沙飛，劉人太，李術(shù)才，林春金，李召峰，劉斌，白繼文

?

運營期滲漏水隧道注漿材料適用性

沙飛，劉人太，李術(shù)才，林春金，李召峰，劉斌，白繼文

(山東大學(xué)巖土與結(jié)構(gòu)工程研究中心，山東濟(jì)南，250061)

根據(jù)運營期滲漏水隧道注漿治理對注漿材料的要求，研究普通硅酸鹽水泥、水泥?水玻璃、超細(xì)水泥及聚合物水泥主要性能參數(shù)，設(shè)計開元隧道3個地質(zhì)條件相似試驗段，采用普通水泥、超細(xì)水泥及聚合物水泥進(jìn)行現(xiàn)場注漿，通過雷達(dá)探測及現(xiàn)場工況進(jìn)行注漿效果評估，結(jié)合注漿技術(shù)可行性、注漿效果及經(jīng)濟(jì)性，分析運營期隧道不同滲漏水條件下注漿材料適用性。研究結(jié)果表明：聚合物水泥漿液流動度、結(jié)石率及結(jié)石體強度較大，聚合物水泥漿液對含水構(gòu)造滲漏水通道封堵密實；超細(xì)水泥適用于微孔隙及微裂隙滲水區(qū)域，聚合物水泥適用于裂隙密集滲漏水區(qū)或表面滲水區(qū)，普通水泥適用于空洞較大區(qū)域，水泥?水玻璃漿液適用于流量水壓較大漏水區(qū)域。

運營期隧道；滲漏水病害；注漿材料；性能參數(shù)；現(xiàn)場試驗

隧道的修建對國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展及國防建設(shè)具有極重要的推動作用。我國運營期隧道存在的病害主要分為滲漏水病害、凍害、襯砌裂損病害、襯砌侵蝕病害 等[1?2]。滲漏水作為運營期隧道最普遍病害，實際上是隧道各種病害的綜合反映[3]。由于水流動性及水壓傳遞性，隧道襯砌結(jié)構(gòu)往往承受較高水頭壓力，襯砌任何病害都可能成為滲漏水通道；而滲漏水又會加速各類病害的發(fā)展，成為運營期隧道的重要安全威脅，影響隧道運營壽命。襯砌壁后注漿是滲漏水病害治理的最常用且有效方法[4]。不同地質(zhì)條件注漿材料的優(yōu)選，對運營期隧道滲漏水注漿治理效果至關(guān)重要，優(yōu)選原則為漿液可注性好，凝結(jié)時間可控，結(jié)石體強度高，抗?jié)B性好，黏結(jié)力強，耐久性好，價格適宜，無毒無污染。隧道病害室內(nèi)實驗?zāi)Ｐ驮靸r成本高，且模擬的工況較少，劉海京等[5?7]開展了隧道病害治理的工程實例研究，但其更側(cè)重隧道滲漏水形成原因及處治施工技術(shù)。對于水泥基注漿材料性能改進(jìn)及優(yōu)選方面，劉人太等[8?14]進(jìn)行了大量研究。通過特殊地質(zhì)條件下運營期隧道工程現(xiàn)場實例，結(jié)合材料性能測試、滲漏水條件下注漿材料性質(zhì)、注漿技術(shù)可行性、注漿效果以及經(jīng)濟(jì)性，對水泥基注漿材料滲漏水治理適用性的報道較少，使隧道滲漏水治理時材料選型存在一定經(jīng)驗性[15]。針對這一問題，本文作者選用常見水泥基注漿材料，通過室內(nèi)試驗測試注漿材料基本性能，通過開元隧道現(xiàn)場注漿試驗，從材料性能、技術(shù)可行性、注漿過程控制、治理效果與經(jīng)濟(jì)性等方面系統(tǒng)研究了注漿材料適用性，以指導(dǎo)隧道滲漏水治理的材料選型。

1 材料性能試驗

1.1 試驗原料

試驗用普通硅酸鹽水泥為山水水泥廠生產(chǎn)的42.5R普通硅酸鹽水泥(化學(xué)成分見表1)，水泥品質(zhì)符合GB 175—2007“通用硅酸鹽水泥”標(biāo)準(zhǔn)。

試驗用水玻璃為常用水玻璃，模數(shù)=3.0，水玻璃密度為1.38 g/cm3。

試驗用超細(xì)水泥生產(chǎn)原料與普硅水泥相同，均為山水水泥廠生產(chǎn)，普通硅酸鹽水泥與超細(xì)水泥物理性能如表2所示。

試驗用聚合物水泥基材料(簡稱聚合物水泥)為濟(jì)南拓達(dá)建材公司生產(chǎn)，主要成分為普硅水泥、聚合物膠粉及改性添加劑等，符合GB 23440－2009“無機防水堵漏材料”及JC/T 2009—2011“聚合物水泥防水漿料”相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

