试验工程与注浆参数确定 注浆参数

由于一般注浆截流防治水工程规模较大、施工周期长，工程一次性投资大，为了确保工程质量和工程达到预期的功能，一般在工程全面实施之前要进行试验工程。通过试验工程以确定工程施工的相关参数。试验工程应获取的主要信息如下。

（1）注浆钻孔的基本结构和成孔工艺方法。

（2）注浆浆液的扩散距离与注浆压力的关系，浆液配比、浆液浓度、浆液凝结性与注浆效果之间的关系，地下水流速、受注体喀斯特裂隙发育程度与浆液扩散特性之间的关系等。

（3）注浆参数与地层吃浆量、受注体水文地质特性与耗浆量之间的关系，注浆材料配比与耗浆量之间的关系等。一般情况下，受注层的耗浆量根据受注体的喀斯特裂隙率、注浆段厚度、浆液扩散半径，以及充填效果估算，即按下式计算：

煤矿底板突水防治

式中：V——设计段浆液预计注入量，m³；

A——浆液消耗系数，一般取1.2～1.3；

H——注浆段喀斯特裂隙层厚度，m；

R——浆液的有效扩散半径，m；

n——喀斯特裂隙率，％；

B——浆液充填系数，一般为0.7～0.9。

在实际工程中，由于地下水流速的影响，受注体喀斯特裂隙的连通性和曲度影响、注浆工程工艺方法的影响，地层的耗浆量会和式（5.1）预计的注入量有较大的差别。因此，通过试验工程进一步实测耗浆量及其影响因素具有重要意义。

（4）注浆体堵水效果检验与分析。

基坑工程注浆参数如表5-13。

表5-13 基坑工程注浆参数表

注：单孔分段注浆量采用公式Q＝nπR2hα（1 ＋β）计算。式中：Q为单孔单段注浆量（m3）；n为地层孔隙率（根据试验确定）；h为注浆分段长度（m）；α为浆液有效填充系数（取0.6～0.9）；β为浆液消耗系数（取10%～30%）。

注浆设计参数主要包括：止浆墙厚度、帷幕厚度、注浆段落长度、扩散半径、终孔间距、总注浆量。
5.1.2.1 止浆墙厚度
止浆墙主要是指在进行超前预注浆施工时，为满足抵抗注浆施工过程中注浆压力的要求而采取的止浆模式，同时，采用止浆墙可以将孔口管固定，减少钻孔注浆过程中因安设孔口管而影响钻孔注浆施工进度，因此，原则上在进行超前预注浆前应设置止浆墙。
（1）止浆墙厚度设计
止浆墙厚度的设计通常可以采用抗压计算、抗剪计算，以及经验法确定。
1）抗压计算。按抗压计算，止浆墙厚度计算公式如下：

地下工程注浆技术

式中：B为止浆墙厚度（m）；D为开挖断面直径（m）；α为止浆墙侧面与垂直轴之间的斜角；m为工作条件系数；Rσ为混凝土计算强度（MPa）；PZ为注浆最大压力（MPa）；λ为超载系数。

地下工程注浆技术

式中：PZ为最大注浆压力（MPa）；A为注浆断面面积（m2）；γ为混凝土容重（t/m3）。
2）抗剪计算。按抗剪计算，止浆墙厚度计算公式如下：

地下工程注浆技术


地下工程注浆技术

式中：τc为混凝土抗剪强度（MPa）；k为转换系数。
3）经验数值。采用以上计算公式计算，计算出止浆墙厚度一般较大，与现场实际不符，因此，可采用经验数值进行止浆墙厚度取值。
国内煤矿部门进行注浆施工时，一般采用如表5-2经验数值。

