一种地下洞室岩性接触带的原位电化学注浆加固方法

1.本发明涉及围岩加固技术领域，尤其是涉及一种地下洞室岩性接触带的原位电化学注浆加固方法。


背景技术：

2.在矿山巷道、水电站地下厂房及隧道等地下洞室施工过程中，围岩容易出现一系列非线性破坏现象。其中岩性接触带的大面积冒落、大体积塌方或强烈岩爆是组合岩体界面在三维高地应力条件下，因洞室开挖卸荷形成的一种特殊工程失稳现象，现已成为影响地下洞室施工安全和长期稳定的重要因素。
3.工程实践证明，注浆是修复裂隙岩体、提高围岩稳定性的重要手段。现有注浆加固大致可分为混凝土注浆和化学注浆(如申请号为201710447666.5的中国发明专利)，其中混凝土注浆渗透性较差、环境污染较大，传统的化学注浆对于岩性接触带而言无法同时对岩性接触带两侧的两种岩体同时加固。
4.电渗法是通过电能实现软黏土的高效脱水固结，诸多学者从阳极材料、黏土电渗固结、阴阳极数目及通电方式等对电渗法进行相关理论和试验研究，使电渗法注浆技术逐步走向成熟。为进一步提高电渗处理效果，学者们提出了电化学注浆方法，该方法将电渗排水和注浆相结合加固土体，其加固机理包括浆液渗透挤压和化学胶凝。电化学注浆的应用实践表明：
①
阳极-中间孔联合注浆可以促进土样上、下半区域处理效果的均一性；
②
在阳极和阴极之间安装中继管注浆的效果要优于阳极注浆；
③
在阳极和阴极之间注入1mol/l nacl溶液可显著增强泥岩的单轴抗压强度、弹性模量和变形模量。由此可以推断，对于岩性接触带两种差异性岩体，在阳极和阴极之间的接触带界面处注入针对性阴阳离子溶液进行电化学注浆加固理论上是可行的。然而，当前尚未有电化学注浆技术应用于高应力地下洞室岩性接触带加固的报道。因此，研制抑制开挖卸荷诱发高应力巷道岩性接触带失稳的注浆溶液和注浆工艺，不仅是满足我国深部地下洞室建设的需要，也具有重要的学科前沿探索意义。