表1 普通硅酸鹽水泥成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

表2 普硅水泥與超細(xì)水泥物理性能比較

1.2 試驗方法

1.2.1 流動度測試

將截錐圓模水平置于玻璃板上并倒入新拌漿液，抹平上表面并提起截錐圓模，30 s后用直尺以正交方式測量漿液在玻璃板上的擴散直徑，取平均值即為漿液初始流動度。

1.2.2 凝結(jié)時間測試

采用凈漿標(biāo)準(zhǔn)稠度及凝結(jié)時間測定儀測定水泥基注漿材料不同溫度下的初凝時間、終凝時間。

1.2.3 漿體結(jié)石率試驗

取200 mL試樣漿液置于250 mL量筒中，將量筒上口加蓋封好，測定3 h后析水量，并測定漿體結(jié) 石率。

1.2.4 強度測試

將試樣制作成圓柱形型標(biāo)準(zhǔn)試塊(直徑×長度為 5 cm×10 cm)，放置于30 ℃水浴恒溫養(yǎng)護(hù)箱中，分別測定試塊3，7，14和28 d的單軸抗壓強度。

1.3 試驗結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

1.3.1 漿液流動度測試

流動度體現(xiàn)了注漿材料擴散性能，是漿液和易性重要衡量參數(shù)，現(xiàn)場施工要求漿液具有良好流動度與和易性，不易離析分層，良好的流動度確保了漿液穩(wěn)定性及可泵性，能夠為現(xiàn)場注漿壓力選擇提供參考。表3所示為不同水灰比超細(xì)水泥、普硅水泥及聚合物水泥3種漿液的流動度，在室溫23℃下進(jìn)行測試流動度，試驗選取的水灰比分別為0.8:1，1.0:1，1.2:1，1.5:1和2.0:1。

由表3可知：3種漿液流動度隨水灰比增大而增大，聚合物水泥漿液流動度較大，超細(xì)水泥漿液流動度較低。0.8:1~1.0:1水灰比即可保證聚合物水泥漿液良好可注性；相比普通硅酸鹽水泥，超細(xì)水泥比表面積較大，吸附水量較多，流動性較低，其中水泥細(xì)度與吸附水量關(guān)系如表4所示。

表3 不同水灰比漿液流動度

表4 水泥吸附水量與細(xì)度關(guān)系

為解決現(xiàn)場施工超細(xì)水泥漿液流動性低的問題，通常在漿液中加入高效減水劑，高效減水劑吸附于水化水泥顆粒表面，通過雙電層使Zeta電位不斷增大，將水泥絮凝結(jié)構(gòu)中自由水釋放出來，對水泥顆粒具有明顯分散作用，使?jié){液流動性增加。

1.3.2 初凝時間和終凝時間測定試驗

注漿材料初凝時間、終凝時間決定了注漿材料可操作性與可泵性，很大程度影響了注漿工藝選擇，同時也一定程度決定了注漿擴散范圍。注漿材料初凝時間、終凝時間受溫度影響明顯，由于運營隧道地下水溫度不同于室溫，考慮了溫度影響因素，為保證注漿材料的實際工程應(yīng)用性[6]，測試了5，10，15，20，25和30 ℃注漿材料的凝結(jié)時間。不同水灰比普通硅酸鹽水泥漿液的初凝時間和終凝時間如圖1所示。

由圖1可知：普硅水泥漿液初凝時間、終凝時間較長，初凝時間和終凝時間隨溫度升高而顯著縮短，5~15℃范圍內(nèi)變化顯著。這是由于溫度的升高大幅度提高了膠凝材料的化學(xué)反應(yīng)速率，較高溫度下(20~ 30℃)，凝結(jié)時間變化幅度變小，說明低溫反應(yīng)動力學(xué)對溫度控制精度要求比高溫反應(yīng)時嚴(yán)格得多[16]。

為縮短注漿時間及提高現(xiàn)場注漿堵水效果，試驗加入速凝早強劑0.05%胺鹽+0.5%鈉鹽(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)，基于流動度測試結(jié)果，水灰比選為1.0:1，不同溫度下3種材料初凝時間和終凝時間如圖2所示。

由圖2可知：初凝時間、終凝時間隨溫度升高而縮短；速凝早強劑加入后普硅水泥漿液初凝時間、終凝時間得到一定縮短；超細(xì)水泥及聚合物水泥漿液初凝時間、終凝時間間隔較短，可確保注漿材料注入后盡快與滲漏水巖體膠結(jié)，可用于運營隧道滲漏水注漿治理工程；胺鹽和鈉鹽對凝結(jié)時間調(diào)節(jié)效果較好。

