度建桥时首先采用化学药品固结砂层获得成功至今已有126年的历史；1887年德国的切撒尔斯基利用一个钻孔注入水玻璃，邻近孔注氯化钙，创造了原始的硅化法并获得专利；1909年比利时人勒马尔塔蒙特（lamaiyedamont）在水玻璃中加入稀硫酸发现了改性水玻璃ph值的凝固机理，并提出了双液单系统的一次压入法并获得专利；1914年，比利时的阿尔伯特富兰科伊斯（aibeyefyencois）用水玻璃和硫酸铝注浆；1920年，荷兰采矿工程师尤斯灯（e.j.joosten）多次论证化学注浆的可靠性，并提出了使用水玻璃、氯化钙的双液双系统的注入方式于1920年获得专利。由于水玻璃价格便宜、无毒，所以从那时起直到现在一直广泛地用于基础、大坝、隧道加固等领域。水玻璃等浆液虽然具有价格便宜，无毒性等优点，但是这类浆液的固结强度和耐久性均差，故对要求加固强度和耐久性高的工程而言水玻璃浆液已不能满足工程的需要。随后高分子型材料问世。其中有代表性的高分子材料就是上世纪50年代美国人推出的粘度近于水，凝固时间任意可调的丙烯酰胺浆液am_9及原苏联提出的m917脲醛类浆液。此后，国际上相继推出了木质素类（英国的TDM钨木素浆液，中国东北大学杜嘉鸿教授领导研制的微毒铬木素浆液及无毒硫木素浆液）、丙烯酸类浆液日本阿龙A_40丙烯酸盐浆液、美国的AC_400丙烯酸盐浆液、聚氨脂类（日本的TACSS、），环氧类等种类繁多的高分子类浆液1974年5月日本福冈县发生下水道进入丙烯酰胺污染同年7月日本总理府颁布只限于使用不含剧毒物质和氧化物水玻璃浆液，从此开创使用水玻璃的高潮，新开发已达350多种，相继美国也停止了AM_9的生产。 鉴于有机高分子材料被采用，而水玻璃又不能满足强度和耐久性某些工程的需要，必需促使人们开发新材料的需要，而水泥的强度和耐久性远远优于水玻璃。但水泥颗粒较大不宜注入。Shinmoda和clayka分别于1982年和1984年提出超细水泥浆液的注入材料，解决了渗透系数10-3-10-4cms10-3的中砂和细砂注入问题， 不久日本也生产出了MC500号(颗粒为1-15m50%重量的中间粒径为6m)。我国浙江大学和浙光辉建设集团1990年也生产出与日本相近的超细水泥且价格更为便宜。另一种超细水泥为日本电力公司研制的湿磨超细水泥wmc,这种湿磨超细水泥颗粒似粘土浆而超过粘土浆。为了满足注浆的要求，近年来采用硅粉+水泥+高效塑化剂制成的复合型浆液，利用粒径只有1m的硅粉，高活性大幅度提高了浆液固结体的抗压强度，固结体的空隙大为减少，从而固结体的抗腐蚀能力得到加强。1993年有人提出了硅粉注浆，以硅粉为主材添加氢氧化钠。这种浆液具有混动性好、可注性强、抗渗性好，无析水现象、并且早强。1983年加拿大人stewaytville在大块的防渗堵漏中注入热沥青浆液堵漏收到了满意的效果。1991年有人试验成功了常温下水中固化剂沥青类复合注浆材料。这种浆液为沥青乳剂+水泥吸水性聚合物组成，具有极强的防渗性和柔性，用以隧道背后填充注浆为最佳。二、注浆的应用领域注浆工法和注浆材料的发展其应用的领域越来越广。1、 建筑物的基础加固和防止沉降；1) 高大建筑物的地基加固；2) 深基坑开挖基底和维护结构加固及防水；3) 建筑物的倾斜纠偏。2、 矿井、油井、竪井开凿中的止水加固；3、 大坝、防堤防水帷幕的形成和基础加固；4、 地下工程防渗漏和加固（地下铁、地下停车场、商业街、储油库、娯乐场、军事指挥所等）5、 各种塔基础的加固（水塔、文化宗教塔、电力塔）；6、 桥基防冲刷的加固；7、 基础托换工程的运用；8、 稳定的加固；9、 锚杆抗拔力的加大；10、 混凝土构筑物裂隙和文物古迹的裂隙补强；11、 软弱破碎岩体的补强；12、 注浆在农田水利中的应用；13、 注浆处理灌注桩基础的虚土，桩的承载力提高50；14、 高速铁路、公路路基的注浆加固；15、 机场停机坪和跑道的注浆加固；16、 工程开挖中各邻近地下管道的加固保护；17、 围护结构接头处渗漏水的处理（地连墙、咬合桩等）18、 垃圾处理厂基底隔离防渗加固；19、 隧道工程中的应用;1）、盾构隧道 盾构始发和达到竪井的围岩防水和加固；2）、盾构稳定切削面得加固；3）、盾构施工防止地表沉降盾尾回填和背后注浆加固；4）、盾构穿越沼气带时形成注浆隔绝环及诸浆排气等；5）、曲线顶管施工中的转弯处为提高地层抗力而住浆加固；6）、沉管隧道工程中的基础及防渗漏加固；7）、铁路、公路施工中为边仰坡稳定而地表注浆加固及掌子面全封闭超前预注浆加固与防水；8）、软弱围岩隧道施工中的先注后挖法的注浆加固等。 三、注浆作用机理。