技术实现要素：

5.有鉴于此，有必要提供一种地下洞室岩性接触带的原位电化学注浆加固方法，其能够同时增强岩性接触带两侧岩体的强度，减少岩性接触带由非连续、非协调变形引起的岩体破坏。
6.为了实现上述目的，本发明提供了一种地下洞室岩性接触带的原位电化学注浆加固方法，包括：
7.s1、检测地下洞室岩壁的物质成分，根据岩壁的物质成分的差异确定地下洞室岩性接触带的位置；
8.s2、对岩性接触带两侧的岩体进行采样，采用纳米探针分别测试不同溶液化学反应下两种岩样的强度，遴选显著提高岩性接触带一侧岩样强度的阳离子与另一侧岩样强度
的阴离子，调制包含该阳离子和阴离子的化合物溶液；
9.s3、在岩性接触带两侧并排打入若干个锚杆至围岩松动圈外的稳定岩体内；
10.s4、将岩性接触带两侧的锚杆经由一电路开关接入直流电，其中，所需阴离子岩性接触带一侧的锚杆全部接入正极，所需阳离子岩性接触带一侧的锚杆全部接入负极；
11.s5、在岩性接触带上钻进若干个注浆孔，然后通过注浆装置向各个注浆孔内注入所述化合物溶液；
12.s6、开启电路开关，对岩性接触带两侧的锚杆通电，以驱动化合物溶液中的阳离子渗入电源负极所在岩性接触带的一侧，驱动化合物溶液中的阴离子渗入电源正极所在岩性接触带的一侧，从而通过化学反应对岩性接触带两侧的岩体进行加固。
13.在一些实施例中，所述注浆装置包括配液罐、注浆管及注浆泵，所述配液罐内用于装入所述化合物溶液，所述注浆管包括管体、阳离子交换膜及阴离子交换膜，所述管体的一端封闭、另一端开口，所述管体包括左侧弧面及右侧弧面，所述左侧弧面上开设有若干个第一出射孔，所述右侧弧面上开设有若干个第二出射孔，所述阳离子交换膜敷设于所述左侧弧面上，所述阴离子交换膜敷设于所述右侧弧面上，将管体插入注浆孔内，并使左侧弧面对准岩性接触带一侧需要阳离子的岩体，使右侧弧面对准岩心接触带另一侧需要阴离子的岩体。
14.在一些实施例中，所述步骤s1中，通过手持式地质勘探光谱分析仪检测地下洞室岩壁的物质组分。
15.在一些实施例中，所述步骤s4中，将岩性接触带两侧的锚杆经由一电路开关接入直流电的具体方法为：将带螺纹的铜环拧紧在锚杆端部，各个铜环上均对称开设有两个凹槽，所述凹槽用于连接导线的一端，导线的另一端接入直流电。
16.在一些实施例中，导线的另一端接入直流电的具体方法为：在交流电路中接入一个可控制电压的干式整流变压器，将交流电转化为直流电，所述干式整流变压器通过所述导线连接所述铜环。
17.在一些实施例中，铜环与导线的连接部位用绝缘橡胶套包裹。
18.在一些实施例中，所述步骤s5中，注浆孔的位置在施工条件允许下选择在岩性接触带界面上。
19.在一些实施例中，所述步骤s6中，通电电压和通电时间由岩样的渗透率决定。
20.在一些实施例中，通过岩样的渗透率确定通电电压和通电时间的具体方法为：当岩体渗透率k＜10-4
cm/s，电压控制在120v，通电时间60min，当10-4
cm/s＜k＜10-2
cm/s，电压控制在80v，通电时间40min，当k＞10-2
cm/s，电压控制在60v，通电时间30min。
21.在一些实施例中，在注浆前，通过用冲击回波声频检测仪测试岩性接触带附近随机若干个测定点的裂隙发育程度，注浆完成后，利用冲击回波声频检测仪测试相同位置处的裂隙发育程度，并对比两组数据，以此判断注浆效果。
22.与现有技术相比，本发明提出的技术方案的有益效果是：利用岩性接触带两侧岩体的组分差异，通过电场分别将阴阳离子运输到两种岩体中，并与岩体原有组分发生化学反应生成稳定的化合物，进而同时增强岩性接触带两侧岩体的稳定性，以增强岩性接触带两侧岩体的强度，减少岩性接触带由非连续、非协调变形引起的岩体破坏。
附图说明
23.图1是本发明提供的地下洞室岩性接触带的原位电化学注浆加固方法的一实施例的流程示意图；
24.图2是本发明提供的地下洞室岩性接触带的原位电化学注浆加固方法的施工过程示意图；
25.图3是本发明提供的地下洞室岩性接触带的原位电化学注浆加固方法中锚杆和注浆管的布置示意图；
26.图4是本发明提供的地下洞室岩性接触带的原位电化学注浆加固方法中注浆管的结构示意图；
27.图5是图4中区域a的局部放大图；
28.图6是图4中剖面b-b的剖视图；
29.图中：100-岩性接触带、110-注浆孔、200-岩体、300-锚杆、310-铜环、400-电路开关、500-导线、600-交流电路、700-干式整流变压器、800-注浆装置、810-注浆管、811-管体、8111-第一出射孔、8112-第二出射孔、812-阳离子交换膜、813-阴离子交换膜、820-注浆泵。
