齊延海，李術(shù)才，李召峰，張慶松，楊磊，張健，林榮峰，王凱

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全風(fēng)化花崗巖富水地層注漿治理研究與應(yīng)用

齊延海，李術(shù)才，李召峰，張慶松，楊磊，張健，林榮峰，王凱

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

研究不同水壓條件下疏水降壓對(duì)全風(fēng)化花崗巖富水地層注漿模擬加固效果的影響，分析1 MPa水壓條件下土體中漿脈分布及被注試樣抗壓、抗崩解特性規(guī)律，并將研究結(jié)果應(yīng)用于廣西岑水高速均昌隧道地下工程建設(shè)中，建立基于地層密度、含水率、顆粒級(jí)配、富水區(qū)水壓等信息特征的理想疏水降壓判據(jù)。研究結(jié)果表明：在不同水壓條件下，隨著疏水降壓的增大，注漿量增多，漿脈呈現(xiàn)由局部細(xì)小構(gòu)型過(guò)渡到復(fù)雜分支?網(wǎng)絡(luò)構(gòu)型再到單一粗大或平行構(gòu)型的分布特點(diǎn)；土體壓密區(qū)試樣的抗壓強(qiáng)度及水穩(wěn)特性均隨著疏水降壓的增大而增高，與疏水降壓呈正相關(guān)關(guān)系；當(dāng)疏水降壓為30%時(shí)，分支?網(wǎng)絡(luò)型漿脈對(duì)土體起到壓密和骨架支撐雙重?cái)D密作用，大幅度提高壓密區(qū)試樣抗壓強(qiáng)度及水穩(wěn)特性的增長(zhǎng)速率。

疏水降壓技術(shù)；注漿模型試驗(yàn)；全風(fēng)化花崗巖；富水地層；工程應(yīng)用

進(jìn)入21世紀(jì)后，我國(guó)地下工程建設(shè)進(jìn)入高速發(fā)展時(shí)期，一大批鐵路公路交通、水利水電、國(guó)家戰(zhàn)略防護(hù)等地下工程建設(shè)向地質(zhì)條件極端復(fù)雜的中西部山區(qū)延伸[1]。然而，我國(guó)西南、東南等地區(qū)地質(zhì)情況復(fù)雜，地層軟弱松散，斷層破碎帶隱伏其中，地下工程建設(shè)困難，給工程安全建設(shè)和區(qū)域環(huán)境造成了嚴(yán)重影 響[2?3]?；◢弾r作為一種常見(jiàn)地層，多分布在桂東南、粵、閩及湘南等地，受濕熱氣候及多雨環(huán)境等多重因素的影響，風(fēng)化程度較高，在地下工程建設(shè)過(guò)程中極易誘發(fā)圍巖坍塌、突水突泥等地質(zhì)災(zāi)害[4?8]。針對(duì)全風(fēng)化花崗巖自穩(wěn)能力差、遇水泥化等特點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者對(duì)全風(fēng)化花崗巖的注漿治理進(jìn)行了一系列研究，以提高全風(fēng)化花崗巖的自穩(wěn)及水穩(wěn)能力。MASUMOTO等[9]利用注漿的方法對(duì)黏土夾層的風(fēng)化花崗巖開(kāi)挖損傷區(qū)進(jìn)行加固治理，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證了注漿效果有效性。YUN等[10]以風(fēng)化花崗巖為研究對(duì)象，通過(guò)理論分析的方法對(duì)壓濾注漿擴(kuò)散現(xiàn)象及多種注漿方式的起劈壓力、擴(kuò)散半徑及漿脈寬度的公式進(jìn)行理論解釋及推導(dǎo)，并通過(guò)注漿模擬試驗(yàn)的方式對(duì)上述公式、理論進(jìn)行了驗(yàn)證。王凱等[11]針對(duì)全風(fēng)化花崗巖地層遇水泥化等特性設(shè)計(jì)注漿加固模擬試驗(yàn)，研究了注漿壓力對(duì)全風(fēng)化花崗巖地層強(qiáng)度特性和水理特性的影響機(jī)制。崔紅琴[12]針對(duì)富水淺埋的全風(fēng)化花崗巖地層采用袖閥管注漿和井點(diǎn)降水預(yù)加固的方法有效阻止了變形坍塌事故發(fā)生，并對(duì)全風(fēng)化花崗巖變形規(guī)律進(jìn)行系統(tǒng)總結(jié)，提出了防控措施。李蓉等[13]以廈門翔安海底隧道全強(qiáng)風(fēng)化花崗巖為研究對(duì)象，對(duì)注漿參數(shù)、注漿材料、注漿工藝等進(jìn)行了可行性研究，并針對(duì)地層特點(diǎn)提出了注漿方案。張頂立等[14]利用復(fù)合注漿技術(shù)對(duì)強(qiáng)風(fēng)化花崗巖地層進(jìn)行注漿堵水加固，解決圍巖的強(qiáng)度、滲透和穩(wěn)定性問(wèn)題。袁敬強(qiáng)等[15]對(duì)不同水泥漿液填充率全風(fēng)化花崗巖試樣開(kāi)展了三軸、滲透及濕化試驗(yàn)，對(duì)科學(xué)評(píng)價(jià)該地層注漿效果具有重要的指導(dǎo)意義。劉金泉等[16]通過(guò)自主設(shè)計(jì)的試樣制備及抗沖刷試驗(yàn)裝置，對(duì)注漿加固體顆粒流失與抗沖特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，提出注漿量的計(jì)算方法及含水量分區(qū)治理的原則。對(duì)于全風(fēng)化花崗巖地層的研究多集中在被注土體漿脈分布情況及注漿后土體物理力學(xué)性質(zhì)變化等方面，而缺乏對(duì)強(qiáng)富水、高水壓的地層條件的研究，尤其在保證圍巖安全穩(wěn)定前提下，對(duì)富水地層的高效加固的研究較少。本文作者在已有研究成果的基礎(chǔ)上[15, 17?18]，以全風(fēng)化花崗巖富水地層為研究對(duì)象，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)方法分析了疏水降壓對(duì)全風(fēng)化花崗巖富水地層注漿加固效果的作用規(guī)律，并將研究結(jié)果應(yīng)用于廣西岑水高速均昌隧道背景工程中，取得了良好的效果，為類似注漿治理工程提供了一定的理論指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