1、 注浆理论分析1）、注浆理论基础（1）浆液的可注性根据尺寸效应定理，进行渗透注浆的前提是满足浆材对空隙的尺寸效应，即假定粒状浆材的颗粒尺寸为d，地层的空隙尺寸为，则浆液渗入空隙的前提条件为式中：净空比。一种迄今流行的理论认为，当净空比3时，用下式作为渗入性注浆设计注浆材料的基础。（2）砂砾石注浆目前尚无有效方法可以测出地层的空隙值，需采用数学方法加以估算，有效孔隙比的计算公式如下：式中：砂砾石的有效孔隙比；砂砾石的颗粒直径。由于河床砂砾石一般都受过比较充分的摩擦。试验证明，河床砂砾由于颗粒大小混合而堆积得比较紧密，其有效孔隙比多变化在0.1950.215之间，计算时取平均值0.2，于是上式可以简化为：因此，评价砂砾石可注性的简化公式为：该式被国内外广泛采用。（3）、裂隙岩石注浆在岩层中钻孔取样虽然比在砂砾石层中容易，但想从岩芯中得到有关空隙尺寸的准确资料目前仍很困难。以下为根据一般水文地质资料估算空隙尺寸的近似方法，可供注浆时参考。设一宽度为的平面裂隙被半径为的钻孔垂直地穿过并用压力进行压水，则该裂隙的吸水量可按下式进行计算：式中 裂隙吸水量，；裂隙宽度， ；水的粘度，厘泊；水的扩散距离，m；压水压力，MPa；钻孔半径，cm；可注比值的估算公式Mtchell J.K.给出以下可注比值的估算公式（见下表）影响渗入注浆可注性的主要因素还有浆液的粘度。粘度越大，流动阻力也越大，能灌注的尺寸也越大，或需要用较高的压力以克服其流动阻力。可注比的估算公式土层岩层24持续可注性11持续可注性5持续可注性11不可注6不可注2不可注注：、土体颗粒分析试验求得的粒径级配曲线中15%和10%的颗粒直径；、根据将材颗粒分析试验求得的粒径级配曲线中85%和95%的颗粒直径；岩层裂隙的宽度。（3）浆液在岩层中的运动形式和规律浆液在岩土层的运动和凝胶规律是根据地层性质及其导浆结构、浆液类型及流线特性、注浆方式和参数选取而决定的，一般浆液运动形式和规律分两大类。孔隙性岩土层渗透注浆孔隙性岩土层是由许多相互连通的网状孔隙而形成的导浆系统。当浆液材料与孔隙通路相适应，在注浆压力不大的条件下，浆液以渗透方式注入孔隙。这时，浆液的运动形式是渗透扩散胶凝，最后将松散的固体颗粒胶结成整体。这种注浆，浆液流动符合液体渗流定律，浆液是以注浆孔为中心向外扩散。在注浆过程中，注浆压力克服浆液流动的粘滞阻力和自身的凝胶阻力，随着浆液扩散距离的延长和注浆时间的延续，阻力增加，注浆压力逐渐升高，直到浆液的扩散范围达到设计要求时，即可停止注浆。注浆压力和扩散半径、浆液粘度、松散岩土的颗粒直径和形状、级配等因素有关。（4）、裂隙岩层渗透注浆由几组裂隙相互切割连成网状裂隙而形成的导浆系统，根据浆液性质不同，运动可分为：溶液类和胶体类浆液的运动规律这种浆液的流动规律符合渗透定律，浆液的流动、扩散和凝胶规律与前述相似。悬浊浆液的运动规律从整体上看它仍服从渗流定律，但从微观上看，悬浊浆液在裂隙这种中的流动可以认为是固体颗粒的水力运输。浆液逐渐凝固硬化成结合体，由于结石率小于，故岩层内仍有一定间隙，因此，加大注浆压力，这会使原有裂隙有所扩大，注浆后扩大的裂隙回缩，能使裂隙完全封闭。而且由裂隙回弹产生的压力是大面积的法向正应力，它能在厚度仅为1mm左右的浆层中造成巨大的压力梯度，对浆液的排水固结特别有效。萨巴得提出，在平均注浆压力作用于裂隙面为半无限弹性介质的岩体上，注浆孔荷载作用中心位置的岩石弹性变形，可依下式计算在注浆方向上的裂隙边缘变形量为：式中：荷载中心位置裂隙变形，m；岩石弹性模量，MPa；岩石泊松比；径向注浆距离，m；平均注浆压力，MPa。（5）、管道型注浆孔隙性岩层人工压裂管道型注浆孔隙性岩层内，由于浆液材料与孔隙通路不相适应或采用了高压注浆，浆液不能以渗透方式逐渐注入到孔隙中去，而是继续在注浆压力作用下，当压力升高到一定高度，便在地层的薄弱部位形成压裂脉状管道导浆系统。这种注浆也称为劈裂注浆。浆液的运动过程是压裂流动凝胶，如此反复多次，直到形成树枝状或脉状切割的胶凝带而不再被压裂为止。与此同时，松散地层被压密，渗透系数减小，地层透水能力降低。因此，地层强度有所提高，可起到阻水、防渗、截流、固结的作用。注浆压力起压裂地层，扩大浆液通道及克服流动阻力的作用。在实施过程中其变化规律是：压力开始上升，地层压裂后压力下降，同时浆液扩散距离受胶凝时间和浆液粘度的影响；浆液凝胶后再加大注浆压力，浆液凝胶后的地层再压裂，形成新的通道；如此反复多次，压力一次比一次升高，直到地层压密达到设计要求的渗透系数和扩散半径决定于浆液凝胶时间，所以，注浆参数是根据经验和试验决定的。