王宗海

(喀左縣水利局，遼寧 朝陽 122300)

1 工程背景

某輸水工程是遼寧省實(shí)施的國家重點(diǎn)輸水工程，對(duì)解決遼寧省西北部的工業(yè)和生活用水安全問題具有十分重要的意義和作用[1]。該工程輸水隧洞二標(biāo)段穿越河谷地段埋深較淺，且河谷段存在厚度較大的淤泥沉積層，厚度一般在9～25m。因此，隧洞拱頂部位直接揭露第四系砂礫石土等，呈現(xiàn)出松散-稍密狀態(tài)，存在強(qiáng)度低、壓縮性高、靈敏度高、觸變性高的特點(diǎn)[2]。因此，隧洞拱頂上部地層的自穩(wěn)能力和抗震能力差，嚴(yán)重制約開挖進(jìn)尺和速度，同時(shí)還存在一定的施工安全隱患。針對(duì)該洞段的地質(zhì)情況，擬采用全斷面超前注漿加固方案，同時(shí)在施工中做好止水工作，確保開挖施工安全[3]。從注漿加固施工來看，由于研究洞段拱頂上方地層在砂礫石土，因此注漿擴(kuò)散以劈裂為主，對(duì)注漿施工技術(shù)存在較高的要求[4]。因此，對(duì)注漿方案和參數(shù)進(jìn)行和合理和優(yōu)化設(shè)計(jì)就顯得尤為必要，不僅要保證注漿膠結(jié)體具有一定的強(qiáng)度，還需要嚴(yán)格控制注漿施工參數(shù)，防止地表隆起、跑漿[5]。基于此，此次研究通過室內(nèi)試驗(yàn)的方式，探討水灰比、孔隙率和齡期等參數(shù)對(duì)水泥-砂礫石土注漿膠結(jié)體強(qiáng)度的影響，以便為注漿施工設(shè)計(jì)提供有益的借鑒和參考。

2 試驗(yàn)材料和方法

2.1 試驗(yàn)材料與設(shè)備

試驗(yàn)中選用的水泥為本溪市宏盛建材有限公司出品的P.O42.5普通硅酸鹽水泥；試驗(yàn)材料為工程現(xiàn)場(chǎng)采集的砂礫石土，其孔隙率采用壓實(shí)度進(jìn)行調(diào)節(jié)，以達(dá)到試驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)要求；試驗(yàn)用水為普通自來水。

為了制作符合試驗(yàn)方案要求的水泥-砂礫石土膠結(jié)體試件，試驗(yàn)中設(shè)計(jì)了一套室內(nèi)注漿模擬試驗(yàn)系統(tǒng)[6]。該系統(tǒng)主要由3部分組成，分別是空壓機(jī)、漿液儲(chǔ)存罐以及注漿箱。其中，注漿箱為長、寬、高分別為15、15、45cm的長方體鐵箱。注漿箱的四周使用槽鋼固定，以保證注漿過程中的穩(wěn)定性[7]。在注漿箱中填充不同孔隙率的砂礫石土作為注漿試驗(yàn)的介質(zhì)[8]。在箱體的正中部位埋設(shè)注漿管。為了保證注漿壓力的恒定，試驗(yàn)中通過空氣壓縮機(jī)為注漿試驗(yàn)提供動(dòng)力，其可以提供的最大空氣壓力為3MPa，且氣壓可以通過氣壓調(diào)節(jié)閥進(jìn)行調(diào)節(jié)，精度為0.1MPa，完全可以滿足試驗(yàn)要求。漿液儲(chǔ)存罐為直徑240mm、高300mm的圓柱形罐體。罐體的底部有進(jìn)氣孔和出漿孔，分別與空氣壓縮機(jī)和注漿管連接，在漿液儲(chǔ)存罐的上方安裝由壓力表，可以顯示注漿壓力。注漿試驗(yàn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 試驗(yàn)方案