1.1.1 研究對(duì)象

以廣西均昌隧道右洞CK7+830位置掌子面全風(fēng)化花崗巖核心土為研究對(duì)象，通過(guò)室內(nèi)模型試驗(yàn)的方法模擬全風(fēng)化花崗巖富水地層，開(kāi)展注漿加固試驗(yàn)研究。測(cè)試土樣干密度、含水率及抗壓強(qiáng)度分別為1.75 g/cm3，13.5%和0.21 MPa。土樣顆粒級(jí)配情況如圖1所示。

圖1 全風(fēng)化花崗巖顆粒級(jí)配曲線

1.1.2 注漿材料

選用漿液類型為水泥?水玻璃雙液漿(C-S雙液漿)，水泥、水玻璃體積比為1:1。水泥為廣西潤(rùn)豐水泥廠生產(chǎn)普通硅酸鹽水泥(P.O.42.5)，水玻璃規(guī)格為波美度Be′=35，模數(shù)=3.3。水泥?水玻璃雙液漿的基本物理力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 水泥?水玻璃雙液漿物理力學(xué)性能

1.1.3 注漿工藝

由于全風(fēng)化花崗巖地層圍巖穩(wěn)定性差，抗擾動(dòng)性能弱，鉆孔塌孔、鉆桿掩埋嚴(yán)重，一次性長(zhǎng)距離鉆孔成孔率低，因此，本文根據(jù)類似地層研究成果及相關(guān)工程治理經(jīng)驗(yàn)[19]，擬采用前進(jìn)式分段注漿工藝，對(duì)不同疏水降壓條件下的全風(fēng)化花崗巖地層開(kāi)展注漿模擬試驗(yàn)研究。

1.2 模擬系統(tǒng)

基于山東大學(xué)自主研發(fā)的三維注漿模擬試驗(yàn)系統(tǒng)[20?21]，并結(jié)合相關(guān)學(xué)者已有研究成果，開(kāi)展注漿模擬試驗(yàn)。注漿模擬試驗(yàn)系統(tǒng)主要由試驗(yàn)主體裝置、水壓?水量供給系統(tǒng)和注漿控制系統(tǒng)3部分構(gòu)成，如圖2所示。

1.2.1 試驗(yàn)主體裝置

為模擬地下工程中近端注漿加固、遠(yuǎn)端含水層隱匿分布的地質(zhì)特點(diǎn)，試驗(yàn)主體裝置設(shè)計(jì)為“頂部供水、底部注漿”，試驗(yàn)主體裝置基本參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 試驗(yàn)主體裝置基本參數(shù)

試驗(yàn)主體裝置自上至下分為4個(gè)結(jié)構(gòu)單元，每個(gè)結(jié)構(gòu)單元均為環(huán)形雙開(kāi)分離式結(jié)構(gòu)，能夠滿足注漿加固體開(kāi)挖取樣的要求；最上層結(jié)構(gòu)單元中部設(shè)有6個(gè)排水孔，在注漿過(guò)程中可起到疏水降壓作用；排水孔均勻分布在結(jié)構(gòu)單元周圍，保證誘導(dǎo)注漿加固效果的均一性，排水孔分布如圖3所示。底面封板均布設(shè)透水微孔，以“頂部注水、底部滲水”為標(biāo)準(zhǔn)對(duì)全風(fēng)化花崗巖地層富水條件進(jìn)行模擬。

1.2.2 水壓?水量供給系統(tǒng)

水壓?水量供給系統(tǒng)由儲(chǔ)水桶、水泵補(bǔ)給設(shè)備、空氣壓縮機(jī)、穩(wěn)壓供水腔和水量輸出裝置構(gòu)成。在空氣壓縮機(jī)作用下，穩(wěn)壓供水腔初始?jí)毫?.0 MPa，可調(diào)壓力范圍為0~1.7 MPa。水量輸出裝置包括耐壓管路和穩(wěn)壓花灑，其中，穩(wěn)壓花灑為直徑×長(zhǎng)度為 110 cm×5 cm的圓柱形密封結(jié)構(gòu)，底部環(huán)狀均布內(nèi)徑0.5 cm的灑水孔，達(dá)到模擬被注介質(zhì)均勻遇水承壓的目的。

1.2.3 注漿系統(tǒng)

