李为华

(湖南水利水电职业技术学院水利建筑工程系，湖南 长沙 410131)

经过室内试验后的浆液能否达到好的注浆效果，必须在施工现场选择具有代表性的位置进行现场注浆实验研究，以确定最优的施工材料和施工工艺，选择某高边坡作为实验浆材的试验现场.

1 地质条件

1.1 地层特性

该段地层由新至老分第四系全新统(Qh)、第四系更新统(Qp)、奥陶系中上统(O2+3)、奥陶系下统大湾组(O1d).其中奥陶系下统大湾组(O1d)为强风化瘤状灰岩，特点为紫红色，显晶质结构，中厚层状，含泥量较高，裂隙发育溶蚀现象明显.易风化，地形上多呈缓地，岩质较软，岩芯呈碎块状，岩体完整性差，揭露厚度为0.5～13.2m之间.弱风化瘤状灰岩的特点为紫红色，显晶质结构，中厚层状，含少量泥质，偶夹薄层状灰岩，溶蚀裂隙及溶洞发育均有可塑－硬塑状粘土充填.岩芯多呈柱状，岩体完整性好，该层揭露厚度为35.3m.

1.2 边坡区段工程地质特征

该边坡岩层呈单斜状构造，顺向坡岩层产状为:走向40°～60°，倾向为310°～330°，倾角在 42°～48°之间.岩层走向与路线方向相同，倾向和坡向、倾角和坡角基本一致，参见图1.

发育着的节理主要分两组，其产状分别为:走向75°，倾向 SE;倾角60°～70°，走向350°;倾向 SW，倾角70°～75°，呈X型组合，前者隙面粗糙，隙宽1～2mm，无充填物，具微张特征.后者隙面光滑，隙宽2～4mm，粘土充填，延伸距离大于前者，延伸长在几米到几十米之间.最小节理密度为6条/m，最大节理密度为1条/m，大多数节理密度在3～5条/m.

1.3 不良地质现象

不良地质现象主要有:岩堆、顺向坡、岩溶等，具体分述如下:

(1)瘤状灰岩含泥成分较高，风化差异明显，岩石脱水后，容易产生干裂而发生崩塌;此外，岩体节理裂隙发育，地下水沿节理活动，差异溶蚀现象严重.岩层结构面脆弱，岩块稳定性差，一旦形成临空面，即向低洼地带产生崩塌，而形成岩堆.

图1 边坡滑坡情况

(2)坡向与岩层倾向倾角相一致，角度在45°左右，瘤状灰岩含泥量较高，抗风化能力较差，此外两组“X”节理发育，差异风化强烈，岩层常被切割成棱形块体，开挖后沿层面容易发生滑移，对边坡稳定极为不利.图1是边坡开挖不久发生的滑坡现象.

1.4 边坡岩体力学性能参数

在上述对边坡进行工程地质水文调查过程中，对具有代表性的岩石进行取样，并根据边坡稳定性分析计算要求.对典型岩石进行了物理力学参数试验，实验项目为岩石的单轴抗压强度试验、抗拉劈裂试验、抗剪强度试验以及弱面摩擦试验，试验结果见表1、2.取样时，边坡已经大部分开挖，边坡轮廓基本出现，在开挖面选择具有代表性的岩石进行人工捡石取样.

表1 某高边坡岩石物理力学参数表

表2 某高边坡典型岩石弱面粘结力与摩擦角参数表

2 工程方案设计

2.1 施工浆材设计与制备

由于地质条件的不均匀性和复杂性，同类工程的注浆经验往往仅能作为参考，不宜直接搬用，因此为了了解注浆特性，取得必要的注浆经济技术数据，确定或修正注浆方案，使设计、施工更符合实际情况，布置更合理，地质条件复杂地区或有特殊要求的工程，应先期进行一定规模和深度的现场注浆试验，并以此试验成果作为注浆设计和施工的主要依据.

浆液在受注地层中应该具有良好的渗入性.即在一定的压力下，能注入到一定宽度的裂隙中去.通常这种要求可按照计算进行，其计算公式见式(1)［1］:

式中N－被注地层的可注比;l－裂隙宽度，mm;d95－注浆材料中颗粒级别曲线上含量为95%的粒径，mm.

如果要保证注浆切实可行，必须通过计算使得N＞5;在当N＜3时，认为浆液完全不可注.考虑到层理间裂隙开度不大为1至2mm之间，假设取N值为9.0，则要求注浆材料的细度为12～24μm，同时由于存在高液限粘土或者硅质岩胶结层，需要采用细颗粒注浆材料，以便注浆效果更好，根据实验室试验注浆原材料的选取可以得知该注浆材料粒径满足该地质条件对粒径的要求.

根据宾汉流体在岩体柱形渗透中的注浆时间的表达式(2)［2］:

式中rc－钻孔半径，cm;r1－浆液扩散半径，cm;n－岩体孔隙率;λ－始动压力梯度，MPa/m;t－注浆时间，s;Δp－钻孔压力与注浆层地下水压力之差，MPa.

根据岩石的性质分析和初步预期要达到的注浆效果，n=0.001初步选取rc=40cm，r1=100cm，λ =0.1MPa/m，Δp=0.5MPa，K=10－3cm/s，这样初步估算出的注浆时间为25min左右，所以要将浆液的凝胶时间控制在30min以上为佳.

