DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2019.03.024
全风化花岗岩富水地层注浆治理研究与应用
齐延海，李术才，李召峰，张庆松，杨磊，张健，林荣峰，王凯
(山东大学 岩土与结构工程研究中心，山东 济南，250061)
摘要：研究不同水压条件下疏水降压对全风化花岗岩富水地层注浆模拟加固效果的影响，分析1 MPa水压条件下土体中浆脉分布及被注试样抗压、抗崩解特性规律，并将研究结果应用于广西岑水高速均昌隧道地下工程建设中，建立基于地层密度、含水率、颗粒级配、富水区水压等信息特征的理想疏水降压判据。研究结果表明：在不同水压条件下，随着疏水降压的增大，注浆量增多，浆脉呈现由局部细小构型过渡到复杂分支-网络构型再到单一粗大或平行构型的分布特点；土体压密区试样的抗压强度及水稳特性均随着疏水降压的增大而增高，与疏水降压呈正相关关系；当疏水降压为30%时，分支-网络型浆脉对土体起到压密和骨架支撑双重挤密作用，大幅度提高压密区试样抗压强度及水稳特性的增长速率。
关键词：疏水降压技术；注浆模型试验；全风化花岗岩；富水地层；工程应用
中图分类号：U45 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2019)03-0694-10
Study and application of grouting governing of completely weathered granite in water-rich stratum
QI Yanhai, LI Shucai, LI Zhaofeng, ZHANG Qingsong, YANG Lei, ZHANG Jian, LIN Rongfeng, WANG Kai
(Geotechnical and Structural Engineering Research Center, Shandong University, Jinan 250061, China)
Abstract: The influences of hydrophobic pressure drop on the simulation reinforcement effect of water-rich strata of fully weathered granite under different water pressure conditions were studied. The distribution of the slurry veins, the compressive and anti-disintegration characteristics of the grouted samples were analyzed under water pressure of 1 MPa. Furthermore, the results were applied to Junchang tunnel of Censhui expressway in Guangxi, and the criterion of ideal hydrophobic depressurization based on stratum density, water content, grain grading and water pressure in rich water areas was established. The results show that, under different water pressures, the amount of grouting increases with the increase of hydrophobic depressurization. The slurry veins transform from local small configuration to complex branch-network configuration to single bulky or parallel configuration. The compressive strength and the water stability characteristics of the sample in the compacted area of the soil increase with the increase of the