CN115521119B - 用于地下作业中超高温涌水治理的注浆材料及施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于地下作业中超高温涌水治理的注浆材料及施工方法，该注浆材料按质量份数计，由以下成分组成：水泥基材料30～65份；矿物掺和料20～60份；纳米材料0～5份；膨胀剂0～10份；纤维素类增稠剂0.001～0.1份；液态分散剂折固掺量0.5％～2％，加入抗水分散剂使之具有一定的抗水分散能力，通过调整其胶凝材料组分和化学外加剂的种类及掺量，从而精确控制该注浆新材料在不同高温、超高温涌水条件下的凝结时间，实现高速、大流量、短时间、精确定时定点封堵超高温热水的目标。

Description

用于地下作业中超高温涌水治理的注浆材料及施工方法

技术领域

本发明涉及隧道、竖井等地下施工技术领域，尤其涉及用于地下作业中超高温涌水治理的注浆材料及施工方法。

背景技术

隧道突涌水是地下工程施工中最为常见的地质灾害，工程界一般采用“引、排为主，排堵结合，综合治理”的原则，结合地层岩性、水压、水量等灾害特征选择相应的处治办法。以往的隧道施工大多数是在地质结构不复杂的地区开展，近年来，随着国家交通运输和水电工程领域的建设规模不断增长，出现了很多复杂地质条件下的深埋长大隧道，特别是我国西部地区，受地层岩性、地质构造、地热与地下水活动等影响，地下工程可能面临着高温高压突涌热水的热害问题，而从国内外隧道修建史来看，还没有遇到超过90℃的高温热水，面对这一挑战，工程界因此对此鲜有研究。

正在建设中的川藏铁路全线桥隧比高达97％。具有“多、长、大、深”的特点，即数量多、长度大、大断面、大埋深，沿线要多次穿越横断山脉和多条断裂带，有些隧道还要穿越地热异常带，因此不可避免地会在隧道施工工程中遇到高温、超高温岩石裂隙水突涌问题。这些高温水的涌出，将快速升高隧道内的温度和湿度，迅速恶化隧道内的施工环境，导致施工人员的作业环境恶化、机械设备工作效率降低和故障增多、支护结构材料性能损伤及耐久性劣化等一系列问题，由此可见，超高温高压突涌热水治理已成为铁路建设过程中需要首先攻克的关键难题。

目前工程界采取的注浆堵水措施沿用了以往空隙注浆和静水注浆的理念，采用的是常规的水泥-水玻璃等注浆材料和相关工艺设备，而面对超高温裂隙水，仍处于经验性、盲目性较强的阶段，注浆材料的研发严重滞后于工程实践，亟需制备超高温突涌热水治理的注浆材料，使其具备(微)孔隙可渗透、不同高温条件下凝结时间可控、早强高强、材料密实、耐久性和堵水效果好、对环境无污染等优点，克服现有注浆材料缺陷，以实现对隧道施工中高温热水的有效注浆封堵。

发明内容

针对上述现有技术存在的不足，本发明目的在于提供一种用于地下作业中超高温涌水治理的注浆材料及施工方法，加入抗水分散剂使之具有一定的抗水分散能力，通过调整其胶凝材料组分和化学外加剂的种类及掺量，从而精确控制该注浆新材料在不同高温、超高温涌水条件下的凝结时间，实现高速、大流量、短时间、精确定时定点封堵超高温热水的目标。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种用于地下作业中超高温涌水治理的注浆材料，按质量份数计，由以下成分组成：

水泥基材料30～65份；

矿物掺和料20～60份；

纳米材料0～5份；

膨胀剂0～10份；

纤维素类增稠剂0.001～0.1份；

液态分散剂折固掺量0.5％～2％。

优选的，所述水泥基材料为硫铝酸盐水泥、普通硅酸盐水泥或硅酸盐水泥其中的一种或多种的组合。

优选的，所述水泥基材料中，硫铝酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、硅酸盐水泥的质量比例为1:1:1～3:2:0。

优选的，所述矿物掺和料为矿粉渣、粉煤灰或硅灰其中的一种或多种的组合。

优选的，所述纳米材料为纳米碳酸钙、纳米白炭黑其中的一种或多种的组合。用量根据注浆料的性能要求进行调整。

优选的，所述膨胀剂为II型膨胀剂。膨胀剂的用量根据隧道岩石种类调整。

优选的，所述纤维素类增稠剂包括羟丙基甲基纤维素、羧甲基纤维素、羟乙基纤维素其中的一种或多种的组合。

优选的，所述液态分散剂为聚羧酸保坍剂、缓凝剂、增稠剂、抗水分散剂其中的一种或多种的组合。

优选的，所述缓凝剂为葡萄糖酸钠、柠檬酸的组合物，葡萄糖酸钠、柠檬酸质量比例为0:1～1:2，所述增稠剂为聚丙烯酰胺，所述增稠剂在分散剂中的折固掺量为0～0.1％。

