CN109578021A - 一种经济型高强快硬注浆材料及软岩隧道的注浆加固方法 - Google Patents

一种经济型高强快硬注浆材料及软岩隧道的注浆加固方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种经济型高强快硬注浆材料及软岩隧道的注浆加固方法，注浆材料包括普通硅酸盐水泥、快硬硫铝酸盐胶凝剂和水；其中水的质量与普通硅酸盐水泥和快硬硫铝酸盐胶凝剂的总质量比为0.46：1，快硬硫铝酸盐胶凝剂和普通硅酸盐水泥质量比为(0.67～1.5)：1；所述的注浆加固材料的初凝时间为40±5min，凝固4h后的立方体平均抗压强度≥10MPa。本发明的注浆材料具有浆液凝结速度快、制备简易、高强快硬的优点，适用于软岩隧道的快速施工需求。

Description

一种经济型高强快硬注浆材料及软岩隧道的注浆加固方法
技术领域
本发明属于建筑工程施工技术领域，涉及一种经济型高强快硬注浆材料及软岩隧道的注浆加固方法。
背景技术
我国已是世界上隧道工程规模最大、数量最多、修建速度最快的国家。截至2017年底已建成公路隧道14040km/15181座，截至2017年底已建成铁路隧道15781km/14700座。
中西部地区以山地和重丘为主，地形地质条件复杂多变，发展交通必然会遇到大量的隧道工程。随着隧道建设标准和建设规模的提高，安全高效地穿越高地应力软岩地区面临巨大挑战，特别是穿越软弱松散破碎岩层时，高地应力软岩大变形问题突出，现有的隧道理论方法和建设技术水平已经不能满足工程防灾减灾的需求。
按照注浆对象和目的不同，隧道内注浆可分为：塌方体注浆、隧道止水注浆、地基加固注浆、地层加固注浆、锚杆注浆等5大类。其中，地层注浆和锚杆加固(如让压锚杆)是控制软弱松散破碎地层大变形最有效、最常见的工程措施。因此，浆液的性能对隧道注浆工程来讲尤为重要。注浆材料是加固软弱松散破碎围岩形成加固圈和承载拱及提供锚杆锚固力的关键。在注浆工程的设计中，浆液的选择是重要的一环，它直接影响着注浆的质量和工程的造价。由于注浆的目的和要求不同，选用的浆液亦应不同。隧道工程以往通用的注浆材料是普通硅酸盐水泥净浆，该水泥净浆(水胶比以0.5计)凝结时间往往大于5h，按照隧道正常工序用时，隧道已进行了1次爆破施工。隧道初期支护由于自身结构稳定性差，在自重和爆破扰动附加荷载作用下往往发生沉降变形，多者可达100～200mm/d，此时锚杆周围充填的水泥浆液仍没有或者只有极小的强度和握裹力，锚杆锚固力、对初期支护的悬吊作用及对围岩的挤压加固作用得不到及时有效地发挥，围岩与初期支护脱空，上覆岩体失去支护约束，由于软岩粘聚力很小，难以克服自重和施工扰动产生的附加荷载，使拱部岩体产生向下的滑移和松动，进而引起拱部松动区扩大，锚杆的锚固力作用得不到及时有效地发挥，初期支护结构稳定性进一步恶化，出现钢架扭曲折断、喷射混凝土开裂等初期支护失稳破坏问题，加剧大变形灾害的发生。因此，大变形隧道的防控往往是非常困难和难见成效的。因此，针对软弱松散破碎地层隧道大变形灾害防治，常用于地层加固和锚杆加固的注浆材料存在以下不足之处：
(1)早期强度低，不能及时加固围岩和提供锚杆锚固力，在频繁施工扰动(特别是爆破振动)作用下，初期支护极易发生沉降变形，与围岩脱空，进而牵引上覆围岩松动，诱发大变形灾害发生。
(2)浆液凝结速度慢，易在地下水作用下稀释、流失，造成注浆质量差。
(3)设计水胶比不合理，W/C＝1:1过稀的水泥浆液屡见不鲜。
