DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2016.12.027
运营期渗漏水隧道注浆材料适用性
沙飞，刘人太，李术才，林春金，李召峰，刘斌，白继文
(山东大学 岩土与结构工程研究中心，山东 济南，250061)
摘要：根据运营期渗漏水隧道注浆治理对注浆材料的要求，研究普通硅酸盐水泥、水泥-水玻璃、超细水泥及聚合物水泥主要性能参数，设计开元隧道3个地质条件相似试验段，采用普通水泥、超细水泥及聚合物水泥进行现场注浆，通过雷达探测及现场工况进行注浆效果评估，结合注浆技术可行性、注浆效果及经济性，分析运营期隧道不同渗漏水条件下注浆材料适用性。研究结果表明：聚合物水泥浆液流动度、结石率及结石体强度较大，聚合物水泥浆液对含水构造渗漏水通道封堵密实；超细水泥适用于微孔隙及微裂隙渗水区域，聚合物水泥适用于裂隙密集渗漏水区或表面渗水区，普通水泥适用于空洞较大区域，水泥-水玻璃浆液适用于流量水压较大漏水区域。
关键词：运营期隧道；渗漏水病害；注浆材料；性能参数；现场试验
中图分类号：TU45 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2016)12-4163-10
Application on different types of cementitious grouts for water-leakage operational tunnels
SHA Fei, LIU Rentai, LI Shucai, LIN Chunjin, LI Zhaofeng, LIU Bin, BAI Jiwen
(Geotechnical and Structural Engineering Research Center, Shandong University, Jinan 250061, China)
Abstract: The main performance parameters of four types of cement-based grouts for operational tunnels were studied based on the grouting requirements for grouts in water-leakage operational tunnels. The Kaiyuan Tunnel situ-tests with three similar geological conditions were designed. The ordinary portland cement, microfine portland cement and polymer cement were used for grouting. The grouting effects of different grouts for the water-leakage operational tunnel were evaluated based on the analysis results of radar detections. According to the feasibility of grouting technology, grouting effects and economical efficiency, the suitability of grouts for different water-leakage conditions in operational tunnels were analyzed. The results show that the fluidity, concretion rate and consolidation strength of polymer cement are satisfied, and the plugging effects of polymer cement for water-leakage channels are excellent in situ-tests. The microfine