摘要
岩溶塌陷是盾构法隧道工程穿越岩溶地层面临的关键问题之一，其不仅会对油气管道造成破坏，还会导致油气泄漏、破坏生态环境、威胁沿线居民生命财产安全等问题。针对湖南永州某地盾构法隧道穿越的岩溶地层溶洞发育特点，优选兼具良好流变性能和力学性能的玄武岩纤维膨润土水泥膏浆配方，开展玄武岩纤维膨润土水泥膏浆原位注浆充填加固实验，并通过钻孔取心和室内实验的方法检验了该注浆材料的加固效果，实验结果表明：钻孔取心获得的地层岩心密实，胶结强度较强，岩心采取率满足施工要求的80%；受地下水的影响，钻孔深度为6~7 m的注浆固结体28 d的无侧限抗压强度较小，平均为0.32 MPa，但试样较为完整；钻孔深度为7~8 m的注浆固结体28 d的无侧限抗压强度较6~7 m的注浆固结体增加了约5.36倍。采用玄武岩纤维膨润土水泥膏浆进行原位注浆充填加固的注浆固结体强度大于施工要求的强度指标，有效保障了岩溶地区盾构穿越工程的安全性。
随着地下管网建设需求的快速增长，隧道穿越工程广泛应用于地下管网的建设施工。在岩溶地区施工中可能出现涌水、地面坍塌、土壤液化等不良地质现
玄武岩纤维是以天然玄武岩矿石为原料，在高温熔融的情况下，通过铂铑合金拉丝漏板高速拉制而成的连续纤维。作为一种无机非金属矿物纤维，玄武岩纤维具有抗拉强度大，耐酸、耐碱性强以及绝缘性能好的特点，其被广泛应用于航空航天工程材料和土木建筑材料领
结合湖南永州某地盾构法隧道穿越工程钻遇岩溶地层的特征，在室内实验的基础上，选取玄武岩纤维作为膨润土水泥膏浆改性的主要材料，在兼顾其良好的流变性能和力学性能的同时，构建玄武岩纤维膨润土水泥膏浆溶洞充填加固体系，在现场得到成功应用。
该盾构穿越项目位于湖南永州境内，穿越长度469 m，隧道内径2.44 m。拟穿越场区地理位置概况见
图1 场区地理位置示意
该项目穿越区域为岩溶发育区，岩体裂隙较发育，富含裂隙水；轴线方向溶洞较多，且部分为未填充状态。溶洞具体情况为：1号溶洞位于隧道轴线下方13 m处，高2.2 m，长33 m；2号溶洞位于隧道轴线下方6.8 m处，高3.5 m，长42 m；3号溶洞位于隧道轴线上方1.05 m处，高2.4 m，长30 m；4号溶洞位于隧道轴线上，高5.54 m，长46.84 m；5号溶洞位于接收井锁口盘下部18.8 m处，高4 m，长18 m；其中1~4号溶洞内均无填充，5号溶洞内为粉砂全填充。为保证穿越工程顺利进行，需对上述溶洞进行注浆加固，且注浆加固完成后钻孔取心得到的注浆固结体28 d无侧限抗压强度≥0.15 MPa。
本项目所在地区的主要地层为中等风化灰岩及中等风化白云岩。其中，中等风化灰岩岩溶强发育，中等风化白云岩钻探未揭露溶洞，但不排除溶洞发育。地层分布情况见
| 地 层 | 层厚/m | 底板标高/m | 岩 性 |
|---|---|---|---|
| 中等风化灰岩（D3s） | 2.60~57.80 | 38.10~95.05 | 灰色，微晶结构，块状构造，主要矿物成分为方解石，节理裂隙稍发育—较发育，岩体总体上较完整、局部较破碎，岩心多呈短柱状—柱状、少量呈长柱状、局部呈碎块状 |
| 中等风化白云岩（D3s） | 5.00~25.00 | 42.18~65.03 | 灰褐—黑色，泥状、隐晶质结构，块状构造，主要矿物成分为粘土矿物、方解石，粘土矿物含量高，节理裂隙发育，岩体破碎，岩心多呈块状、局部段呈土夹碎块状，遇水扰动后易出现软化崩解 |
该区域的水文地质情况根据地下水埋藏条件分为2类，即第四系松散岩类孔隙潜水和碳酸盐岩类裂隙-岩溶水。第四系松散岩类孔隙潜水分布于河道两岸的漫滩部位，含水层主要由砂及卵石层组成，地层的渗透性好、富水性强；地下水主要接受大气降雨垂直入渗及河水的补给，与河水具有统一的水位线，其补-径-排严格受潇水河的控制，与河水水力联系密切；碳酸盐岩类裂隙-岩溶水分布于河两岸的平坝及河床覆盖层之下，含水层以灰岩为主，地下水主要赋存在灰岩的地下暗河、溶洞系统中，其分布和富水性与岩石的裂隙、可溶性矿物含量及岩溶发育程度密切相关。场地内岩溶强发育，可能存在溶洞、岩溶通道与河水贯通，且勘察期间实测东岸地下水水位埋深为1.30~7.70 m（标高114.47~117.41 m），西岸地下水水位埋深为1.60 m（标高111.76~112.27 m）。