（6）、岩溶层管道型注浆浆液在裂隙中的运动是按管道流方式进行，其特点是流动扩散凝胶。注浆压力是用来克服浆液与岩壁间的摩擦阻力、粘结力和局部（弯曲、变径）阻力以及静水压力。管道流动阻力比渗流要小，因此，浆液扩散范围较远。为避免浆液流失，一般采用低压灌注，间歇注浆，并控制凝胶时间。注浆压力与管道直径、注浆流速、扩散距离、浆液性质以及岩壁粗糙程度和弯道大小、变径情况等因素有关。可根据管道流压力降公式计算，或反求扩散半径，由扩散半径控制凝胶时间。2）渗透注浆理论渗透型注浆取决于三个基本要素，即浆液流变学特性，渗透流线特性。浆液的流变学特性该式称为浆液的物理方程。浆液的流线特性其特性曲线和基本方程如表浆液流变特性曲线和方程流线形态层流紊流雷诺数10101001002000渗流特性线性非线性非线性特性曲线vJ周边超前大管棚支护深孔全断面超前预注浆一般弱含水段陆域富含水地段海域断层破碎带超前地质预测预报报告柱面半球面扩散柱面扩散柱面扩散(c)l(b)(a)r0l图4-1-1浆液在地层中的扩散形态vJvJ不好基本方程线性渗流定律达西定律非线性渗透定律哲才公式福熙海麦公式浆液在地层中的扩散形态浆液在地层中的实际扩散形态相当复杂，很难使它按照需要实行人工控制。它主要受地层的矿物组成、软硬程度和其中的空隙形态所制约。根据注浆机理大体上可分成脉状扩散和渗透扩散两种。脉状扩散是浆液沿着地层原有的和因劈裂形成的裂隙通道扩散扩散，其形式类似于脉管；渗透扩散是浆液沿着地层岩土、砂颗粒之间的孔隙均匀扩散基本上不改变地层颗粒位置，类似于水在其中渗透。一般说来，在裂隙岩层中注浆，浆液多呈脉状扩散，只有在溶洞充填物、断层破碎带和软弱夹层、砂、砾土中才可能会有部分渗透扩散。浆液的扩散形式。虽然实际上浆液在扩散中其表面是不规则的，但在理论计算仍按均匀扩散考虑。扩散形式有柱面、球面、柱面半球面三种，如下图所示。浆液在地层中的扩散形态3） 压密注浆理论压密注浆是指通过钻孔在土中注入极浓的浆液，随着注浆量的增加，在持续压力作用下在注浆点使土体压密而形成浆块。压密注浆的主要特点之一，是它在较软弱的土体中具有较好的效果。此法最常用于中砂层，粘土地层中若有适宜的排水条件也可采用。可发现和加固最软弱的土体带。经实践得出：注浆体的扩大会导致土体内出现复杂的径向和切向应力体系。在紧靠浆体处的土体存在大的破裂、剪切和塑性变形带。这一带的土体密度由于挠动而降低。随着从土体到浆体的增加，土体变形主要为弹性变形，而土体密度有明显的增加。4） 劈裂注浆理论劈裂注浆指在压力作用下，浆液克服地层的初始应力和抗拉强度，引起岩石土体结构的破坏和挠动，使其沿垂直于小主应力平面上发生劈裂，使地层中原有的裂隙或孔隙、浆液的可注性和扩散距离都增大，而所有的注浆压力相对较高。在岩层中，一般假定地层为一各向同性、均匀连续的线性弹性体，因而可用下述方程表达钻孔井壁处开始发生水力劈裂的条件：* 垂直劈裂* 水平劈裂式中：注浆压力，MPa；由岩石重量产生的垂直应力，Pa；岩石的泊松比；侧压力系数；岩石的抗拉强度，MPa；用来扩张孔劈的液体压力比例系数，与地层渗透性和浆液粘度等有关，变化在01之间，对不透水岩石值等于1，透水性较大的岩石值接近零。在实际注浆过程中却常常发生水力劈裂，其主要标志是注浆时岩层表面出现不同程度的上抬或耗浆量突然增加。出现低压劈裂的现象是因为岩层存在不同形式的软弱构造。四、注浆材料的分类及选定1、注浆材料的分类根据注浆材料的使用范围和效果等因素可分为四大类：1）水玻璃浆材。目前可以说（特别是酸性和中性水复合型水玻璃、气液反应型水玻璃及水玻璃+水泥类等）的使用率极高，其中以日本和东南亚各国及台湾、香港等地区为最。2）水泥类浆材：（普通水泥、超细水泥、湿磨水泥、硅粉）的使用在国际上也较为普遍。3）高分子浆材。在日本一些国家除殊情况外一般不太使用，但在俄国和东欧一些国家依然使用。4）水泥加膨润土浆液。以法国为代表的欧洲国家都习惯于先注水泥、膨润土其目的是充填大的空隙，使地层均质，以防地下水造成的浆液流失和稀释然后，注入胶结时间长且渗透速度慢的水玻璃浆液，构成阻止颗粒间的渗透帷幕，使强度有一定提高，必要时注入高分子浆材进一步提高强度。2、注浆材料的选定1）注浆材料应根据堵水要求、加固要求，以及是否作为永久性支护结构等方面，并从无毒性、无污染这一角度综合考虑进行选择。目前国内外常用的注浆材料可基本分为水泥基浆液和非水泥基浆液。水泥基浆液是指以水泥为基本主要材料所配制的浆液。常用的有普通水泥单液浆、超细水泥（MC）单液浆以及特制硫铝酸盐水泥（HSC）浆等等。非水泥基浆液是指水泥基浆液以外的其它注浆材料，例如改性水玻璃、环氧树脂等等。