根据浆液的实验结果与工程地质条件的分析，设计浆液的水灰比为:1:1、1:1.5、1:2;粉煤灰的掺量为25%;粘土的掺量为15%;石灰的掺量为7.5%;激发剂NaOH的掺量为3%;水玻璃(波美度35)的掺量为浆液体积:水玻璃体积=1:0.3.浆液的主要性能见表3，浆液的制备具体过程如图2，注浆试验孔采用梅花型布置，排距与孔距均为2.5m，如图3.

表3 浆液的主要性能

图2 浆液制备过程

图3 注浆试验孔平面布置图

2.2 施工设备

主要的设备有:YT—24型钻机一台;BWT—8Y液压注浆泵一台，其最大输出压力为1.5MPa;压力表两个，其最大量程为0～4MPa;立式水泥搅拌机两台，其搅浆能力为167～250L/min;水泥浆输送和回浆管各一根.

2.3 注浆施工

根据设计的目的，此次注浆试验既要解决好浆液的扩散范围，达到控制注浆的目的;同时又要把施工爆破产生的破碎岩石充填粘结;同时对层状岩层层理面间的粘土进行改良，增强层理面粘结力和水稳性.

由于地层的不均匀性，对有些注浆孔采用逐步加压的方式进行注浆，对有些注浆孔采取恒压的方式进行注浆［3－8］，具体注浆压力与注浆量的关系、注浆压力与注入率之间的关系见表4、图4和表5.

表4 注浆量与注浆压力的关系

图4 注浆量与注浆压力的关系

表5 恒压注浆压力与注浆量关

3 现场监测

3.1 现场监测的意义

(1)指导施工，预报险情:做出工程预报，确定施工对策;监视险情，安全施工.

(2)掌握工程营运中的安全状况;及时发现险情，采取相应的补救措施.

(3)校核理论，完善工程类比方法.为工程类比提供参数指标，为注浆工程设计与施工累计资料［8－10］.

3.2 现场监测内容及结果

注浆施工属于隐蔽工程，因此，质量控制主要靠施工过程的监控.传统的控制方式主要有流量控制法、压力控制法等.实际上流量和压力都是随着时间而波动的，单纯靠一个指标，即注浆量或注浆终压来控制注浆过程都是不科学的.目前，国内外已发展了注浆过程监控手段，可动态跟踪监测注浆过程流量和压力的变化.

(1)注浆中地表位移监测及注入量的确定

过高的注浆压力会劈裂地层，发生不利的变形，使浆液呈脉状过度扩散，造成浪费.在注浆过程中，需要对周围地表抬动变形和水平位移监测.事先将观察孔打入地层6米深(比注浆孔要深)，在孔中插入长铁管(10m)，将铁管下半部固紧以作为不动点，然后在铁管露出坡面部分安一根横向钢管，横向钢管升到注浆孔位置附近，再安装JMDL—2110智能数码位移计进行位移监测，防止岩层发生过大的抬动.注浆过程中必须对地表抬动连续进行观测记录，防止地层破坏.地表位移变化监测见表6.

(2)注浆过程中注浆压力与注浆量的关系

注浆过程中，必须间隔为5分钟左右记录注浆量和压力以及地表的位移情况、时间.注浆压力或注入率突然改变时，应该立即查明原因，采取相应的措施进行处理.典型的注浆压力与注浆量的关系见表4、图4.

表6 地表位移变化

3.3 注浆效果检测

注浆效果检测是评价注浆工程的主要手段.目前，国内外关于注浆效果的检测大体上通过取样试验和现场检测进行.表 7 是使用较多的几种检测方法［11，12］.

表7 注浆效果探察方法分类表

本工程采取钻孔取芯的直接检测方式进行注浆效果检测.在注浆孔中随机的钻芯取样，岩芯取样如图5.

图5 取样岩芯

从岩样中发现浆液在岩体中大致呈两种扩散，一种是沿着垂直注浆孔轴向方向的裂隙呈线状扩散，另一种是沿着层理面呈面状扩散.线状扩散的扩散半径在0.7～1.2m之间;面状扩散的扩散半径为0.7～2.0m之间.线状扩散的水泥浆液对表层垂直裂隙起粘结作用，增强表层岩体的整体性;面状扩浆液劈裂粘土充填在层面间，包裹着粘土中的砂砾.浆液和粘土之间的离子交换作用，提高了粘土的水稳性;浆液与岩层的粘结作用，提高了岩层面间的抗滑性能.

取样后将岩芯带回实验室进行分析，分析发现表层由于爆破形成的破碎岩层被浆液胶结为整体，岩层孔隙的充填率达到95%以上，充填效果很好.对岩芯进行注浆前后岩层粘结力和摩擦角的对比试验，试验结果见表8，注浆以后岩层粘结力和摩擦角分别都有较大的提高.分析结果显示该浆液对该工程具有较好的注浆效果，证明此次的注浆材料具有较好的可注性，此次注浆工程是一个成功的注浆工程.

表8 浆前后典型岩石弱面粘结力与摩擦角参数表比较

4 小结

本文对工程地质条件进行了分析，结合浆液性能，对工程进行了注浆设计;同时在试验现场进行了施工监测，通过对试验数据的分析，得出了该地质条件下注浆压力与注浆量的关系;对注浆效果、注浆半径进行了检测，对注浆前后岩体性能的改变做出了比较.试验研究表明，该浆液对该工程具有较好的注浆效果，此次注浆工程是一个成功的注浆工程.

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