优选的，所述注浆材料的制作方式为：将水泥基材料、矿物掺和料、纳米材料、纤维素类增稠剂混合，按水胶比为0.3～0.5加入水，再加入液态分散剂，经搅拌制成注浆材料；所述水泥基材料为硫铝酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、硅酸盐水泥，所述矿物掺和料为矿粉渣、粉煤灰、硅灰，所述纳米材料为纳米碳酸钙，所述纤维素类增稠剂为羟丙基甲基纤维素。

优选的，所述硫铝酸盐水泥20份、普通硅酸盐水泥25份、硅酸盐水泥10份、矿渣粉20份、粉煤灰15份、硅灰5份、纳米碳酸钙5份、羟丙基甲基纤维素0.01份混合，所述液态分散剂折固掺量为1％。

基于总的发明构思，本发明还提供一种地下作业中超高温涌水治理的施工方法，针对高温涌水采用了大流量和定时、定点注浆，包括以下步骤：

测量：涌水位置的涌水温度，当涌水温度等于或高于60℃时，判定为超高温涌水，并进一步测量单位时间内的涌水量；当涌水温度低于60℃时，判定为常温涌水，停止本施工方法，改用常温涌水治理的施工方法；

S2：配料：根据涌水温度，在上述任一项所述的用于地下作业中超高温涌水治理的注浆材料所述的配方范围内确定配料方案，并且配料过程中搅拌的转速不低于200r/min，为强力搅拌；根据单位时间内的涌水量，确定注浆作业所需注浆流速；根据注浆流速以及配料方案对应的预估初凝时长确定配料总量，满足定时、定点注浆的浆体需求；

S3：注浆：开始向涌水位置内注浆，当涌水口出现反压时，停止注浆。

优选的，所述注浆流速为单位时间内的涌水量的3倍以上。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1.本发明用于地下作业中超高温涌水治理的注浆材料中采用的液态分散剂在使用中均超常规、大掺量地使用了聚羧酸保坍剂，利用其缓释的性能，与缓凝剂共同作用，使注浆材料在注入之前提供持续的强力分散作用，保持其工作性能，其折固掺量较常规应用增加了数倍到数十倍，制得的材料凝结时间可控、早强高强、材料密实、耐久性和堵水效果好、对环境无污染。

2.本发明的施工方法通过调整其胶凝材料组分和化学外加剂的种类及掺量，从而精确控制该注浆新材料在不同高温、超高温涌水条件下的凝结时间，实现高速、大流量、短时间、精确定时定点封堵超高温热水的目标，在隧道高温、超高温的涌水封堵治理中，具有早期强度高、后期强度持续发展和保持的高性能，可以保证隧道快速开挖放炮时的安全；由于其可以采用快速、精准、定时定点的高效率注浆，能够节省大量的注浆材料，大幅度降低隧道高温、超高温涌水治理的注浆堵水成本，具有巨大的社会经济效益。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下文将结合说明书和较佳的实施例对本发明做更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体实施例。

除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。

除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。

A、B、C、D四种特种分散剂其相同成分为聚羧酸保坍剂和抗水分散剂。不同之处在于所含的缓凝剂的种类和掺量不同。从A到D，缓凝剂的掺量依次增加。A种分散剂不含缓凝剂，在各种温度条件下，掺A种分散剂的注浆材料凝结时间最短；D种分散剂含有主要针对硫铝酸盐水泥的柠檬酸和主要针对普通硅酸盐水泥的葡萄糖酸钠两种缓凝剂；有效延长了其超高温下的凝结时间。因此，掺D种特种分散剂的注浆材料，在超高温下的凝结时间最长。B和C两种分散剂介于A和D之间。

各种液体分散剂按每100份按质量份数计：

液体分散剂A：聚羧酸保坍剂20份、抗水分散剂0.01份，其余为水。

液体分散剂B：聚羧酸保坍剂20份、抗水分散剂0.01份、柠檬酸2份、葡萄糖酸钠1份，其余为水。

液体分散剂C：聚羧酸保坍剂20份、抗水分散剂0.01份、柠檬酸3份、葡萄糖酸钠2份，其余为水。

液体分散剂D：聚羧酸保坍剂20份、抗水分散剂0.01份、柠檬酸4份、葡萄糖酸钠3份，其余为水。

实施例粉料的配制：配制的用于地下作业中超高温涌水治理的注浆材料为：硫铝酸盐水泥20份、普通硅酸盐水泥25份、硅酸盐水泥10份、矿渣粉20份、粉煤灰15份、硅灰和纳米碳酸钙各5份，外掺羟丙基甲基纤维素0.01份，构成高性能纳米注浆材料的粉料。