(4)隧道注浆现场配量不准确，对于注浆材料复杂(特别是外掺剂过多)的浆液，容易出现漏加或重复多加某种外加剂的情况，且工序复杂不易推广应用。
(5)效果甚微，反作用明显。对于软岩而言，隧道内常用的普通硅酸盐水泥净浆不仅起不到应有的效果，加固或锚固效果甚微，还由于其过稀的水灰比和凝结速度慢等特性，软岩经长时间浸润，软化作用明显，增大隧道上覆围岩荷载，加剧隧道围岩软化变形。
由此可见，开发适用软弱松散破碎地层，满足复杂施工环境下大变形隧道注浆要求，且配比简单实用、可操作性强、性能优良的注浆材料至关重要。
发明内容
本发明的目的是提供一种经济型高强快硬注浆材料及软岩隧道的注浆加固方法，该注浆材料具有浆液凝结速度快、制备简易、高强快硬的优点，适用于软岩隧道的快速施工需求。
为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：
一种经济型高强快硬注浆材料，包括普通硅酸盐水泥、快硬硫铝酸盐胶凝剂和水；其中水的质量与普通硅酸盐水泥和快硬硫铝酸盐胶凝剂的总质量比为0.46：1，快硬硫铝酸盐胶凝剂和普通硅酸盐水泥质量比为(0.67～1.5)：1；所述的注浆加固材料的初凝时间为40±5min，凝固4h后的立方体平均抗压强度≥10MPa。
上述经济型高强快硬注浆材料中，快硬硫铝酸盐胶凝剂为快硬硫铝酸盐425#水泥。
上述经济型高强快硬注浆材料中，快硬硫铝酸盐胶凝剂和普通硅酸盐水泥质量比为(1～1.5)：1。
上述经济型高强快硬注浆材料中，快硬硫铝酸盐胶凝剂和普通硅酸盐水泥质量比为(0.67～1)：1。
上述经济型高强快硬注浆材料中，快硬硫铝酸盐胶凝剂和普通硅酸盐水泥质量比为(0.67～0.9)：1。
上述经济型高强快硬注浆材料中，快硬硫铝酸盐胶凝剂和普通硅酸盐水泥质量比为1.5：1。
一种软岩隧道的注浆加固方法，其特殊之处在于：软岩隧道开挖一个进尺后，初喷混凝土，架设钢拱架，并通过超前注浆小导管、环向径向导管和锁脚锚管对围岩进行加固；所述的超前注浆小导管、环向径向导管和锁脚锚管内加注如权利要求1-6任意之一所述的经济型高强快硬注浆材料；其中超前注浆小导管的注浆压力为1.0～3.0MPa，环向径向导管的注浆压力为1.5～5.0MPa，锁脚锚管的注浆压力为0.5～1.0MPa，实现短时长间隔的开挖施工。
上述软岩隧道的注浆加固方法中：软岩隧道开挖采用机械和/或弱爆破施工的方式。
进一步的，对于软散围岩隧道注浆工程而言，其主要的锚杆支护按打设位置可分为：超前导管、环向径向导管和锁脚锚管。本发明涉及的超前注浆导管、环向径向导管和锁脚锚管均属于中空管式锚杆，锚固方式为粘结式锚固。由于软散围岩隧道中锚杆(管)的作用各有侧重，因此注浆压力参数不同。对于超前注浆导管而言，其主要作用为通过预加固掌子面前方围岩而保证开挖工作面的稳定，注浆压力(终压)一般在1.0～3.0MPa之间；环向径向注浆导管的主要作用为通过注浆材料充填软散围岩裂隙，提高岩体完整性，加固围岩，注浆压力较大，视地层空隙情况，终压一般在1.5～5.0MPa之间；锁脚锚管的主要作用是控制支护结构拱脚沉降，注浆压力较小，终压一般在0.5～1.0MPa之间，即将锚孔和杆体充填密实即可。
进一步的，本发明涉及的注浆材料在隧道工程领域其主要应用环境为：软弱、松散、破碎和弱胶结地层，且极有可能因隧道开挖、爆破振动和施工扰动而发生大变形和坍塌等工程灾害的围岩段落。在该类隧道地层岩性条件下，所有锚杆注浆材料建议采用本发明涉及的高强快硬注浆材料。在岩体完整性较好、不易发生大变形灾害的段落锚杆采用普通注浆材料即可，在保证隧道结构稳定的前提下，最大程度地降低工程造价，实现工程建设的安全性和经济性目标。
