全强风化花岗岩地层注浆加固研究

李 伟1，杨 丹2，李 庆3

(1.中铁西南科学研究院有限公司，四川成都，611731;2.西南交通大学地球科学与环境工程学院，四川成都，6110031;3.中国中铁二院工程集团有限责任公司，四川成都，610031)

作者简介: 李伟(1982—)，男，工程师。主要从事隧道及地下工程防水技术、病害治理技术以及注浆加固技术等研究。

【摘 要】 全强风化花岗岩地层强度低、自稳能力差，工程中易发生渗透破坏，地下工程建设中需对其进行加固。注浆加固是较为常用的加固方法，然而注浆材料是影响注浆效果的重要因素。本文以普通水泥、超细水泥、HSC注浆材料为研究对象，分析了三种材料的基本性能，并通过现场试验对比分析了三种材料对全强风化花岗岩地层的注浆加固效果。

【关键词】 全强风化; 注浆加固; 注浆材料

1 引言

全强风化花岗岩地层强度低，在地下水位以下几乎无自稳能力，对水的浸透作用十分敏感，遇水膨胀，容易发生渗透破坏。同时，由于花岗岩风化后，有粘土、云母等矿物成分，故全强风化花岗岩地层孔隙率低。在隧道及地下工程建设中，特别是海底隧道等富水条件下的工程，遇到此类地层常通过注浆方法进行加固。然而，注浆材料的性能对注浆加固效果至关重要，选择合适的注浆材料往往是获得较好注浆效果的前提。为此，本文以厦门翔安海底隧道所处的全强风化花岗岩地层为例，进行注浆加固材料性能分析。根据以往研究成果［1］，本文对普通水泥、超细水泥、HSC注浆材料等进行分析。

2 注浆加固机理分析

全强风化花岗岩地层对水非常敏感，极易软化和发生渗透破坏，但由于含有大量高岭土，颗粒很小，孔隙率低，渗透系数在10－4cm/s级以下，故渗透注浆在该地层实施难度较大。针对该地层实际特点分析，全强风化花岗岩地层注浆加固应以劈裂注浆加固为主。劈裂注浆加固机理为:

(1)浆液在压力作用下进入地层，对地层形成挤压;

(2)浆液对地层的挤压力达到一定时，地层形成劈裂，浆液沿劈裂缝扩散，形成浆脉;

(3)多次劈裂后，浆脉相互交织，形成网状浆脉结构，达到地层加固目的。

在地层加固工程中，对于稳定性差、渗透系数低的全强风化花岗岩地层，仅依靠劈裂加固，其加固效果难以保证，而且在注浆加固过程中，容易出现压力过高，地层抬升的问题。为了获得良好的注浆加固效果，该地层的注浆加固应采用以劈裂注浆为主、压密注浆为辅、尽量兼顾渗透注浆的加固机理，以此实现:

(1)在相对较低的注浆压力下，进行劈裂注浆，通过一定数量的交接浆脉结构对地层进行加固;

(2)通过浆液压力作用，对地层形成挤压力，促使地层孔隙减小，提高密实度;

(3)通过有限的渗透作用，促使浆液在浆脉周围一定范围内形成少量渗透，提高浆脉与地层的粘结力，以提升加固效果。

3 注浆材料基本性能分析

3．1 材料强度性能分析

注浆加固的目的是通过注入胶凝材料，提高被加固地层的力学性能和自稳能力，因此注浆材料的强度性能对注浆加固效果起着重要的作用。为了详细分析注浆材料的强度性能，针对材料的特点，按照表1内的水灰比，分别测得1d、3d、7d、28d和3个月的强度。强度测试结果见图1至图3。

表1 注浆材料配比表

图1 普通水泥强度发展规律

图2 超细水泥强度发展规律

图3 HSC注浆材料强度发展规律

通过分析，三种注浆材料的强度性能具有以下规律:

