楊紅成，辛順超，薛曉衛(wèi)，張小莉，滕振華，甘冬連

(1.中鐵七局集團(tuán)鄭州工程有限公司，鄭州 450052； 2.招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司，重慶 400067；3.深圳市盛業(yè)地下工程有限公司，廣東 深圳 518026)

根據(jù)西藏自治區(qū)十一屆人大會(huì)議，西藏生態(tài)保護(hù)紅線面積達(dá)53.9萬(wàn)km2，占全區(qū)國(guó)土面積的45%，各類(lèi)生態(tài)功能保護(hù)區(qū)22個(gè)，未來(lái)還將進(jìn)一步嚴(yán)控56個(gè)重點(diǎn)河段水域采砂行為。而大部分工程建設(shè)主要采用河段水域就地取材，可獲取材料的深度資源化利用越來(lái)越重要。瀝青站回收粉是生產(chǎn)瀝青混合料在碎石中分離出來(lái)的粉末狀物質(zhì)，占比約為4%～5%，有研究表明回收粉不宜用于瀝青混合料中[1-2]。然而，瀝青混合料生產(chǎn)過(guò)程產(chǎn)生的回收粉的巖性和相應(yīng)地材基本一致，如果回收粉得不到較好的利用而堆棄處理，不僅造成資源浪費(fèi)，而且可能帶來(lái)粉塵污染[3-4]。由于高海拔地區(qū)氣候復(fù)雜、風(fēng)化嚴(yán)重，許多具有復(fù)雜裂隙、松散巖體的地基、邊坡、隧道通常采用壓力注漿加固等方式改善巖體的物理力學(xué)性能，提高結(jié)構(gòu)承載能力[5-9]。因此，開(kāi)展基于回收粉的松散巖體注漿材料特性的試驗(yàn)研究，對(duì)回收粉的資源化利用、節(jié)約工程造價(jià)、保護(hù)生態(tài)環(huán)境具有重要意義。目前，鮮見(jiàn)將瀝青站回收粉用于注漿加固工程的相關(guān)研究。為此，本文通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用相結(jié)合，研究瀝青站回收粉用于注漿加固工程中的可行性和可靠性。

1 注漿材料配合比優(yōu)化

1.1 原材料性能

試驗(yàn)所用P·O 42.5水泥、回收粉、GP-200型高性能減水劑的技術(shù)性能指標(biāo)分別見(jiàn)表1～表3。

表1 水泥技術(shù)指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果

表2 回收粉技術(shù)指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果

表3 減水劑性能指標(biāo)

1.2 水灰比范圍優(yōu)選

采用D6X型粘度計(jì)對(duì)10種水灰比在3種回收粉摻量下的粘度進(jìn)行測(cè)試，以此優(yōu)選水灰比范圍和回收粉合理?yè)搅康姆桨敢?jiàn)表4，結(jié)果見(jiàn)表5和圖1。

表4 水灰比優(yōu)選預(yù)設(shè)配比

表5 水灰比與粘度關(guān)系試驗(yàn)結(jié)果

圖1 水灰比與粘度關(guān)系曲線

由于水泥漿液粘度影響其通過(guò)裂隙的效果，擴(kuò)散效應(yīng)越充分加固效果越好，而粘度和水灰比有直接關(guān)系，粘度越小，滲透性越好[10-11]。根據(jù)表5和圖1試驗(yàn)結(jié)果可知，隨著水灰比的增大，3種方案粘度均逐漸降低，水灰比小于1時(shí)，曲線斜率較大，變化率大，其粘度受回收粉摻量控制。水灰比超過(guò)1.2后，隨著水灰比增加，粘度曲線斜率逐漸變小，粘度降低速度明顯放緩，其粘度受水的摻量控制?？v向?qū)Ρ炔煌厥辗蹞搅靠芍?，回收粉摻量越大，相同水灰比下的粘度就越小[10]。水灰比小于1時(shí)，粘度差異非常明顯。但當(dāng)水灰比超過(guò)1.2后，由于水泥漿粘度主要受水控制，幾種回收粉摻量的水泥漿液粘度較為接近。根據(jù)粘度試驗(yàn)結(jié)果，初定水灰比范圍為0.8～1.2。為確保材料強(qiáng)度和滲透能力，確定水灰比為0.8～1.0，回收粉合理?yè)搅恳诵∮?0%。