表5-2 煤矿部止浆墙厚度选取经验数值表

根据圆梁山隧道帷幕注浆施工经验，渝怀铁路与宜万铁路在进行帷幕注浆时，按照注浆帷幕加固圈厚度，采用如表5-3进行止浆墙厚度取值。

表5-3 铁路工程止浆墙厚度选取经验数值表

（2）止浆墙施工工艺。其步骤如下：
1）确定止浆墙施作位置。
2）根据止浆墙施作型式要求，开挖出要求的断面型式，并施作设计所采取的技术措施（例如径向锚杆等）。
3）采用排水管引排出掌子面前方流水，采用抽水泵抽排出止浆墙里程段的积水，使止浆墙施作位置内不能有渗水、流水和积水。
4）清理止浆墙位置内的一切杂物。
5）根据止浆墙设计厚度进行立模。立模要牢固，不变形。
6）灌注经试验检验合格的混凝土（一般为C20混凝土）。混凝土灌注中一定要振捣密实，确保混凝土施工质量。
7）待混凝土强度达到设计强度的75%以后方可进行钻孔注浆施工。
5.1.2.2 帷幕厚度
有效的帷幕厚度（环向注浆加固范围）是保证注浆质量，确保施工安全的必要措施。在注浆加固和堵水设计时，对于注浆加固范围的选取，应综合考虑地质条件和水压力数值，并考虑注浆效果，同时，也应考虑注浆成本和注浆工期要求。
注浆加固模式如图5-4。图中D为隧道开挖等效直径（m）。B为注浆加固范围（m），B1为帷幕厚度（m）。当采取全断面超前帷幕注浆时，为保证掌子面稳定，应对掌子面进行加固。

图5-4 注浆加固范围

（1）理论公式法
注浆帷幕固结体主要承受外部静水压力，因此，帷幕厚度可按厚壁筒公式，按第四强度理论计算：

地下工程注浆技术

式中：B1为帷幕厚度（m）；σ 为围岩固结体允许抗压强度（MPa）；Pw为最大静水压力（MPa）；D为隧道开挖等效直径（m）。
（2）经验公式法
根据以往隧道工程注浆加固和堵水施工经验，按下式计算加固范围和帷幕厚度：

地下工程注浆技术


地下工程注浆技术

计算时，当水量和水压力较大时，取高限；当水量和水压力较小时，取低限。
（3）经验数值法
根据圆梁山隧道施工经验，对注浆帷幕厚度可根据地质特征（水量大小和水压力高低）直接采取经验选取，选取方法见表5-4。
（4）注浆加固圈的安全性检算
注浆加固圈安全性可采用厚壁圆桶的弹性力学解析方法进行检算。将隧道看成厚壁圆桶，其外部作用有水压力和土压力，水压力为Pw。根据经验，取5倍洞径为隧道开挖的影响范围，因此，土体压力P土为（5D-B）厚度的土柱。总压力P＝Pw＋P土。假设水压力和土压力均匀作用于注浆加固圈周围，忽略重力影响，按厚壁圆桶的弹性力学轴对称问题进行，距离隧道圆心某一距离r处的应力表达式如下：

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式中：σr为径向应力（MPa）；σϕ为切向应力（MPa）；τrϕ为剪应力（MPa）；r1为注浆加固圈半径（m）；r0为隧道等效半径（m）；r为距离隧道圆心某一距离r处。