portland cement is suitable for the water-leakage areas with micro pores or micro cracks, and the polymer cement can be applied to the water-leakage areas with concentrated fissures or surface seepage zones. The portland cement can be used for areas with large or wide holes, and the cement-water glass slurry is suitable for areas with large flow or high pressure.
Key words: operational tunnels; water leakage disease; cementitious grouts; performance parameters; situ-test
隧道的修建对国家经济发展及国防建设具有极重要的推动作用。我国运营期隧道存在的病害主要分为渗漏水病害、冻害、衬砌裂损病害、衬砌侵蚀病害等[1-2]。渗漏水作为运营期隧道最普遍病害，实际上是隧道各种病害的综合反映[3]。由于水流动性及水压传递性，隧道衬砌结构往往承受较高水头压力，衬砌任何病害都可能成为渗漏水通道；而渗漏水又会加速各类病害的发展，成为运营期隧道的重要安全威胁，影响隧道运营寿命。衬砌壁后注浆是渗漏水病害治理的最常用且有效方法[4]。不同地质条件注浆材料的优选，对运营期隧道渗漏水注浆治理效果至关重要，优选原则为浆液可注性好，凝结时间可控，结石体强度高，抗渗性好，黏结力强，耐久性好，价格适宜，无毒无污染。隧道病害室内实验模型造价成本高，且模拟的工况较少，刘海京等[5-7]开展了隧道病害治理的工程实例研究，但其更侧重隧道渗漏水形成原因及处治施工技术。对于水泥基注浆材料性能改进及优选方面，刘人太等[8-14]进行了大量研究。通过特殊地质条件下运营期隧道工程现场实例，结合材料性能测试、渗漏水条件下注浆材料性质、注浆技术可行性、注浆效果以及经济性，对水泥基注浆材料渗漏水治理适用性的报道较少，使隧道渗漏水治理时材料选型存在一定经验性[15]。针对这一问题，本文作者选用常见水泥基注浆材料，通过室内试验测试注浆材料基本性能，通过开元隧道现场注浆试验，从材料性能、技术可行性、注浆过程控制、治理效果与经济性等方面系统研究了注浆材料适用性，以指导隧道渗漏水治理的材料选型。
1 材料性能试验
1.1 试验原料
试验用普通硅酸盐水泥为山水水泥厂生产的42.5R普通硅酸盐水泥(化学成分见表1)，水泥品质符合GB 175—2007“通用硅酸盐水泥”标准。
试验用水玻璃为常用水玻璃，模数M=3.0，水玻璃密度为1.38 g/cm3。
试验用超细水泥生产原料与普硅水泥相同，均为山水水泥厂生产，普通硅酸盐水泥与超细水泥物理性能如表2所示。
试验用聚合物水泥基材料(简称聚合物水泥)为济南拓达建材公司生产，主要成分为普硅水泥、聚合物胶粉及改性添加剂等，符合GB 23440－2009“无机防水堵漏材料”及JC/T 2009—2011“聚合物水泥防水浆料”相关标准。
表1 普通硅酸盐水泥成分(质量分数)
Table 1 Cement composition of ordinary portland cement %
表2 普硅水泥与超细水泥物理性能比较
Table 2 Property comparison of ordinary Portland cement and superfine cement
1.2 试验方法
1.2.1 流动度测试
将截锥圆模水平置于玻璃板上并倒入新拌浆液，抹平上表面并提起截锥圆模，30 s后用直尺以正交方式测量浆液在玻璃板上的扩散直径，取平均值即为浆液初始流动度。
1.2.2 凝结时间测试
采用净浆标准稠度及凝结时间测定仪测定水泥基注浆材料不同温度下的初凝时间、终凝时间。
1.2.3 浆体结石率试验