具体实施方式
30.下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本技术一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
31.请参照图1-图6，本发明提供了一种地下洞室岩性接触带的原位电化学注浆加固方法，包括：
32.s1、通过手持式地质勘探光谱分析仪检测地下洞室岩壁的物质成分，着重探测分析裂隙区、岩体颜色有差异的区域，根据岩壁的物质成分的差异确定地下洞室岩性接触带100的位置；再利用冲击回波声频检测仪测试岩性接触带100附近随机若干个测定点的裂隙发育程度；
33.s2、对岩性接触带100两侧的岩体200进行采样，采用纳米探针分别测试不同溶液化学反应下两种岩样的强度，遴选显著提高岩性接触带一侧岩样强度的阳离子与另一侧岩样强度的阴离子，调制包含该阳离子和阴离子的化合物溶液；
34.s3、在岩性接触带100两侧并排打入若干个锚杆300至围岩松动圈外的稳定岩体内，锚杆300的位置选择距离岩性接触带50～100cm处，单侧锚杆300之间距离为80～160cm；锚杆300打入的方向与岩性接触带100所在平面平行；
35.s4、将岩性接触带100两侧的锚杆300经由一电路开关400接入直流电，其中，所需阴离子岩性接触带100一侧的锚杆300全部接入正极，所需阳离子岩性接触带100一侧的锚杆300全部接入负极；
36.具体到本实施例中，将带螺纹的铜环310拧紧在锚杆300端部，各个铜环310上均对称开设有两个凹槽，所述凹槽用于连接导线500的一端，导线500的另一端接入直流电。
37.优选地，在交流电路600中接入一个可控制电压的干式整流变压器700，将交流电转化为直流电，所述干式整流变压器700通过所述导线500连接所述铜环310。
38.优选地，铜环310与导线500的连接部位用绝缘橡胶套包裹，以防止作业人员触电和电路短路。
39.s5、在岩性接触带100上钻进若干个注浆孔110，然后通过注浆装置800向各个注浆孔110内注入所述化合物溶液，所述注浆装置800包括配液罐、注浆管810及注浆泵820，所述配液罐内用于装入所述化合物溶液，所述注浆管810包括管体811、阳离子交换膜812及阴离子交换膜813，所述管体811的一端封闭、另一端开口，所述管体811包括左侧弧面及右侧弧面，所述左侧弧面上开设有若干个第一出射孔8111，所述右侧弧面上开设有若干个第二出射孔8112，所述阳离子交换膜812敷设于所述左侧弧面上，所述阴离子交换膜813敷设于所述右侧弧面上，将管体811插入注浆孔110内，并使左侧弧面对准岩性接触带100一侧需要阳离子的岩体，使右侧弧面对准岩心接触带100另一侧需要阴离子的岩体；本实施例中，注浆孔的位置在施工条件允许下一般选择在岩性接触带界面上。
40.s6、开启电路开关400，对岩性接触带100两侧的锚杆300通电，以驱动化合物溶液中的阳离子渗入电源负极所在岩性接触带100的一侧，驱动化合物溶液中的阴离子渗入电源正极所在岩性接触带100的一侧，从而通过化学反应对岩性接触带100两侧的岩体进行加固，其中，通电电压和通电时间由岩样的渗透率决定，具体地，当岩体渗透率k＜10-4
cm/s，电压控制在120v，通电时间60min，当10-4
cm/s＜k＜10-2
cm/s，电压控制在80v，通电时间40min，当k＞10-2
cm/s，电压控制在60v，通电时间30min。
41.注浆操作完成后，利用冲击回波声频检测仪测试与步骤s1相同位置处的裂隙发育程度，并对比两组数据，以此判断注浆效果。
42.本发明提供的技术方案具有以下优点：
43.(1)利用岩性接触带100两侧岩体200的组分差异，通过电场分别将阴阳离子运输到两种岩体200中，并与岩体200原有组分发生化学反应生成稳定的化合物，进而同时增强岩性接触带100两侧岩体200的稳定性；
44.(2)两侧岩体200中打入到松动圈之外的锚杆不仅可以形成电场，其本身可以对岩体200进行支护，与化学注浆加固同步作用形成整体稳定的围岩；
45.(3)利用电场加速溶液的流动，可以减小注浆压力，以防注浆压力过高对于破碎岩体结构本身的损坏。