隧道所用的注浆材料应满足耐久性和环保的要求，水泥基浆材具有耐久性好、无毒无污染等优点，因此注浆材料宜以水泥基浆材为主。2）、普通水泥单液浆普通水泥中按比例加入一定量的水及相应的外加剂经搅拌而成的浆液称为普通水泥单液浆，其主要特点是结石体具有较高的抗压、抗剪强度，能有效地提高地层的承载能力，且其抗渗性能好，材料来源丰富，价格低廉，注浆工艺相对简单；但由于其颗粒粒径大，在致密的粘土和砂层及微小裂隙条件下渗透困难，而且其凝胶时间不易调节，注浆过程中浆液易流失，因此其应用受到一定的限制。单液水泥浆的配比和结石体的主要性能如下表。单液水泥浆的配比和结石体的主要性能性能水灰比粘度（s）密度（g/cm3）凝胶时间（h-min）结石率（%）抗压强度（MPa）初凝终凝3天7天14天28天0.5:11391.867-4112-36994.146.4615.322.00.75:1331.6210-4720-33972.432.605.5411.271:1181.4915-5625-27852.002.402.428.901.5:1171.3716-5235-47672.042.331.782.222:1161.3017-0748-15561.662.562.102.80注：1、采用42.5R普通硅酸盐水泥；2、测定数据均为平均值。通过观察分析，我们发现普通水泥单液浆具有以下特点：颗粒粒径大，可渗透注入0.5mm的裂隙和及平均粒径1mm以上的砂子；凝胶时间长，具有较长的可注期；但凝胶时间不易调节，初凝时间长。胶结体具有较高的抗压强度，但结实体收缩率较大。3）、超细水泥（MC）单液浆超细水泥（MC）是指水泥中的最大颗粒不超过20m，经过特殊磨细加工的水泥，能渗入细砂层和岩石的细小裂隙中。超细水泥浆液性能稳定，其析水性、流动性都比普通水泥有显著改善，浆液结石体具有较高的强度和耐久性。下表是不同配比的超细水泥浆的基本性能。不同配比的超细水泥浆的基本性能性能水灰比结石率（%）凝胶时间（h-min）抗分散性%抗压强度（MPa）初凝终凝1天3天7天28天0.6:11002-104-05944.420.524.229.20.8:1924-206-50901.37.017.11:1855-307-30603.45.6注：抗分散性是指将一定重量的浆液倒入流速为0.1m/s的水中，注浆材料的留存率，下同。通过实践观察分析，超细水泥单液浆具有以下特点：初凝和终凝时间比普通水泥有所缩短；固结体抗压强度较高，具有早强、高强的特点；抗分散性较好；颗粒粒径小；水灰比较大时，结石体略有收缩。4）普通水泥-水玻璃双液浆普通水泥-水玻璃双液浆具有材料来源广、价格适宜、凝胶时间可控等优点，但由于其胶结体后期强度低，耐久性差，受水长期浸泡容易分解，不适合长期堵水和加固围岩。不同配比的浆液特性见下表。不同配比的浆液特性W:CC:S水玻璃浓度凝胶时间抗压强度（MPa）（Be）1天3天7天28天0.6:11:0.33011.05.86.77.410.21:0.513.35.56.57.39.71:0.716.65.36.57.09.31:120.54.96.46.99.00.8:11:0.33014.45.36.28.49.61:0.519.15.06.18.39.11:0.723.04.85.98.18.51:126.84.25.77.98.01:11:0.33015.94.54.75.87.81:0.520.43.73.94.46.91:0.724.43.13.63.96.71:131.52.83.43.66.11.5:11:0.33025.52.43.43.95.81:0.532.72.32.93.54.51:0.738.01.82.53.34.41:148.41.62.43.14.2水泥与水玻璃进行化学反应，有一个强度比较高配比，在此配比下反应充分，结石体强度较高。试验结果如下图，其曲线代表了水玻璃波美度在（3045）之间，在不同水灰比下的综合曲线之趋势。试验条件：水泥为32.5R普通硅酸盐水泥，测试温度为2323.5C。水泥浆与水玻璃浆体积比对浆液28天强度影响从上图中可以看出，在相同的水灰比条件下，当水泥-水玻璃的体积比为0.30.8时，结石体强度较高，此外，在水泥-水玻璃配比一定的条件下，水灰比减小，结石体强度提高。通过试验观察分析，普通水泥-水玻璃双液浆具有以下特点：凝胶时间短且容易控制，具有早强的特点；浆液配制容易，可注性较好；胶结体后期强度低，耐久性差，受水长期浸泡容易分解；胶结体收缩率大。