取200 mL试样浆液置于250 mL量筒中，将量筒上口加盖封好，测定3 h后析水量，并测定浆体结石率。
1.2.4 强度测试
将试样制作成圆柱形型标准试块(直径×长度为 5 cm×10 cm)，放置于30 ℃水浴恒温养护箱中，分别测定试块3，7，14和28 d的单轴抗压强度。
1.3 试验结果与数据分析
1.3.1 浆液流动度测试
流动度体现了注浆材料扩散性能，是浆液和易性重要衡量参数，现场施工要求浆液具有良好流动度与和易性，不易离析分层，良好的流动度确保了浆液稳定性及可泵性，能够为现场注浆压力选择提供参考。表3所示为不同水灰比超细水泥、普硅水泥及聚合物水泥3种浆液的流动度，在室温23℃下进行测试流动度，试验选取的水灰比分别为0.8:1，1.0:1，1.2:1，1.5:1和2.0:1。
由表3可知：3种浆液流动度随水灰比增大而增大，聚合物水泥浆液流动度较大，超细水泥浆液流动度较低。0.8:1~1.0:1水灰比即可保证聚合物水泥浆液良好可注性；相比普通硅酸盐水泥，超细水泥比表面积较大，吸附水量较多，流动性较低，其中水泥细度与吸附水量关系如表4所示。
表3 不同水灰比浆液流动度
Table 3 Fluidity of slurries with different water cement ratios mm
表4 水泥吸附水量与细度关系
Table 4 Relationship between absorption of water and cement fineness
为解决现场施工超细水泥浆液流动性低的问题，通常在浆液中加入高效减水剂，高效减水剂吸附于水化水泥颗粒表面，通过双电层使Zeta电位不断增大，将水泥絮凝结构中自由水释放出来，对水泥颗粒具有明显分散作用，使浆液流动性增加。
1.3.2 初凝时间和终凝时间测定试验
注浆材料初凝时间、终凝时间决定了注浆材料可操作性与可泵性，很大程度影响了注浆工艺选择，同时也一定程度决定了注浆扩散范围。注浆材料初凝时间、终凝时间受温度影响明显，由于运营隧道地下水温度不同于室温，考虑了温度影响因素，为保证注浆材料的实际工程应用性[6]，测试了5，10，15，20，25和30 ℃注浆材料的凝结时间。不同水灰比普通硅酸盐水泥浆液的初凝时间和终凝时间如图1所示。
由图1可知：普硅水泥浆液初凝时间、终凝时间较长，初凝时间和终凝时间随温度升高而显著缩短，5~15℃范围内变化显著。这是由于温度的升高大幅度提高了胶凝材料的化学反应速率，较高温度下(20~30 ℃)，凝结时间变化幅度变小，说明低温反应动力学对温度控制精度要求比高温反应时严格得多[16]。
为缩短注浆时间及提高现场注浆堵水效果，试验加入速凝早强剂0.05%胺盐+0.5%钠盐(质量分数，下同)，基于流动度测试结果，水灰比选为1.0:1，不同温度下3种材料初凝时间和终凝时间如图2所示。
由图2可知：初凝时间、终凝时间随温度升高而缩短；速凝早强剂加入后普硅水泥浆液初凝时间、终凝时间得到一定缩短；超细水泥及聚合物水泥浆液初凝时间、终凝时间间隔较短，可确保注浆材料注入后尽快与渗漏水岩体胶结，可用于运营隧道渗漏水注浆治理工程；胺盐和钠盐对凝结时间调节效果较好。
图1 不同水灰比普通硅酸盐水泥浆液初凝时间和终凝时间随温度变化曲线
Fig. 1 Variation curves of initial and final setting time with temperature for slurries with different water cement ratios
温度及水灰比对水泥-水玻璃浆液胶凝时间的影响如图3所示，其中，水泥与水玻璃体积比为1:1。
由图3可知：水泥-水玻璃浆液凝胶时间随水灰比增大而增大；水泥-水玻璃浆液凝胶时间随温度升高而增大；水泥-水玻璃浆液凝胶时间较短，适用于地下水流速较大地层的快速堵漏。
1.3.3 浆体结石率与析水率试验
浆体结石率直接影响浆液对运营隧道含水构造的充填加固效果，浆体结石率越高，浆液在泵送过程中越不易离析分层，含水构造渗漏水通道封堵越密实，过水断面的封堵能力越强，后期残留渗漏水的可能性越低，同等情况下应当优先选用结实率高的注浆材料。水泥水化结石率逐渐提高不应在测定范围内，因此本试验设定结石率和析水率时间为3 h。3种水泥浆液结石率随水灰比变化曲线见图4。
