王宗海

(喀左县水利局，辽宁 朝阳 122300)

1 工程背景

某输水工程是辽宁省实施的国家重点输水工程，对解决辽宁省西北部的工业和生活用水安全问题具有十分重要的意义和作用[1]。该工程输水隧洞二标段穿越河谷地段埋深较浅，且河谷段存在厚度较大的淤泥沉积层，厚度一般在9～25m。因此，隧洞拱顶部位直接揭露第四系砂砾石土等，呈现出松散-稍密状态，存在强度低、压缩性高、灵敏度高、触变性高的特点[2]。因此，隧洞拱顶上部地层的自稳能力和抗震能力差，严重制约开挖进尺和速度，同时还存在一定的施工安全隐患。针对该洞段的地质情况，拟采用全断面超前注浆加固方案，同时在施工中做好止水工作，确保开挖施工安全[3]。从注浆加固施工来看，由于研究洞段拱顶上方地层在砂砾石土，因此注浆扩散以劈裂为主，对注浆施工技术存在较高的要求[4]。因此，对注浆方案和参数进行和合理和优化设计就显得尤为必要，不仅要保证注浆胶结体具有一定的强度，还需要严格控制注浆施工参数，防止地表隆起、跑浆[5]。基于此，此次研究通过室内试验的方式，探讨水灰比、孔隙率和龄期等参数对水泥-砂砾石土注浆胶结体强度的影响，以便为注浆施工设计提供有益的借鉴和参考。

2 试验材料和方法

2.1 试验材料与设备

试验中选用的水泥为本溪市宏盛建材有限公司出品的P.O42.5普通硅酸盐水泥；试验材料为工程现场采集的砂砾石土，其孔隙率采用压实度进行调节，以达到试验方案的设计要求；试验用水为普通自来水。

为了制作符合试验方案要求的水泥-砂砾石土胶结体试件，试验中设计了一套室内注浆模拟试验系统[6]。该系统主要由3部分组成，分别是空压机、浆液储存罐以及注浆箱。其中，注浆箱为长、宽、高分别为15、15、45cm的长方体铁箱。注浆箱的四周使用槽钢固定，以保证注浆过程中的稳定性[7]。在注浆箱中填充不同孔隙率的砂砾石土作为注浆试验的介质[8]。在箱体的正中部位埋设注浆管。为了保证注浆压力的恒定，试验中通过空气压缩机为注浆试验提供动力，其可以提供的最大空气压力为3MPa，且气压可以通过气压调节阀进行调节，精度为0.1MPa，完全可以满足试验要求。浆液储存罐为直径240mm、高300mm的圆柱形罐体。罐体的底部有进气孔和出浆孔，分别与空气压缩机和注浆管连接，在浆液储存罐的上方安装由压力表，可以显示注浆压力。注浆试验系统的结构如图1所示。

图1 试验系统结构示意图

2.2 试验方案

在试验过程中，选择砂砾石土的孔隙率、水灰比以及龄期作为主要变量，研究其对水泥-砂砾石土胶结体力学性能的影响[9]。其中，水泥浆液的水灰比会直接影响胶结体中游离水的含量，从而对水泥-砂砾石土胶结体的力学性能产生显著影响[10]。结合相关工程经验，试验研究中选择0.8、1.0、1.2三种不同的水灰比进行试验；结合现场勘勘查资料，研究洞段地层砂砾石土的孔隙率范围为0.22～0.32，因此在试验中选择设计了0.2、0.25、0.30三种不同的砂砾石土孔隙率。龄期也是水泥-砂砾石土胶结体强度的重要影响因素，随着胶结体龄期的增加，水泥会持续进行水解反应和水化反应[11]。结合相关工程经验，注浆加固过程中胶结体的强度会在14d之后逐渐趋于稳定，因此在此次试验中选择3、7、14d三种不同的龄期，研究水泥-砂砾石土胶结体强度随龄期变化规律。

2.3 试验方法

利用上节提供的注浆设备，制作不同试验方案下的水泥-砂砾石土胶结体试件，每种方案的试件制作3块。在制作过程中首先需要配置3L水泥浆液，在配制好之后将其注入试验系统的浆液储存罐中。调节空气压缩机上的气压调节阀门，打开注浆管路上的烦闷进行注浆操作，当水泥浆液达到注浆箱的边界时关闭烦闷停止注浆。将注浆箱在自然条件下静置24h脱模，然后将其切割为3块棱长15cm的胶结体试块，将试块统一编号后放入标准养护室养护至规定龄期。将养护至试验方案规定龄期的试块取出，对其进行单轴试验抗压，获取其抗压强度值，并将每组试验方案的3个试块的试验结果均值作为该方案的最终试验结果。

