XPM納米灌注劑在富水粉細(xì)砂地層注漿中的應(yīng)用

張 勇

（中鐵十二局集團(tuán)有限公司第二工程有限公司，山西太原 030032）

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XPM納米灌注劑在富水粉細(xì)砂地層注漿中的應(yīng)用

張 勇

（中鐵十二局集團(tuán)有限公司第二工程有限公司，山西太原 030032）

摘 要：在北京地鐵施工中，富水細(xì)砂層經(jīng)常遇到，由于該地層孔隙小，滲透系數(shù)小，對(duì)其注漿加固一直是暗挖施工的難題。本文通過(guò)采用新材料XPM納米灌漿劑在富水粉細(xì)砂層中注漿，并對(duì)注漿加固效果進(jìn)行評(píng)估分析，工程實(shí)踐表明，加固效果良好，滿足開(kāi)挖要求，能夠保證工程自身及周邊道路及建筑物安全。

關(guān)鍵詞：地鐵；暗挖隧道；富水粉細(xì)砂；注漿加固；XPM納米灌注劑

0　引言

在北京地鐵施工中，由于古河道沖刷沉積作用經(jīng)常會(huì)遇到富水粉細(xì)砂地層，該地層松散、無(wú)粘聚力、自穩(wěn)能力很差，一旦開(kāi)挖，極易發(fā)生涌水、涌砂及塌方等工程災(zāi)害。同時(shí)，該類地層孔隙小、滲透系數(shù)小、顆粒漿液難以滲透，注漿效果很難保證。

針對(duì)富水粉細(xì)砂層注漿，很多單位及地鐵建設(shè)者從注漿技術(shù)及材料等方面進(jìn)行了大量研究、試驗(yàn)及實(shí)踐，取得了一定效果。目前，富水粉細(xì)砂層注漿通常使用超細(xì)水泥，而超細(xì)水泥粒徑正好處于可注的臨界狀態(tài)，任何對(duì)可注性不利的因素都會(huì)導(dǎo)致注漿的失敗。為了提高可注性，通常加入多種外加劑，如，懸浮劑、減水劑、稀釋劑等，漿液制作繁瑣，且需要不斷的試驗(yàn)才能成功。因此，超細(xì)水泥在富水粉細(xì)砂地層注漿成功案例不多[1]。

隨著材料技術(shù)的發(fā)展，納米級(jí)注漿材料已開(kāi)發(fā)出來(lái)[2-3]，且已在一些工程實(shí)際中得到應(yīng)用。如，XPM 納米灌注劑，在各類工程事故搶修、礦井巷道注漿、地鐵二襯注漿止水中得到了成功的應(yīng)用[3-5]，但由于其造價(jià)高，在地鐵暗挖隧道注漿尚無(wú)應(yīng)用實(shí)例。本文通過(guò)對(duì)XPM 納米灌注劑的特性分析，發(fā)現(xiàn)該材料能夠滲透粉細(xì)砂地層，同時(shí)作為一種外加劑，能夠提高水泥漿液性能，適用于富水粉細(xì)砂地層注漿，并在實(shí)際應(yīng)用中取得了良好的效果。

1　工程概況

北京地鐵16號(hào)線甘家口站—玉淵潭東門站區(qū)間位于三里河路下方，全長(zhǎng)為 705.6m，采用礦山法施工，區(qū)間設(shè)有 1 處臨時(shí)施工豎井及橫通道。橫通道開(kāi)挖穿越地層為卵石層、粉細(xì)砂層及礫巖層，采用地面管井降水，降水井直徑 273mm，管徑 200mm，間距 6m。因外部環(huán)境影響，橫通道開(kāi)挖過(guò)程中，降水井未封閉，且橫通道位于基巖凹槽內(nèi)，開(kāi)挖時(shí)地下水豐富。橫通道橫剖面及地層、地下水示意圖見(jiàn)圖 1。

橫通道開(kāi)挖過(guò)程中，采用雙重管注超細(xì)水泥-水玻璃雙液漿、改性水玻璃進(jìn)行粉細(xì)砂地層堵水加固，但效果不良，開(kāi)挖時(shí)出現(xiàn)流砂、涌砂現(xiàn)象并導(dǎo)致下臺(tái)階整體滑塌，造成險(xiǎn)情且無(wú)法繼續(xù)施工。為了使橫通道能夠正常開(kāi)挖，確保道路及管線安全，在理論分析的基礎(chǔ)上，提出了采用XPM納米灌注劑進(jìn)行注漿。