hydrophobic depressurization, which is positively correlated with the hydrophobic depressurization. When the hydrophobic depressurization is 30%, branch-network slurry veins have soil pressure and skeleton support double compaction effect on soil, the compressive strength and water stability properties of pressure area sample improve greatly.
Key words: hydrophobic depressurization; grouting model test; completely weathered granite; water-rich stratum; engineering application
进入21世纪后，我国地下工程建设进入高速发展时期，一大批铁路公路交通、水利水电、国家战略防护等地下工程建设向地质条件极端复杂的中西部山区延伸[1]。然而，我国西南、东南等地区地质情况复杂，地层软弱松散，断层破碎带隐伏其中，地下工程建设困难，给工程安全建设和区域环境造成了严重影响[2-3]。花岗岩作为一种常见地层，多分布在桂东南、粤、闽及湘南等地，受湿热气候及多雨环境等多重因素的影响，风化程度较高，在地下工程建设过程中极易诱发围岩坍塌、突水突泥等地质灾害[4-8]。针对全风化花岗岩自稳能力差、遇水泥化等特点，国内外相关学者对全风化花岗岩的注浆治理进行了一系列研究，以提高全风化花岗岩的自稳及水稳能力。MASUMOTO等[9]利用注浆的方法对黏土夹层的风化花岗岩开挖损伤区进行加固治理，并通过现场试验验证了注浆效果有效性。YUN等[10]以风化花岗岩为研究对象，通过理论分析的方法对压滤注浆扩散现象及多种注浆方式的起劈压力、扩散半径及浆脉宽度的公式进行理论解释及推导，并通过注浆模拟试验的方式对上述公式、理论进行了验证。王凯等[11]针对全风化花岗岩地层遇水泥化等特性设计注浆加固模拟试验，研究了注浆压力对全风化花岗岩地层强度特性和水理特性的影响机制。崔红琴[12]针对富水浅埋的全风化花岗岩地层采用袖阀管注浆和井点降水预加固的方法有效阻止了变形坍塌事故发生，并对全风化花岗岩变形规律进行系统总结，提出了防控措施。李蓉等[13]以厦门翔安海底隧道全强风化花岗岩为研究对象，对注浆参数、注浆材料、注浆工艺等进行了可行性研究，并针对地层特点提出了注浆方案。张顶立等[14]利用复合注浆技术对强风化花岗岩地层进行注浆堵水加固，解决围岩的强度、渗透和稳定性问题。袁敬强等[15]对不同水泥浆液填充率全风化花岗岩试样开展了三轴、渗透及湿化试验，对科学评价该地层注浆效果具有重要的指导意义。刘金泉等[16]通过自主设计的试样制备及抗冲刷试验装置，对注浆加固体颗粒流失与抗冲特性进行了试验研究，提出注浆量的计算方法及含水量分区治理的原则。对于全风化花岗岩地层的研究多集中在被注土体浆脉分布情况及注浆后土体物理力学性质变化等方面，而缺乏对强富水、高水压的地层条件的研究，尤其在保证围岩安全稳定前提下，对富水地层的高效加固的研究较少。本文作者在已有研究成果的基础上[15, 17-18]，以全风化花岗岩富水地层为研究对象，通过室内试验方法分析了疏水降压对全风化花岗岩富水地层注浆加固效果的作用规律，并将研究结果应用于广西岑水高速均昌隧道背景工程中，取得了良好的效果，为类似注浆治理工程提供了一定的理论指导。
1 实验
1.1 实验材料及方法
1.1.1 研究对象
以广西均昌隧道右洞CK7+830位置掌子面全风化花岗岩核心土为研究对象，通过室内模型试验的方法模拟全风化花岗岩富水地层，开展注浆加固试验研究。测试土样干密度、含水率及抗压强度分别为1.75 g/cm3，13.5%和0.21 MPa。土样颗粒级配情况如图1所示。
图1 全风化花岗岩颗粒级配曲线
Fig. 1 Gradation curve of completely weathered granite
1.1.2 注浆材料
选用浆液类型为水泥-水玻璃双液浆(C-S双液浆)，水泥、水玻璃体积比为1:1。水泥为广西润丰水泥厂生产普通硅酸盐水泥(P.O.42.5)，水玻璃规格为波美度Be′=35，模数M=3.3。水泥-水玻璃双液浆的基本物理力学性能测试结果如表1所示。