5）、特制硫铝酸盐水泥（HSC）单液浆特制硫铝酸盐水泥（HSC）主要由特制硫铝酸盐熟料、石膏、硅粉、减水絮凝剂等组成。HSC浆具有良好的抗分散性和早强、高强的性能，并且具有微膨胀性，胶结后，能有效封堵出水通路，堵水效果较好。表3-7列出了不同配比下的浆液特性。 不同配比浆液性能 性水灰比结石率（%）凝胶时间（h-min）抗分散性%抗压强度（MPa）初凝终凝1天3天7天28天0.8:11000-551-139813.517.620.426.11:11001-001-20968.014.018.020.01.2:11001-302-00906.59.59.616.01.5:1982-002-30853.06.06.810.0注：HSC即分散型硫铝酸盐超细水泥。通过实践观察分析， HSC具有以下特点：抗分散性好；抗压强度高，具有早强、高强的特点；结实率高，并具有微膨胀性。水灰比大时，抗分散性能有所下降；凝胶时间太短时，可注性和可操作性变差。6）、TGRM特种水泥TGRM是一种凝胶时间可调的超早强平灌浆料，其显著特点是具有超早强、高强、微膨胀性和密实、可灌性好的特性，且使用简单，可灌性好，无需振捣。其相应的性能如下表TGRM注浆材料性能项目凝胶时间（min）抗压强度（MPa）抗折强度（MPa）外加剂含量（）初凝终凝1h1d3d7d1h1d3d7d帷幕注浆42586.829.235.035.41.46.67.07.43.3超前加固30368.527.631.038.12.04.65.47.02.5堵水161712.930.832.460.153.05.25.86.71.3注：水灰比均为0.45，试验温度为2022。通过试验观察分析，TGRM灌浆料的具有以下特点：抗压强度很高，具有超早强、高强的特点；结实体具有微膨胀性；浆液具有自密实、自流平的特性；需通过控制外加剂的掺量来控制凝胶时间，施工操作较复杂。通过现场试验结果分析和应用情况，我们对这五种注浆材料得出以下初步结论。普通水泥可注性好，注浆时能够得到较大的注浆量和注浆加固范围。结石体强度高，能有效地提高地层的承载能力。但普通水泥单液浆抗分散性能差，易被地下水稀释，影响其强度和堵水性能，且由于其收缩率较大，因而不宜在水压高、流速大、对堵水要求很高的条件下采用。由于普通水泥颗粒粒径大，在致密的粘土及微小裂隙条件下渗透困难，仅能渗透注入0.5mm的裂隙。普通水泥的优势在于料源广，价格低，结石体强度高。普通水泥适用于水量小、水压低、裂隙宽或砂层颗粒直径大等地质条件，常用于节理、裂隙发育的地层及中粗砂、砂砾石地层的注浆。超细水泥固结体抗压、抗剪强度较高，具有早强、高强的特点，能得到好的注浆加固效果；超细水泥颗粒粒径小，可灌性强，渗透注浆时能注入宽度大于0.05mm的裂缝，能得到较好的堵水和加固效果。但超细水泥单液浆终凝时间仍较长，受地下水稀释影响，对其凝胶性能会产生影响，因而在水压高、流速大条件下会有一定的浆液损失；另外，当水灰比较大时，浆液略有收缩。在价格上超细水泥要高于普通水泥。超细水泥适宜于岩石的细小裂隙或致密的粘土层等地层。HSC即特制硫铝酸盐超细水泥，具有较好的抗分散性，能有效地控制注浆区域，适宜在高水压、水流速大的条件下注浆施工；HSC浆具有早强、高强、高抗渗、流动度大的特点，能有效提高地层的承载能力；其浆液结实体具有微膨胀性，胶结后，能有效地封堵住各种出水通路，注浆后堵水效果显著。但考虑到水灰比大时，其抗分散性能有所下降；而凝胶时间太短时，可注性和可操作性又会变差；所以施工时水灰比通常取11。另外，HSC价格较普通水泥要高。HSC适宜于富含水且有一定水压的破碎岩层、出水管道地层等。普通水泥-水玻璃双液浆可注性较好，可渗透注入裂隙为0.2mm以上的岩体；其凝胶时间短且容易控制，具有早强的特点，普通水泥-水玻璃双液浆配制容易，使用方便，价格中等。但其胶结体后期强度低，受水长期浸泡容易分解；且胶结体耐久性差，收缩率大，对长期堵水和加固围岩不利。普通水泥-水玻璃双液浆适用于临时堵水、控制注浆加固范围以及止浆墙渗漏时的快速封堵。TGRM（即超早强自流平水泥基灌浆料）是一种凝胶时间可调的水硬性新型灌浆材料，其显著特点是具有超早强、高强、微膨胀性和自密实、自流平的特性，但其抗分散性一般，施工时需通过控制外加剂掺量调整凝胶时间，现场操作较复杂，且价格偏高。TGRM主要适用于铁路基床、路基路面的抢修补强，快速锚固、基础灌浆、隧道堵加固工程。3、关于对注浆材料选取的建议注浆材料的选取主要应根据浆液的可行性、可注性、环保及经济性进行综合分析，另外，还应结合其地质特征和注浆加固方案要求，从堵水性、耐久性（耐腐蚀性）和工艺可操作性综合考虑进行注浆材料选择。