在試驗(yàn)過程中，選擇砂礫石土的孔隙率、水灰比以及齡期作為主要變量，研究其對(duì)水泥-砂礫石土膠結(jié)體力學(xué)性能的影響[9]。其中，水泥漿液的水灰比會(huì)直接影響膠結(jié)體中游離水的含量，從而對(duì)水泥-砂礫石土膠結(jié)體的力學(xué)性能產(chǎn)生顯著影響[10]。結(jié)合相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，試驗(yàn)研究中選擇0.8、1.0、1.2三種不同的水灰比進(jìn)行試驗(yàn)；結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)勘勘查資料，研究洞段地層砂礫石土的孔隙率范圍為0.22～0.32，因此在試驗(yàn)中選擇設(shè)計(jì)了0.2、0.25、0.30三種不同的砂礫石土孔隙率。齡期也是水泥-砂礫石土膠結(jié)體強(qiáng)度的重要影響因素，隨著膠結(jié)體齡期的增加，水泥會(huì)持續(xù)進(jìn)行水解反應(yīng)和水化反應(yīng)[11]。結(jié)合相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，注漿加固過程中膠結(jié)體的強(qiáng)度會(huì)在14d之后逐漸趨于穩(wěn)定，因此在此次試驗(yàn)中選擇3、7、14d三種不同的齡期，研究水泥-砂礫石土膠結(jié)體強(qiáng)度隨齡期變化規(guī)律。

2.3 試驗(yàn)方法

利用上節(jié)提供的注漿設(shè)備，制作不同試驗(yàn)方案下的水泥-砂礫石土膠結(jié)體試件，每種方案的試件制作3塊。在制作過程中首先需要配置3L水泥漿液，在配制好之后將其注入試驗(yàn)系統(tǒng)的漿液儲(chǔ)存罐中。調(diào)節(jié)空氣壓縮機(jī)上的氣壓調(diào)節(jié)閥門，打開注漿管路上的煩悶進(jìn)行注漿操作，當(dāng)水泥漿液達(dá)到注漿箱的邊界時(shí)關(guān)閉煩悶停止注漿。將注漿箱在自然條件下靜置24h脫模，然后將其切割為3塊棱長15cm的膠結(jié)體試塊，將試塊統(tǒng)一編號(hào)后放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期。將養(yǎng)護(hù)至試驗(yàn)方案規(guī)定齡期的試塊取出，對(duì)其進(jìn)行單軸試驗(yàn)抗壓，獲取其抗壓強(qiáng)度值，并將每組試驗(yàn)方案的3個(gè)試塊的試驗(yàn)結(jié)果均值作為該方案的最終試驗(yàn)結(jié)果。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 試驗(yàn)結(jié)果

按照上節(jié)的試驗(yàn)方法進(jìn)行不同方案下的水泥-砂礫石土膠結(jié)體的強(qiáng)度進(jìn)行試驗(yàn)，并將每組3個(gè)試塊的試驗(yàn)結(jié)果均值作為該方案的試驗(yàn)結(jié)果，最終獲得表1的各方案膠結(jié)體強(qiáng)度。由表中的結(jié)果可以看出，不同孔隙率、水灰比和齡期的試塊抗壓強(qiáng)度值存在比較明顯的差異，說明上述3個(gè)因素對(duì)水泥-砂礫石土膠結(jié)體抗壓強(qiáng)度存在顯著的影響。

表1 各方案水泥-砂礫石土膠結(jié)體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

3.2 水灰比的影響分析

利用上節(jié)的試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)，繪制出不同齡期、不同孔隙率條件下，試塊抗壓強(qiáng)度隨水灰比的變化曲線，結(jié)果如圖2所示。由圖可以看出，水灰比是影響水泥-砂礫石土膠結(jié)體抗壓強(qiáng)度的重要因素。在不同齡期下，水泥-砂礫石土膠結(jié)體抗壓強(qiáng)度隨著水灰比的增大而減小，說明較小的水灰比有助于提高膠結(jié)體的抗壓強(qiáng)度。從不同的齡期的試驗(yàn)結(jié)果來看，在3d和7d齡期下，隨著水灰比的增大，膠結(jié)體的抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)出線性減小的變化特點(diǎn)，而在14d齡期下，膠結(jié)體的抗壓強(qiáng)度先緩慢下降，后急劇減小。顯然，水灰比越小，需要的水泥材料就越多，從而不利于工程經(jīng)濟(jì)性的發(fā)揮。因此，在具體的注漿施工過程中，建議選擇1.0的水灰比。另一方面，由于在3d和7d齡期，膠結(jié)體的抗壓強(qiáng)度受水灰比影響較大，因此建議在工期允許的情況下，盡量延后注漿加固后的開挖施工。