圖1　橫通道剖面及地層地下水示意圖（單位：mm）

2　注漿試驗(yàn)分析

2.1粉細(xì)砂地層特性

對(duì)粉細(xì)砂地層取樣并進(jìn)行篩分試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表 1。根據(jù)表 1 試驗(yàn)結(jié)果，粉細(xì)砂顆粒粒徑主要集中在0.075～0.25mm，地層顆粒間孔隙很小，地層滲透系數(shù)為 5m /天，屬低滲透性地層。

表1　土樣篩分試驗(yàn)結(jié)果

2.2注漿材料特性

2.2.1超細(xì)水泥

根據(jù) 800 目超細(xì)水泥激光粒度儀測(cè)試報(bào)告，其主要特性見(jiàn)表 2。

表2　800目超細(xì)水泥粒度測(cè)試結(jié)果

2.2.2XPM納米灌注劑

XPM 納米灌注劑是采用沸石經(jīng)超細(xì)粉磨至粒徑至327×10-9m 的無(wú)機(jī)中性納米級(jí)外加劑，主要化學(xué)成分為 SiO2和 Al2O3，該材料的性能特征如下：

（1）具有良好的可注性，在 0.45 水灰比條件下，流速接近水流速；

（2）顆粒細(xì)，布朗運(yùn)動(dòng)活潑，不產(chǎn)生離析和沉淀，漿液具有良好的穩(wěn)定性，可注入 0.01mm 孔隙開(kāi)度；

（3）減水率高，達(dá) 28%～37%；

（4）具有良好的膠結(jié)性，能與水泥漿液中的Ca(OH)2反應(yīng)生成尺寸 1nm 的 C-S-H 凝膠分子，通過(guò)結(jié)晶生長(zhǎng)填塞毛細(xì)通道；

（5）良好的抗?jié)B性，抗?jié)B指標(biāo)達(dá) P30～P40；

（6）結(jié)石強(qiáng)度高，抗壓強(qiáng)度可提高 2～3 倍；

（7）直接摻入水泥漿中，注漿工藝簡(jiǎn)單，施工操作方便；

（8）無(wú)毒害無(wú)污染。

2.3粉細(xì)砂層注漿加固機(jī)理

2.3.1滲透注漿

對(duì)于粒狀介質(zhì)，其可注性一般用可灌度 GR來(lái)表示：

式（1）中，D15為地層小于此種粒徑的顆粒質(zhì)量占總顆粒質(zhì)量的 15%；d85為注漿材料小于此種粒徑的粒狀顆粒質(zhì)量占總顆粒質(zhì)量的 85%。

一般認(rèn)為 GR＞15 時(shí)，可以滲透，當(dāng) GR＜11 時(shí)，認(rèn)為滲透無(wú)效。

2.3.2劈裂注漿

滲透注漿是一個(gè)純理論公式，試驗(yàn)和大量實(shí)踐資料都表明，在理論上即使是細(xì)砂層可注，但實(shí)際均勻滲透的距離卻非常小。注漿過(guò)程中，漿液不可能一直擴(kuò)散，即使增加注漿壓力，漿液也不會(huì)繼續(xù)擴(kuò)散，這時(shí)，注漿壓力的增大會(huì)使土層之間產(chǎn)生裂隙，此時(shí)為劈裂滲透。

2.3.3粉細(xì)砂注漿加固

在粉細(xì)砂層注漿，加固以滲透、劈裂、擠密地層為主，全過(guò)程分為充填滲透階段、擠密階段、劈裂階段、被動(dòng)土壓力階段及再滲透階段等 5 個(gè)階段。