2 材料可行性和可靠性試驗(yàn)

2.1 滲透特性論證

通過(guò)室內(nèi)注漿模型試驗(yàn)，評(píng)估不同回收粉摻配比例的水泥漿在不同裂隙開(kāi)度下的注漿特性，以此確定回收粉的可行性及合理?yè)搅?。采用高?qiáng)錳鋼加上預(yù)設(shè)厚度的標(biāo)準(zhǔn)墊片，并采用光柵標(biāo)尺準(zhǔn)確測(cè)量預(yù)設(shè)裂隙的開(kāi)度，模擬實(shí)體工程中不同裂隙開(kāi)度進(jìn)行注漿試驗(yàn)[11-13]。注漿滲透試驗(yàn)中預(yù)設(shè)裂隙開(kāi)度分別為200 μm、250 μm、300 μm、350 μm、400 μm，通過(guò)顯微觀測(cè)系統(tǒng)和滲流系統(tǒng)觀測(cè)評(píng)價(jià)3種回收粉摻量的水泥漿液在不同時(shí)間的入口和出口壓力、注漿量以及注漿狀態(tài)。試驗(yàn)所選水灰比為1.0，注漿壓力為2.0 MPa，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6～表8，進(jìn)出口壓力變化曲線見(jiàn)圖2、圖3，注漿總量變化曲線見(jiàn)圖4。

表6 室內(nèi)注漿模型入口壓力試驗(yàn)結(jié)果

表7 室內(nèi)注漿模型出口壓力試驗(yàn)結(jié)果

表8 室內(nèi)注漿模型注漿總量試驗(yàn)結(jié)果

圖2 室內(nèi)注漿模型入口壓力變化曲線

圖3 室內(nèi)注漿模型出口壓力變化曲線

圖4 室內(nèi)注漿模型注漿總量變化曲線

根據(jù)表7～表9試驗(yàn)結(jié)果及圖2～圖4曲線變化規(guī)律，節(jié)理裂隙開(kāi)度從200 μm～350 μm，不同回收粉摻量的注漿過(guò)程均出現(xiàn)了水泥顆粒堆積—堵塞形成—完全堵塞的過(guò)程。裂隙開(kāi)度為400 μm時(shí)，注漿體能順利通過(guò)裂隙。由于回收粉顆粒略大于水泥，受到回收粉顆粒、粘度和裂隙開(kāi)度的影響，相同開(kāi)度下，摻配20%回收粉的注漿壓力突變轉(zhuǎn)折點(diǎn)稍有延遲，裂隙開(kāi)度為350 μm～400 μm時(shí)，入口壓力相對(duì)穩(wěn)定，出口壓力呈階梯式下降，水泥漿通過(guò)性相對(duì)較好。開(kāi)度為400 μm時(shí)，試驗(yàn)系統(tǒng)出口的累計(jì)漿液流量最大，接近總注漿量，漿液幾乎完全通過(guò)節(jié)理。對(duì)比摻回收粉10%、20%和30%相同開(kāi)度下的總注漿量曲線，摻30%回收粉受影響最大，堵塞明顯，注漿總量降低，說(shuō)明過(guò)多摻入回收粉，將會(huì)導(dǎo)致漿液無(wú)法完全通過(guò)裂隙。

由此可知，注漿過(guò)程中，水泥越多，粘滯力越大，摻一定量的回收粉后，水泥漿液粘度降低，通過(guò)性增強(qiáng)。但是，過(guò)多的回收粉摻量則會(huì)引起更為明顯的橋堵，導(dǎo)致注漿總量下降。因此，結(jié)合水泥漿液粘度、強(qiáng)度等特性，綜合優(yōu)選摻配方案，大部分裂隙開(kāi)度大于350 μm時(shí)，最佳回收粉摻量為20%，能確保水泥漿液具有良好的滲透性。