(1)水灰比对三种材料强度影响较大，其规律是随水灰比的降低而增大;

(2)三种材料强度随龄期变化具有较强的规律性，其中HSC注浆材料早期强度高，28d以后强度稳定，虽然超细水泥28d以后强度高于HSC注浆材料，但其早期强度较低;

(3)水灰比较大时，普通水泥和超细水泥强度较低，而HSC注浆材料则在大水灰比条件下，具有较高的强度。

3．2 材料凝结时间测试分析

注浆材料的凝结时间直接影响材料的可操作性，以及材料抵抗水流分散的能力，故材料的凝结时间是注浆材料的一个重要指标。本文对三种注浆材料的凝结时间进行测试，具体结果见表2。

表2 材料凝结时间表

从上表可知，普通水泥、超细水泥的凝结时间较长，且随着水灰比的增大而增长; 而HSC注浆材料，凝结时间较短，且凝结时间受水灰比影响较小。HSC注浆材料凝结时间大于30min，满足注浆要求，而且具有较好的抗水流分散能力。

3．3 材料的耐久性试验分析

本文选择的工程是海底隧道，地下水对水泥具有一定的侵蚀性，为此本文对三种注浆材料进行抗侵蚀能力测试分析，测试结果见表3。

表3 材料耐久性测试表

根据测试结果分析，普通水泥、超细水泥抗侵蚀能力较差，在Mg SO4溶液的作用下，出现了损坏; 而HSC注浆材料具有非常好的抗侵蚀能力。

4 现场试验分析

4．1 现场注浆概况

室内试验对三种注浆材料的基本性能进行了初步分析，下面通过现场试验对注浆材料在全强风化花岗岩地层的注浆加固效果作进一步实验分析。为了获得满足现场试验条件的全强风化花岗岩地层，经现场勘查，试验区域内10m以下地层为现场试验理想地层(如图4)。现场试验方案为:布孔范围为20×10m2，布孔间距2.5m，共布了17个注浆孔，注浆管长度5～6m，每个孔采取一种注浆材料、配合比、注浆压力进行注浆试验; 注浆材料配合比见表4。为防止注浆时跑浆，在基坑底施作一层30cm厚砼止浆墙。

图4 现场试验布置图

表4 现场注浆试验项目表

4．2 现场注浆试验的情况分析

(1)普通硅酸盐水泥注浆

普通硅酸盐水泥注浆过程中，起注水灰比1.5，出现了串浆现象，从基坑底边缘距注浆点10m远处跑浆。采用水泥－水玻璃双液浆封堵后，进浆速度稳定在26L/min，压力由初始的0.1MPa逐渐上升至0.4MPa，以中压劈裂注浆压力为主。为了避免串浆现象，在续孔注浆水灰比调整范围为0.75～1.0。单孔最大进浆量为2.0t。

开挖后观察到，以劈裂注浆为主，浆液未发生渗透; 各注浆孔存在4条以上浆脉，浆脉呈水平状分布，但存在交叉; 劈裂范围1.0～2.2m、浆脉厚度1～3cm，劈裂脉为净浆，以脉状交叉形式劈裂。注浆情况见图5。

(2)超细水泥注浆

超细注浆材料注浆过程中，串浆现象严重，由于超细水泥细颗粒阻力小，在劈裂过程中跑得很远，从基坑边墙侧水沟冒出。浆液起注水灰比为1.0，起始压力为0.1MPa，达到0.3MPa左右时，浆液串浆严重，其中单孔注浆量最大值达到3t。

开挖后观察到，地层劈裂现象明显，浆液未发生渗透; 各注浆孔存在3～8条浆脉，浆脉呈水平状分布，但存在交叉; 劈裂范围3m左右、浆脉厚度0.5～2.0cm，浆液流失较多，劈裂脉为净浆，以脉状交叉形式劈裂。注浆情况见图6。