实施例1：

使用分散剂C的注浆材料在不同温度下抗压强度对比实验：

常温试验：使用以上配制的粉料，按水灰比0.4加入水，使用C种分散剂，折固掺量为粉料总量的1％；搅拌速度不低于200r/min，强力搅拌3分钟以后，采用倒锥桶测试流动度为25秒。常温下，将配制的浆液注入三联装砂浆试模中。余下的置于净浆搅拌机中慢速搅拌，测试其常温下的胶凝时间。

设定水温80摄氏度，凝结时间定为3分钟，使用以上配制的粉料，水灰比0.4，使用C种分散剂，折固掺量为粉料总量的1％；强力搅拌3分钟以后，采用倒锥桶测试流动度为25秒。

在实验室条件下，用恒温水浴锅将水加温到80摄氏度，将两个三联装砂浆试模置于摄氏80度的水浴锅中，用漏斗将配制好的浆体分别注入试模中，使浆体将试模中的热水排开而成型。之后分别测试其3小时、一天和7天抗压强度。其结果如下表1：

表1使用分散剂C的注浆材料在不同温度下抗压强度对比

将常温浆体置于塑料杯中，不予搅动，25分钟左右出现初凝，约两分钟后终凝，并迅速发热。

实施例2：

使用分散剂C和D的注浆材料在不同温度下抗压强度对比：

常温试验：同样使用以上配制的粉料，水灰比0.4，使用C:D＝2:1的分散剂，折固掺量仍然为粉料总量的1％；搅拌速度不低于200r/min，强力搅拌3分钟以后，采用倒锥桶测试流动度。常温下，将配制的浆液注入三联装砂浆试模中。余下的置于净浆搅拌机中慢速搅拌，测试其常温下的胶凝时间。

设定水温90摄氏度，凝结时间定为3分钟，使用以上配制的粉料，水灰比0.4，使用C:D＝2:1种分散剂，折固掺量为粉料总量的1％；搅拌速度不低于200r/min，强力搅拌3分钟以后，采用倒锥桶测试流动度为21秒。

在实验室条件下，用恒温水浴锅将水加温到90摄氏度，将两个三联装砂浆试模置于摄氏90度的水浴锅中，用漏斗将配制好的浆体分别注入试模中，使浆体将试模中的热水排开而成型。之后分别测试其3小时、一天和7天抗压强度。其结果如下表2所示：

表2使用分散剂C和D的注浆材料在不同温度下抗压强度对比

将常温浆体置于塑料杯中，不予搅动，30分钟左右出现初凝，约两分钟后终凝，并迅速发热。

实施例3：

一种地下作业中超高温涌水治理的施工方法，包括以下步骤：

S1：测量：涌水位置的涌水温度，当涌水温度等于或高于60℃时，判定为超高温涌水，并进一步测量单位时间内的涌水量；当涌水温度低于60℃时，判定为常温涌水，停止本施工方法，改用常温涌水治理的施工方法；

S2：配料：根据涌水温度，在如上述实施例的用于地下作业中超高温涌水治理的注浆材料所述的配方范围内确定配料方案，并且配料及注浆过程中保持搅拌转速不低于200r/min；根据单位时间内的涌水量，确定注浆作业所需注浆流速，注浆流速为单位时间内的涌水量的3倍以上；根据注浆流速以及配料方案对应的预估初凝时长确定配料总量；

S3：注浆：开始向涌水位置内注浆，当涌水口出现反压时，停止注浆。

下表为不同温度条件下的注浆料凝结性能测试，作为确定一种地下作业中超高温涌水治理的施工方法中注浆材料的配方范围的参考依据，测试添加不同分散剂在不同温度条件下的注浆材料凝结性能，测得结果如下：