2.2 強(qiáng)度特性論證

采用100 mm×100 mm×100 mm立方體試件測(cè)試抗壓強(qiáng)度評(píng)價(jià)不同回收粉摻量對(duì)結(jié)石體抗壓強(qiáng)度的影響，以此驗(yàn)證在注漿材料中摻入回收粉的可行性。各方案結(jié)石率和抗壓強(qiáng)度結(jié)果見(jiàn)表9和圖5。

表9 水泥漿結(jié)石率與抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

由表9及圖5結(jié)果可知，水灰比越大，結(jié)石率越低，結(jié)石體抗壓強(qiáng)度小。水灰比為0.8時(shí)，添加10%后，結(jié)石率從82.18%提高到86.76%，28 d抗壓強(qiáng)度從6.26 MPa提高到7.18 MPa。隨著回收粉繼續(xù)增加至20%，各水灰比下的結(jié)石率和抗壓強(qiáng)度均增大?；厥辗蹚?0%增至30%時(shí)，結(jié)石率增幅(水灰比0.8)達(dá)5.22%，28 d抗壓強(qiáng)度增幅放緩，增加了0.41 MPa。水灰比為1.0，回收粉為20%時(shí)的抗壓強(qiáng)度達(dá)到7.03 MPa，結(jié)石率為86.36%。由于回收粉在水泥漿中發(fā)揮了粉細(xì)砂的作用，添加一定量的回收粉后，未對(duì)水泥漿的強(qiáng)度造成負(fù)面影響，反而使之得到一定提高。由此可知，注漿漿液中摻入一定量的回收粉是可靠的。

圖5 抗壓強(qiáng)度與結(jié)石率關(guān)系

3 應(yīng)用實(shí)例與效果評(píng)估

3.1 地質(zhì)情況與材料配比

根據(jù)地質(zhì)勘探結(jié)果，西藏某高速公路隧道節(jié)理裂隙發(fā)育，完整性較差，代表性裂隙延伸長(zhǎng)度一般在0.5 m～1.5 m，發(fā)育間距0.6 mm～1 mm，裂面粗糙不平整，存在泥質(zhì)充填，切層。人工使用裂隙測(cè)寬儀調(diào)查含有約1 mm～3 mm的微張裂隙，張裂隙寬度約4 mm，巖體破碎，且部分呈松散狀態(tài)。根據(jù)光柵測(cè)量結(jié)果，含有張開(kāi)度為350 μm～600 μm裂隙，極少數(shù)裂隙開(kāi)度為200 μm～350 μm，圍巖力學(xué)性質(zhì)較差，穩(wěn)定性差，成洞條件差，開(kāi)挖后易形成垮塌。由于該實(shí)例隧道巖體松散，裂隙開(kāi)度基本大于350 μm，由前節(jié)水泥漿液滲透試驗(yàn)結(jié)果，摻入一定量的回收粉，有利于提高水泥漿的結(jié)石率和抗壓強(qiáng)度。確定漿液配比方案為：水灰比1∶1，回收粉摻量20%，減水劑摻量0.8%。

3.2 注漿孔設(shè)置

為保守起見(jiàn)，基于回收粉的注漿方案，主要用于松散巖體掌子面注漿加固，圍巖區(qū)域的超前小導(dǎo)管注漿未進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。掌子面按照1.2 m擴(kuò)散半徑預(yù)設(shè)注漿孔，孔口間距為1.5 m，縱向間距根據(jù)臺(tái)階分別設(shè)置，第1臺(tái)階縱向間距為2 m，第2臺(tái)階縱向間距為2.5 m，第3臺(tái)階為3 m，掌子面注漿孔口布置采用梅花形，見(jiàn)圖6。