与现有注浆材料相比，本发明中采用水胶比为0.46：1，快硬硫铝酸盐胶凝剂和普通硅酸盐水泥质量比为(0.67～1.5):1，具有组分简单、效果显著、现场实施简便等优点，并且具有以下优良性能：
(1)高强快硬性：4h抗压强度>10MPa；针对软弱松散破碎地层隧道大变形灾害特点，充分实现了地层注浆加固和锚杆注浆加固的高强快硬性能，能及时有效发挥加固和悬吊作用，经渭武高速木寨岭隧道现场实际应用，效果极其显著。
(2)流动性佳：初凝时间为40±5min，简单实用、易操作。本发明的注浆材料以快硬硫铝酸盐胶凝剂和普通硅酸盐水泥作为胶凝材料，其中快硬硫铝酸盐胶凝剂实现早强快硬的目的，普通硅酸盐水泥代替缓凝剂控制浆液流动和凝固时间，同时，掺加普通硅酸盐水泥可以大大减少快硬硫铝酸盐胶凝剂的用量，经济性显著；隧道现场加料及拌合简单，操作性强，可大大提高配料准确性及注浆效率。
(3)穿透性好，结石率高。本发明涉及的注浆材料能充分压入到围岩节理裂隙中，且结石率高，能有效起到加固围岩的作用。
(4)没有外掺剂，制备容易，现场实施简便。
本发明针对在软弱松散地层隧道修筑过程中出现的大变形灾害，通过对两种不同性能水泥的组合，新颖地试配出一种经济型的高强快硬隧道注浆材料。该注浆材料充分利用两种水泥的性能优势，且组分简单，没有外掺剂，现场使用时，工序简单，操作方便。通过室外边坡试验、洞内现场试验进行了实际应用，效果极其显著，有效控制了软岩隧道混凝土开裂、剥落，钢架扭曲、折断，初期支护侵限等大变形灾害，可广泛推广应用。在注浆压力参数选择中，对于锁脚锚杆，采用较小的注浆压力(＜1.0MPa)下将浆液注满锚孔和杆体自身，可迅速提供较高的握裹力，提高锚杆的抗拔性能及锚杆的强度和刚度，而超前注浆导管和环向径向注浆导管选用较大的注浆压力(≥1.0MPa)，可在较厚的止浆封层作用下，将浆液压入软散围岩的节理裂隙之中，迅速形成加固圈，提高围岩的黏聚力和岩体完整性。
附图说明
图1为本发明的注浆材料龄期抗压强度示意图。
图2为本发明的注浆材料龄期抗折强度示意图。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合图表，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明选用普通硅酸盐水泥和快硬硫铝酸盐胶凝剂作为浆液配比的原材料。通过单因素控制试验与耐久性强度试验优化配制出便于施工的高强快硬注浆材料，结合室内锚固注浆配合比试验所获得的注浆参数进行优化试验，并以木寨岭公路隧道工程为例，投入实际应用。
本发明的经济型高强快硬注浆材料，包括普通硅酸盐水泥、快硬硫铝酸盐胶凝剂和水；其中，水的质量与普通硅酸盐水泥和快硬硫铝酸盐胶凝剂的总质量比为0.46：1，快硬硫铝酸盐胶凝剂和普通硅酸盐水泥质量比为(0.67～1.5):1。快硬硫铝酸盐胶凝剂为快硬硫铝酸盐425#水泥。
优选的，快硬硫铝酸盐胶凝剂和普通硅酸盐水泥质量比为2:3。
优选的，快硬硫铝酸盐胶凝剂和普通硅酸盐水泥质量比为1:1。
优选的，快硬硫铝酸盐胶凝剂和普通硅酸盐水泥质量比为3:2。
上述高强快硬注浆材料的制备方法为，将快硬硫铝酸盐胶凝剂和普通硅酸盐水泥按照比例拌合均匀，再加水拌合均匀。其中，水与快硬硫铝酸盐胶凝剂的质量比为0.46:1，快硬硫铝酸盐胶凝剂与普通硅酸盐水泥的质量比为(0.67～1.5):1。