注漿系統(tǒng)在注漿過(guò)程中具有提供動(dòng)力和輸送漿液的作用，主要由漿液攪拌裝置、雙液高速注漿泵、漿液輸送裝置和壓力監(jiān)測(cè)裝置4部分組成。漿液攪拌裝置由漿液攪拌桶、高密度電子秤和漿液電動(dòng)攪拌器組成。漿液電動(dòng)攪拌器為六檔手持式調(diào)速裝置，最大轉(zhuǎn)速為800 r/min，實(shí)現(xiàn)對(duì)漿液的充分?jǐn)嚢琛ｋp液高速注漿泵采用葫蘆島注漿泵廠生產(chǎn)的2TG?60/210型雙液高壓注漿泵。漿液輸送裝置由高壓注漿管路和注漿管頭組成，高壓注漿管使用內(nèi)徑15 mm的耐高壓橡膠鋼絲管，最大耐壓量為12 MPa；注漿管頭壓制在注漿管路兩段，實(shí)現(xiàn)與試驗(yàn)主體裝置快速對(duì)接。

1.3 試驗(yàn)方法

將隧道開(kāi)挖土體以原狀土的干密度、含水率及顆粒級(jí)配為控制標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行重塑和填筑；填筑過(guò)程中采用分層夯實(shí)的方法，保證土體均勻。試驗(yàn)排水條件如表3所示。在被注介質(zhì)達(dá)到富水條件下，將穩(wěn)壓腔體壓力按調(diào)至疏水終壓，同時(shí)打開(kāi)排水孔閥門進(jìn)行疏水引流操作并封堵底部透水微孔。

圖2 注漿系統(tǒng)示意圖

圖3 排水孔位置分布圖

表3 試驗(yàn)排水條件

試驗(yàn)采用前進(jìn)式四序次分段注漿工藝，每序次前進(jìn)15 cm，漿液顏色依次為紅色、原色、綠色、藍(lán)色，注漿速率控制為8 L/min，注漿終壓為1.6 MPa。當(dāng) 30 s內(nèi)壓力回落小于0.1 MPa時(shí)注漿結(jié)束，間隔5 min后進(jìn)行下一序次注漿段的注漿并記錄注漿總量。注漿終止后，將試驗(yàn)主體裝置靜置5 min，隨后對(duì)不同疏水降壓條件下的注漿效果進(jìn)行定量分析。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

為便于對(duì)比分析，減小模型邊界對(duì)實(shí)驗(yàn)效果的影響，實(shí)驗(yàn)取樣主要集中于被注介質(zhì)壓密區(qū)域。取樣規(guī)則如下：在取樣半徑為距離中心30 cm處，即= 30 cm，鉆孔深度以距底15 cm為起點(diǎn)，每序次相隔15 cm，即為15, 30, 45, 60, 75 和90 cm；同理，在鉆孔深度為40 cm和80 cm處，分別取為15，30和45 cm處試樣。

2.1 漿脈擴(kuò)散模式分析

疏水降壓為0和20%時(shí)為30 cm和60 cm截面漿脈分布如圖4所示。在疏水降壓為0時(shí)，注漿量少，為3.9 kg，劈裂漿脈在擴(kuò)散過(guò)程中無(wú)明顯指向性，且隨著鉆孔深度的增加，漿脈數(shù)呈下降的趨勢(shì)；當(dāng)疏水降壓為20%時(shí)，注漿量增加到6.9 kg，漿脈呈單一分支和細(xì)小網(wǎng)絡(luò)2種構(gòu)形，與疏水降壓0時(shí)相比，漿脈厚度增加且分布范圍變廣，誘導(dǎo)注漿效果顯著。

當(dāng)疏水降壓為30%時(shí)，注漿量增大到9.3 kg；與疏水降壓20%時(shí)相比，土體中次生漿脈寬度及加固范圍進(jìn)一步增大，在土體局部位置形成網(wǎng)絡(luò)交叉的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，從宏觀上產(chǎn)生“加筋交聯(lián)”作用，起到漿液壓密和骨架支撐的雙重?cái)D密作用，大幅增加土體顆粒間的擠密程度和黏結(jié)性能。

當(dāng)疏水降壓增大至40%時(shí)，土體內(nèi)部的微小裂隙或薄弱面增大、增多，注漿量隨之增多，達(dá)11.2 kg；隨著疏水降壓的升高，土體受漿液擠密程度增大，抵抗破壞的能力顯著提高，與疏水降壓30%相比，土體整體抗壓強(qiáng)度進(jìn)一步提高。