圖6 注漿孔布置示意

3.3 注漿施工過(guò)程

3.4 注漿效果評(píng)估

3.4.1 漿液充填率評(píng)估

根據(jù)注漿段地質(zhì)條件、止?jié){墻設(shè)置以及現(xiàn)場(chǎng)注漿情況，對(duì)注漿正常區(qū)域內(nèi)的漿液充填率a按式(1)進(jìn)行檢測(cè)計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表10。其加固充填率為80.59%，總體注漿體滲透效果良好，在掌子面開(kāi)挖過(guò)程中，自穩(wěn)效果較好，未出現(xiàn)松散垮塌現(xiàn)象。

(1)

式中：Q為注漿總量(實(shí)測(cè)值)，m3；n為孔隙率(實(shí)測(cè)值)；β為漿液損耗率(取值)，%；V為注漿加固區(qū)體積為(實(shí)測(cè)值)，m3；γ為水泥漿收縮系數(shù)(取值)。

表10 注漿填充率計(jì)算結(jié)果

3.4.2 GPR雷達(dá)探測(cè)評(píng)價(jià)

為分析掌子面復(fù)雜裂隙巖體的加固效果，選取裂隙開(kāi)度基本大于350 μm斷面，采用地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)注漿前后的地質(zhì)狀態(tài)進(jìn)行對(duì)比，選用頻率為900 MHz和400 MHz，見(jiàn)圖7。由于地質(zhì)條件復(fù)雜，采用自激自收、連續(xù)+點(diǎn)測(cè)方式進(jìn)行測(cè)量，數(shù)據(jù)采集后進(jìn)行標(biāo)記，并選擇注漿加固后的代表性段落進(jìn)行檢測(cè)，以此形成對(duì)比[5,16]。從圖7(a)可知，測(cè)點(diǎn)電磁波反射信號(hào)較強(qiáng)，同相軸不連續(xù)，振幅不均一，局部波形畸變，可判斷該范圍內(nèi)圍巖巖體破碎，以塊狀結(jié)構(gòu)為主，塊與塊之間夾泥質(zhì)，粘結(jié)性差，節(jié)理裂隙發(fā)育，圍巖整體性差，自穩(wěn)能力差，爆破開(kāi)挖后拱部易出現(xiàn)沿不整合接觸面發(fā)生的掉塊現(xiàn)象，易在局部形成較大超挖區(qū)域。圖7(b)注漿后探測(cè)結(jié)果顯示，地層地質(zhì)情況得到明顯改善，回收粉摻量為20%方案，其結(jié)石率和強(qiáng)度均較高，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)位移觀測(cè)與評(píng)估，位移收斂效果良好。

4 結(jié)論

1) 粘度試驗(yàn)表明，摻入一定量回收粉可降低注漿材料的粘度，提高滲透能力，合理水灰比范圍為0.8～1.0。

2) 滲透試驗(yàn)表明，隨著回收粉摻量增加，滲透能力先增后減，20%左右摻量的回收粉用于裂隙開(kāi)度大于350 μm的巖體注漿工程是可行的。

3) 強(qiáng)度試驗(yàn)表明，一定摻量的回收粉在水泥漿中可發(fā)揮類(lèi)似“細(xì)砂”的作用，提高水泥漿的結(jié)石率和強(qiáng)度，具有較為可靠的力學(xué)性能。

4) 回收粉摻量為20%方案在隧道掌子面注漿實(shí)例表明，注漿加固充填率達(dá)80.59%，松散巖體地質(zhì)情況得到明顯改善，開(kāi)挖過(guò)程自穩(wěn)能力強(qiáng)，位移收斂效果好。

5) 一定摻量的回收粉用于特定裂隙開(kāi)度的注漿加固工程是可行可靠的，回收粉在松散裂隙巖體隧道注漿工程的成功應(yīng)用，可為其在邊坡加固、地基處理等方面的應(yīng)用提供技術(shù)支撐。