(a) 初凝時間；(b) 終凝時間 1—水灰比0.8:1；2—水灰比1.0:1；3—水灰比1.2:1。

圖1 不同水灰比普通硅酸鹽水泥漿液初凝時間和終凝時間隨溫度變化曲線

Fig. 1 Variation curves of initial and final setting time with temperature for slurries with different water cement ratios

溫度及水灰比對水泥?水玻璃漿液膠凝時間的影響如圖3所示，其中，水泥與水玻璃體積比為1:1。

由圖3可知：水泥?水玻璃漿液凝膠時間隨水灰比增大而增大；水泥?水玻璃漿液凝膠時間隨溫度升高而增大；水泥?水玻璃漿液凝膠時間較短，適用于地下水流速較大地層的快速堵漏。

1.3.3 漿體結(jié)石率與析水率試驗

漿體結(jié)石率直接影響漿液對運營隧道含水構(gòu)造的充填加固效果，漿體結(jié)石率越高，漿液在泵送過程中越不易離析分層，含水構(gòu)造滲漏水通道封堵越密實，過水?dāng)嗝娴姆舛履芰υ綇姡笃跉埩魸B漏水的可能性越低，同等情況下應(yīng)當(dāng)優(yōu)先選用結(jié)實率高的注漿材料。水泥水化結(jié)石率逐漸提高不應(yīng)在測定范圍內(nèi)，因此本試驗設(shè)定結(jié)石率和析水率時間為3 h。3種水泥漿液結(jié)石率隨水灰比變化曲線見圖4。

(a) 初凝時間；(b) 終凝時間 1—普通硅酸鹽水泥；2—聚合物水泥；3—超細(xì)水泥。

圖2 材料漿液初凝時間和終凝時間隨溫度變化曲線(水灰比1.0:1)

Fig. 2 Variation curves of initial and final setting time with temperature for different slurries

溫度/℃：1—5；2—15；3—25。

圖3 水泥?水玻璃膠凝時間隨水灰比變化曲線

Fig. 3 Variation curves of setting time with water-cement ratio

由圖4可知：3種注漿材料結(jié)石率隨水灰比增大而減少，聚合物水泥的結(jié)石率最大，其3 h結(jié)石率在85%以上。

1—普通硅酸鹽水泥；2—超細(xì)水泥；3—聚合物水泥漿料。

圖4 結(jié)石率隨水灰比變化曲線

Fig. 4 Variation curves of stone rate with water-cement ratio

1.3.4 不同結(jié)石體強度試驗

結(jié)石體強度指漿液中凝膠材料凝結(jié)硬化后，形成漿液結(jié)石體的抗壓、抗剪、抗彎強度等力學(xué)參數(shù)。漿液材料結(jié)石體強度決定了材料注入后能否抵抗水壓及圍巖應(yīng)力，同時決定了運營隧道滲漏水注漿治理效果與注漿治理后巖體長期穩(wěn)定性。3，7，14和28 d齡期漿液結(jié)石體的單軸抗壓強度見表5。

由表5可知：普通硅酸鹽水泥漿液結(jié)石體不同齡期的抗壓強度較低；水泥?水玻璃漿液結(jié)石體前期強度較大，后期強度增進(jìn)較慢；超細(xì)水泥初期強度較低，后期強度增進(jìn)較大，與普通水泥相比，超細(xì)水泥漿液結(jié)石體28 d強度明顯提高；不同齡期聚合物水泥漿液結(jié)石體強度較大。

表5 不同齡期的抗壓強度

水泥?水玻璃雙液漿中，水玻璃與漿液體系中的氫氧化鈣反應(yīng)，加速硅酸三鈣與硅酸二鈣水化，快速生成CSH凝膠，提供早期強度，但同時降低了液相中石灰濃度，漿液中氫氧化鈣含量未達(dá)到飽和，在水溶蝕條件下，水泥石中Ca(OH)2固相不斷溶解予以補償，這導(dǎo)致高堿性水化硅酸鹽及水化鋁酸鹽分解為低堿性水化物，變?yōu)闊o膠結(jié)能力的SiO2?H2O及Al(OH)3等，最終導(dǎo)致水泥石破壞[17]。因此，水泥水玻璃雙液漿擴散性差，結(jié)石體易粉化，化學(xué)結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，抗水溶蝕性能差，耐久性差，不建議單獨作為運營期隧道修復(fù)注漿材料。