根据室内试验初步结论，综合以上特性进行比较分析，并结合相关地质条件，建议隧道注浆以普通水泥水玻璃双液浆、超细水泥-水玻璃双液浆、HSC单液浆为主要浆材。普通水泥单液浆和超细水泥单液浆为辅助浆材；对于隧道的涌泥坍塌地段的全断面超前预注浆，注浆材料以超细水泥-水玻璃双液浆或HSC单液浆为主，超细水泥单液浆为辅；对于隧道的涌泥坍塌地段的径向注浆或补充注浆，注浆材料以水泥-水玻璃双液浆为主，普通水泥单液浆为辅。各类浆液的水灰比、体积比及凝胶时间范围如下表所示，各注浆材料具体配合比应在后面的现场试验和推广应用中不断优化和完善，并最终确定下来。各类浆液水灰比、体积比及凝胶时间一览表浆液种类水灰比（WC）体积比（CS）凝胶时间普通水泥单液浆0.51117h40min15h超细水泥（MC）单液浆0.61111h20min3h15min特制硫铝酸盐水泥（HSC）单液浆0.811.2130min2h30min普通水泥水玻璃双液浆0.611110.320s51s普通水泥水玻璃双液浆0.811110.322s56s普通水泥水玻璃双液浆111110.328s1min12s注：表中水玻璃浓度取30Be。表中凝胶时间主要指初凝时间。四. 注浆方案的选定注浆是堵水和加固围岩的基本方法，能否选取合适的注浆方案直接关系到整个注浆的效果和成败。注浆方案的选择主要参考依据有地质勘探资料、超前地质预报成果、涌水量大小和以往类似工程经验等等。当地质条件比较复杂，存在砂岩、泥岩互层，节理层理发育等不良地质问题。一般来说，在节理裂隙比较发育且水量或水压较大地段也应采用超前预注浆方案；在围岩完整、节理、裂隙不太发育地层中，局部出水或渗漏水地段可采用开挖后径向注浆及局部注浆方案。当隧道地下水较为充沛对防水也有一定要求，因此必须依据地层、岩性、岩体结构和构造、水量和水压大小、涌水突泥的危险程度等条件来决定注浆方案。1超前预注浆的选择1）超前地质预报当超前地质预报成果显示工作面前方有不良地质时，应进行超前预注浆。根据现有的地勘资料显示，在地质条件复杂，存在砂岩、泥岩互层，节理层理发育等不良地质问题，隧道进、出口均分布有新、老黄土。土体浸水或增湿后易发生湿陷变形及崩解，强度大幅度降低。2）掌子面涌水量测试及预测 掌子面涌水量和初期支护表面渗漏量测试对于确定注浆方案非常重要，掌子面水量可以采用直接测试和钻孔预测的方法。（1）超前探孔涌水量控制标准 第一种方法是，在掌子面上安装排水管，测出排水管中水的流速V，然后测出排水管中的过水断面A，即可计算出探孔涌水量： Q=V*A 反坡施工的情况下，单孔涌水量级围岩以上Q2m3/h，级围岩以下Q1m3/h，将对施工造成一定的影响，需采取超前预注浆措施。（2）掌子面总的涌水量控制标准如整个断面上出水部位较多，很难用多根排水管进行测试，断面总的涌水量一般采用水沟测试，即通过测试水沟中水的流速和水沟的过水断面，即可计算出隧道整个涌水量。如果整个断面的涌水量级围岩以上Q5m3/h，级围岩以下Q3m3/h，将对施工造成一定的影响，需采取超前预注浆措施。3）其它条件当隧道开挖线上方有重要建筑物或者隧道开挖后容易有较大沉降时，应进行超前预注浆，以保证隧道上方的建筑物不受损害和隧道能在安全范围内沉降。2 注浆方案选择标准通过调研分析，隧道注浆方案选择标准如下表所示，仅供参考。 注浆方案选择标准 方 案选择标准（应结合兴旺峁海底隧道的地质条件）超前预注浆全断面超前预注浆饱水砂层及全风化砂岩带；施工中可能发生严重突涌水等地段；探水孔流水量较大；探水孔流水量2m3/h；超前小导管注浆作为全断面超前预注浆和周边注浆的辅助手段使用；加固破碎围岩等。应在开挖前施做。后注浆径向注浆一般含水地段，弱含水的软弱围岩段；开挖后沉降严重地段；岩体完整，初期支护结构表面的渗水量大于0.2 l/ m2d时。局部注浆一般弱含水地段；岩体完整，探水孔流水量0.5m3/hQ2m3/h；开挖后局部有较大的流水或隧道初期支护结构表面的渗水量大于0.2 l/ m2d时；初支完成后局部不能满足设计的排水量要求，不能确保结构防排水的等级需要。六、封闭注浆止浆墙设计1、止浆墙设计原则如果已经预测出工作面前方水压较大，为防止承压水和受压浆液从工作面漏出，并保证能用最大的注浆压力把浆液注入含水层的裂隙中，使之沿裂隙有效地扩散，需要在工作面设置止浆墙。止浆墙有人工砌筑的混凝土止浆墙和预留岩柱两种，需根据工作面前方的地质条件和具体的施工条件进行选择。2、止浆墙的选择1）预留止浆岩柱如果隧道欲穿越的裂隙含水层或破碎带的后部靠近掘进工作面一侧有符合设计厚度的隔水层，可以选择预留止浆岩柱作为止浆墙。