图2 材料浆液初凝时间和终凝时间随温度变化曲线(水灰比1.0:1)
Fig. 2 Variation curves of initial and final setting time with temperature for different slurries
图3 水泥-水玻璃胶凝时间随水灰比变化曲线
Fig. 3 Variation curves of setting time with water-cement ratio
由图4可知：3种注浆材料结石率随水灰比增大而减少，聚合物水泥的结石率最大，其3 h结石率在85%以上。
图4 结石率随水灰比变化曲线
Fig. 4 Variation curves of stone rate with water-cement ratio
1.3.4 不同结石体强度试验
结石体强度指浆液中凝胶材料凝结硬化后，形成浆液结石体的抗压、抗剪、抗弯强度等力学参数。浆液材料结石体强度决定了材料注入后能否抵抗水压及围岩应力，同时决定了运营隧道渗漏水注浆治理效果与注浆治理后岩体长期稳定性。3，7，14和28 d龄期浆液结石体的单轴抗压强度见表5。
由表5可知：普通硅酸盐水泥浆液结石体不同龄期的抗压强度较低；水泥-水玻璃浆液结石体前期强度较大，后期强度增进较慢；超细水泥初期强度较低，后期强度增进较大，与普通水泥相比，超细水泥浆液结石体28 d强度明显提高；不同龄期聚合物水泥浆液结石体强度较大。
表5 不同龄期的抗压强度
Table 5 Compressive strengths at different curing ages
水泥-水玻璃双液浆中，水玻璃与浆液体系中的氢氧化钙反应，加速硅酸三钙与硅酸二钙水化，快速生成CSH凝胶，提供早期强度，但同时降低了液相中石灰浓度，浆液中氢氧化钙含量未达到饱和，在水溶蚀条件下，水泥石中Ca(OH)2固相不断溶解予以补偿，这导致高碱性水化硅酸盐及水化铝酸盐分解为低碱性水化物，变为无胶结能力的SiO2·nH2O及Al(OH)3等，最终导致水泥石破坏[17]。因此，水泥水玻璃双液浆扩散性差，结石体易粉化，化学结构不稳定，抗水溶蚀性能差，耐久性差，不建议单独作为运营期隧道修复注浆材料。
综上，聚合物水泥浆液流动度、结石率及结石体强度较大，这是由于大分子高聚物中存在羟基(—OH)、羧基(—COOR)等活性基团，它们与水泥水化产物发生反应，生成具有空间网状结构的聚合物–水泥交联体，大幅度提高了水化生成产物的整体性与柔韧性[18-19]。同时高聚物分子引入了C—H键，改善了水泥水化产物中以Si—O为主的结构。聚合物-水泥界面黏聚力强，承载能力高，能够有效吸收并传递能量，抑制裂缝的形成和扩展，提高界面断裂能和断裂韧性[20]。
2 材料现场工程应用性试验
2.1 工程概况
开元隧道运营期间，雨季隧道内出现衬砌渗漏水现象，洞内渗漏水位置以拱顶为主，分布在边墙、拱肩等位置，较严重位置出现大面积淋水及股状涌水，严重影响隧道的结构及交通安全。
通过地表地质分析，开元隧道经过2条破碎带和1条灰岩-闪长岩界面，其中1条破碎带与基岩倾向相反，灰岩裂隙和破碎带的导水性对隧道产生不利影响，由此推断渗漏水补给源主要集中在隧道浅埋段、汇水区1及汇水区2，如图5所示。
探明渗漏水位置及导水区域能够为渗漏水治理提供重要支撑，现场采用高密度电法与地质雷达法探测。高密度电法的3个测区见图5，重点关注电阻率成像剖面的高电阻率区域，数据反演结果见图6。
图6(a)中高阻区数量少、规模小且贴近地表，结合实地勘察，高阻区反映了地表裸露基岩，测区一不存在较大汇水区。图6(b)与6(c)中高阻区范围较大且连续，推断高阻区域破碎岩体范围较大，已形成连续破碎带，与地质图中破碎带位置较吻合，其中图6(c)连续破碎带更为明显且大部分向深部延伸，该高阻区易形成导水通道，结合地质图及实地勘察分析，测区二、测区三属于汇水区，易形成导水通道，测区三需要高度重视。
图5 开元隧道平面地质图
Fig. 5 Planar geological map of Kaiyuan tunnel
