关于岩溶隧道帷幕注浆材料选择的探讨

【摘要】当今的注浆工艺可谓是发展迅速，注浆技术已经发展成一门学科。本文主要在隧道帷幕注浆材料的种类和选择上进行分析，旨在优化注浆方案，完善注浆效果。

【关键词】帷幕注浆 注浆材料选择

中图分类号： U45 文献标识码： A

一、前言

现在注浆工艺越来越收到人们的重视，但是目前的注浆材料有很多种，需要我们去分辨注浆材料的适用性在隧道工程的施工中帷幕注浆是施工的一个重要因素，而材料的选择对施工质量有着决定性作用。由于本身的地形因素和特点，我们应具体问题具体分析。

二、帷幕注浆技术简介

注浆技术是以堵水和加固岩土为目的的,实用性强,应用范围广,在隧道及地下工程中,注浆技术主要用于软土地层的加固、富水断层破碎带的堵水加固等,由于围岩软弱破碎,稳定性差,加之水的影响,采用一般的方法,施工极其困难,掘进速度慢,施工安全难以保证。在这种不良地质地段施工,采用深孔超前帷幕注浆全封闭固结止水技术,是一种安全可靠的有效方法。

帷幕注浆技术是超前预注浆的一种,主要内容包括注浆工艺、注浆材料和注浆设备等几个方面。

1、工艺特点

1.1、工作面和周边围岩均布孔,进行全断面全封闭深孔注浆固结止水,在隧道开挖断面周边能形成一定厚度的堵水帷幕,对于水源保护要求高、以堵为主的隧道和地下工程尤为合适。

1.2、注浆孔深度大,注浆段长度20m以上,可减少注浆与开挖工序的频繁倒换和作业循环次数,故能加快进度。

1.3、主要用于铁路、公路、水工隧道及其他地下工程的富水断层带和软弱围岩施工。

2、基本原理

隧道帷幕注浆就是沿开挖轮廓线(含底部)按轴向辐射状布孔,按一定的间距,钻一些直径70～160mm的孔(孔深为20～50m),为了防止开挖面涌水,在开挖面中心也布孔。然后注入按一定比例配制而成的浆液,浆液渗透扩散到破碎带的孔隙中并快速凝固,与周围破碎岩块固结成具有一定强度的结石体,在隧道周边及开挖面形成一个堵水帷幕,切断地下水流通路,并和周围的岩体固结成一体,从而达到固结围岩和止水,保持围岩稳定、增强施工安全的目的。

三、岩溶隧道帷幕注浆的技术要点

1、岩溶隧道帷幕注浆加固地基作用提高地基的承载能力，提高土体的强度和土体的侧向抗压力，满足设计要求。

2、岩溶隧道帷幕注浆加固路基原理利用液压、气压或电化学的原理，通过注浆管把浆液均匀地注入地层中。浆液以填充、渗透和挤密的方式，赶走土颗粒间或岩石裂隙中的水分和空气后占据其位置。经人工控制一段时间后，浆液将原来松散的土粒或裂隙胶结成一个路基整体，形成一个结构新、强度大、防水性能好、化学稳定性良好的“结石体”。

3、注浆溶液一般采用水泥浆液，用于控制浆液的凝胶时间多采用两种溶液混合方式，如水泥浆和水玻璃。水泥浆适用于岩土加固，路基加固多采用的是水泥浆液

四、岩溶隧道帷幕注浆材料分类

1、注浆材料的定义及分类

定义:在压力作用下注入地层、岩石或构筑物的缝隙、孔洞中,达到增加承载能力、防止渗漏及提高构筑物整体性能等效果的流体材料。

分类:总体可以分为固体注浆材料和化学注浆材料两大类。固体注浆材料是由固体颗粒和水组成的悬浮液,有水泥浆、水泥黏土浆、黏土浆、水泥水玻璃等4种。化学注浆材料是由化学药剂制成的流动性好的液体。用它能灌入比较细微的缝隙,还能根据需要调节凝结时间,有水玻璃类灌浆材料、环氧树脂灌浆材料、甲凝等。

2、常用注浆材料在工程中的应用及特点

首先先介绍一下固体注浆材料:

2.1、单液水泥浆类浆液：

单液水泥浆类浆液是以水泥为主，添加一定量的速凝剂，用水调剂成的浆液。它具有以下特点：

凝结时间可根据实际需要随意调节，其变化范围为几十分钟至几小时；浆液结石率较高，抗压强度可达5～10Mpa，对于基岩裂隙中堵水和加固是完全能满足要求的;抗渗性能好； 工艺设备简单，操作方便，较之双液浆有更大的优越性；难以注入0.2mm以下岩溶裂隙；浆液无毒性，对地下水和环境无污染，较之使用化学药剂为添加剂的浆液更安全；来源丰富，价格便宜；凝结时间相对较长。