实施例1
一种经济型高强快硬注浆材料，包括普通硅酸盐水泥、快硬硫铝酸盐胶凝剂和水。其中，水胶比为0.46：1，快硬硫铝酸盐胶凝剂和普通硅酸盐水泥质量比为0.67:1，采用这种配比制得的注浆材料，可以满足针对软弱的碳质千枚岩夹薄层的钙硅质砂质板岩注浆所需承载强度的要求。
实施例2
一种经济型高强快硬注浆材料，包括普通硅酸盐水泥、快硬硫铝酸盐胶凝剂和水。其中，水胶比为0.46:1，快硬硫铝酸盐胶凝剂和普通硅酸盐水泥质量比为1:1，采用这种配比制得的注浆材料，可以满足针对软弱的碳质千枚岩夹薄层的钙硅质砂质板岩注浆所需承载强度的要求。
实施例3
一种经济型高强快硬注浆材料，包括普通硅酸盐水泥、快硬硫铝酸盐胶凝剂和水。其中，水胶比为0.46:1，快硬硫铝酸盐胶凝剂和普通硅酸盐水泥质量比为1.5:1，采用这种配比制得的注浆材料，可以满足针对软弱的碳质千枚岩夹薄层的钙硅质砂质板岩注浆所需承载强度的要求。
本发明的注浆材料的制备方法是，将快硬硫铝酸盐胶凝剂和普通硅酸盐水泥按照比例拌合均匀，再加水拌合均匀即可。其中，水胶比为0.46，快硬硫铝酸盐胶凝剂和普通硅酸盐水泥质量比为(0.67～1.5):1。
进一步地，结合室内锚固注浆配合比试验所获得的注浆参数如表1所示，试件边长为40mm，跨距为100mm，加载速度为50N/S。
表1本发明的新型注浆材料配合比试验数据
由表1、图1和图2可知，针对相同配合比(W/C＝0.46)的注浆材料，其凝结时间随着普通水泥含量的提升而增加，且试件在4h后均能达到10MPa以上的抗压强度，并且试件的抗压强度随着时间增加而逐步稳定。另外，通过调整快硬硫铝酸盐胶凝剂和普通硅酸盐水泥的比例，优化筛选出的3种浆液均能满足流动性和高强快硬性两项指标。
选取实施例3配合比在现场进行取样试验，试件规格为70.7mm×70.7mm×70.7mm，采用机械搅拌方式，压力试验机型号为HYZ-300.10型，加载速度为1.3kN/S，试验结果见表2。
表2实施例3配合比注浆材料现场取样强度试验记录表
由表2可知，在实施例3配合比注浆材料现场取样试验中，其抗压强度随着试件养护时间的增加而增强，且在28d能够达到30MPa的抗压强度。应当注意的是，针对试件的平均抗压强度计算采用如下方式：若六个测定值中有一个测定值超出六个平均值的±10％，则删除该数据，以剩余的抗压强度平均数作为最终平均数据；若剩余五个测试值中依旧存在超出平均值±10％的记录数据，则该试块的试验结果作废。
采用实施例3配合比这一注浆材料进行边坡锚杆注浆及拉拔试验，试验结果如表3所列。
表3锚杆拉拔试验结果
如表3所示，本发明涉及的新型注浆材料，其锚固效果远远高于常用的普通硅酸盐水泥净浆，其4h的拉拔力约是普通硅酸盐水泥净浆7d龄期拉拔力的4倍。同时，其锚固力随着锚杆直径和长度的增加而增加。由此可见，本发明涉及的新型注浆材料实现了高强快硬的试验目的，锚固效果极其显著，满足工程防治软岩隧道大变形要求，且由于配比简单实用、操作性强，有显著的推广应用价值。
实施例4
一种经济型高强快硬注浆材料，包括普通硅酸盐水泥、快硬硫铝酸盐胶凝剂和水。其中，水胶比为0.46:1，快硬硫铝酸盐胶凝剂和普通硅酸盐水泥质量比为1.2:1。
实施例5
一种经济型高强快硬注浆材料，包括普通硅酸盐水泥、快硬硫铝酸盐胶凝剂和水。其中，水胶比为0.46，快硬硫铝酸盐胶凝剂和普通硅酸盐水泥质量比为0.9:1。