选用这种形成的止浆墙，必须先打钻探明裂隙含水层、破碎带和隔水层的准确位置及厚度，查明预留岩柱岩层的节理、裂隙发育程度，合理确定岩柱厚度，保证止浆效果。2）混凝土止浆墙如果裂隙含水层后部没有良好的含水层，或者由于钻探资料不确切，工作面已经揭露了裂隙含水层，或者工作面附近是冒落破碎带或坍方体，必须选用混凝土止浆墙。混凝土止浆墙应尽量选择在无水的位置，如果有水应作预处理；含水岩层已被揭露时，应设置导水网；如有集中突水点，应设置导水管，将水导致远处，以保证浇筑混凝土的质量；墙体材料应选用高标号水泥。混凝土止浆墙的形式有单级平面型和柱面型两种，如果计算厚度太大，也可以做成多级的，每级厚度0.81.6m。3）预留止浆岩柱与混凝土止浆墙相结合当裂隙含水层后部靠近工作面一侧的隔水层止浆岩柱厚度不够时，可在留设止浆岩柱的基础上，再浇筑一定厚度的混凝土止浆墙，以保证其强度。选用这种形式的止浆墙，必须打钻探明含水层和隔水层的准确位置和厚度。隧道掘进工作面有突水点，应下导水管将水导出，为混凝土浇筑创造良好的条件。预留的止浆岩柱与混凝土止浆墙的总厚度必须符合设计要求。三种止浆墙相比，预留止浆岩柱的优点有：工序简单、工期短、成本低，凡条件具备应优先选用。混凝土止浆墙工序较多，施工较复杂，但是止浆效果好，一般选用较简单的单级平面型。3.止浆墙厚度设计止浆墙厚度主要根据最大注浆压力、隧道断面大小、岩石的力学性质级及墙体材料的强度来确定。1）预留注浆岩柱的厚度设计3112 预留止浆岩柱1含水岩层； 2预留止浆岩柱； 3隧道工作面 （7-1）式中 预留注浆岩柱厚度，m；最大注浆压力，MPa；注浆孔口处的静水压力，MPa；注浆时超过静水压头的注浆压力，也叫剩余压力，MPa；岩柱断面积，m2；岩石许用抗剪强度，MPa；隧道周边长度，m；过载系数，一般取1.11.2。实际应用中所选用的厚度一般为37m，而国外多选用612m。32）单级平面型混凝土止浆墙厚度设计21 单级平面型止浆墙1隧道工作面； 2混凝土墙； 3混凝土碹 （7-2）式中 安全系数，取1.41.5；作用在墙上的全荷载，kN；混凝土止浆墙的横断面积，m2；隧道宽度，m；隧道高度，m；混凝土许用抗压强度，MPa。工程实践中一般按注浆终压选择止浆墙厚度。施工中大多选用喷射混凝土止浆墙，其厚度一般为0.82.0m.七、超前预注浆参数设计及工艺1注浆段划分和注浆顺序超前预注浆采用前进式的注浆工艺，其每次的注浆段，是指需要钻孔、注浆的涌水区间。合理地划分注浆段和确定注浆顺序，可以有效地隔绝水源、提高注浆堵水效果和加快施工进度。划分注浆段和确定注浆顺序的原则如下：1）力求一次注浆达到堵水效果，减少重复注浆次数；2）能为注浆施工创造良好的作业条件；3）达到有效地控制漏水和注浆范围，防止扩大漏水区；4）充分利用浆液材料特点，简化施工工艺；5）在保证隧道稳定的条件下，提高堵水效果。6）在条件允许的条件下，优先使用一次成孔并可以注浆的设备。.2注浆孔设计1）设计原则及注浆孔排列在已划分的注浆段范围内，合理设计布孔，确定注浆孔数目，在达到注浆目的、封堵突水的重要环节，要使浆液扩散到开挖断面及开往轮廓线外一定距离，所以，注浆孔的布置要以浆液扩散不出现空白为原则，据此我们以隧道中轴为中心呈伞形布置，注浆带为片状渗漏水，应考虑每个注浆孔的扩散半径，尽量密布孔，使注浆孔贯通更多的细小裂隙。孔与孔之间采用梅花型排布，使得每个孔的浆液扩散范围充分交圈，孔间距1.02.0m为宜。条状裂缝，沿缝挖补布孔，孔间距可稍大。集中突水点，利用现有突水点顶水布孔，并打止浆墙止水止浆。大股涌水裂隙，当水流方向与裂隙平行，在裂隙两侧等距布置泄水孔，兼作注浆孔。当水流方向与裂隙垂直时，在其来水方向一侧布孔。封堵裂隙水，注浆孔要与裂隙相交。壁后空洞连通性好，孔间距可加大，连通性差，孔间距缩小，一般取35m。3、注浆孔布置全断面超前预注浆孔间距一般为注浆扩散半径的1.51.75倍，即L=（1.51.75）R，注浆扩散半径一般有地质条件和注浆压力确定。注浆孔可根据注浆加固范围、注浆扩散半径均匀布置。布孔方式一般有梅花形布置和环形布置，根据扩散半径设计终孔间距和位置，从而设计注浆孔的开孔坐标、终孔坐标、倾角、立角、长度等参数。海底隧道注浆孔布置可如图4所示。图3-12 隧道全断面预注浆布置示意图4、注浆设计参数1）注浆加固厚度：注浆圈加固厚度主要应满足开挖施工安全要求，开挖后抗水压要求。根据力学模拟计算，注浆加固圈厚度一般情况下应满足下式要求：式中：注浆加固圈厚度（m）；开挖断面宽度或高度（m）。在海底段且围岩特别软弱、海水压力特别大时，可以适当加大。