疏水降壓分別為30%和40%時(shí)為30 cm和60 cm截面漿脈分布如圖5所示。

(a) 疏水降壓0，z=30 cm；(b) 疏水降壓0，z=60 cm；(c) 疏水降壓20%，z=30 cm；(d) 疏水降壓20%，z=60cm

(a) 疏水降壓30%，z=30 cm；(b) 疏水降壓30%，z=60 cm；(c) 疏水降壓40%，z=30cm；(d) 疏水降壓40%，z=60 cm

在疏水降壓條件下，土層內(nèi)部微小土體顆粒受疏水降壓作用隨土體內(nèi)部自由水滲濾排出，并在土體內(nèi)部形成具有一定指向性的微小裂隙或薄弱面，對(duì)注漿加固具有一定的誘導(dǎo)作用，且隨著疏水降壓的增加誘導(dǎo)作用顯著；在注漿過(guò)程中，漿液首先對(duì)土層中的微小裂隙或薄弱面進(jìn)行填充擠密，漿脈對(duì)劈裂通道兩側(cè)進(jìn)行壓密過(guò)程中，進(jìn)一步增大了土體內(nèi)部自由水受疏水降壓作用而發(fā)生滲流方向的裂隙寬度，促使?jié){液沿內(nèi)部滲流水流動(dòng)方向(即起劈壓力較小的方向)進(jìn)行劈裂擴(kuò)散。漿脈擴(kuò)散形態(tài)受疏水降壓的影響，隨著疏水降壓的增加，土體內(nèi)部漿脈分布呈現(xiàn)由局部細(xì)小構(gòu)型過(guò)渡到復(fù)雜分支?網(wǎng)絡(luò)構(gòu)型再到單一粗大或平行構(gòu)型的分布特點(diǎn)，疏水降壓誘導(dǎo)注漿理論如圖6所示。

2.2 加固體抗壓特性分析

對(duì)注漿加固體壓密區(qū)試樣進(jìn)行單軸抗壓試驗(yàn)，結(jié)果如圖7所示。由圖7可知：在不同疏水降壓條件下，=30 cm處，隨著鉆孔深度的增加，壓密區(qū)試樣的抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，且比疏水降壓為0時(shí)的大，抗壓強(qiáng)度增幅為16.0%~51.2%，被注介質(zhì)顆粒密實(shí)度進(jìn)一步提高，這說(shuō)明疏水降壓方法對(duì)全風(fēng)化花崗巖富水地層的注漿加固起到良好的促進(jìn)作用。從圖7還可以看出：在不同鉆孔深度截面中，土體抗壓強(qiáng)度均隨著疏水降壓的增大而增高，與疏水降壓呈正相關(guān)關(guān)系，疏水降壓為40%時(shí)，壓密區(qū)試樣抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大；此外，當(dāng)疏水降壓為30%時(shí)，土體試樣的抗壓強(qiáng)度提升速率最大，并顯著高于其他疏水降壓條件下的抗壓強(qiáng)度，疏水降壓為40%時(shí)壓密區(qū)試樣抗壓強(qiáng)度雖然高于其他條件下的抗壓強(qiáng)度，但強(qiáng)度增進(jìn)率低，這說(shuō)明疏水降壓超過(guò)30%后，疏水降壓的增加對(duì)注漿效果的提升作用開(kāi)始減弱。這是由于隨著疏水降壓量的增加，土體受漿液擠密作用增加，顆粒之間的擠密程度增大，較原狀土抗壓強(qiáng)度持續(xù)增高；在疏水降壓30%條件下，土體受漿液擠密程度增率比疏水降壓20%時(shí)的高，疏水降壓40%時(shí)土體受漿液擠密作用進(jìn)一步增強(qiáng)，但受土體總孔隙率的限制，土體擠密程度增率比疏水降壓30%時(shí)的小。因此，結(jié)合工程實(shí)際施工，從施工安全性及可行性、鉆孔工程量、注漿加固效果提升等方面綜合考慮，當(dāng)疏水降壓為30%時(shí)，土體抗壓強(qiáng)度最優(yōu)。

(a) 微粒運(yùn)移；(b) 漿液充填；(c) 漿脈成型

2.3 加固體水穩(wěn)特性分析

根據(jù)前期崩解試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，為了量化土體介質(zhì)的崩解速率，本文以崩解率達(dá)到90%所用的時(shí)間作為有效崩解時(shí)間(d)。不同鉆孔深度下=30 cm處的注漿加固體壓密區(qū)試樣有效崩解時(shí)間見(jiàn)圖8。

(a) 抗壓強(qiáng)度隨鉆孔深度變化規(guī)律；(b) 抗壓強(qiáng)度隨疏水降壓變化規(guī)律

圖(a)中疏水降壓/%：1—40；2—30；3—20；4—0；

圖(b)中鉆孔深度/cm：1—15；2—30；3—45；4—60；5—75；6—90。

圖7=30 cm試樣抗壓強(qiáng)度隨鉆孔深度及疏水降壓變化規(guī)律

Fig. 7 Change of uniaxial compressive strength with drilling depth and hydrophobic depressurization at=30 cm

圖8所示為不同鉆孔深度下=30 cm處試樣有效崩解時(shí)間。從圖8可以看出：有效崩解時(shí)間與疏水降壓成正比，與鉆孔深度成反比。在疏水降壓30%條件下，試樣有效崩解時(shí)間增速最大；疏水降壓超過(guò)30%時(shí)，有效崩解時(shí)間增速減小。這是因?yàn)椋寒?dāng)疏水降壓為30%時(shí)，漿脈在土體中呈現(xiàn)單一粗大與網(wǎng)絡(luò)交叉2種構(gòu)形，對(duì)土體形成漿脈壓密和骨架支撐雙重作用，提高土體顆粒之間的緊密程度，減少顆粒之間的孔隙率，大幅提高土體水穩(wěn)特性；當(dāng)疏水降壓為40%時(shí)，注漿量增加，漿脈寬度增大，對(duì)土體壓密作用增加，土體水穩(wěn)特性增強(qiáng)，但增速較疏水降壓30%時(shí)略有降低，與圖7中抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律相似。