綜上，聚合物水泥漿液流動度、結(jié)石率及結(jié)石體強度較大，這是由于大分子高聚物中存在羥基 (—OH)、羧基(—COOR)等活性基團(tuán)，它們與水泥水化產(chǎn)物發(fā)生反應(yīng)，生成具有空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的聚合物–水泥交聯(lián)體，大幅度提高了水化生成產(chǎn)物的整體性與柔韌性[18?19]。同時高聚物分子引入了C—H鍵，改善了水泥水化產(chǎn)物中以Si—O為主的結(jié)構(gòu)。聚合物?水泥界面黏聚力強，承載能力高，能夠有效吸收并傳遞能量，抑制裂縫的形成和擴展，提高界面斷裂能和斷裂韌性[20]。

2 材料現(xiàn)場工程應(yīng)用性試驗

2.1 工程概況

開元隧道運營期間，雨季隧道內(nèi)出現(xiàn)襯砌滲漏水現(xiàn)象，洞內(nèi)滲漏水位置以拱頂為主，分布在邊墻、拱肩等位置，較嚴(yán)重位置出現(xiàn)大面積淋水及股狀涌水，嚴(yán)重影響隧道的結(jié)構(gòu)及交通安全。

通過地表地質(zhì)分析，開元隧道經(jīng)過2條破碎帶和1條灰?guī)r?閃長巖界面，其中1條破碎帶與基巖傾向相反，灰?guī)r裂隙和破碎帶的導(dǎo)水性對隧道產(chǎn)生不利影響，由此推斷滲漏水補給源主要集中在隧道淺埋段、匯水區(qū)1及匯水區(qū)2，如圖5所示。

探明滲漏水位置及導(dǎo)水區(qū)域能夠為滲漏水治理提供重要支撐，現(xiàn)場采用高密度電法與地質(zhì)雷達(dá)法探測。高密度電法的3個測區(qū)見圖5，重點關(guān)注電阻率成像剖面的高電阻率區(qū)域，數(shù)據(jù)反演結(jié)果見圖6。

圖6(a)中高阻區(qū)數(shù)量少、規(guī)模小且貼近地表，結(jié)合實地勘察，高阻區(qū)反映了地表裸露基巖，測區(qū)一不存在較大匯水區(qū)。圖6(b)與6(c)中高阻區(qū)范圍較大且連續(xù)，推斷高阻區(qū)域破碎巖體范圍較大，已形成連續(xù)破碎帶，與地質(zhì)圖中破碎帶位置較吻合，其中圖6(c)連續(xù)破碎帶更為明顯且大部分向深部延伸，該高阻區(qū)易形成導(dǎo)水通道，結(jié)合地質(zhì)圖及實地勘察分析，測區(qū)二、測區(qū)三屬于匯水區(qū)，易形成導(dǎo)水通道，測區(qū)三需要高度重視。

圖5 開元隧道平面地質(zhì)圖

結(jié)合探測結(jié)果與實地勘察分析，地表降水匯集下滲補給后，沿著2條破碎帶及灰?guī)r?閃長巖界面導(dǎo)入隧道洞身附近，在隧道薄弱部位形成滲水和漏水。破碎巖體呈現(xiàn)隨機分布特征，這些巖體破碎區(qū)是否導(dǎo)水或充水，與其地表連通性有必然關(guān)系，若在破碎帶影響范圍內(nèi)，則充水導(dǎo)水可能性很大。

2.2 現(xiàn)場試驗方法

為檢驗運營期滲漏水隧道常用注漿材料的適用性，設(shè)計開元隧道現(xiàn)場注漿試驗。選擇代表性的測試區(qū)3作為注漿試驗現(xiàn)場，選取南洞隧道里程800~900 m為試驗段，其雷達(dá)探測含水構(gòu)造見圖7。由于水泥?水玻璃材料擴散距離短、后期耐久性差、抗水溶蝕性差等缺點，因此不采用其作為試驗段注漿材料。在800~830 m，830~860 m及860~900 m試驗段內(nèi)分別選取超細(xì)水泥、普通硅酸鹽水泥及聚合物水泥3種材料進(jìn)行現(xiàn)場注漿試驗，為有效控制漿液的擴散時間與擴散范圍，3種漿液中加入0.05%胺鹽+0.5%鈉鹽?？紤]現(xiàn)場襯砌強度等因素，注漿控制條件為：注漿終壓2.0 MPa；注漿時間60 min。依據(jù)現(xiàn)場工況與注漿后雷達(dá)探測結(jié)果對注漿效果進(jìn)行評估。