图5 1#孔普通水泥注浆扩散情况

图6 14#孔超细水泥浆液扩散情况

(3)HSC注浆材料注浆

HSC注浆材料注浆过程中，起注水灰比1.2，后改为水灰比0.75的浆液，由于该材料颗粒细、可注性较好，初始阶段仅用0.1MPa的压力即可注入，持续注入压力0.2～0.4MPa，最终的压力达到0.7MPa，注入过程基本未从边缘处串浆，偶尔使用双液浆封堵，最大单孔注浆量为2.4t。

图7 4#孔HSC注浆材料浆液扩散情况

开挖后观察到，地层劈裂现象明显，浆液存在渗透现象; 各注浆孔存在6条以上浆脉，浆脉呈水平状分布，但存在交叉; 劈裂范围3.2～3.3m、浆脉厚度3～10cm，劈裂脉为净浆，以脉状交叉形式劈裂; 注浆管周围存在大块的胶砂体，浆液渗透扩散范围0.3～1.5m。注浆情况见图7。

4．3 注浆加固效果评价

根据前文分析，全强风化花岗岩地层注浆加固过程中，以劈裂注浆加固为主，挤密注浆加固为辅，条件允许的情况下存在渗透注浆加固，故浆液对地层形成了一定的加固效果，其力学参数发生了一定变化。为了进一步对注浆效果进行评价，现场试验过程中选择抗压强度试验进行地层加固效果评价。

取样送检土样共17组(每组6个试件)进行力学性能试验，其中原始土体对照组1组，注浆后土体取样16组，取样点为随机土体，不是注浆结石体，且送样时隐去注浆孔位号，以保证结果的真实性。表5中列出了典型注浆孔土体力学参数。从表中可得出，注浆加固取得了一定效果，采用超细水泥和HSC注浆材料注浆的土样抗压强度值有所增大，但采用普通水泥注浆的土样抗压强度值增加不明显。

表5 注浆后土体物理力学性能试验表

5 结论与建议

本文针对全强风化花岗岩地层注浆加固材料进行分析与研究，在以往工程经验的基础上，以普通水泥、超细水泥以及HSC注浆材料为分析对象，通过室内基本性能试验和现场试验得出以下结论:

(1)三种注浆材料的强度受水灰比、龄期影响较大，其中HSC注浆材料早期强度高，后期强度稳定，而且胶结时间大于30min(可以根据实际情况调整)，具有可操作性;

(2)三种注浆材料普通水泥和超细水泥耐久性较差，在SO2－4 溶液中出现损坏，但HSC注浆材料抗侵蚀能力非常好;

(3)三种注浆材料都可以在全强风化花岗岩地层中进行劈裂注浆，其浆脉以水平分布为主，伴有相互交叉现象，同时，HSC注浆材料在注浆孔一定范围内发生渗透注浆;

(4)经HSC注浆材料加固的土体强度提高较大。

因此，通过上述试验分析，认为HSC注浆材料较为适合全强风化花岗岩地层的注浆加固。但从现场试验开挖后的注浆效果看，虽然注浆后发生了劈裂，但浆脉较少，特别是超细水泥浆液留存率较低。故建议在进行全强风化花岗岩地层注浆加固时，采用袖阀管进行定点多次重复注浆，以形成多组交叉浆脉，进一步提高加固效果。

参考文献

［1］李蓉，李治国. 海底隧道全强风化花岗岩地层注浆技术研究［J］. 现代隧道技术，2008，45(1): 21－29.

［2］邝健政，昝月稳. 岩土注浆理论与工程实例［M］. 北京: 科学出版社，2001，75－76.

［3］于洪丹，陈卫忠，郭小红，等. 厦门海底隧道强风化花岗岩力学特性研究［J］. 岩石力学与工程学报， 2010，29(2): 381－387.

［4］陈豪雄，朱永全. 风积粉细砂地层注浆加固的试验研究和应用［J］. 铁道标准设计，1993，(2): 18－21.