玄武岩纤维主要通过桥接效应减少试样破坏时的裂缝宽度和数量，以降低材料的脆性特征，其具有抗拉强度高、热稳定性好、耐久性强、弹性模量优异、绝缘性能良好以及成本低廉等优
在流变性能和机械强度实验的基础上，使用HS-YS4A型岩石声波参数测试仪进行玄武岩纤维膨润土水泥膏浆的纵波测试，纵波速度是评价水泥基复合材料内部损伤的重要参数之一，其大小可以反映材料的密度及内部结构的均匀性特征。声波实验如
图2 声波实验
实验结果如
图3 玄武岩纤维对膨润土水泥膏浆纵波速度的影响
为验证玄武岩纤维膨润土水泥膏浆注浆加固效果，在项目穿越区域进行现场注浆实验，并对复合土体的物理力学性质进行测试，此次注浆实验布设1个注浆孔，孔径为50 mm，孔深为15 m。
现场实验主要采用玄武岩纤维膨润土水泥膏浆作为注浆材料，基于玄武岩纤维膨润土水泥膏浆和现场材料的基本性能及室内实验结果，注浆材料的基浆配方为钙基膨润土∶水泥∶水=240∶200∶300；纤维掺量为5 kg/
| 注浆材料 | 钙基膨润土/kg | 普通硅酸盐水泥/kg | 水/kg | 玄武岩纤维/（kg· |
|---|---|---|---|---|
| 玄武岩纤维膨润土水泥膏浆 | 240 | 200 | 300 | 5 |
注浆设备主要有搅拌机和注浆泵等，其中搅拌机为高速搅拌机与低速搅拌机的组合，注浆泵为H-095型注浆泵，现场注浆实验如
图4 现场注浆实验
现场注浆实验采用后退分段式注浆工艺，即将注浆管放置注浆孔孔底，由下往上依次注浆，每次注浆段为0.5 m，第一次注浆完成后回拖注浆管，再进行第二注浆段的注浆。在预实验的基础上，本次注浆实验的注浆压力为0.3~0.5 MPa、总注浆量为2.5
注浆效果的检测参数不同于注浆质量，注浆质量一般是指在注浆施工过程中监测的注浆参数，如注浆压力、注浆量、地表位移等；而注浆效果是指注浆结束之后加固复合土体或结石体的物理力学性质的改善程度。注浆效果评价是确保注浆质量的关键，且注浆效果的检验方法与注浆加固的目的及注浆现场的外界条件有关。
本次注浆实验以充填溶洞、提高地层承载力为目的，因此，通过钻孔取心的方法得到目标地层注浆材料固化28 d的岩心样品，钻取的岩心试样如
图5 典型岩心试样
对每个注浆段的岩心分别进行含水率、天然密度、干密度和无侧限抗压强度等参数的测试，以检验注浆充填的加固效果，室内实验结果如
| 式样编号 | 取样深度范围/m | 含水率/% | 天然密度/（g·c | 干密度/（g·c | 无侧限抗压强度/MPa |
|---|---|---|---|---|---|
| 7-1 | 6~7 | 62.66 | 1.78 | 0.86 | 0.26 |
| 7-2 | 6~7 | 75.68 | 1.93 | 0.81 | 0.38 |
| 8-1 | 7~8 | 28.27 | 2.86 | 1.53 | 1.86 |
| 8-2 | 7~8 | 27.04 | 2.74 | 1.66 | 2.21 |
（1）玄武岩纤维膨润土水泥膏浆作为一种新型的绿色注浆材料，具有良好的注浆性能，注浆效果可满足盾构法隧道穿越工程的施工要求。
（2）在流变性能和机械强度实验的基础上，通过玄武岩纤维膨润土水泥膏浆试样的纵波测试，优选出的玄武岩纤维长度为6 mm，其在兼具良好的流变性能和力学强度的基础上具有较好的分散性，并对湖南永州某地盾构法隧道穿越的的溶洞进行注浆加固处理，注浆孔直径为50 mm、深度为15 m，钻孔取心所得的岩心密实，胶结强度强，岩心采取率不小于施工要求的80%。
（3）在注浆效果评价中，钻取深度为6~7 m的注浆固结体的28 d无侧限抗压强度平均为0.32 MPa，深度为7~8 m的注浆固结体的28 d无侧限抗压强度平均为2.035 MPa，比6~7 m段试样提高了5.36倍，不同深度下的试样均较为完整，且大于施工要求的强度指标。实验结果表明玄武岩纤维膨润土水泥膏浆应用于岩溶注浆充填加固工程具有良好的效果。
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