2.3 試驗結(jié)果與討論

2.3.1 水泥基注漿材料壓力?速率?時間曲線

3種水泥基注漿材料壓力?速率?時間曲線見圖8。由圖8可知：注漿初期3種材料的注漿壓力均由初始壓力逐漸上升，注漿速率快速下降；注漿中期速率下降后進(jìn)入注漿穩(wěn)定期，注漿壓力在較小范圍內(nèi)波動；在注漿后期注漿速率由穩(wěn)定值快速下降，直至注漿壓力達(dá)到注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)；普通硅酸鹽水泥漿液達(dá)到注漿終壓1.8 MPa的時間為53 min；超細(xì)水泥漿液60 min左右仍保持較低的注漿壓力，注漿速率也較穩(wěn)定，具有良好的可注性；聚合物水泥漿液在60 min內(nèi)未達(dá)到注漿終壓，45 min后注漿壓力迅速上升，注漿速率下降，試驗段內(nèi)聚合物水泥漿液單孔注漿量與可注性比超細(xì)水泥漿液差，但差別不很大。

(a) 測區(qū)一；(b) 測區(qū)二；(c) 測區(qū)三

圖6 高密度電法探測結(jié)果分析

Fig. 6 Detection results by high-density resistivity method

圖7 南洞800~900 m雷達(dá)探測含水構(gòu)造圖

普通水泥漿液顆粒粒徑較大，往往無法注入較小孔隙或裂隙，漿液無法有效擴散，普通硅酸鹽水泥可注性較差。超細(xì)水泥粒度較細(xì)，漿液可注性顯著提高，注漿過程中漿液阻力較低，注漿壓力上升速率較慢，漿液在同等注漿壓力下能夠達(dá)到更大的有效擴散半徑，硬化后實現(xiàn)充填圍巖裂隙，對隧道滲漏水注漿封堵效果較好。聚合物水泥水化后生成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的聚合物?膠凝礦物結(jié)合體，漿液的摩擦阻力較小，可塑性較好。

在現(xiàn)場3個試驗段進(jìn)行注漿試驗時，發(fā)現(xiàn)普通水泥試驗段內(nèi)鉆孔存在滲漏水現(xiàn)象，當(dāng)由孔口管注入普通水泥漿時，從周邊斷層帶破碎處及裂隙處存在嚴(yán)重跑漿現(xiàn)象，見圖9。因此，較難采用常規(guī)水泥注漿材料對該滲漏水區(qū)域?qū)崿F(xiàn)有效注漿封堵。

2.3.2 基于雷達(dá)探測的注漿效果檢驗分析

導(dǎo)水裂隙或?qū)ǖ乐饕涮罱橘|(zhì)是水和空氣，水、空氣與圍巖的介電常數(shù)相差較大，而地質(zhì)雷達(dá)法的探測物理基礎(chǔ)主要建立在介質(zhì)介電常數(shù)差異上。導(dǎo)水裂隙或通道被漿液充填后，凝固后漿液結(jié)石體與圍巖的介電常數(shù)相差較小，利用地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行檢測時，由于漿液與圍巖已融合成整體，注漿后的導(dǎo)水裂隙或?qū)ǖ理憫?yīng)非常弱。

(a) 普通硅酸鹽水泥；(b) 超細(xì)水泥；(c) 聚合物水泥1—注漿壓力；2—注漿速率。

圖8 現(xiàn)場注漿試驗3種水泥漿液壓力?速率?時間曲線

Fig. 8 Pressure?velocity?time curves of three grout in field tests

基于以上原理，地質(zhì)雷達(dá)法可有效檢測注漿效果，現(xiàn)場注漿效果的雷達(dá)探測分析見圖10。

結(jié)合圖7與圖10可知，用于860~900 m段的聚合物水泥漿液注漿治理效果理想，雖存在小部分微裂隙，但微小裂隙在探測深度方向上不連通，不形成隱伏導(dǎo)水區(qū)，且注漿后改進(jìn)效果顯著；用于800~830 m段的超細(xì)水泥漿液注漿治理效果較好，微小裂隙在探測深度方向上連通較少，注漿后隱伏導(dǎo)水區(qū)較少；用于830~860 m段的普通水泥漿液注漿治理效果較差，微小裂隙在探測深度方向上存在連通現(xiàn)象，探測深度方向上存在一定數(shù)量隱伏導(dǎo)水區(qū)。開元隧道注漿試驗段雷達(dá)檢測效果分析見表6。

(a) 鉆孔滲漏水；(b) 跑漿

圖9 鉆孔滲漏水與跑漿

Fig. 9 Leakage water of drilling hole and slurry-escaping

圖10 注漿后雷達(dá)探測分析

表6 試驗段注漿后雷達(dá)檢測效果分析

3 運營期隧道注漿材料適用性分析

運營期隧道滲漏水治理的注漿材料選擇需要從材料性能、技術(shù)可行性、注漿過程控制、治理效果、耐久性、經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性及現(xiàn)場特定地質(zhì)條件等方面考慮。運營期隧道注漿材料適用性分析見表7。