表5-4 注浆帷幕厚度数值选取参照表

【工程实例】 溶岩槽隧道穿越F1高压富水断层帷幕注浆加固圈安全性检算
①计算参数。计算参数见表5-5。

表5-5 计算参数表

②安全性检算。采用公式5-17、5-18、5-19计算。
靠近F1断层处：隧道边界上（r＝r0）时，径向应力σr＝0，切向应力σϕ＝ -11.6MPa；剪应力τrϕ＝0。
穿越F1断层处，隧道边界上（r＝r0）时，径向应力σr＝0，切向应力σϕ＝ -11.3MPa；剪应力τrϕ＝0。
室内试验及现场试验均表明，采用单液水泥浆液，如果水灰比小于1∶1时，则注浆结石体28 d抗压强度均大于15MPa，而隧道边界上的切向应力值均小于该值，这说明在F1高压富水断层，如果注浆能够形成连续均匀的加固圈，隧道的注浆加固范围能够满足安全要求。
5.1.2.3 注浆段落长度
注浆段落长度是指注浆加固的纵向范围。注浆段落长度与地质条件、钻机能力、注浆工艺有关。如果地质条件越差，注浆效果会受到一定的影响，因此，注浆段落长度应适当缩短。如果现场采用的钻机能力较差时，钻孔距离越长，岩粉不易排出，钻机工效越低，同时，钻孔倾角增大，会影响注浆效果，因此，注浆段落应适当缩短。反之亦然。同时， 根据大量的注浆工程实践表明，注浆存在“楔形效应”，即越向前浆液越难以扩散，注浆效果越差，因此，注浆段落宜取合理的范围。
日本青函海底隧道注浆施工中，注浆段落长度取60～70m。在欧洲，注浆段落长度一般取得较短，例如英国在伦敦修建的第二座Dartford隧道（穿过泰晤士河）通过淤泥、砂砾层时，采取了注浆法，注浆段落长度仅取11 m。
（1）注浆段落长度的确定
1）经验公式法。对于注浆段落长度的选取可按经验公式计算：

地下工程注浆技术

式中：L注为注浆段落长度（m）；B1为帷幕厚度（m）。
2）经验数值法。根据目前国内外施工机械水平现状，结合圆梁山隧道、别岩槽隧道、齐岳山隧道施工经验，注浆段落长度一般宜选择20～30m。现场实施过程中，以保证钻孔机械设备的工效为依据。
（2）注浆段落长度、开挖段落长度、余留段落长度的相互关系
在注浆施工中，应遵从“注浆一段、开挖一段、余留一段，段段推进、稳扎稳打”的施工理念。因此，注浆加固完成后，为确保掌子面的稳定，以及下一循环的止浆，应余留一段作为下一循环注浆时的止浆岩盘。根据调研，我国某水下岩石隧道注浆段落长度为50m，开挖段落长度40m，余留10m不开挖作为下一循环的止浆岩盘。日本青函海底隧道（正洞）注浆段落长度为70m，开挖段落长度60m，余留10m不开挖作为下一循环的止浆岩盘。注浆段落长度、开挖段落长度和余留段落长度之间的关系如图5-5。图中：L注为注浆段落长度（m）；L开为注浆后开挖段落长度（m）；L留为余留段落长度（m）。

图5-5 注浆加固范围示意图

对于注浆完成后开挖段落长度和余留段落长度可按经验公式进行计算确定：

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根据宜万线隧道注浆施工经验，对于余留段落长度可按经验公式进行计算确定：

地下工程注浆技术

值的特别注意的是：在注浆完成后开挖过程中，必须采取短台阶法或CRD工法，开挖进尺每循环不得超过1 m，以尽快形成支护闭合。同时，在开挖过程中，必须每循环对开挖掌子面进行观察，当发现存在局部注浆效果不好（有渗流水或掉块、浆液充填极不均匀）时，不必达到设计的开挖段落长度，应及时封闭掌子面，进行下一循环帷幕注浆。
5.1.2.4 扩散半径
注浆扩散半径并不是指浆液在地层中扩散的最远距离，而是指浆液能符合设计要求的扩散距离，因此，在扩散半径选取时，要选择多数条件下可达到的数值，而不是平均值。扩散半径采用符号R表示。
（1）影响扩散半径的因素
同济大学杨坪博士对采用不同水灰比的水泥浆、不同的注浆压力、不同长度的注浆时间，对不同级配的砂卵石层进行注浆模拟试验，得出如下结论：

地下工程注浆技术

bm＝0.258；bk＝0.666；bP＝1.338；bt＝0.309；r＝0.971
式中：m为水灰比；k为渗透系数；P为注浆压力；t为注浆时间；bm/k/P/t为标准回归系数；r为复相关系数。
由以上公式分析，对注浆扩散能力而言，受注浆压力、地层渗透能力、注浆时间，以及浆液水灰比影响。研究表明：对R的影响，主要影响因素P＞k＞t，m为次级影响。
（2）扩散半径计算
1）粒状注浆材料。对粒状注浆材料的扩散能力，主要取决于材料的颗粒粒径、浆液的流动性和稳定性。粒状注浆材料渗透性采用下式计算：