2）浆液扩散半径：浆液扩散半径应根据堵水要求、隧道地质特点及注浆材料的颗径尺寸，采取工程类比法来选取。在现场注浆施工过程中，可根据注浆施工中地层的吸浆能力，注浆效果的检查评定等状况，对浆液扩散半径进一步调整。3）终孔间距：根据注浆加固交圈理论，注浆后应能形成严密的注浆帷幕，在注浆终孔断面上，根据注浆扩散半径进行注浆设计时不应有注浆盲区存在，这样，在进行注浆设计时，注浆终孔间距应满足下式要求：式中：注浆终孔间距（m）；浆液扩散半径（m）。4）注浆段长：注浆段长度一般应综合考虑选择钻机的最佳工作能力、余留止浆墙厚度、根据加固圈要求进行注浆设计时盲区最小时的最佳设计孔数等等内容。根据工程类比，经过进行预设计，在进行超前预注浆施工时，根据注浆设备情况，注浆段长度宜为=2050m。5）注浆压力：注浆压力与围岩的裂隙发育程度、涌水压力、浆液材料及胶凝时间有关。岩石地层注浆设计压力应根据围岩水文地质条件合理确定，一般宜比静水压力大0.51.5MPa；当静水压力较大时，宜为静水压力的23倍。因此，注浆终压建议设计为1.52.5MPa。封堵涌水时注浆终压应参照公式P=（24）MPaPo（其中Po为涌水压力）并结合工程经验确定。另外，注浆泵的压力应达到设计压力的1.31.5倍，回填注浆压力应小于0.5 MPa。6）注浆量：注浆量是根据堵水或加固体积、孔隙率、凝固时间、壁后的空洞及其连通性、集中突水情况下涌水通道的大小及空洞大小等情况来确定，一般来说，涌水量越大，注浆量越多。注浆过程中，在不漏浆的情况下，尽量用单液水泥浆充填空隙，以提高注浆效果，注浆量计算公式如下：式中 Q注浆量；D注浆范围；L注浆段长；n岩层裂隙率；一浆液在岩石裂隙中的充填系数，视岩石情况取=0.3一0.9;一浆液消耗率，（总的注浆量按1。21.3；水泥、水玻璃1.2；粉煤灰1.1）。7）分段长度：在超前预注浆中，一般采用分段前进式注浆，所以应设计分段长度，分段长度根据地层的不同而不同，在海底断层破碎带中，分段长度可设计为36m。8）注浆速度：注浆速率主要取决于地层的吸浆能力（即地层的孔隙率）和注浆设备的动力参数，考虑到多种因素，建议注浆速率范围取30150Lmin，当涌水量50L/ min，注浆速度为35-80L/ min；当涌水量50L/ min，注浆速度为80-150L/min.施工中应根据实际情况进行调整。9）注浆结束标准以定压为主，注浆终压理论上为水压+24MPa，当注浆过程中长时间压力不上升时，应缩短浆液的凝胶时间，并采取间歇注浆措施，同时控制注浆量。5、注浆效果检查评定注浆效果检查评定是决策开挖施工方案的依据。注浆效果检查评定主要有物探分析法、钻孔查孔法和开挖后取样测试等三种方法。1）分析法绘制注浆施工-t曲线：某隧道挤密注浆施工-t曲线如下图所示。 某隧道挤密注浆施工-t曲线图例图例分析：该-t曲线显示注浆设计意图所采取的约束性注浆一致，达到了挤压密实的目的。在注浆过程中，开始时注浆压力较小，随着注浆的进行，注浆压力呈曲线上升，注浆速度亦成曲线明显下降，当达到设计注浆量时，注浆终压达到或超过设计终压值。可见该类型注浆方式主要表现为挤压劈裂再挤压。注浆施工前后涌水量对比分析：将注浆段注浆前后涌水量进行对比，涌水量显著减小，且满足设计要求，则说明注浆堵水效果是明显的，堵水率是比较高的。反之，应进行补充注浆。利用标贯和弹性波速进行前后对比也能分析注浆效果。2）钻检查孔法根据注浆状况，选择注浆范围内可能存在薄弱环节的注浆部位布设检查孔,检查孔数量一般应达到注浆孔数量的5%以上。检查孔垂直于开挖工作面钻设，终孔深度稍短于注浆加固段长度。（1）取芯状况：检查孔采用地质钻机冲击旋转取芯，若检查孔的岩芯中有大量浆液的固结体存在，则说明浆液已完全固结，且有较高的强度。反之，说明加固效果不佳，应进行补充注浆。（2）检查孔状况：检查孔在钻进过程中，以及结束放置一段时间后，观察检查孔内是否出现涌水现象，检查固结堵水效果。3）开挖取样分析评定在开挖过程中，直接观察分析开挖的碴土，可直观地了解浆液对地层的加固状况。若注浆后地层的含水量和空隙率均较注浆前有较大幅度降低，则说明注浆达到了固结堵水目的。开挖后测试围岩变形情况，也可以检验注浆加固效果。开挖后，可以取样分析浆液加固方式和效果。填充挤压方式主要是当粘土孔隙（洞）较大时，浆液直接填充空隙（洞），以达到固结目的，该加固方式主要发生在破碎围岩和粘土的交界面，以及地层部分空隙率较大的部位。剪切劈裂方式主要是针对未扰动的粘土地层，浆液在较高压力条件下形成劈裂脉，以脉状扩散方式形成网状加固结构，以达到固结堵水