结合探测结果与实地勘察分析，地表降水汇集下渗补给后，沿着2条破碎带及灰岩-闪长岩界面导入隧道洞身附近，在隧道薄弱部位形成渗水和漏水。破碎岩体呈现随机分布特征，这些岩体破碎区是否导水或充水，与其地表连通性有必然关系，若在破碎带影响范围内，则充水导水可能性很大。
2.2 现场试验方法
为检验运营期渗漏水隧道常用注浆材料的适用性，设计开元隧道现场注浆试验。选择代表性的测试区3作为注浆试验现场，选取南洞隧道里程800~900 m为试验段，其雷达探测含水构造见图7。由于水泥-水玻璃材料扩散距离短、后期耐久性差、抗水溶蚀性差等缺点，因此不采用其作为试验段注浆材料。在800~830 m，830~860 m及860~900 m试验段内分别选取超细水泥、普通硅酸盐水泥及聚合物水泥3种材料进行现场注浆试验，为有效控制浆液的扩散时间与扩散范围，3种浆液中加入0.05%胺盐+0.5%钠盐。考虑现场衬砌强度等因素，注浆控制条件为：注浆终压2.0 MPa；注浆时间60 min。依据现场工况与注浆后雷达探测结果对注浆效果进行评估。
2.3 试验结果与讨论
2.3.1 水泥基注浆材料压力-速率-时间曲线
3种水泥基注浆材料压力-速率-时间曲线见图8。由图8可知：注浆初期3种材料的注浆压力均由初始压力逐渐上升，注浆速率快速下降；注浆中期速率下降后进入注浆稳定期，注浆压力在较小范围内波动；在注浆后期注浆速率由稳定值快速下降，直至注浆压力达到注浆结束标准；普通硅酸盐水泥浆液达到注浆终压1.8 MPa的时间为53 min；超细水泥浆液60 min左右仍保持较低的注浆压力，注浆速率也较稳定，具有良好的可注性；聚合物水泥浆液在60 min内未达到注浆终压，45 min后注浆压力迅速上升，注浆速率下降，试验段内聚合物水泥浆液单孔注浆量与可注性比超细水泥浆液差，但差别不很大。
图6 高密度电法探测结果分析
Fig. 6 Detection results by high-density resistivity method
图7 南洞800~900 m雷达探测含水构造图
Fig. 7 Water tectonic graph of 800-900 m by radar detection
普通水泥浆液颗粒粒径较大，往往无法注入较小孔隙或裂隙，浆液无法有效扩散，普通硅酸盐水泥可注性较差。超细水泥粒度较细，浆液可注性显著提高，注浆过程中浆液阻力较低，注浆压力上升速率较慢，浆液在同等注浆压力下能够达到更大的有效扩散半径，硬化后实现充填围岩裂隙，对隧道渗漏水注浆封堵效果较好。聚合物水泥水化后生成空间网状结构的聚合物-胶凝矿物结合体，浆液的摩擦阻力较小，可塑性较好。
在现场3个试验段进行注浆试验时，发现普通水泥试验段内钻孔存在渗漏水现象，当由孔口管注入普通水泥浆时，从周边断层带破碎处及裂隙处存在严重跑浆现象，见图9。因此，较难采用常规水泥注浆材料对该渗漏水区域实现有效注浆封堵。
2.3.2 基于雷达探测的注浆效果检验分析
导水裂隙或导水通道主要充填介质是水和空气，水、空气与围岩的介电常数相差较大，而地质雷达法的探测物理基础主要建立在介质介电常数差异上。导水裂隙或通道被浆液充填后，凝固后浆液结石体与围岩的介电常数相差较小，利用地质雷达进行检测时，由于浆液与围岩已融合成整体，注浆后的导水裂隙或导水通道响应非常弱。
图8 现场注浆试验3种水泥浆液压力-速率-时间曲线
Fig. 8 Pressure-velocity-time curves of three grout in field tests
基于以上原理，地质雷达法可有效检测注浆效果，现场注浆效果的雷达探测分析见图10。
结合图7与图10可知，用于860~900 m段的聚合物水泥浆液注浆治理效果理想，虽存在小部分微裂隙，但微小裂隙在探测深度方向上不连通，不形成隐伏导水区，且注浆后改进效果显著；用于800~830 m段的超细水泥浆液注浆治理效果较好，微小裂隙在探测深度方向上连通较少，注浆后隐伏导水区较少；用于830~860 m段的普通水泥浆液注浆治理效果较差，微小裂隙在探测深度方向上存在连通现象，探测深度方向上存在一定数量隐伏导水区。开元隧道注浆试验段雷达检测效果分析见表6。
图9 钻孔渗漏水与跑浆