46.以上所述仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种地下洞室岩性接触带的原位电化学注浆加固方法，其特征在于，包括：s1、检测地下洞室岩壁的物质成分，根据岩壁的物质成分的差异确定地下洞室岩性接触带的位置；s2、对岩性接触带两侧的岩体进行采样，采用纳米探针分别测试不同溶液化学反应下两种岩样的强度，遴选显著提高岩性接触带一侧岩样强度的阳离子与另一侧岩样强度的阴离子，调制包含该阳离子和阴离子的化合物溶液；s3、在岩性接触带两侧并排打入若干个锚杆至围岩松动圈外的稳定岩体内；s4、将岩性接触带两侧的锚杆经由一电路开关接入直流电，其中，所需阴离子岩性接触带一侧的锚杆全部接入正极，所需阳离子岩性接触带一侧的锚杆全部接入负极；s5、在岩性接触带上钻进若干个注浆孔，然后通过注浆装置向各个注浆孔内注入所述化合物溶液；s6、开启电路开关，对岩性接触带两侧的锚杆通电，以驱动化合物溶液中的阳离子渗入电源负极所在岩性接触带的一侧，驱动化合物溶液中的阴离子渗入电源正极所在岩性接触带的一侧，从而通过化学反应对岩性接触带两侧的岩体进行加固。2.根据权利要求1所述的地下洞室岩性接触带的原位电化学注浆加固方法，其特征在于，所述注浆装置包括配液罐、注浆管及注浆泵，所述配液罐内用于装入所述化合物溶液，所述注浆管包括管体、阳离子交换膜及阴离子交换膜，所述管体的一端封闭、另一端开口，所述管体包括左侧弧面及右侧弧面，所述左侧弧面上开设有若干个第一出射孔，所述右侧弧面上开设有若干个第二出射孔，所述阳离子交换膜敷设于所述左侧弧面上，所述阴离子交换膜敷设于所述右侧弧面上，将管体插入注浆孔内，并使左侧弧面对准岩性接触带一侧需要阳离子的岩体，使右侧弧面对准岩心接触带另一侧需要阴离子的岩体。3.根据权利要求1所述的地下洞室岩性接触带的原位电化学注浆加固方法，其特征在于，所述步骤s1中，通过手持式地质勘探光谱分析仪检测地下洞室岩壁的物质组分。4.根据权利要求1所述的地下洞室岩性接触带的原位电化学注浆加固方法，其特征在于，所述步骤s4中，将岩性接触带两侧的锚杆经由一电路开关接入直流电的具体方法为：将带螺纹的铜环拧紧在锚杆端部，各个铜环上均对称开设有两个凹槽，所述凹槽用于连接导线的一端，导线的另一端接入直流电。5.根据权利要求4所述的地下洞室岩性接触带的原位电化学注浆加固方法，其特征在于，导线的另一端接入直流电的具体方法为：在交流电路中接入一个可控制电压的干式整流变压器，将交流电转化为直流电，所述干式整流变压器通过所述导线连接所述铜环。6.根据权利要求4所述的地下洞室岩性接触带的原位电化学注浆加固方法，其特征在于，铜环与导线的连接部位用绝缘橡胶套包裹。7.根据权利要求1所述的地下洞室岩性接触带的原位电化学注浆加固方法，其特征在于，所述步骤s5中，注浆孔的位置在施工条件允许下选择在岩性接触带界面上。8.根据权利要求1所述的地下洞室岩性接触带的原位电化学注浆加固方法，其特征在于，所述步骤s6中，通电电压和通电时间由岩样的渗透率决定。9.根据权利要求8所述的地下洞室岩性接触带的原位电化学注浆加固方法，其特征在于，通过岩样的渗透率确定通电电压和通电时间的具体方法为：当岩体渗透率k＜10-4
cm/s，电压控制在120v，通电时间60min，当10-4
cm/s＜k＜10-2
cm/s，电压控制在80v，通电时间
40min，当k＞10-2
cm/s，电压控制在60v，通电时间30min。10.根据权利要求1所述的地下洞室岩性接触带的原位电化学注浆加固方法，其特征在于，在注浆前，通过用冲击回波声频检测仪测试岩性接触带附近随机若干个测定点的裂隙发育程度，注浆完成后，利用冲击回波声频检测仪测试相同位置处的裂隙发育程度，并对比两组数据，以此判断注浆效果。

技术总结
本发明公开了一种地下洞室岩性接触带的原位电化学注浆加固方法，包括确定地下洞室岩性接触带的位置；遴选显著提高岩性接触带一侧岩样强度的阳离子与另一侧岩样强度的阴离子，调制包含该阳离子和阴离子的化合物溶液；在岩性接触带两侧并排打入若干个锚杆；在岩性接触带上钻进若干个注浆孔，然后通过注浆装置向各个注浆孔内注入所述化合物溶液；对岩性接触带两侧的锚杆通电。本发明的有益效果是：根据岩性接触带两侧岩体的组分差异，通过电场将阴阳离子分别渗透至两种岩体中，并与岩体原有组分发生化学反应，进而提高岩性接触带两侧岩体强度，增强岩性接触带两侧岩体的稳定性，抑制岩性接触带由非连续、非协调变形引起的岩体破坏。坏。坏。


技术研发人员：陈东方 陈世杰 任高峰 李宁 田杰 王国强
受保护的技术使用者：武汉理工大学
技术研发日：2023.06.01
技术公布日：2023/9/22