鉆孔深度=60 cm截面不同徑向加固距離試樣的崩解曲線如圖9所示。從圖9可見(jiàn)：=60 cm截面試樣有效崩解時(shí)間與疏水降壓成正比，與徑向加固距離成反比；在=15 cm處，土體中的漿脈寬度隨著疏水降壓的增加而增大，土體受擠密程度增大，土體顆粒黏結(jié)程度升高，水穩(wěn)定特性增強(qiáng)；在=45 cm處，土體中漿脈分布較少，土體受擠密作用較弱，水穩(wěn)特性較=15 cm處的差。從圖9還可以看出：當(dāng)疏水降壓為30%時(shí)，網(wǎng)絡(luò)型分支漿脈可大幅提高被注土體均勻程度，較高程度提升了被注土體的水穩(wěn)特性。

鉆孔深度/cm：1—15；2—30；3—45；4—60；5—75；6—90。

1—=45 cm，=40%；2—=45 cm，=30%；3—=45 cm，=20%；4—=15 cm，=40%；5—=15 cm，=30%；6—=15 cm，=20%。

圖9=60 cm截面不同徑向加固距離試樣的崩解曲線

Fig. 9 Curve of slake durability test in different radial directions at section of=60 cm

2.4 不同水壓環(huán)境的模擬試驗(yàn)

以上述實(shí)驗(yàn)流程為基準(zhǔn)，通過(guò)調(diào)節(jié)穩(wěn)壓供水腔內(nèi)部壓力，模擬地下水壓為0.5 MPa和1.5 MPa時(shí)疏水降壓試驗(yàn)，主要試驗(yàn)參數(shù)如表4所示。

對(duì)不同地下水環(huán)境下的全風(fēng)化花崗巖地層進(jìn)行疏水降壓注漿模擬試驗(yàn)，并對(duì)土體在不同疏水降壓條件下的漿脈擴(kuò)散模式、力學(xué)特性及水穩(wěn)特性進(jìn)行分析，研究結(jié)果表明，地下水壓為0.5 MPa和1.5 MPa時(shí)的規(guī)律變化均與水壓為1 MPa時(shí)的相同。以大幅增加土體抗壓強(qiáng)度和水穩(wěn)能力及減少工程成本、降低施工難度、增加安全系數(shù)等因素作為判據(jù)，不同水壓環(huán)境下的最優(yōu)疏水降壓均為30%。對(duì)于全風(fēng)化花崗巖富水地層，采用疏水降壓技術(shù)進(jìn)行誘導(dǎo)注漿，可以有效提高治理效率，保證治理效果。

表4 不同水壓環(huán)境下的注漿試驗(yàn)參數(shù)

3 工程應(yīng)用

3.1 工程簡(jiǎn)介

廣西岑水高速均昌隧道作為廣西最長(zhǎng)的高速公路隧道，是岑溪至水汶高速公路(簡(jiǎn)稱岑水高速)的控制性工程。隧道兩段分別是北東、南東向的容縣至岑溪斷層及大隆至水汶斷層，地處構(gòu)造相對(duì)發(fā)育區(qū)，巖體節(jié)理、裂隙較發(fā)育，局部巖體較破碎至破碎。地表植被較發(fā)育，主要為第四系殘坡積層覆蓋，局部有風(fēng)化混合巖露出。

由于均昌隧道穿越全、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖等軟弱地層，施工單位在隧道施工期間遭遇了多次嚴(yán)重的突水、突泥地質(zhì)災(zāi)害，揭露單點(diǎn)最大涌水量達(dá)400 m3/h，最大水壓為1.5 MPa，嚴(yán)重影響隧道正常施工。均昌隧道右洞第二循環(huán)里程為CK7+840~857，因前方地層富水區(qū)域大、水壓高，在帷幕注漿加固過(guò)程中常發(fā)生壓力升高快、注漿量少等現(xiàn)象，注漿加固效果差，無(wú)法滿足隧道開(kāi)挖條件。

3.2 疏水降壓方案設(shè)計(jì)原理及實(shí)施

3.2.1 地質(zhì)探測(cè)分析及泄水區(qū)選擇

進(jìn)口右洞第一循環(huán)注漿鉆孔揭示隧道圍巖水文地質(zhì)條件極其復(fù)雜，具有水量大、富水區(qū)集中、圍巖結(jié)構(gòu)松散軟弱的特點(diǎn)。根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)，規(guī)定涌水量為1.0~10.0 m3/h區(qū)間的含水地層為富水地層，涌水量小于1.0 m3/h的含水層為含水區(qū)，大于10.0 m3/h的地層稱為強(qiáng)富水地層。帷幕范圍集中富水區(qū)的分布如圖10所示。

利用瞬變電磁法在進(jìn)口右洞CK7+818.5掌子面處對(duì)隧道前方圍巖(探測(cè)里程CK7+818.5?878.5 m)分別向左偏角30°、向前和向右偏角30°共3個(gè)方向進(jìn)行探測(cè)，探測(cè)結(jié)果如圖11所示。