表1 水泥-水玻璃双液浆物理力学性能
Table 1 Physical and mechanical properties of cement-sodium silicate slurry
1.1.3 注浆工艺
由于全风化花岗岩地层围岩稳定性差，抗扰动性能弱，钻孔塌孔、钻杆掩埋严重，一次性长距离钻孔成孔率低，因此，本文根据类似地层研究成果及相关工程治理经验[19]，拟采用前进式分段注浆工艺，对不同疏水降压条件下的全风化花岗岩地层开展注浆模拟试验研究。
1.2 模拟系统
基于山东大学自主研发的三维注浆模拟试验系 统[20-21]，并结合相关学者已有研究成果，开展注浆模拟试验。注浆模拟试验系统主要由试验主体装置、水压-水量供给系统和注浆控制系统3部分构成，如图2所示。
1.2.1 试验主体装置
为模拟地下工程中近端注浆加固、远端含水层隐匿分布的地质特点，试验主体装置设计为“顶部供水、底部注浆”，试验主体装置基本参数见表2。
表2 试验主体装置基本参数
Table 2 Parameters of test device
试验主体装置自上至下分为4个结构单元，每个结构单元均为环形双开分离式结构，能够满足注浆加固体开挖取样的要求；最上层结构单元中部设有6个排水孔，在注浆过程中可起到疏水降压作用；排水孔均匀分布在结构单元周围，保证诱导注浆加固效果的均一性，排水孔分布如图3所示。底面封板均布设透水微孔，以“顶部注水、底部渗水”为标准对全风化花岗岩地层富水条件进行模拟。
1.2.2 水压-水量供给系统
水压-水量供给系统由储水桶、水泵补给设备、空气压缩机、稳压供水腔和水量输出装置构成。在空气压缩机作用下，稳压供水腔初始压力为1.0 MPa，可调压力范围为0~1.7 MPa。水量输出装置包括耐压管路和稳压花洒，其中，稳压花洒为直径×长度为110 cm×5 cm的圆柱形密封结构，底部环状均布内径0.5 cm的洒水孔，达到模拟被注介质均匀遇水承压的目的。
1.2.3 注浆系统
注浆系统在注浆过程中具有提供动力和输送浆液的作用，主要由浆液搅拌装置、双液高速注浆泵、浆液输送装置和压力监测装置4部分组成。浆液搅拌装置由浆液搅拌桶、高密度电子秤和浆液电动搅拌器组成。浆液电动搅拌器为六档手持式调速装置，最大转速为800 r/min，实现对浆液的充分搅拌。双液高速注浆泵采用葫芦岛注浆泵厂生产的2TG-60/210型双液高压注浆泵。浆液输送装置由高压注浆管路和注浆管头组成，高压注浆管使用内径15 mm的耐高压橡胶钢丝管，最大耐压量为12 MPa；注浆管头压制在注浆管路两段，实现与试验主体装置快速对接。
1.3 试验方法
将隧道开挖土体以原状土的干密度、含水率及颗粒级配为控制标准进行重塑和填筑；填筑过程中采用分层夯实的方法，保证土体均匀。试验排水条件如表3所示。在被注介质达到富水条件下，将稳压腔体压力按调至疏水终压，同时打开排水孔阀门进行疏水引流操作并封堵底部透水微孔。
图2 注浆系统示意图
Fig. 2 Schematic diagram of grouting system
图3 排水孔位置分布图
Fig. 3 Diagram of drain holes on the top floor
表3 试验排水条件
Table 3 Drainage condition of test
试验采用前进式四序次分段注浆工艺，每序次前进15 cm，浆液颜色依次为红色、原色、绿色、蓝色，注浆速率控制为8 L/min，注浆终压为1.6 MPa。当30 s内压力回落小于0.1 MPa时注浆结束，间隔5 min后进行下一序次注浆段的注浆并记录注浆总量。注浆终止后，将试验主体装置静置5 min，随后对不同疏水降压条件下的注浆效果进行定量分析。
2 实验结果与讨论
为便于对比分析，减小模型边界对实验效果的影响，实验取样主要集中于被注介质压密区域。取样规则如下：在取样半径r为距离中心30 cm处，即r=30 cm，钻孔深度z以距底15 cm为起点，每序次相隔15 cm，即z为15, 30, 45, 60, 75 和90 cm；同理，在钻孔深度z为40 cm和80 cm处，分别取r为15，30和45 cm处试样。
2.1 浆脉扩散模式分析
疏水降压为0和20%时z为30 cm和60 cm截面浆脉分布如图4所示。在疏水降压为0时，注浆量少，为3.9 kg，劈裂浆脉在扩散过程中无明显指向性，且随着钻孔深度的增加，浆脉数呈下降的趋势；当疏水降压为20%时，注浆量增加到6.9 kg，浆脉呈单一分支和细小网络2种构形，与疏水降压0时相比，浆脉厚度增加且分布范围变广，诱导注浆效果显著。