2.4試驗(yàn)分析結(jié)論

結(jié)合地層、注漿材料特征、粉細(xì)砂注漿加固，并參考相關(guān)研究結(jié)論，可分析得出如下結(jié)論。

（1）800 目超細(xì)水泥針對(duì)粉細(xì)砂地層可灌度GR= 12.1＜15，且＞11，超細(xì)水泥的粒徑處于可注的臨界狀態(tài)。

（2）已有研究表明，超細(xì)水泥在比表面積8000cm2/g 時(shí)，對(duì)粉細(xì)砂滲透可達(dá) 230mm，大于該比表面積時(shí)對(duì)粉細(xì)砂的滲透性僅有微弱提高[1]。800 目超細(xì)水泥比表面積為 9313.9cm2/g，因此，選用 800 目超細(xì)水泥注漿比較經(jīng)濟(jì)合理。

（3）XPM 納米灌注劑針對(duì)粉細(xì)砂地層可灌度GR= 296.6，遠(yuǎn)大于 15，因此，XPM 納米灌注劑對(duì)粉細(xì)砂地層是可滲透的。

（4）XPM 納米灌注劑在加入水泥漿液后，能夠提高漿液的流變性，使得水泥漿液更好地滲透。

（5）漿液在粉細(xì)砂層劈裂滲透后，形成的結(jié)實(shí)體和土體相結(jié)合形成復(fù)合土體。XPM 納米灌注劑能夠提高水泥水化反應(yīng)進(jìn)程，并提高其強(qiáng)度，使得復(fù)合土體整體穩(wěn)定性增強(qiáng)。

（6）XPM 納米灌注劑與水泥漿中的Ca(OH)2反應(yīng)生成 C-S-H 凝膠分子，通過(guò)結(jié)晶生長(zhǎng)填塞毛細(xì)通道，對(duì)粉細(xì)砂地層水進(jìn)行封堵的同時(shí)，彌補(bǔ)了水玻璃漿脈強(qiáng)度低的缺點(diǎn)。

3　注漿施工

3.1工藝流程

注漿采用雙重管后退式注漿，工藝流程如下：

止?jié){墻施工→孔位布置→鉆孔→封孔→后退注漿→下一孔施工。

3.2注漿參數(shù)設(shè)計(jì)

（1）已有研究表明，粉細(xì)砂地層采用1.25MPa 的注漿壓力時(shí)，土體在水平和豎向都發(fā)生了裂變，形成了形狀各異的漿脈，對(duì)土體起到了很好的改良作用[8]，因此，注漿壓力選用 1～1.5MPa。

（2）超細(xì)水泥在粉細(xì)砂地層滲透可達(dá) 230mm，考慮 XPM 納米灌注劑能夠提高水泥漿液的流變性及劈裂滲透因素，漿液擴(kuò)散半徑取 500mm。

（3）注漿范圍及孔位布置。每注漿段長(zhǎng) 6m，開(kāi)挖4m，留 2m 作為下一注漿段止?jié){墻，注漿橫向范圍為開(kāi)挖輪廓外 1500mm，豎向沿橫隔板往下 500mm。注漿范圍及孔位布置見(jiàn)圖 2、圖 3。

（4）漿液配置。原材料采用 800 目超細(xì)水泥、XPM 納米灌注劑、水玻璃、硫酸、C 劑（加速凝固）。漿液分為懸濁液（由 A 液和 C 液組成，簡(jiǎn)稱 AC 液）和溶液型（由 A 液和 B 液組成，簡(jiǎn)稱 AB 液），AB 液強(qiáng)度低，止水效果好，AC 液強(qiáng)度高，注漿時(shí)，AB 液和 AC 液交互使用，漿液配合比見(jiàn)表 3。

（5）注漿量。單孔注漿量按照式（2）控制：取 0.4；α 為注漿孔隙充填率，取0.8；β 為漿液消耗系數(shù)，取 1.15。

根據(jù)公式（2）計(jì)算，得到粉細(xì)砂地層單孔每延米注漿量為 289L。

式（2）中，Q 為注漿量，m3；R為漿液擴(kuò)散半徑，m；L為注漿孔長(zhǎng)度，m；n 為地層孔隙率，粉細(xì)砂

圖2　注漿孔縱剖面布置圖（單位：mm）

圖3　注漿孔平面布置圖（單位：mm）

表3　漿液配合比表

3.3注漿施工

3.3.1鉆孔

鉆孔采用 ZLJ-1200 鉆機(jī)，鉆桿為直徑 42mm 中空鉆桿，每根長(zhǎng) 2.0m，接頭要旋緊以保證密閉不漏漿液。按孔位布置圖，調(diào)整好水平、豎向鉆進(jìn)角度，對(duì)準(zhǔn)孔位后開(kāi)鉆。嚴(yán)格掌握鉆桿深度，慢速運(yùn)轉(zhuǎn)，掌握地層對(duì)鉆機(jī)的影響情況，以確定相應(yīng)地層條件下的鉆進(jìn)參數(shù)。觀察溢水出水情況，出現(xiàn)大量溢水時(shí)，應(yīng)立即停止作業(yè)，分析原因，采取有效措施后，方可繼續(xù)施工。