超細(xì)水泥漿液滲透性強，但目前大部分超細(xì)水泥仍屬于高鈣水泥，抗侵蝕能力較差，在與巖石黏結(jié)的界面區(qū)易造成CH擇優(yōu)取向，界面黏結(jié)強度較低、抗?jié)B防蝕性較差[21]。聚合物水泥中聚合物均勻成膜后將水泥水化產(chǎn)物連接包絡(luò)，生成具有空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的聚合物?膠凝礦物結(jié)合體，界面黏聚力強、承載能力高，能夠有效吸收并傳遞能量，抑制裂縫形成和擴展，具有良好的黏接性能、抗?jié)B防蝕性能、變形適應(yīng)性及耐久性能[22?23]，但其價格較高。

表7 運營期隧道注漿材料適用性分析

針對巖體微孔隙、微裂隙滲漏水狀況，適宜采用超細(xì)水泥漿液進(jìn)行微孔隙、微裂隙充填及劈裂注漿，以控制注漿有效擴散范圍[24]。針對滲漏水通道較大、水流速較快及水壓較大的涌水狀況，適宜采用水泥?水玻璃漿液進(jìn)行注漿封堵，由于C-S漿液結(jié)石體耐久性較差，C-S漿液封堵后需注入普通硅酸鹽水泥漿液。針對巖體空洞空腔較大區(qū)域或一般滲漏水情況，適宜采用普通硅酸鹽水泥漿液進(jìn)行注漿治理。針對裂隙密集區(qū)滲漏水及隧道表面破損狀況，基于聚合物水泥漿液優(yōu)良的抗?jié)B防蝕能力與黏結(jié)能力，適宜采用聚合物水泥漿液進(jìn)行注漿治理[25]。

目前超細(xì)水泥粉磨效率低，聚合物種類及比例決定了聚合物水泥的市場價格，二者生產(chǎn)成本高，一定程度上限制了材料的工程推廣應(yīng)用。

4 結(jié)論

1) 水泥基注漿材料漿液流動度及初凝時間和終凝時間對水灰比、溫度較敏感，工程應(yīng)用中需依據(jù)現(xiàn)場施工條件進(jìn)行流動度及初、終凝時間測試，通過復(fù)合外加劑的調(diào)配對流動度及凝結(jié)時間進(jìn)行控制。

2) 水灰比對漿液結(jié)石率影響較大，聚合物水泥漿液的結(jié)石率較大，可知聚合物水泥漿體滲漏水條件下抗分散性能最好，含水構(gòu)造滲漏水通道封堵密實，過水?dāng)嗝娴姆舛履芰?。不同齡期超細(xì)水泥與聚合物水泥漿液結(jié)石體強度較大。

3) 超細(xì)水泥漿液適用于微孔隙、微裂隙充填及劈裂注漿；水泥?水玻璃漿液適用于流量流速較大滲漏水通道的注漿封堵，之后宜注入普通水泥漿液；普通水泥漿液適用于空洞較大區(qū)域的注漿治理；聚合物水泥漿液適用于裂隙密集滲漏水區(qū)或隧道表面滲水區(qū)的治理；復(fù)雜條件下，可結(jié)合聚合物水泥與超細(xì)水泥進(jìn)行注漿治理。

[1] 錢七虎. 地下工程建設(shè)安全面臨的挑戰(zhàn)與對策[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報, 2012, 31(10): 1945?1956. QIAN Qihu. Challenges faced by underground projects construction safety and countermeasures[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2012, 31(10): 1945?1956.

[2] 趙慶陽. 運營期老舊隧道滲漏水病害成因與治理方法研究[D]. 濟(jì)南: 山東大學(xué)土建與水利學(xué)院, 2010: 2?8. ZHAO Qingyang. Study on the leakage causes and treatment methods for the old operation tunnel[D]. Jinan: Shandong University. School of Civil Engineering, 2010: 2?8.

[3] 祝和權(quán), 李海燕, 杜存山. 隧道滲漏水綜合治理技術(shù)的研究[J]. 中國鐵路, 2004(2): 42?45. ZHU Hequan, LI Haiyan, DU Cunshan. Research on water-leakage treatment technology of tunnels[J]. Chinese Railways, 2004(2): 42?45.

[4] ITA. Report on the damaging effects of water on tunnels during their working life[J]. Tunnelling and Underground Space Technology, 1991, 6(1): 11?76.