圖2 試塊抗壓強(qiáng)度隨水灰比變化曲線

3.3 孔隙率的影響分析

由圖2可以看出，孔隙率也是影響水泥-砂礫石土膠結(jié)體強(qiáng)度的重要因素。在其他條件相同的情況下，水泥-砂礫石土膠結(jié)體的抗壓強(qiáng)度隨著孔隙率的增大而減小，也就是說，砂礫石土的孔隙率越大，膠結(jié)體的抗壓強(qiáng)度值越小，孔隙率越小，膠結(jié)體的抗壓強(qiáng)度值越大。但是，從具體的計(jì)算數(shù)據(jù)來看，在其他條件相同的情況下，不同孔隙率的水泥-砂礫石土膠結(jié)體抗壓強(qiáng)度值相對(duì)比較接近。由此可見，孔隙率雖然會(huì)對(duì)水泥-砂礫石土膠結(jié)體的抗壓強(qiáng)度存在影響，但是影響并不明顯，不是膠結(jié)體強(qiáng)度的主要影響因素。當(dāng)然，在具體施工過程中仍應(yīng)該考慮施工段砂礫石土的孔隙率，也就是密實(shí)程度，以調(diào)整施工參數(shù)，保證隧洞開挖的安全性。

3.4 齡期的影響

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果繪制出不同孔隙率條件下試塊抗壓強(qiáng)度隨齡期的變化曲線，結(jié)果如圖3所示。由圖可以看出，齡期是水泥-砂礫石土膠結(jié)體抗壓強(qiáng)度的重要影響因素，隨著齡期的增長，膠結(jié)體的抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)出不斷增長的變化特征。從具體的試驗(yàn)結(jié)果來看，膠結(jié)體的抗壓強(qiáng)度在前7d增長十分迅速，之后增長逐步趨于緩慢。究其原因，主要是水泥的水化和水解反應(yīng)會(huì)生成大量的晶體和膠體材料，使膠結(jié)體的強(qiáng)度大幅提高，在7d齡期之后，由于水解和水化反應(yīng)趨緩，因此抗壓強(qiáng)度值增長趨緩。此外，在14d齡期條件下，膠結(jié)體的抗壓強(qiáng)度值在7.81～13.42MPa之間，變化范圍相對(duì)較大。因此，在具體工程設(shè)計(jì)中可以結(jié)合施工要求選擇合適的施工技術(shù)參數(shù)，在保證工程穩(wěn)定的基礎(chǔ)上尋求經(jīng)濟(jì)性能的最大化。

圖3 試塊抗壓強(qiáng)度隨齡期變化曲線

4 結(jié)語

圍巖注漿加固是淺埋地下洞室施工中的重要工程技術(shù)手段，對(duì)保證工程的施工和運(yùn)行安全具有重要意義。此次研究通過室內(nèi)試驗(yàn)的方式，探討了隧洞圍巖注漿加固工程施工中水泥-砂礫石土膠結(jié)體抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律，并提出了具體的施工建議，對(duì)類似工程的施工設(shè)計(jì)和建設(shè)具有重要的支持和借鑒意義。當(dāng)然，圍巖注漿加固效果的影響因素較多，在后續(xù)的研究中仍需要對(duì)其他因素的影響進(jìn)行研究和探討。另一方面，施工工藝的理論研究和最終的工程實(shí)踐之間尚存在一定的距離和偏差，在實(shí)際應(yīng)用過程中仍許多問題亟待解決，因而需要結(jié)合工程的施工實(shí)際解決一些技術(shù)層面的具體問題。