裂隙岩体注浆技术探讨

浅析裂隙岩体注浆技术

师长贺

中交一公局第二工程有限公司（环山北路项目）

【摘要】在岩土工程实践中经常会遇到一些经过多次地质构造运动使应力场变得复杂,并且破坏了完整性和连续性的岩体。岩体产生了许多裂隙、节理和断层。在许多实际工程中,往往由于节理裂隙形成了连续的破断面,一旦被黏土矿物充填或挤压破碎之后,就可能形成力学性能最差的软弱夹层和破碎带,同时在这类岩层中有时候还富含压力水或承压水。因此,这类岩土工程的稳定性受到威胁,在这种情况下,就必须对岩体进行加固与封堵水。对大范围受压力水威胁的岩体或破碎岩体,通常的锚固往往起不到很好的效果,而注浆则是一种切实可行的、长期稳定的岩体加固与封堵水的措施。

【关键字】隧道富水全风化岩体注浆支护止水

1前言

隧道施工中由于围岩不稳定性对施工存在着安全风险，因此在隧道施工中结合工程自身特点确定方案与措施，由于复杂的地层条件和施工工程的隐蔽性,现本文具体就温州市环山北路龙湾段道路工程项目大罗山隧道围岩不稳定地段进行分析。浅析裂隙岩体注浆技术。

2工程简介

大罗山隧道为全国首条采用新奥法施工的双层卵形结构隧道，隧道左洞全长1360米、右洞1430米，其上层设置为三车道机动车道，下层为非机动车道和人行道，衬砌内轮廓采用四心圆卵形曲边墙结构。该隧道洞口段地质条件十分复杂，开挖状态易坍塌，隧道围岩为全-中风化含角砾晶屑熔结凝灰岩,节理裂隙发育，围岩无自稳能力。同时该段岩层中有时候还富含压力水或承压水。因此通过注浆达到切实可行的、长期稳定的岩体加固与封堵水的效果。

3岩体注浆基本理论

由于复杂的地层条件和施工工程的隐蔽性,注浆介质和注浆工艺难以模拟，本工程主要研究渗透型注浆及劈裂式注浆。渗透注浆是指在压力作用下使浆液充填土的孔隙和岩石的裂隙,排挤出孔隙中的自由水和气体,而基本上不改变原来的岩体或土体的结构和体积,所用注浆压力较小。这类注浆一般只适用于中砂以上的砂性土和有裂隙的岩石。劈裂注浆是指在压力作用下,浆液克服地层的初始应力和抗拉强度,引起岩石和土体的破坏和扰动,使其沿垂直于最小主应力面上发生劈裂，使地层中原有的裂隙或孔隙、浆液的可灌性和扩散性增大，而所用的注浆压力相对较高，达到稳固围岩的效果。

3.1渗透型注浆

对于渗透浆液,浆材颗粒尺寸dc必须小于被注介质缝隙或孔隙尺寸Dp,也就是说必须满足浆材对孔隙的尺寸效应,即

R=Dp/dc>1

式中,R为净空比,为考虑颗粒堵塞作用的附加影响,在施工控制时要求:R=Dp/dc/3。

3.2劈裂注浆

采用劈裂注浆方式进行注浆时，劈裂现象首先会发生在岩土体中垂直于最小主应力的平面上。当流量与水头呈线性关系时，水在裂隙中呈层流状态岩土体中未发生水力劈裂；当流量与水头呈平方根函数时,渗流呈紊流状态裂隙中发生阻塞或裂隙中充填料被压密，流量增长高于水头增长时，表明渗流断面已被扩大，这时岩土体被劈裂。

吸渗反应定理。化学浆液对低渗透介质的渗透,主要不是由于压渗作用而是浆液对岩土的润湿能力和亲和能力,也就是吸湿作用。浆液对岩土的润湿性以其接触角H来表示。即

cosH= Rs-Rsl /Rl

式中 Rs:岩土表面张力; Rl:浆液的表面张力;Rsl:浆-固界面张力。如果H<90b,浆液是岩土的润

湿相,有吸湿作用;如果H\90b,则无吸湿作用,浆液必须借助压力才能注入。但是,由于黏附功W=Rl(1+cosH)和亲和力F=RcosH,若为了获得接触角H减小,而去减小Rl值,将同时导致W、F

减小,从而损害了浆液的黏接强度和浆液内吸渗能力,结果反而对注浆不利。因此,优异的化学浆材应具有适当的表面张力和小的浆-固界面张力[1] 。(9)能量耗散定理。在软土的劈裂灌浆中,浆液在摩擦过程中要有能量消耗,只有部分能量参与土体劈裂过程,而能量消耗与振幅

和频率有关。使浆液输入能量$E=p0$V(其中p0为平均灌注压力,$V为在特定时间内所灌注的液体的体积)等于地层所储存的能量$Es(岩石和液体中的弹性应变能)和不可能恢复的能量$e(主要是对岩体的水力劈裂中以克服液体摩擦牵引和抗剪阻力中所作的功)。这就可以认为,一个可以增长的微小能量,将使浆源作用半径逐渐增大。因此,注浆速率和注浆压力在注浆过程中同样重要。2 岩体裂隙的调查与表征在注浆过程中,浆液是沿着裂隙进入到被注介质的,因此对裂隙的调查与分析是至关重要的。由于渗流实验研究方面取得了重大进展,过去因为无损探测和显示技术方面的困难,在实验研究方面渗流力学落后于其它力学分支。当前无

损细观研究可以用X射线层析成像仪(X-CT)和核磁共振成像仪(MRI或NMRl)。X-CT的工作原理是X射线透过被测物体时,其密度差异引起X射线有不同程度的衰减。由此可观察被测物

体的内部结构、多孔介质的孔隙和裂缝分布及其分形参数。MRI的功能优于X-CT。其工作原理是先获得被测物体的核磁共振信息,根据其弛豫时间的差异,再由计算机以Fourier变换重

建法等方法成像,既可检测多孔介质的结构持性(孔隙和裂缝分布、孔隙度、分形参数等),也

可检测某些物理特性和流动参数(表面湿润性、饱和度分布、流体特性变化等)以及流体与岩石间相互作用等。另外,由煤炭科学研究总院北京开采研究所开发的KSY-3000型矿用窥视仪,将其探头放入钻孔可拍摄到被测岩体的裂隙分布等参数,这对裂隙的调查提供了有利的条件。同时有研究表明,分形维数与结构面分布密集程度之间有下列关系:岩体结构面的分形维数Dc越小,结构面分布越稀疏;Dc越大结构面分布越密集,而且优势面组数越多[2] 。3 岩体注浆技术参数的确定依据311 渗透型注浆理论渗透注浆是指在压力作用下使浆液充填土的

孔隙和岩石的裂隙,排挤出孔隙中的自由水和气体,而基本上不改变原来的岩体或土体的结构和体积,所用注浆压力较小。这类注浆一般只适用于中砂以上的砂性土和有裂隙的岩石。代

表性的渗透理论有球形扩散理论、柱型扩散理论和袖套管法理论。(1)球形扩散理论,是Maag 于1938年首次以牛顿流体为基础发表的球形扩散理论,后来卡罗尔(Karol)及拉芙莱(Raffle)在各自的研究基础上建立了类似的计算公式。Karol渗透理论公式:

t=

nB3kh1r2

1

, r1=3kh1tBn