[5] 劉海京, 夏才初, 朱合華, 等. 隧道病害研究現(xiàn)狀與進(jìn)展[J]. 地下空間與工程學(xué)報, 2007, 3(5): 948?953. LIU Haijing, XIA Caichu, ZHU Hehua, et al. Studies on tunnel damage[J]. Chinese Journal of Underground Space and Engineering, 2007, 3(5): 948?953.

[6] 楊新安, 黃宏偉. 隧道病害與防治[M]. 上海: 同濟(jì)大學(xué)出版社, 2003: 38?64. YANG Xin’an, HUANG Hongwei. Tunnel disaster prevention and treatment[M]. Shanghai: Tongji University Press, 2003: 38?64.

[7] 劉招偉, 何滿潮, 王樹仁. 圓梁山隧道巖溶突水機制及防治對策研究[J]. 巖土力學(xué), 2006, 27(2): 228?232. LIU Zhaowei, HE Manchao, WANG Shuren. Study on karst waterburst mechanism and prevention countermeasures in Yuanliangshan tunnel[J]. Rock and Soil Mechanics, 2006, 27(2): 228?232.

[8] 劉人太, 李術(shù)才, 張慶松, 等. 一種新型動水注漿材料的試驗與應(yīng)用研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報, 2011, 30(7): 1454?1459. LIU Rentai, LI Shucai, ZHANG Qingsong, et al. Experiment and application research on a new type of dynamic water grouting material[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2011, 30(7): 1454?1459.

[9] 王紅喜, 張高展, 丁慶軍, 等. 堿激發(fā)工業(yè)廢渣雙液注漿材料性能研究[J]. 建筑材料學(xué)報. 2007, 10(3): 374?378. WANG Hongxi, ZHANG Gaozhan, DING Qingjun, et al. Research on the performance of double solution grouting material with alkali-activated industry waste slag[J]. Journal of Building Materials, 2007, 10(3): 374?378.

[10] 阮文軍, 王文臣, 胡安兵. 新型水泥復(fù)合漿液的研制及其應(yīng)用[J]. 巖土工程學(xué)報, 2001, 23(2): 212?216. RUAN Wenjun, WANG Wenchen, HU Anbing. Development and application of new kind of cement composite grout[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2001, 23(2): 212?216.

[11] 殷素紅, 文梓蕓. 白云質(zhì)石灰?guī)r?水玻璃灌漿材料的性能及其反應(yīng)機制[J]. 巖土工程學(xué)報, 2002, 24(1): 76?80. YIN Suhong, WEN Ziyun. Properties and reaction mechanism of dolomite lime stone-water glass grout[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2002, 24(1): 76?80.

[12] 管學(xué)茂, 胡曙光, 丁慶軍. 超細(xì)水泥基注漿材料性能研究[J]. 煤礦設(shè)計, 200l(3): 28?31. GUAN Xuemao, HU Shuguang, DING Qingjun. Performance study of the cement-based superfine grouting materials[J]. Coalmine Design, 2001(3): 28?31.

[13] 李虎軍, 王琪. 水溶性聚合物改性水泥的研究Ⅱ：水溶性聚合物對水泥水化過程的影響[J]. 功能高分子學(xué)報, 1999, 12(3): 276?280. LI Hujun, WANG Qi. Study on the cement modified by water-soluble polymers Ⅱ: effect of water-soluble polymers on the hydration of cement[J]. Journal of Functional Polymers, 1999, 12(3): 276?280.

[14] 陳灃, 黃蓓麗, 巴明芳, 等. 鋼渣改性硅酸鹽水泥?水玻璃雙液注漿復(fù)合材料的試驗研究[J]. 復(fù)合材料學(xué)報, 2013, 30(6): 139?144. CHEN Feng, HUANG Beili, BA Mingfang, et al. Experimental study on dual-fluid-grout composite materials with slag steel modified portland cement and sodium silicate[J]. Acta Materiae Compositae Sinica, 2013, 30(6): 139?144.

[15] 杜嘉鴻, 張崇瑞, 何修仁. 地下建筑灌漿工程簡明手冊[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 1998: 38?64. DU Jiahong, ZHANG Chongrui, HE Xiuren. Brief handbook of grouting engineering in underground construction[M]. Beijing: Science Press, 1998: 38?64.

[16] 程蘭征, 章燕豪. 物理化學(xué)[M]. 上海: 上海科學(xué)技術(shù)出版社, 2007: 227?241. CHENG Lanzheng, ZHANG Yanhao. Physical chemistry[M]. Shanghai: Shanghai Scienctific and Technical Publishers, 2007: 227?241.

[17] CHATTERJI S. Concrete durability and CaO/SiO2mole ratio of CSH[J]. Cement and Concrete Research, 1995, 25(5): 929?932.