基于第一循環(huán)超長(zhǎng)鉆孔揭露的水文地質(zhì)信息及右洞第二循環(huán)地球物理探查結(jié)果，確定掌子面前方集中富水區(qū)域位置，位于CK7+845~878.5里程段的隧道左右拱腳底部包含中間連通區(qū)間的整片區(qū)域。考慮到右洞第二循環(huán)里程為CK7+840~857，因此將CK7+ 857~878里程段開(kāi)挖輪廓線外的區(qū)域作為泄水孔的終孔位置區(qū)間，對(duì)泄水鉆孔進(jìn)行設(shè)計(jì)。

(a) 水平剖面投影圖；(b) 垂向剖面投影圖

圖11 瞬變電磁探測(cè)結(jié)果

3.2.2 泄水孔設(shè)計(jì)原則及誘導(dǎo)注漿原理

泄水孔設(shè)計(jì)鉆孔采用富水區(qū)整體均布的原則，重點(diǎn)對(duì)大涌水點(diǎn)位置加密布設(shè)，同時(shí)，為減小對(duì)注漿加固區(qū)圍巖的弱化，泄水孔終孔位置盡量接近加固圈或位于加固圈外。通過(guò)探測(cè)富水集中區(qū)水壓為1.0 MPa，按照疏水降壓30%計(jì)算，通過(guò)鉆入泄水孔的方式將水壓降為0.7 MPa時(shí)，注漿效果滿足工程需求。根據(jù)前期水文地質(zhì)資料分析，在進(jìn)口右洞止?jié){墻處向前方集中富水區(qū)內(nèi)設(shè)計(jì)了均勻分布的泄水孔F-1~F-8。泄水孔設(shè)計(jì)及疏水降壓誘導(dǎo)注漿原理如圖12所示。

3.3 誘導(dǎo)注漿效果評(píng)價(jià)

注漿效果檢驗(yàn)是評(píng)價(jià)注漿加固效果的依據(jù)，針對(duì)泄水誘導(dǎo)復(fù)合注漿技術(shù)加固的帷幕治理區(qū)圍巖，通過(guò)鉆孔注漿過(guò)程中的?曲線及開(kāi)挖面圍巖穩(wěn)定性兩方面對(duì)泄水誘導(dǎo)注漿效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。

3.3.1?曲線分析法

在泄水孔注漿封堵過(guò)程中，通過(guò)對(duì)注漿施工過(guò)程中所記錄的注漿壓力、注漿流量進(jìn)行?和?曲線繪制，結(jié)合地質(zhì)特征、注漿參數(shù)等對(duì)??曲線進(jìn)行分析，從而對(duì)疏水降壓注漿效果進(jìn)行評(píng)判。代表性泄水孔F-1，F(xiàn)-3，F(xiàn)-8的?曲線如圖13所示。隨著注漿施工的進(jìn)行，?曲線升速逐漸提高，在6 min后，注漿壓力急劇上升，符合注漿加固要求。

3.3.2 圍巖穩(wěn)定性分析

開(kāi)挖掌子面干燥、密實(shí)，具有較強(qiáng)的自穩(wěn)能力；在被注巖土體介質(zhì)中形成大量延展性好的主干漿脈及分支漿脈；分支漿脈與主漿脈形成縱橫交錯(cuò)的漿脈骨架，密布于整個(gè)開(kāi)挖輪廓線內(nèi)。開(kāi)挖面情況見(jiàn)圖14。

(a) 泄水孔布置斷面；(b) 疏水降壓誘導(dǎo)注漿原理圖

泄水孔：1—F-1；2—F-3；3—F-8

圖14 注漿后開(kāi)挖面情況

4 結(jié)論

1) 疏水降壓作用對(duì)全風(fēng)化花崗巖富水地層中漿脈擴(kuò)展具有明顯的誘導(dǎo)作用，隨著疏水降壓的升高，注漿量逐漸增加；當(dāng)疏水降壓為20%時(shí)，漿脈呈現(xiàn)小范圍的單一及網(wǎng)路細(xì)小構(gòu)型，當(dāng)疏水降壓為30%時(shí)漿脈構(gòu)型以分支型和網(wǎng)絡(luò)型為主，漿脈分布范圍廣，當(dāng)疏水降壓為40%時(shí)漿脈多為粗長(zhǎng)型及平行型，增強(qiáng)了土體的壓密效果，因此，在實(shí)際工程應(yīng)用中，采用富水區(qū)整體均布、大涌水點(diǎn)位置加密布設(shè)的方法可有效降低水壓、提升注漿加固效果。

2) 土體壓密區(qū)試樣的抗壓強(qiáng)度及水穩(wěn)特性隨著疏水降壓量的增大表現(xiàn)出升高的變化規(guī)律，與疏水降壓為20%和40%時(shí)相比，疏水降壓為30%時(shí)試樣的抗壓強(qiáng)度增率及有效崩解時(shí)間增率最大，抗壓強(qiáng)度及水穩(wěn)能力較原狀土樣大幅增強(qiáng)，滿足加固要求，且在工程應(yīng)用方面節(jié)約了注漿材料、降低了施工難度、增加了安全系數(shù)，因此，疏水降壓最優(yōu)值為30%。

3) 以工程應(yīng)用為目的，基于全風(fēng)化花崗巖密度、含水率、顆粒級(jí)配、富水區(qū)水壓等信息特征，通過(guò)室內(nèi)模型試驗(yàn)?zāi)M富水地層的方法，建立了全風(fēng)化花崗巖富水地層注漿加固的疏水降壓判據(jù)。疏水降壓30%用于指導(dǎo)廣西岑水高速均昌隧道右洞第二循環(huán)治理工程，疏水降壓誘導(dǎo)注漿技術(shù)在全風(fēng)化花崗巖富水地層注漿加固具有可行性，進(jìn)一步驗(yàn)證了試驗(yàn)結(jié)論的正 確性。

[1] 王夢(mèng)恕. 21世紀(jì)是隧道及地下空間大發(fā)展的年代[J]. 巖土工程界, 2000, 3(6): 13?15. WANG Mengshu. The 21st century is the age of tunnel and underground space development[J]. Geotechnical Engineering World, 2000, 3(6): 13?15.