当疏水降压为30%时，注浆量增大到9.3 kg；与疏水降压20%时相比，土体中次生浆脉宽度及加固范围进一步增大，在土体局部位置形成网络交叉的复杂结构，从宏观上产生“加筋交联”作用，起到浆液压密和骨架支撑的双重挤密作用，大幅增加土体颗粒间的挤密程度和黏结性能。
当疏水降压增大至40%时，土体内部的微小裂隙或薄弱面增大、增多，注浆量随之增多，达11.2 kg；随着疏水降压的升高，土体受浆液挤密程度增大，抵抗破坏的能力显著提高，与疏水降压30%相比，土体整体抗压强度进一步提高。
疏水降压分别为30%和40%时z为30 cm和60 cm截面浆脉分布如图5所示。
图4 疏水降压分别为0和20%时z=30 cm和60 cm截面浆脉分布
Fig. 4 Grouting vein with hydrophobic depressurization of 0 and 20% at z=30 cm, 60 cm
图5 疏水降压分别为30%和40%时z=30 cm和60 cm截面浆脉分布
Fig. 5 Grouting vein with hydrophobic depressurization of 30% and 40% at z=30 cm, 60 cm
在疏水降压条件下，土层内部微小土体颗粒受疏水降压作用随土体内部自由水渗滤排出，并在土体内部形成具有一定指向性的微小裂隙或薄弱面，对注浆加固具有一定的诱导作用，且随着疏水降压的增加诱导作用显著；在注浆过程中，浆液首先对土层中的微小裂隙或薄弱面进行填充挤密，浆脉对劈裂通道两侧进行压密过程中，进一步增大了土体内部自由水受疏水降压作用而发生渗流方向的裂隙宽度，促使浆液沿内部渗流水流动方向(即起劈压力较小的方向)进行劈裂扩散。浆脉扩散形态受疏水降压的影响，随着疏水降压的增加，土体内部浆脉分布呈现由局部细小构型过渡到复杂分支-网络构型再到单一粗大或平行构型的分布特点，疏水降压诱导注浆理论如图6所示。
2.2 加固体抗压特性分析
对注浆加固体压密区试样进行单轴抗压试验，结果如图7所示。由图7可知：在不同疏水降压条件下，r=30 cm处，随着钻孔深度的增加，压密区试样的抗压强度呈现下降趋势，且比疏水降压为0时的大，抗压强度增幅为16.0%~51.2%，被注介质颗粒密实度进一步提高，这说明疏水降压方法对全风化花岗岩富水地层的注浆加固起到良好的促进作用。从图7还可以看出：在不同钻孔深度截面中，土体抗压强度均随着疏水降压的增大而增高，与疏水降压呈正相关关系，疏水降压为40%时，压密区试样抗压强度达到最大；此外，当疏水降压为30%时，土体试样的抗压强度提升速率最大，并显著高于其他疏水降压条件下的抗压强度，疏水降压为40%时压密区试样抗压强度虽然高于其他条件下的抗压强度，但强度增进率低，这说明疏水降压超过30%后，疏水降压的增加对注浆效果的提升作用开始减弱。这是由于随着疏水降压量的增加，土体受浆液挤密作用增加，颗粒之间的挤密程度增大，较原状土抗压强度持续增高；在疏水降压30%条件下，土体受浆液挤密程度增率比疏水降压20%时的高，疏水降压40%时土体受浆液挤密作用进一步增强，但受土体总孔隙率的限制，土体挤密程度增率比疏水降压30%时的小。因此，结合工程实际施工，从施工安全性及可行性、钻孔工程量、注浆加固效果提升等方面综合考虑，当疏水降压为30%时，土体抗压强度最优。
图6 疏水降压诱导注浆理论图
Fig. 6 Schematic diagram of hydrophobic pressure induced grouting theory
2.3 加固体水稳特性分析
根据前期崩解试验经验，为了量化土体介质的崩解速率，本文以崩解率达到90%所用的时间作为有效崩解时间(Td)。不同钻孔深度下r=30 cm处的注浆加固体压密区试样有效崩解时间见图8。
图7 r=30 cm试样抗压强度随钻孔深度及疏水降压变化规律
Fig. 7 Change of uniaxial compressive strength with drilling depth and hydrophobic depressurization at r=30 cm
