注浆设计

4.注浆设计

4.1设计前资料收集

注浆设计方案的制定决定注浆施工的成败，必须认真分析各个方面的不利因素和有利因素，慎重进行。因此，方案制定前，需要收集、研究和分析隧道所在地区的地质勘探资料，包括地质说明书和地质图件，尤其是水文地质、构造地质和工程地质图件。为查明工作面前方具体的地质状况，往往需要钻设超前探孔，取得第一手资料。化验水质，测定岩芯的物理、化学和力学性质，了解不良岩层的孔隙性、透水性及裂隙、构造的发育程度，收集分析地面上观测孔长期以来的测量记录和近期的补充测量资料，进一步分析可能引起突水的水源和原因，推测在注浆施工过程中可能发生的不利情况。同时还要注意搜集隧道及其所属工程的有关资料，分析设计方案、施工组织和施工方法的合理性。还要深入施工现场，考察工作面所呈现的各种现象，必要时可召开不同形式的座谈会，进一步深入了解情况。

注浆方案的选择与水文地质条件、施工方案、治水原则、施工工期、施工要求、施工设备和技术水平等技术经济条件密切相关，特别要结合施工现场的实际情况，充分利用现有的施工设备，因地制宜地予以确定，制定的方案才是可行的、合理的。

设计前的资料收集包括以下几个方面：

○1工程用途及规模调查：病害原因、达到的目的。

○2环境调查：包括地形地貌、施工场地的空间大小和地下埋设物状态、材料和机具运输道路、水电线路及居民情况；

○3工程地质勘测和土质调查：区域工程地质概况、基岩形态、深度、物理力学性质，旋喷通过各土层的层面状态、各土层的种类及颗粒组成、天然含水量、液限、塑限、C值、φ值、N值、抗压强度、裂隙通道和洞穴情况。钻孔柱状图、地质剖面图；

○4水文地质情况：包括地下水位高程、各土层渗透能力、附近地沟、暗河分布和连通情况、地下水特性、地面水流量、流向等。

○5室内配方与现场试验：为了了解注浆后固结体可能具有的强度和凝浆液合理的配比，必须取现场各层土样，在室内按不同含水量和配合比进行配方试验，选出最合理的浆液配方。

○6地下埋设物和已有建筑物布置图报告书（煤气、上中下水管道、电缆、地下构筑物的大小、深度，平面位置关系等）。

○7本工程设计图。

○8本工程安全质量标准及验收要求。

○9其它有关的技术规范、规则、标准等。

○10对于所收集的资料，是否具有可靠性，必须进行细致的检查和核对

4.2注浆参数的选择：

注浆技术参数的比选，有的通过经验取得，有的可通过理论计算得到，有的则无法准确预知，必须在现场试验中确定。

4.2.1压水试验

通常的做法是先做现场压水试验，试验中取得的数据对确定注浆压力、注浆量、浆液配比等重要参数有很大的参考价值。这种试验方法比较简单方便。用多点多程法进行压水试验，并绘制Q=f(p)关系曲线，如图8-4。

(a) (b) (c)

(a)P—Q呈直线关系，岩层未发现水力劈裂；

(b)流量随压力不可逆地增大，岩层发生了冲刷式塑性变形等；

(c)流量的增大是可逆的，岩层裂隙发生了弹性变形

图8-4 几种典型的压水试验曲线

4.2.2浆液的扩散半径（增加一些必要的经验公式，如海底隧道、山岭隧道、城市地

铁等的取值）

浆液的扩散半径与注浆压力的大小密切相关，因此，人们往往倾向于采用较高的注浆压力，在保证注浆质量的前提下，是钻孔数量尽量减少。高注浆压力还能使一些微细孔隙张开，有助于提高可注性。当孔隙被某些软弱材料填充时，高注浆压力能在充填物中造成劈裂灌注，是软弱材料的密度、强度以及不透水性得到改善。此外，高注浆压力还有助于挤出浆液中的多余水分，使浆液结石体的强度得到提高。

4.2.2.1 Magg公式

033r h k n R T R ωβ=

或 3

03n T r h k R R βω=

该公式做了一下假设：

a 注浆材料渗透是层流，遵守达西定律；

b 地基为均质、无限连续、无约束的材料；

c 注浆范围在地下水位以下，地下水成静止状态；

d 注浆材料的比重接近水的比重；

e 注浆材料的粘度在凝胶化以前一直保持不变。 4.2.2.2Karol 公式

23R

n T R k h ωβ

=

R =4.2.2.3Raffle 公式

?????