[18] 李祝龍, 梁乃興, 吳德平, 等. 聚合物水泥基材料的機制分析[J]. 公路交通科技, 2005, 22(5): 63?66. LI Zhulong, LIANG Naixing, WU Deping, et al. Study on the mechanism of polymer cement materials[J]. Journal of Highway and Transportation Research and Development, 2005, 22(5): 63?66.

[19] 徐惠生. 聚合物改性水泥砂漿基礎(chǔ)研究[J]. 安徽建筑工業(yè)學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版), 2008, 16(6): 1?3. XU Huisheng. Research of polymer-modified mortar[J]. Journal of Anhui Institute of Architecture and Industry (Natural Science), 2008, 16(6): 1?3.

[20] 劉瑾, 張峰君, 陳曉明, 等. 新型水溶性高分子土體固化劑的性能及機制研究[J]. 材料科學(xué)與工程, 2001, 19(4): 62?65. LIU Jin, ZHANG Fengjun, CHEN Xiaoming, et al. Study on the soil hardening properties and mechanism of a new water soluble polymeric soil hardening agent[J]. Materials Science and Engineering, 2001, 19(4): 62?65.

[21] 胡曙光, 管學(xué)茂, 丁慶軍. 超細(xì)水泥基灌漿材料研究動向及發(fā)展方向[J]. 水泥, 2001(1): 11?13. HU Shuguang, GUAN Xuemao, DING Qingjun. Comprehensive review on the research and development of ultrafine cement based grouting materials[J]. Cement, 2001(1): 11?13.

[22] COSTAS A. Laboratory study of an injected granular soil with polymer grouts[J]. Tunnelling and Underground Space Technology, 2005(1): 525?533.

[23] 王茹, 姚麗娟, 王培銘. 水泥基材料聚合物改性機理研究的最新進(jìn)展[J]. 硅酸鹽通報, 2011, 30(4): 818?821. WANG Ru, YAO Lijuan, WANG Peiming. Recent research development on mechanism of polymer modification to cement-based materials[J]. Bulletin of the Chinese Ceramic Society, 2011, 30(4): 818?821.

[24] 馮志強, 康紅普, 楊景賀. 裂隙巖體注漿技術(shù)探討[J]. 煤炭科學(xué)技術(shù), 2005, 33(4): 63?66. FENG Zhiqiang, KANG Hongpu, YANG Jinghe. Discussion on grouting technology for crack rock mass[J]. Coal Science and Technology, 2005, 33(4): 63?66.

[25] 阮文軍.注漿擴散與漿液若干基本性能研究[J]. 巖土工程學(xué)報, 2005, 27(1): 69?73. RUAN Wenjun. Research on diffusion of grouting and basic properties of grouts[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2005, 27(1): 69?73.

(編輯 趙俊)

Application on different types of cementitious grouts for water-leakage operational tunnels

SHA Fei, LIU Rentai, LI Shucai, LIN Chunjin, LI Zhaofeng, LIU Bin, BAI Jiwen

(Geotechnical and Structural Engineering Research Center, Shandong University, Jinan 250061, China)

The main performance parameters of four types of cement-based grouts for operational tunnels were studied based on the grouting requirements for grouts in water-leakage operational tunnels. The Kaiyuan Tunnel situ-tests with three similar geological conditions were designed. The ordinary portland cement, microfine portland cement and polymer cement were used for grouting. The grouting effects of different grouts for the water-leakage operational tunnel were evaluated based on the analysis results of radar detections. According to the feasibility of grouting technology, grouting effects and economical efficiency, the suitability of grouts for different water-leakage conditions in operational tunnels were analyzed. The results show that the fluidity, concretion rate and consolidation strength of polymer cement are satisfied, and the plugging effects of polymer cement for water-leakage channels are excellent in situ-tests. The microfine portland cement is suitable for the water-leakage areas with micro pores or micro cracks, and the polymer cement can be applied to the water-leakage areas with concentrated fissures or surface seepage zones. The portland cement can be used for areas with large or wide holes, and the cement?water glass slurry is suitable for areas with large flow or high pressure.

operational tunnels;water leakage disease; cementitious grouts; performance parameters; situ-test

10.11817/j.issn.1672-7207.2016.12.027

TU45

A

1672?7207(2016)12?4163?10

2015?12?22；

2016?03?13

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(973計劃)項目(2013CB036001)；國家自然科學(xué)基金資助項目(51309146)；國家教育部博士點基金資助項目(20130131120084) (Project(2013CB036000) supported by the National Basic Research Development Program (973 Program) of China; Project(51309146) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(20130131120084) supported by the Research Fund for Doctoral Programs of High Education of China)

劉人太，博士，從事地下工程水災(zāi)害預(yù)報及治理方面的研究；E-mail：rentailiu@163.com