图8所示为不同钻孔深度下r=30 cm处试样有效崩解时间。从图8可以看出：有效崩解时间与疏水降压成正比，与钻孔深度成反比。在疏水降压30%条件下，试样有效崩解时间增速最大；疏水降压超过30%时，有效崩解时间增速减小。这是因为：当疏水降压为30%时，浆脉在土体中呈现单一粗大与网络交叉2种构形，对土体形成浆脉压密和骨架支撑双重作用，提高土体颗粒之间的紧密程度，减少颗粒之间的孔隙率，大幅提高土体水稳特性；当疏水降压为40%时，注浆量增加，浆脉宽度增大，对土体压密作用增加，土体水稳特性增强，但增速较疏水降压30%时略有降低，与图7中抗压强度变化规律相似。
钻孔深度z=60 cm截面不同径向加固距离试样的崩解曲线如图9所示。从图9可见：z=60 cm截面试样有效崩解时间与疏水降压成正比，与径向加固距离成反比；在r=15 cm处，土体中的浆脉宽度随着疏水降压的增加而增大，土体受挤密程度增大，土体颗粒黏结程度升高，水稳定特性增强；在r=45 cm处，土体中浆脉分布较少，土体受挤密作用较弱，水稳特性较r=15 cm处的差。从图9还可以看出：当疏水降压为30%时，网络型分支浆脉可大幅提高被注土体均匀程度，较高程度提升了被注土体的水稳特性。
图8 不同钻孔深度下r=30 cm处试样的有效崩解时间Td
Fig. 8 Effective disintegration time at r=30 cm and different drilling depths
图9 z=60 cm截面不同径向加固距离试样的崩解曲线
Fig. 9 Curve of slake durability test in different radial directions at section of z=60 cm
2.4 不同水压环境的模拟试验
以上述实验流程为基准，通过调节稳压供水腔内部压力，模拟地下水压为0.5 MPa和1.5 MPa时疏水降压试验，主要试验参数如表4所示。
对不同地下水环境下的全风化花岗岩地层进行疏水降压注浆模拟试验，并对土体在不同疏水降压条件下的浆脉扩散模式、力学特性及水稳特性进行分析，研究结果表明，地下水压为0.5 MPa和1.5 MPa时的规律变化均与水压为1 MPa时的相同。以大幅增加土体抗压强度和水稳能力及减少工程成本、降低施工难度、增加安全系数等因素作为判据，不同水压环境下的最优疏水降压均为30%。对于全风化花岗岩富水地层，采用疏水降压技术进行诱导注浆，可以有效提高治理效率，保证治理效果。
表4 不同水压环境下的注浆试验参数
Table 4 Grouting test data under different hydraulic pressures
3 工程应用
3.1 工程简介
广西岑水高速均昌隧道作为广西最长的高速公路隧道，是岑溪至水汶高速公路(简称岑水高速)的控制性工程。隧道两段分别是北东、南东向的容县至岑溪断层及大隆至水汶断层，地处构造相对发育区，岩体节理、裂隙较发育，局部岩体较破碎至破碎。地表植被较发育，主要为第四系残坡积层覆盖，局部有风化混合岩露出。
由于均昌隧道穿越全、强风化花岗岩等软弱地层，施工单位在隧道施工期间遭遇了多次严重的突水、突泥地质灾害，揭露单点最大涌水量达400 m3/h，最大水压为1.5 MPa，严重影响隧道正常施工。均昌隧道右洞第二循环里程为CK7+840~857，因前方地层富水区域大、水压高，在帷幕注浆加固过程中常发生压力升高快、注浆量少等现象，注浆加固效果差，无法满足隧道开挖条件。
3.2 疏水降压方案设计原理及实施
3.2.1 地质探测分析及泄水区选择
进口右洞第一循环注浆钻孔揭示隧道围岩水文地质条件极其复杂，具有水量大、富水区集中、围岩结构松散软弱的特点。根据以往工程经验，规定涌水量为1.0~10.0 m3/h区间的含水地层为富水地层，涌水量小于1.0 m3/h的含水层为含水区，大于10.0 m3/h的地层称为强富水地层。帷幕范围集中富水区的分布如图10所示。
利用瞬变电磁法在进口右洞CK7+818.5掌子面处对隧道前方围岩(探测里程CK7+818.5-878.5 m)分别向左偏角30°、向前和向右偏角30°共3个方向进行探测，探测结果如图11所示。
基于第一循环超长钻孔揭露的水文地质信息及右洞第二循环地球物理探查结果，确定掌子面前方集中富水区域位置，位于CK7+845~878.5里程段的隧道左右拱脚底部包含中间连通区间的整片区域。考虑到右洞第二循环里程为CK7+840~857，因此将CK7+ 857~878里程段开挖轮廓线外的区域作为泄水孔的终孔位置区间，对泄水钻孔进行设计。
图10 第一循环帷幕注浆钻孔揭露的围岩富水区分布图
Fig. 10 Distribution of surrounding rock water-rich area revealed by the first cycle curtain grouting