实施例6
一种经济型高强快硬注浆材料，包括普通硅酸盐水泥、快硬硫铝酸盐胶凝剂和水。其中，水胶比为0.46:1，快硬硫铝酸盐胶凝剂和普通硅酸盐水泥质量比为0.8:1。
由于浆液的性能对隧道注浆工程来讲尤为重要，所以本发明针对软岩大变形隧道注浆要求，与隧道施工工序紧密结合，充分考虑隧道施作锚杆(管)(包括注浆)至下一循环爆破开挖的工序用时(约为4h)，要求本发明涉及的新型注浆浆液需在4h提供较大强度和锚固力(实验室指标为抗压强度>10MPa)，这样在施工扰动(尤其是爆破振动)过程中，隧道周边围岩可以形成加固圈，形成承载拱；同时，锚杆锚固力能够发挥作用，给予钢架和喷射混凝土一个拉力，防止初期支护在爆破振动作用下出现沉降变形，与围岩脱空，给予围岩松弛牵引变形的空间。再者，考虑到隧道现场注浆过程中，加料、拌合、泵送以及清洗注浆设备所需时间(约为40min)，要求本发明涉及的注浆浆液初凝时间为40±5min。因此，本发明涉及的注浆材料的两项定性、定量控制指标为：
(1)高强快硬性：4h抗压强度>10MPa；
(2)流动性佳：初凝时间为40±5min。其中初凝时间是通过维卡仪按照国标方法测量而得。
基于上述两项基本指标，本发明在试验之初对各类水泥(硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥、复合硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、快硬硫铝酸盐胶凝剂、铁铝酸盐水泥、膨胀水泥等)、掺合料(粉煤灰、明矾石)、外加剂(减水剂、早强剂、缓凝剂、膨胀剂)基本性能进行了细致的调研和分析，通过单因素试验、正交试验、膨胀性试验对各类水泥进行了多达500组基础试验，最终优化筛选配制出简单、易操作、高强快硬、价格经济、渗透性好、结石率高的注浆材料及配合比。最后通过室外边坡、洞内现场试验进行了实际应用，效果极其显著，有效控制了软岩隧道混凝土开裂、剥落，钢架扭曲、折断，初期支护侵限等大变形灾害，可广泛推广应用于其他隧道工程、边坡工程、水利工程、基坑工程中，极具推广价值。
下面以三台阶开挖法为例介绍本发明注浆加固材料用于软岩隧道施工的现场实施方案：
(1)上台阶施工
首先进行上台阶的开挖，开挖一个进尺后对开挖面进行初喷3～5cm的早强混凝土，根据围岩风化、松散及剥落程度，可适当加厚初喷混凝土的喷射厚度，作为后续注浆工作的封堵层；接着架立上台阶钢拱架，并根据现场情况，可分次或同时施作超前注浆导管、环向径向注浆导管和锁脚锚管，并注入本发明的注浆材料，然后挂设钢筋网；最后复喷混凝土至设计厚度，形成上部初期支护结构。
(2)中台阶施工
在上部初衬支护下，两侧错位开挖中台阶，预留中台阶核心土部分，开挖一个进尺后对开挖面进行初喷3～5cm的早强混凝土，根据围岩风化、松散及剥落程度，可适当加厚初喷混凝土的喷射厚度，作为后续注浆工作的封堵层；接着架立中台阶钢拱架，并根据现场情况，可分次或同时施作环向径向注浆导管和锁脚锚管，并注入本发明的注浆材料，然后挂设钢筋网；最后复喷混凝土至设计厚度，形成中部初期支护结构。
(3)下台阶施工
两侧错位开挖下台阶，预留下台阶核心土部分，开挖一个进尺后对开挖面进行初喷3～5cm的早强混凝土，根据围岩风化、松散及剥落程度，可适当加厚初喷混凝土的喷射厚度，作为后续注浆工作的封堵层；接着架立下台阶钢拱架，并根据现场情况，可分次或同时施作环向径向注浆导管并注入本发明的注浆材料，然后挂设钢筋网；最后复喷混凝土至设计厚度，形成下部初期支护结构。