根据注浆对浆液凝胶时间的要求，施工中试验人员在隧道内对不同浆液配比进行分组试验，取得不同凝胶时间下的配比，供注浆选用。

2.2、水泥―水玻璃类浆液：

水泥―水玻璃类浆液是以水泥和水玻璃为主剂，两者按一定的比例采用双液方式注入，必要时加入缓凝剂（磷酸氢二钠）所形成的注浆材料，是一种用途及其广泛，使用效果良好的注浆材料。它具有以下特点：

来源丰富，价格便宜；结石体抗压强度高，可达5～20Mpa，但后期强度由于水玻璃的作用易降低；浆液结石率为100%，结石体渗透系数10～3cm/s，抗渗性能好；难以注入0.2mm以下岩溶裂隙；采用双液方式注入，施工工艺较单液复杂。

2.3、TGRM水泥基特种灌浆材料：

TGRM水泥基特种灌浆材料：是以特制的高性能水泥，配以适当种类和数量的外加剂，共同混合均匀，制成具有早强、高性能的水硬性胶凝材料。它具有以下特点：

比表面积大，可注入0.2mm以下岩溶裂隙中，弥补了普通水泥浆液在岩溶小裂隙中不易扩散的不足；浆液结石率可达100%，抗压强度可达50MPa以上；操作技术要求高；浆液无毒性，对地下水和环境无污染，较之使用化学药剂为添加剂的浆液更安全；价格昂贵。

2.4、粘土浆。黏土浆使用中混散物的聚合体系,有水和固体颗粒粘土组成,故粘土悬浮液的性质随固相的数量及其水相互作用的情况,固相中所含混散性颗粒的数量以及粘土微粒中交替离子团的成分而变化。就注浆技术而言,粘土浆比水泥浆的优势就是其可注性优于水泥浆,因为粘土的分散性比较高,所以在注浆过程中更容易被用来填充那些对颗粒细度要求比较高的工程。

2.5水玻璃类灌浆材料。水玻璃(硅酸钠)是化学灌浆中最早使用的一种材料,水玻璃类浆液是由水玻璃溶液和相应的胶凝剂组成。水玻璃类化学注浆材料分为碱性水玻璃和酸性水玻璃. 碱性水玻璃浆材的主要缺点是凝胶体有脱水收缩和腐蚀现象,耐久性较差及对环境有污染。酸性水玻璃可在中性区域内凝胶,凝胶体没有碱溶出,不存在碱性水玻璃的腐蚀现象和环境污染问题,耐久性较好。这种材料的可注性比较好,浆液凝结后的强度和粘结度也比较高,耐久性也比较好,有的甚至可以达到10年以上,但到时候可能会对周边环境和地下水有一定的影响。

2.6环氧树脂类浆液。环氧树脂具有强度高,粘结力强,收缩小,化学稳定性好等特点。其粘结力和内聚力均大于混凝土,因此对于恢复结构的整体性,能起很好的作用。但其浆液黏度大、可注性小、憎水性强、与潮湿裂缝黏结力差。

2.7甲凝浆液。甲基丙烯酸酯类浆液(甲凝浆液)是一种化学补强灌浆材料。其浆液和凝胶体主要特点是黏度低,因为是化学类材料这些材料所以和前面几种材料一样可注性比较好,而且其浆液的强度和粘结力都比较高,不足之处是甲凝为憎水材料,液态时怕水,在注浆前,必须用风吹干裂缝和在浆液内加入一定的阻聚剂等。

综上所述，随着注浆技术在工程建设领域中的逐年扩展，浆材也从早期的粘土、石灰和水泥发展到现在的水泥-水玻璃浆液与各种化学浆液共存的快速发展时期。注浆材料通常指浆液中的主剂，为化学材料和粒状材料；浆液是同主剂、溶剂、固化剂等经混合后所配成的液体，可分为溶液型和悬浊型两大类。另外，确定注浆材料的选择影响到注浆工程的进度、质量、造价以及建（构）筑物的安全。原始阶段的注浆目的相对单一，现代注浆需同时满足多个目标，注浆标准也变得复杂化和多样化，这无疑会给注浆材料选取增加更大的难度。还必须要考虑到注浆对周边环境的影响，也就是环保控制要求，这个问题也越来越受到关注，甚至成为注浆方案选择或放弃的重要原则，其对注浆方式，注浆材料要求都提出严格的限制。