3 试验结果与分析

3.1 试验结果

按照上节的试验方法进行不同方案下的水泥-砂砾石土胶结体的强度进行试验，并将每组3个试块的试验结果均值作为该方案的试验结果，最终获得表1的各方案胶结体强度。由表中的结果可以看出，不同孔隙率、水灰比和龄期的试块抗压强度值存在比较明显的差异，说明上述3个因素对水泥-砂砾石土胶结体抗压强度存在显著的影响。

表1 各方案水泥-砂砾石土胶结体抗压强度试验结果

3.2 水灰比的影响分析

利用上节的试验结果数据，绘制出不同龄期、不同孔隙率条件下，试块抗压强度随水灰比的变化曲线，结果如图2所示。由图可以看出，水灰比是影响水泥-砂砾石土胶结体抗压强度的重要因素。在不同龄期下，水泥-砂砾石土胶结体抗压强度随着水灰比的增大而减小，说明较小的水灰比有助于提高胶结体的抗压强度。从不同的龄期的试验结果来看，在3d和7d龄期下，随着水灰比的增大，胶结体的抗压强度呈现出线性减小的变化特点，而在14d龄期下，胶结体的抗压强度先缓慢下降，后急剧减小。显然，水灰比越小，需要的水泥材料就越多，从而不利于工程经济性的发挥。因此，在具体的注浆施工过程中，建议选择1.0的水灰比。另一方面，由于在3d和7d龄期，胶结体的抗压强度受水灰比影响较大，因此建议在工期允许的情况下，尽量延后注浆加固后的开挖施工。

图2 试块抗压强度随水灰比变化曲线

3.3 孔隙率的影响分析

由图2可以看出，孔隙率也是影响水泥-砂砾石土胶结体强度的重要因素。在其他条件相同的情况下，水泥-砂砾石土胶结体的抗压强度随着孔隙率的增大而减小，也就是说，砂砾石土的孔隙率越大，胶结体的抗压强度值越小，孔隙率越小，胶结体的抗压强度值越大。但是，从具体的计算数据来看，在其他条件相同的情况下，不同孔隙率的水泥-砂砾石土胶结体抗压强度值相对比较接近。由此可见，孔隙率虽然会对水泥-砂砾石土胶结体的抗压强度存在影响，但是影响并不明显，不是胶结体强度的主要影响因素。当然，在具体施工过程中仍应该考虑施工段砂砾石土的孔隙率，也就是密实程度，以调整施工参数，保证隧洞开挖的安全性。

3.4 龄期的影响

根据试验结果绘制出不同孔隙率条件下试块抗压强度随龄期的变化曲线，结果如图3所示。由图可以看出，龄期是水泥-砂砾石土胶结体抗压强度的重要影响因素，随着龄期的增长，胶结体的抗压强度呈现出不断增长的变化特征。从具体的试验结果来看，胶结体的抗压强度在前7d增长十分迅速，之后增长逐步趋于缓慢。究其原因，主要是水泥的水化和水解反应会生成大量的晶体和胶体材料，使胶结体的强度大幅提高，在7d龄期之后，由于水解和水化反应趋缓，因此抗压强度值增长趋缓。此外，在14d龄期条件下，胶结体的抗压强度值在7.81～13.42MPa之间，变化范围相对较大。因此，在具体工程设计中可以结合施工要求选择合适的施工技术参数，在保证工程稳定的基础上寻求经济性能的最大化。

图3 试块抗压强度随龄期变化曲线

4 结语

围岩注浆加固是浅埋地下洞室施工中的重要工程技术手段，对保证工程的施工和运行安全具有重要意义。此次研究通过室内试验的方式，探讨了隧洞围岩注浆加固工程施工中水泥-砂砾石土胶结体抗压强度变化规律，并提出了具体的施工建议，对类似工程的施工设计和建设具有重要的支持和借鉴意义。当然，围岩注浆加固效果的影响因素较多，在后续的研究中仍需要对其他因素的影响进行研究和探讨。另一方面，施工工艺的理论研究和最终的工程实践之间尚存在一定的距离和偏差，在实际应用过程中仍许多问题亟待解决，因而需要结合工程的施工实际解决一些技术层面的具体问题。