[2] 李建新, 陳秋南, 趙柳, 等. 南岳地區(qū)全風(fēng)化花崗巖崩解特性試驗(yàn)研究[J]. 湖南科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2015, 30(4): 59?63. LI Jianxin, CHEN Qiunan, ZHAO Liu, et al. Experimental research on disintegration characteristics of weathered granite in Nanyue[J]. Journal of Hunan University of Science ＆ Technology(Natural Science Edition), 2015, 30(4): 59?63.

[3] 張素敏, 朱永全, 高炎, 等. 全風(fēng)化花崗巖流變特性試驗(yàn)研究[J]. 地下空間與工程學(xué)報(bào), 2016, 12(4): 904?911. ZHANG Sumin, ZHU Yongquan, GAO Yan, et al. Experimental investigation on rheological properties of completely weathered granite[J]. Chinese Journal of Underground Space and Engineering, 2016, 12(4): 904?911.

[4] 張華賓, 陳帥, 張頃頃, 等. 風(fēng)化花崗巖單軸損傷力學(xué)特性試驗(yàn)研究[J]. 水利與建筑工程學(xué)報(bào), 2017, 15(1): 67?70. ZHANG Huabin, CHEN Shuai, ZHANG Qingqing, et al. Experimental study on damage mechanical properties of weathered granite[J]. Journal of Water Resources and Architectural Engineering, 2017, 15(1): 67?70.

[5] 劉潤(rùn), 閆玥, 閆澍旺, 等. 淺層壓力注漿法加固風(fēng)化巖質(zhì)邊坡及加固效果分析[J]. 天津大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)與工程技術(shù)版), 2006, 39(5): 532?536. LIU Run, YAN Yue, YAN Shuwang, et al. Effective analysis on applying grouting method to stabilize weathered rock slope[J]. Journal of Tianjin University(Science and Technology), 2006, 39(5): 532?536.

[6] 高健, 張義同. 實(shí)施超前注漿管棚支護(hù)的隧道開(kāi)挖面穩(wěn)定分析[J]. 天津大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)與工程技術(shù)版), 2009, 42(8): 666?672. GAO Jian, ZHANG Yitong. Stability analysis of tunnel face reinforced with advanced pipe grouting[J]. Journal of Tianjin University(Science and Technology), 2009, 42(8): 666?672.

[7] 李術(shù)才, 張霄, 張慶松, 等. 地下工程涌突水注漿止水漿液擴(kuò)散機(jī)制與封堵方法研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2011, 30(12): 2377?2396. LI Shucai, ZHANG Xiao, ZHANG Qingsong, et al. Research on mechanism of grout diffusion of dynamic grouting and plugging method in water inrush of under-ground engineering[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2011, 30(12): 2377?2396.

[8] 胡文濤. 廈門海底隧道風(fēng)化深槽全斷面帷幕注漿方案設(shè)計(jì)[J]. 石家莊鐵道學(xué)院學(xué)報(bào), 2007, 20(2): 130?134. HU Wentao. Full-face curtain grouting for the weathered ditch in the construction of sea tunnel in Xiamen[J]. Journal of Shijiazhuang Railway Institute, 2007, 20(2): 130?134.

[9] MASUMOTO K, SUGITA Y, FUJITA T, et al. A clay grouting technique for granitic rock adjacent to clay bulkhead[J]. Physics and Chemistry of the Earth, 2006, 32: 691?700.

[10] YUN J W, PARK J J, KWON Y S, et al. Cement-based fracture grouting phenomenon of weathered granite soil[J]. Geotechnical Engineering, 2017, 21(1): 232?242.

[11] 王凱, 李術(shù)才, 楊磊, 等. 全風(fēng)化花崗巖加固特性注漿模擬試驗(yàn)[J]. 天津大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)與工程技術(shù)版), 2017, 50(10): 1?12. WANG Kai, LI Shucai, YANG Lei, et al. Grouting simulation experiment on reinforcement characteristics of completely weathered granite[J]. Journal of Tianjin University(Science and Technology), 2017, 50(10): 1?12.

[12] 崔紅琴. 超淺埋富水全風(fēng)化花崗巖大斷面隧道施工技術(shù)[J]. 鐵道建筑技術(shù), 2014(3): 1?5. CUI Hongqin. Construction technology of ultra shallow water rich fully weathered granite and large section tunnel[J]. Railway Construction Technology, 2014(3): 1?5.

[13] 李蓉, 李治國(guó). 海底隧道全強(qiáng)風(fēng)化花崗巖地層注漿技術(shù)研究[J]. 現(xiàn)代隧道技術(shù), 2008, 45(1): 21?29. LI Rong, LI Zhiguo. Study on the grouting technology adopted in strong-weathered granite for an under-sea tunnel[J]. Modern Tunnelling Technology, 2008, 45(1): 21?29.