总之，注浆设计过程是一个多模糊性，多影响因素的复杂动态随机过程，且因设计多采用半经验与经验公式，所以导致实际值与计算值差别很大。

五、岩溶隧道帷幕注浆的选择

1、帷幕注浆选择要结合的实际情况

1.1、根据隧道水文地质，说明该段多处浅埋、岩体松散、透水性强，防水的原则主要就是采用“以堵为主”，或是“排堵结合”的现场试验，通过隧道衬砌的受力分析，确定合理的防水原则，从而保证施工安全、隧道结构永久安全。

1.2、根据对应隧道支护与衬砌结构的位移量测、应力量测及结构计算分析，并考虑施工安全和结构安全要求，确定二次衬砌的施作时机。

1.3、通过在复杂地质地层内采用大管棚超前注浆加固、超前小导管注浆加固、超前锚杆方式，结合围岩情况、隧道防水要求、支护衬砌受力、施工进度及可操作性情况，确定该段的超前支护方式。

2、浆液的选用

根据实际情况中显示地质情况和漏渗水的状况，应该选用水玻璃浆液，这是一种价格较为便宜，且选用面广的水泥材料。

影响浆液凝固时间和凝固效果的因素包括，水玻璃泥浆的浓度和水灰的比例，其中水玻璃泥浆的浓度越小需要的凝结时间就越短，水玻璃泥浆的浓度越大需要的凝结时间就越长。泥浆中的水灰的比例越大，凝固需要的时间就越长，水灰的比例越小需要的凝固时间就越短。

灌注材料的性能要求与配比

目前注浆浆液的品种繁多，种类各异，其中主要有两大类：水泥浆液和化学浆液。水泥浆液中主要有单液水泥浆、水泥一水玻璃浆、粘土水泥浆等。

一般说来，要取得良好的注浆效果，浆液应同时具有两种性能：可灌性――浆液在可泵期内保持很好的流动性，粘度增长不大；可控性――浆液在可泵期后粘度迅速升高，从可泵期到初终凝的时间间隔较短。

岩体中节理裂隙与土体空隙的不同，地下水的渗流规律也不同。对水泥浆液性能的基本要求，应该满足如下几点：①颗粒应有一定的细度，便于充填含水层微细裂隙。②应具有较好的稳定性，析水率低。③具有良好的流动性、粘度不宜过大。④形成结石后应致密、均一，并具有良好的防渗作用和必要的强度。

3.新型材料的应用以及应用前景

由于传统固体注浆材料颗粒较大,以至于可灌性较低,不能满足各种地层的不同要求;化学注浆材料虽黏度低、可灌性好、凝结时间易控制,但较固体注浆材料胶凝后抗压强度明显低很多;注浆材料的腐蚀性、毒性、环保性对实际工程中注浆材料的选择产生了很大的局限性;很多注浆材料(如:高分子注浆材料)因自身成本及施工成本较高而不能得到广泛的应用。因此在应用中应注意一下事项：

3.1、岩体裂隙是天然条件下形成的不规则的破裂面 ，其不规则特征强烈地影响浆液的渗流过程，而裂隙的分布、表面特征具有随机性，服从一定的随机分布规律。

3.2、影响帷幕注浆效果的因素很多 ，受实际工程的影响较大，不能简单地以堵水提高多少来衡量 ，而应建立岩体结构、注浆材料和注浆帷幕体之问的相关关系。

综合上述原因现阶段注浆材料的环保性、耐久性、能适应不同环境的性能成为人们主要研究的方向。因此寻求渗透性强、可灌性好、无污染、固结体强度较高、凝胶时间易于控制、价格便宜和施工方便等综合性能指标高及成本较低的绿色新型注浆材料,成为当今注浆材料的发展方向。新型材料的应用符合世界发展趋势和人类发展的需要，展望未来，注浆新型建材及制品既面临机遇，也面临挑战。未来新型注浆材料将全面普及到建筑业的方方面面，成为时代的需求，是未来行业发展的新的技术风向标。其光辉的前景已经展现在我们的面前。只要加强领导，坚定信心，增添措施，我国新型建材及制品工业一定会快速发展，真正成为新的经济增长点，为我国国民经济的发展和人民生活水平的提高作出更大贡献。

结束语

帷幕注浆环节的好坏决定着工程的质量。注浆材料的选择对施工的重要性不可言喻。怎样区分各种注浆材料，选择合适的注浆材料进行注浆，是岩溶隧道帷幕注浆技术成功的关键。在实际施工中，我们一定要做好试验，将外界因素考虑全面，合理选择材料，确保工程的顺利完工。

参考文献：

[1]崔玖江，水下隧道注浆堵水[M].人民铁道出版社，2011,3（2）

[2]胡明，隧道岩溶赋税区帷幕注浆设计[J].山西交通科技，2010（05）

[3]何修仁，隧道施工中的注浆加固[M].沈阳，东北工业学院出版社，2010，（5）