????? ??---???? ??-=

121132023032

0r R r R h k nr T R

ββω 式中

ω

k ——水在砂土的渗透系数，cm/s ；

Q ——注浆量，cm 3； g

k ——浆液在地层中的渗透系数，cm/s ，/g k k ωβ=；

β——浆液粘度对水的粘度比，g g ωωμγβμγ=；

ω——渗透面积，cm2；

R r ,——浆液的扩散半径，cm ； R h h ,——注浆压力，厘米水头； 0

h ——注浆点以上的地下水压头；

H ——地下水压头和注浆压力之和，cm ；

r ——注浆管半径，cm ；

T ——注浆时间，s ；

n ——砂土的孔隙率。

今以两组参数[见表4－7（a ）]，用不同公式计算浆液扩散半径R ，结果列于表4－7（b ）。

上述公式反应了影响浆液扩散范围的诸因素。提高有效注浆压力（注浆压力－静水压力），延长注浆时间，增大岩土体的渗透性，均有助于扩大浆液扩散范围。丙烯酰胺及尿素类浆液，在凝胶前，虽聚合反应开始，但粘度不变；当凝胶发生，粘度突变，顷刻形成固体，有利于注浆，基本上符合Maag 公式上述假定条件。

4.2.3最终注浆压力的确定（增加一些必要的经验公式及理论方面的东西） 最终注浆压力与注浆工程的一系列因素有关。如底层的密度、强度、促使应力，钻孔深度和位置以及注浆次序等都与之密切相关。但这些因素是难以准确预知的。因此，容许注浆压力也只能通过现场试验逐步预测并最后确定。

进行现场注浆试验时，一般是采用逐步提高注浆压力的办法，求出注浆压力与注浆量的关系曲线。当压力增大到某一数值时，注浆量突然增大，则表明此时地层结构发生了异常变化或孔隙尺寸已被扩大。因此，可将此时的压力值作为确定容许注浆压力的依据。当缺少试验资料或许预先确定一个试验压力时，可用理论公式或经验数值选定容许注浆压力，然后在现场施工过程中根据具体情况再行调整。

4.2.4注浆量的确定

钻孔数和注浆量的经济平衡，例如，在帷幕注浆中，经费预算主要用于钻孔和注浆所需要的材料。按照浆液扩散主要呈球形扩散的理论，则浆液有一扩散半径。而扩散半径的大

小，决定了所需浆材的多少和钻孔数量。扩散半径越大，每孔所需浆液量越大，则浆液费用亦大，而钻孔数量则相反，扩散半径越大则所需钻孔数越少，钻孔费就少。反之亦然，扩散半径越小，所需材料费减少但钻孔费增加。此外，还应考虑岩土的实际情况和浆材在试验区的实际扩散半径。综合求出技术经济指标的平衡值。

注浆为隐蔽工程，本施工作业面又是岩溶、破碎带等地层，注浆量的精确计算有一定的难度。为准备注浆材料，施工中可根据作业面的地质、水文条件和注浆方案以及所选用的注浆材料进行注浆量的估算，注浆量的估算可按下式进行。

(1)

=+

Q Anαβ

式中：Q——总注浆量（m3）

A——注浆范围围岩体积（m3）

n——围岩孔隙率（%）,参见下表《岩孔隙率n选用表》，

α——浆液填充系数（0.7～0.9）

β——浆液材料损耗系数

岩孔隙率n选用表

4.2.5综合因素

在选择方案时，必须把技术上的可行性与经济上的合理性综合起来考虑。如浆材的毒性和污染；对其他工序的干扰和周围环境的影响；浆材的来源是否容易得到和工期保证等。在某些特殊条件下，例如，由于工期过于紧迫或因运输条件差而使计划难以实现时，往往不得不把经济指标放在次要地位。