表3使用C\D分散剂60℃凝结时间

表4使用C\D分散剂70℃凝结时间

表5使用C\D分散剂80℃凝结时间

表6使用C\D分散剂90℃凝结时间

表7使用A/B/C/D分散剂60℃凝结时间

本发明采用42.5级硫铝酸盐水泥、42.5级硅酸盐水泥、PO42.5普通硅酸盐水泥、矿渣粉、粉煤灰、硅灰以及纳米碳酸钙、白炭黑、纤维素等构成注浆材料，使用0.30～0.45的水胶比，在A、B、C、D四种特种分散剂的联合应用下实施强力搅拌(搅拌速度不低于200r/min)制成注浆所需的浆体；这些浆体在注浆前的流动性能在缓凝剂和超大掺量的聚羧酸保坍剂缓慢释放分散有效成分的强力分散下，在常温和缓慢搅拌的条件下能够保持50分钟以上的流动度；在增稠剂的作用下，浆体顶水注入后具有一定的抵抗水分散的能力；在不同性能的几种分散剂的作用下，注浆后在60摄氏度到90摄氏度的高温和超高温环境下凝结时间在自动配料机的支持下，可以实现从1.5分钟到15分钟连续可调可控，浆液在高温下凝结后强度快速上升，3小时达到12MPa以上，24小时达到15MPa以上，7天的强度超过22MPa，28天的强度超过50MPa。本发明的施工方法，通过调整其胶凝材料组分和化学外加剂的种类及掺量，从而精确控制该注浆新材料在不同高温、超高温涌水条件下的凝结时间，实现高速、大流量、短时间、精确定时定点封堵超高温热水的目标。

Claims (8)

1.一种用于地下作业中超高温涌水治理的注浆材料，其特征在于，按质量份数计，由以下成分组成：

水泥基材料 30~65份；

矿物掺和料 20~60份；

纳米材料 5份；

所述纳米材料为纳米碳酸钙、纳米白炭黑其中的一种或两种的组合；

膨胀剂 0~10份；

纤维素类增稠剂 0.001~0.1份；

液态分散剂折固掺量1%~2%；

所述液态分散剂为缓凝剂、聚羧酸保坍剂和抗水分散剂的混合溶液，所述液态分散剂中聚羧酸保坍剂与抗水分散剂的质量比例为200：1；所述缓凝剂为葡萄糖酸钠、柠檬酸的组合物，葡萄糖酸钠、柠檬酸质量比例为（0～1）：（1～2）；所述水泥基材料为硫铝酸盐水泥、普通硅酸盐水泥或硅酸盐水泥其中的两种或三种的组合；所述水泥基材料中，硫铝酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、硅酸盐水泥的质量比例为（1～3）：（1～2）：（0～1）；

所述超高温为60～90℃。

2.根据权利要求1所述的注浆材料，其特征在于，所述矿物掺和料为矿渣粉、粉煤灰或硅灰其中的一种或多种的组合。

3.根据权利要求1所述的注浆材料，其特征在于，所述膨胀剂为II型膨胀剂。

4.根据权利要求1所述的注浆材料，其特征在于，所述纤维素类增稠剂包括羟丙基甲基纤维素、羧甲基纤维素、羟乙基纤维素其中的一种或多种的组合。

5.根据权利要求1-4中任意一项所述的注浆材料，其特征在于，所述注浆材料的制作方式为：将水泥基材料、矿物掺和料、纳米材料、纤维素类增稠剂混合，按水胶比为0.3~0.5加入水，再加入液态分散剂，经搅拌制成注浆材料；所述水泥基材料为硫铝酸盐水泥、普通硅酸盐水泥和硅酸盐水泥，所述矿物掺和料为矿渣粉、粉煤灰和硅灰，所述纳米材料为纳米碳酸钙，所述纤维素类增稠剂为羟丙基甲基纤维素。

6.根据权利要求5所述的注浆材料，其特征在于，所述硫铝酸盐水泥20份、普通硅酸盐水泥25份、硅酸盐水泥10份、矿渣粉20份、粉煤灰15份、硅灰5份、纳米碳酸钙5份、羟丙基甲基纤维素0.01份混合，所述液态分散剂折固掺量为1%。

7.一种地下作业中超高温涌水治理的施工方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：测量：涌水位置的涌水温度，当涌水温度等于或高于60℃时，判定为超高温涌水，并进一步测量单位时间内的涌水量；当涌水温度低于60℃时，判定为常温涌水，停止本施工方法，改用常温涌水治理的施工方法；

S2：配料：根据涌水温度，在如权利要求1-6中任一项所述的用于地下作业中超高温涌水治理的注浆材料的配方范围内确定配料方案，并且配料过程中搅拌的转速不低于200r/min；根据单位时间内的涌水量，确定注浆作业所需注浆流速；根据注浆流速以及配料方案对应的预估初凝时长确定配料总量；

S3：注浆：开始向涌水位置内注浆，当涌水口出现反压时，停止注浆。

8.根据权利要求7所述的施工方法，其特征在于，所述注浆流速为单位时间内的涌水量的3倍以上。