与隧道工程通用的注浆材料(普通硅酸盐水泥净浆)相比，本发明涉及的注浆材料具有以下优点和创新性：
(1)高强快硬性。针对软弱松散破碎地层隧道大变形灾害特点，充分实现了地层注浆加固和锚杆注浆加固的高强快硬性能，能及时有效发挥加固和悬吊作用，经渭武高速木寨岭隧道现场实际应用，效果极其显著。
(2)简单实用、易操作。本发明涉及的注浆材料以普通硅酸盐水泥和快硬硫铝酸盐胶凝剂作为胶凝材料，通过快硬硫铝酸盐胶凝剂实现早强快硬的目的，通过普通硅酸盐水泥控制浆液流动和凝结时间；隧道现场加料及拌合简单，操作性强，可大大提高配料准确性及注浆效率。
(3)穿透性好，结石率高。本发明涉及的注浆材料能充分压入到围岩节理裂隙中，且结石率高，能有效起到加固围岩的作用。
(4)价格经济，适合推广。本发明涉及的注浆材料在满足试验和工程要求的前提下，与其他化学浆液或纯快硬硫铝酸盐胶凝剂净浆相比，通过掺加普通硅酸盐水泥，在实现早强快硬的目的和准确控制浆液凝结时间的基础上，大大节约了造价(或是快硬硫铝酸盐胶凝剂的用量)，价格经济，易于推广。
以上内容是结合具体实施例对本发明方法所作的进一步详细说明，不能认定本发明方法的具体实施只局限于此。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下做出若干等同替代或明显变型，且性能或用途相同，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定的保护范围。

Claims (8)

1.一种经济型高强快硬注浆材料，其特征在于，包括普通硅酸盐水泥、快硬硫铝酸盐胶凝剂和水；其中水的质量与普通硅酸盐水泥和快硬硫铝酸盐胶凝剂的总质量比为0.46：1，快硬硫铝酸盐胶凝剂和普通硅酸盐水泥质量比为(0.67～1.5)：1；所述的注浆加固材料的初凝时间为40±5min，凝固4h后的立方体平均抗压强度≥10MPa。
2.根据权利要求1所述的经济型高强快硬注浆材料，其特征在于，快硬硫铝酸盐胶凝剂为快硬硫铝酸盐425#水泥。
3.根据权利要求1或2所述的经济型高强快硬注浆材料，其特征在于，快硬硫铝酸盐胶凝剂和普通硅酸盐水泥质量比为(1～1.5)：1。
4.根据权利要求1所述的经济型高强快硬注浆材料，其特征在于，快硬硫铝酸盐胶凝剂和普通硅酸盐水泥质量比为(0.67～1)：1。
5.根据权利要求1所述的经济型高强快硬注浆材料，其特征在于，快硬硫铝酸盐胶凝剂和普通硅酸盐水泥质量比为(0.67～0.9)：1。
6.根据权利要求1所述的经济型高强快硬注浆材料，其特征在于，快硬硫铝酸盐胶凝剂和普通硅酸盐水泥质量比为1.5：1。
7.一种软岩隧道的注浆加固方法，其特征在于：软岩隧道开挖一个进尺后，初喷混凝土，架设钢拱架，并通过超前注浆小导管、环向径向导管和锁脚锚管对围岩进行加固；所述的超前注浆小导管、环向径向导管和锁脚锚管内加注如权利要求1-6任意之一所述的经济型高强快硬注浆材料；其中超前注浆小导管的注浆压力为1.0～3.0MPa，环向径向导管的注浆压力为1.5～5.0MPa，锁脚锚管的注浆压力为0.5～1.0MPa，实现短时长间隔的开挖施工。
8.根据权利要求7所述的软岩隧道的注浆加固方法，其特征在于：软岩隧道开挖采用机械和/或弱爆破施工的方式。
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