总的来说，设计注浆时要考虑下面几点：注浆的密度、注浆孔的间距、注浆量；注浆带的大小；注浆的压力；注浆工作面的数量和位置；注浆材料的强度；注浆材料的耐久性。在注浆作业时还要考虑下面事项：注浆孔的布置；注浆压力，压力升高和最终压力；注浆浓度和配方的改变；注浆材料的选择（特别是强度和凝结时间）；注浆机械的工作性能；注浆量（总量和小时量）；钻机的类型和钻进深度；钻孔直径，长度和步距；注浆模式的试验，诸如淹没试验；注浆机械的安排；安全措施。浆材选定的关键是土质条件，其次是环境条件，

注入目的和预期效果等因素。

4.3注浆方式的选择：

4.3.1分段前进式注浆：

分段前进式注浆是从工作面钻孔至含水层开始，钻一段孔，注一段浆，反复交替进行，直至通过含水层。其优点是，可以多次进行复注，保证注浆质量，在裂隙发育的岩层中和岩层破碎的条件下，止浆塞能起到很好的止浆效果。缺点是钻孔和注浆交替进行，增加了扫孔等辅助作业的时间。

4.3.2全孔一次性注浆

全段一次注浆是将注浆孔打到终孔位置后，全孔一次性注浆，这种方式一次钻孔，一次完成注浆工作，以减少安设起拔止浆塞和其他辅助性工作时间，加快注浆堵水的施工速度。缺点是由于注浆段太长，为保证质量，需加大注浆压力，保证远处浆液扩散均匀。因此，注浆材料的消耗较分段注浆大。注浆工作需要连续进行，不能间断，在含水层厚度不大，裂隙比较均匀的情况下，宜采用全段一次性注浆。

4.3.3分段后退式注浆

分段后退式注浆，即注浆孔一次钻到最终位置，使用止浆塞从最前方向后退逐段注浆，优点是无复钻过程，可以加快注浆速度，缩短工期，但需要采用性能良好、工作可靠的止浆塞，这种方法一般用于含水层较弱、裂隙不很发育的坚硬岩层中。

工程实践中一般根据岩石裂隙的发育程度和钻孔涌水量来确定注浆段长和注浆方式（表8－20）。

在破碎岩石中，通常采用分段前进式注浆方式，分段长度一般根据钻孔冲洗液的漏失量和维护孔壁的难易程度而定（表8－21）。

注：当钻孔冲洗液大量漏失，孔壁坍塌时，分段长度应适当缩小。

4.4注浆方案的设计：

根据超前地质预报和设计地质情况决定采用全断面超前预注浆或者周边注浆或者局部注浆或者开挖后的径向注浆等中的一种。

4.5注浆设计方法：

了解了注浆设计的系统知识并收集到一些必要的技术数据后，可根据注浆渗透理论和某些类似工程实践方面的知识来制定几种不同的注浆方案，并从技术可靠性、施工的难易程度、对其他工序的干扰和对周边环境的影响，以及所需时间、经费等诸多方面进行对比，确定最优的技术参数，以设计出既经济又合理的注浆施工的最佳方案。

4.5.1不同地层中选择注浆方案的选择。

根据不同对象和目的选择注浆方案表

4.5.2 综合因素

在选择方案时，必须把技术上的可行性与经济上的合理性综合起来考虑。如浆材的毒性和污染；对其他工序的干扰和周围环境的影响；浆材的来源是否容易得到和工期保证等。在某些特殊条件下，例如，由于工期过于紧迫或因运输条件差而使计划难以实现时，往往不得不把经济指标放在次要地位。

总的来说，设计注浆时要考虑下面几点：注浆材料、注浆孔的间距、注浆量；注浆带的大小；注浆的压力；注浆工作面的数量和位置；注浆材料的强度；注浆材料的耐久性。在注浆作业时还要考虑下面事项：注浆孔的布置；注浆压力，压力变化和最终压力；浆液浓度和配方的改变；注浆材料的选择（特别是强度和凝结时间）；注浆机械的工作性能；注浆量（总量和小时量）；钻机的类型和钻进深度；钻孔直径，长度和步距；注浆模式的试验，诸如淹没试验；注浆机械的安排；安全措施。浆材选定的关键是地层条件，其次是环境条件，注入目的和预期效果等因素。

预设计、修改和完善设计。