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式中：R为浆液的渗透能力（cm）；ρw为水的密度（g/cm3）；g为重力加速度（cm/s2）；h为注浆压力（水头压力高度，cm）；re为孔隙的等效半径（cm）；S为注浆材料的凝胶强度（dyn/cm2，1 dyn＝10-5N）；r为注浆孔半径（cm）。
2）化学注浆材料。对化学注浆材料扩散能力，主要由浆液的流动性决定。化学注浆材料渗透性采用Maag公式进行计算：

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式中：R为浆液的渗透能力（cm）；K为地层的渗透系数（cm/s）；h为注浆压力（水头压力高度，cm）；r为注浆孔半径（cm）；t为注浆时间（s）；β为浆液黏度与水的黏度比值；n为地层空隙率。
（3）扩散半径选取
扩散半径可采用室内试验和现场试验确定。试验时，通常采用三角形布孔，注浆后对三角形重心位置进行钻孔取心验证，以确定扩散半径，如图5-6。

图5-6 扩散半径试验布孔图

对于浆液扩散半径，现场施工时常采取经验取值，一般在中细砂层、粉质粘性土中取0.5～0.8 m；中粗砂、砂卵石层中取0.8～1.2 m；断层破碎带取1.5～2 m。
在合理的扩散能力范围内，扩散半径取值越大，则钻孔数量越少，但造成无效注浆量越大，因此，对扩散半径取值的高低，应综合比较钻孔费用和浆液费用。
5.1.2.5 终孔间距
（1）单排（圈）孔布置
当采取单排（圈）孔注浆设计时，注浆孔间距按以下公式计算：

地下工程注浆技术

式中：a为注浆孔布孔间距（m）；R为扩散半径（m）。
（2）多排（圈）孔布置
当单排（圈）孔不能满足注浆加固厚度要求时，应采用两排（圈）或两排（圈）孔以上进行注浆设计。
对多排（圈）孔注浆设计，应充分发挥注浆孔的扩散潜能，以获得最大的注浆体厚度，减少钻孔数量。设计时，应注意不允许出现孔与孔之间的搭接不紧密的“窗口”，也称“注浆盲区”。多排（圈）孔的最佳搭接为等边三角形梅花形布置，如图5-7。

图5-7 孔排间的最优搭接图

由孔排间的最优搭接图计算，注浆终孔间距与扩散半径间的关系为： 。因此，对于多排（圈）孔进行终孔设计时，注浆孔间距应满足下式：

地下工程注浆技术

5.1.2.6 总注浆量
对总注浆量，按公式进行计算。
（1）三系数计算法
按地层空隙率（裂隙度）、地层空隙或裂隙充填率、浆液损失率三个系数进行总注浆量计算：

地下工程注浆技术

式中：∑Q为总注浆量（m3）；V为注浆加固体体积（m3）；n为地层空隙率（裂隙度），裂隙带取2%～5%，断层破碎带取10%～20%，砂层及充填型溶洞和岩溶发育带取30%～40%；α为地层空隙或裂隙充填率，取70%～80%；β为浆液损失率，裂隙带和断层破碎带取5%～20%、砂层及充填型溶洞和岩溶发育带取10%～20%。
（2）二系数计算法
按地层空隙率（裂隙度）、地层空隙或裂隙注入系数二个系数进行总注浆量计算：

地下工程注浆技术

式中：∑Q为总注浆量（m3）；V为注浆加固体体积（m3）；n为地层空隙率（裂隙度），裂隙带取2%～5%、断层破碎带取10%～20%、砂层及充填型溶洞和岩溶发育带取30%～40%；k为地层空隙或裂隙注入系数，粉质粘性土取0.15～0.2、软土和细砂取0.3～0.5、中粗砂取0.5～0.7、砾砂和卵石及断层破碎带取0.7～0.9、湿陷性黄土取0.5～0.8。

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