圖4　注漿加固效果圖

3.3.2后退注漿

鉆孔完成后，采用 SYB-60/5 雙液注漿泵后退式注漿。先采用改性水玻璃漿液進(jìn)行封孔，然后根據(jù)地層中含水情況，交替注 AB 液和 AC 液，邊注漿邊倒退鉆桿，完成注漿。嚴(yán)格控制注漿壓力，同時(shí)密切關(guān)注注漿量，采取注漿量及注漿壓力雙控方法控制。注漿完成后，為防止?jié){液在管內(nèi)凝固，必須將注漿管沖洗干凈。

由于粉細(xì)砂層上部為卵石地層，因此注漿自上而下進(jìn)行，先注上部孔位，以防止下部孔位注漿時(shí)漿液大量流入卵石地層。橫向先注兩側(cè)，后注中間，并采用跳孔注漿方式。

3.3效果檢查

注漿結(jié)束開(kāi)挖前，需進(jìn)行注漿效果檢查。首先統(tǒng)計(jì)總注漿量，并結(jié)合加固土體體積，反算漿液充填率來(lái)初步判斷注漿效果；其次，從止?jié){墻向地層中鉆孔（孔位盡量設(shè)置在注漿前地層滲水部位），并觀察是否有水流，若無(wú)水流，方可破除止?jié){墻開(kāi)挖，若有水，需進(jìn)行局部補(bǔ)充注漿；最后，破除止?jié){墻，進(jìn)行開(kāi)挖驗(yàn)證。

通過(guò)開(kāi)挖觀察，漿液滲透、劈裂滲透至地層并擠密加固土體，漿液凝固體及土體構(gòu)成了一種復(fù)合土體。加固形成的復(fù)合土體強(qiáng)度高，滲透系數(shù)極低，整體穩(wěn)定，滿足開(kāi)挖需求。注漿加固后效果見(jiàn)圖 4。

4　結(jié)論

（1）引入 XPM 納米灌注劑在富水粉細(xì)砂地層注漿，工程實(shí)踐表明加固效果良好，滿足開(kāi)挖需求，有效地保證了工程自身及周邊道路、管線的安全，避免了工程風(fēng)險(xiǎn)。

（2）XPM 納米灌注劑價(jià)格高，導(dǎo)致工程造價(jià)提高，大范圍使用經(jīng)濟(jì)性較差。隨著材料技術(shù)的發(fā)展，XPM 納米級(jí)注漿材料的價(jià)格有望不斷降低，在注漿中使用的可能性也將進(jìn)一步提高。

（3）漿液制作簡(jiǎn)單，不需加入其他外加劑，僅需按照水泥重量比例加入適量灌注劑即可。

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責(zé)任編輯 朱開(kāi)明

Application of XPM Nanometer Perfusion Agent in Water Rich Sand Stratum Grouting

Zhang Yong

Abstract:Beijing metro construction frequently encounters water rich silty fine sand strata, bringing great difficulties and risks to the construction of a metro especially caused by tunnel construction. The formation pore is small, the slurry is hard to penetrate, and the grouting reinforcement is always a difficult problem in the construction of the tunnel. Although the ultrafi ne cement has had some achievements， but it still needs to add a variety of additives. With cumbersome slurry configuration, there is few successful case. The paper introduces a new XPM nanometer grouting agent (nanometer class grouting material), based on the analysis of grouting theory, and it has been used in the engineering practice, and the effect is good.

Keywords:metro, tunnel, water rich sand, grouting, nanometer XPM perfusion agent

中圖分類號(hào)：TU753

作者簡(jiǎn)介：張勇（1984—），男，工程師

收稿日期2016-03-31