[14] 張頂立, 孫鋒, 李鵬飛. 海底隧道復(fù)合注漿機(jī)制研究及工程應(yīng)用[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2012, 31(3): 445?452. ZHANG Dingli, SUN Feng, LI Pengfei. Mechanism of composite grouting subsea tunnel and its application[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2012, 31(3): 445?452.

[15] 袁敬強(qiáng), 陳衛(wèi)忠, 黃世武, 等. 全風(fēng)化花崗巖注漿加固特性試驗(yàn)研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2016, 35(增1): 2876?2882. YUAN Jingqiang, CHEN Weizhong, HUANG Shiwu, et al. Experimental study on physico-mechanical properties of grouted completely weathered granite[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2016, 35(suppl. 1): 2876?2882.

[16] 劉金泉, 陳衛(wèi)忠, 袁敬強(qiáng). 全風(fēng)化花崗巖注漿加固體抗沖刷特性試驗(yàn)研究[J]. 巖土力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2016, 35(9): 1767?1775. LIU Jinquan, CHEN Weizhong, YUAN Jingqiang. Test on anti-scouring property of grouting reinforced body in completely weathered granite[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2016, 35(9): 1767?1775.

[17] 張忠苗, 鄒健, 賀靜漪, 等. 黏土中壓密注漿及劈裂注漿室內(nèi)模擬試驗(yàn)分析[J]. 巖土工程學(xué)報(bào), 2009, 31(12): 1818?1824. ZHANG Zhongmiao, ZOU Jian, HE Jingyi, et al. Laboratory tests on compaction grouting and fracture grouting of clay[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2009, 31(12): 1818?1824.

[18] 張慶松, 李鵬, 張霄, 等. 隧道斷層泥注漿加固機(jī)制模型試驗(yàn)研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2015, 34(5): 924?934. ZHANG Qingsong, LI Peng, ZHANG Xiao, et al. Model test of grouting strengthening mechanism for fault gouge of tunnel[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2015, 34(5): 924?934.

[19] 王文峰, 韓雪, 黃曉誠(chéng), 等. 花崗巖殘積土地層礦山法隧道開(kāi)挖采用前進(jìn)式注漿施工技術(shù)[J]. 輕工科技, 2017(7): 99?100. WANG Weifeng, HAN Xue, HUANG Xiaocheng, et al. The construction technique of forward grouting is adopted for the excavation of the land mine[J]. Light Industry Science and Technology, 2017(7): 99?100.

[20] 張偉杰, 李術(shù)才, 魏久傳, 等. 三維注漿模型試驗(yàn)系統(tǒng)研制及應(yīng)用[J]. 巖土力學(xué), 2016, 37(3): 902?911.ZHANG Weijie, LI Shucai, WEI Jiuchuan, et al. Development of a 3D grouting model test system and its application[J]. Chinese Journal of Rock and Soil Mechanics, 2016, 37(3): 902?911.

[21] 李召峰, 李術(shù)才, 張慶松, 等. 富水破碎巖體注漿加固模擬試驗(yàn)及應(yīng)用研究[J]. 巖土工程學(xué)報(bào), 2016, 38(12): 2247?2253. LI Zhaofeng, LI Shucai, ZHANG Qingsong, et al. Model tests on grouting reinforcement of water-rich broken rock mass[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2016, 38(12): 2247?2253.

Study and application of grouting governing of completely weathered granite inwater-rich stratum

QI Yanhai, LI Shucai, LI Zhaofeng, ZHANG Qingsong, YANG Lei, ZHANG Jian, LIN Rongfeng, WANG Kai

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

The influences of hydrophobic pressure drop on the simulation reinforcement effect of water-rich strata of fully weathered granite under different water pressure conditions were studied. The distribution of the slurry veins, the compressive and anti-disintegration characteristics of the grouted samples were analyzed under water pressure of 1 MPa. Furthermore, the results were applied to Junchang tunnel of Censhui expressway in Guangxi, and the criterion of ideal hydrophobic depressurization based on stratum density, water content, grain grading and water pressure in rich water areas was established. The results show that, under different water pressures, the amount of grouting increases with the increase of hydrophobic depressurization. The slurry veins transform from local small configuration to complex branch-network configuration to single bulky or parallel configuration. The compressive strength and the water stability characteristics of the sample in the compacted area of the soil increase with the increase of the hydrophobic depressurization, which is positively correlated with the hydrophobic depressurization. When the hydrophobic depressurization is 30%, branch-network slurry veins have soil pressure and skeleton support double compaction effect on soil, the compressive strength and water stability properties of pressure area sample improve greatly.

hydrophobic depressurization; grouting model test; completely weathered granite; water-rich stratum; engineering application

U45

A

1672?7207(2019)03?0694?10

10.11817/j.issn.1672-7207.2019.03.024

2018?07?14；

2018?09?10

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51709158，51509146)；山東大學(xué)基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資助項(xiàng)目(2016GN027) (Projects (51709158, 51509146) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(2016GN027) supported by the Fundamental Research Funds of Shandong University)

李召峰，博士，講師，從事地下工程災(zāi)害防治及注漿材料研究；E-mail：lizf@sdu.edu.cn

(編輯 趙俊)