Fig. 9 Leakage water of drilling hole and slurry-escaping
图10 注浆后雷达探测分析
Fig. 10 Radar detection analysis after grouting
表6 试验段注浆后雷达检测效果分析
Table 6 Analysis of radar detection in field tests
3 运营期隧道注浆材料适用性分析
运营期隧道渗漏水治理的注浆材料选择需要从材料性能、技术可行性、注浆过程控制、治理效果、耐久性、经济性、环保性及现场特定地质条件等方面考虑。运营期隧道注浆材料适用性分析见表7。
超细水泥浆液渗透性强，但目前大部分超细水泥仍属于高钙水泥，抗侵蚀能力较差，在与岩石黏结的界面区易造成CH择优取向，界面黏结强度较低、抗渗防蚀性较差[21]。聚合物水泥中聚合物均匀成膜后将水泥水化产物连接包络，生成具有空间网状结构的聚合物-胶凝矿物结合体，界面黏聚力强、承载能力高，能够有效吸收并传递能量，抑制裂缝形成和扩展，具有良好的黏接性能、抗渗防蚀性能、变形适应性及耐久性能[22-23]，但其价格较高。
表7 运营期隧道注浆材料适用性分析
Table 7 Application analyses of grouting materials in operational tunnels
针对岩体微孔隙、微裂隙渗漏水状况，适宜采用超细水泥浆液进行微孔隙、微裂隙充填及劈裂注浆，以控制注浆有效扩散范围[24]。针对渗漏水通道较大、水流速较快及水压较大的涌水状况，适宜采用水泥-水玻璃浆液进行注浆封堵，由于C-S浆液结石体耐久性较差，C-S浆液封堵后需注入普通硅酸盐水泥浆液。针对岩体空洞空腔较大区域或一般渗漏水情况，适宜采用普通硅酸盐水泥浆液进行注浆治理。针对裂隙密集区渗漏水及隧道表面破损状况，基于聚合物水泥浆液优良的抗渗防蚀能力与黏结能力，适宜采用聚合物水泥浆液进行注浆治理[25]。
目前超细水泥粉磨效率低，聚合物种类及比例决定了聚合物水泥的市场价格，二者生产成本高，一定程度上限制了材料的工程推广应用。
4 结论
1) 水泥基注浆材料浆液流动度及初凝时间和终凝时间对水灰比、温度较敏感，工程应用中需依据现场施工条件进行流动度及初、终凝时间测试，通过复合外加剂的调配对流动度及凝结时间进行控制。
2) 水灰比对浆液结石率影响较大，聚合物水泥浆液的结石率较大，可知聚合物水泥浆体渗漏水条件下抗分散性能最好，含水构造渗漏水通道封堵密实，过水断面的封堵能力强。不同龄期超细水泥与聚合物水泥浆液结石体强度较大。
3) 超细水泥浆液适用于微孔隙、微裂隙充填及劈裂注浆；水泥-水玻璃浆液适用于流量流速较大渗漏水通道的注浆封堵，之后宜注入普通水泥浆液；普通水泥浆液适用于空洞较大区域的注浆治理；聚合物水泥浆液适用于裂隙密集渗漏水区或隧道表面渗水区的治理；复杂条件下，可结合聚合物水泥与超细水泥进行注浆治理。
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(编辑 赵俊)
收稿日期：2015-12-22；修回日期：2016-03-13
基金项目(Foundation item)：国家重点基础研究发展计划(973计划)项目(2013CB036001)；国家自然科学基金资助项目(51309146)；国家教育部博士点基金资助项目(20130131120084) (Project(2013CB036000) supported by the National Basic Research Development Program (973 Program) of China; Project(51309146) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(20130131120084) supported by the Research Fund for Doctoral Programs of High Education of China)
通信作者：刘人太，博士，从事地下工程水灾害预报及治理方面的研究；E-mail：rentailiu@163.com