图11 瞬变电磁探测结果
Fig. 11 Results of transient electromagnetic detection
3.2.2 泄水孔设计原则及诱导注浆原理
泄水孔设计钻孔采用富水区整体均布的原则，重点对大涌水点位置加密布设，同时，为减小对注浆加固区围岩的弱化，泄水孔终孔位置尽量接近加固圈或位于加固圈外。通过探测富水集中区水压为1.0 MPa，
按照疏水降压30%计算，通过钻入泄水孔的方式将水压降为0.7 MPa时，注浆效果满足工程需求。根据前期水文地质资料分析，在进口右洞止浆墙处向前方集中富水区内设计了均匀分布的泄水孔F-1~F-8。泄水孔设计及疏水降压诱导注浆原理如图12所示。
3.3 诱导注浆效果评价
注浆效果检验是评价注浆加固效果的依据，针对泄水诱导复合注浆技术加固的帷幕治理区围岩，通过钻孔注浆过程中的p-t曲线及开挖面围岩稳定性两方面对泄水诱导注浆效果进行评价。
3.3.1 p-t曲线分析法
在泄水孔注浆封堵过程中，通过对注浆施工过程中所记录的注浆压力p、注浆流量q进行p-t和q-t曲线绘制，结合地质特征、注浆参数等对p-q-t曲线进行分析，从而对疏水降压注浆效果进行评判。代表性泄水孔F-1，F-3，F-8的p-t曲线如图13所示。随着注浆施工的进行，p-t曲线升速逐渐提高，在6 min后，注浆压力急剧上升，符合注浆加固要求。
3.3.2 围岩稳定性分析
开挖掌子面干燥、密实，具有较强的自稳能力；在被注岩土体介质中形成大量延展性好的主干浆脉及分支浆脉；分支浆脉与主浆脉形成纵横交错的浆脉骨架，密布于整个开挖轮廓线内。开挖面情况见图14。
图12 泄水孔布置断面及疏水降压诱导注浆原理图
Fig. 12 Cross-section diagram of drainage holes and schematic diagram of hydrophobic depressurization induced grouting
图13 泄水孔p-t曲线
Fig.13 p-t graphs of drainage holes
图14 注浆后开挖面情况
Fig. 14 Surface condition after grouting
4 结论
1) 疏水降压作用对全风化花岗岩富水地层中浆脉扩展具有明显的诱导作用，随着疏水降压的升高，注浆量逐渐增加；当疏水降压为20%时，浆脉呈现小范围的单一及网路细小构型，当疏水降压为30%时浆脉构型以分支型和网络型为主，浆脉分布范围广，当疏水降压为40%时浆脉多为粗长型及平行型，增强了土体的压密效果，因此，在实际工程应用中，采用富水区整体均布、大涌水点位置加密布设的方法可有效降低水压、提升注浆加固效果。
2) 土体压密区试样的抗压强度及水稳特性随着疏水降压量的增大表现出升高的变化规律，与疏水降压为20%和40%时相比，疏水降压为30%时试样的抗压强度增率及有效崩解时间增率最大，抗压强度及水稳能力较原状土样大幅增强，满足加固要求，且在工程应用方面节约了注浆材料、降低了施工难度、增加 了安全系数，因此，疏水降压最优值为30%。
3) 以工程应用为目的，基于全风化花岗岩密度、含水率、颗粒级配、富水区水压等信息特征，通过室内模型试验模拟富水地层的方法，建立了全风化花岗岩富水地层注浆加固的疏水降压判据。疏水降压30%用于指导广西岑水高速均昌隧道右洞第二循环治理工程，疏水降压诱导注浆技术在全风化花岗岩富水地层注浆加固具有可行性，进一步验证了试验结论的正确性。
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(编辑 赵俊)
收稿日期：2018-07-14；修回日期：2018-09-10
基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(51709158，51509146)；山东大学基本科研业务费专项资助项目(2016GN027) (Projects (51709158, 51509146) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(2016GN027) supported by the Fundamental Research Funds of Shandong University)
通信作者：李召峰，博士，讲师，从事地下工程灾害防治及注浆材料研究；E-mail：lizf@sdu.edu.cn
