改性水玻璃漿液在粉細(xì)砂地層暗挖隧道超前支護(hù)中的應(yīng)用

李小雷

（中鐵航空港建設(shè)集團(tuán)有限公司，河北石家莊 050000）

改性水玻璃漿液在粉細(xì)砂地層暗挖隧道超前支護(hù)中的應(yīng)用

李小雷

（中鐵航空港建設(shè)集團(tuán)有限公司，河北石家莊 050000）

在淺埋、軟弱地層中施工暗挖隧道時，圍巖自穩(wěn)時間短，不能保證安全的完成初次支護(hù)時，為確保施工安全，一般采取超前支護(hù)措施，常見的超前支護(hù)措施為超前小導(dǎo)管注漿加固，小導(dǎo)管注漿材料采用水泥漿或水泥--水玻璃雙液漿。在粉細(xì)砂層地段，因地層致密無膠結(jié)，水泥漿液無法注入，石家莊地鐵暗挖隧道超前小導(dǎo)管注漿材料采用改性水玻璃漿液，改性水玻璃漿液由水玻璃、硫酸等材料按一定的比例調(diào)配而成，利用自制的簡易牛角泵在風(fēng)壓推動下，把改性水玻璃漿液通過小導(dǎo)管按一定的擴(kuò)散半徑以單液方式注入粉細(xì)砂層中，擴(kuò)散凝膠，把松散的砂粒固結(jié)成一個強(qiáng)度適中的塊體，在隧道周圍形成一個防坍塌的固結(jié)圈，從而達(dá)到砂層加固的目的。

粉細(xì)砂 改性水玻璃 注漿 加固

隨著交通事業(yè)的發(fā)展和城市化進(jìn)程的加快，新建鐵路、公路和市政工程日益增多，在軟弱圍巖及砂土層修建的暗挖隧道越來越多，在上述地質(zhì)中修建暗挖隧道普遍采用注漿法進(jìn)行地層加固處理。注漿方法包括電化學(xué)注漿、劈裂注漿、壓密注漿、滲入性注漿等，其中滲入性注漿由于其注漿壓力小，對地層結(jié)構(gòu)基本不產(chǎn)生擾動和破壞，使用的機(jī)具、設(shè)備較簡單，施工相對容易，應(yīng)用廣泛。滲入性注漿所采用的漿液主要有水泥類漿液和化學(xué)漿液，其性能各不相同。水泥類漿液多用于斷層及斷層破碎帶注漿，一般要求被注地層孔隙大于0.2mm?；瘜W(xué)漿液的可注性較好，可用于粉、細(xì)砂注漿， 但大部分漿液成本較高，工藝較復(fù)雜。作為化學(xué)漿液的一種，水玻璃類漿材已有近百年的歷史。19世紀(jì)后期，注漿材料便從以水泥漿材為主發(fā)展到以水玻璃漿材為主，經(jīng)過不斷的技術(shù)改進(jìn)，水玻璃漿材憑借其優(yōu)越的綜合性能，成為應(yīng)用最廣泛的光學(xué)注漿材料之一。水玻璃漿液雖然具有眾多優(yōu)點(diǎn)，但在使用過程中需具有合適的膠凝時間和適宜的強(qiáng)度，為此有必要研究適用于粉細(xì)砂層的漿液配方和注漿方法，為施工現(xiàn)場提供技術(shù)依據(jù)。

1 注漿材料

1.1 注漿原材料

水玻璃：模數(shù)2.2～2.8，濃度40Be'

硫酸：濃度98%，可用廢硫酸代替。

1.2 漿液配制

甲液：濃度15~20Be'水玻璃 乙液：15%稀硫酸

1.2.1 水玻璃的稀釋

采用邊加水邊攪拌邊用波美計(jì)測量的方法進(jìn)行，亦可用計(jì)算方法，先算出加水量，然后加入水?dāng)嚢杈鶆颉?/p>

V原=（d配-1）/（d原-1）×V配 V水=V配-V原

式中：d原、d配—分別為原水玻璃和預(yù)配水玻璃的比重

V水、V配、V原—分別為加水、原水玻璃和預(yù)配水玻璃的體積

稀釋后的水玻璃濃度為15~20Be'，當(dāng)濃度小于15 Be'難于膠凝，大于20 Be'時膠凝時間過快，不能滿足漿液滲透的要求。

1.2.2 硫酸的稀釋

先算出所需濃硫酸量和加水量，然后將濃硫酸緩慢倒入水中，攪拌均勻，嚴(yán)禁將水倒入濃硫酸中。將濃硫酸稀釋成15%的稀硫酸。

1.2.3 改性水玻璃配制

在高速攪拌情況下，將水玻璃緩慢倒入稀硫酸中，其比例根據(jù)所配漿液的PH值確定，用PH試紙測其PH值。PH值是影響膠凝時間的主要因素之一，PH值在7附近時膠凝最快，在顯著的酸性范圍內(nèi)，膠凝速度大為減慢。當(dāng)PH值在5～6附近時膠凝較快， PH值在3附近時，膠凝時間很慢。配制后改性水玻璃漿液的PH值控制在3～5之間，滿足注漿時膠凝時間可控、穩(wěn)定性好的要求。漿液的膠凝時間越長，施工方便，擴(kuò)散半徑大，但膠凝時間過長，則不利于施工進(jìn)度，配置好的改性水玻璃漿液的膠凝時間控制在30～60min，滿足可注性和及時開挖的要求。

2 改性水玻璃的注漿作業(yè)

2.1 小導(dǎo)管的安設(shè)

小導(dǎo)管的安設(shè)應(yīng)采用引孔頂入法。其安設(shè)步驟為：

（1）用吹管將粉細(xì)砂吹出成孔，孔徑40mm，孔深視導(dǎo)管深度而定；

（2）插入導(dǎo)管，如插入困難，可輕擊鋼管頂入；

（3）用吹風(fēng)管將管內(nèi)砂石吹出；

圖1 注漿設(shè)備系統(tǒng)圖

（4）導(dǎo)管周圍縫隙用塑膠泥封堵，并用棉紗將孔口堵塞。

暗挖隧道小導(dǎo)管超前支護(hù)一般采用φ42×3.25mm鋼管，但在粉細(xì)砂層中施工超前小導(dǎo)管注改性水玻璃漿液時，因小導(dǎo)管采用風(fēng)管將砂吹出成孔，成孔直徑40mm左右，為防止錘擊導(dǎo)管導(dǎo)致砂層脫落或塌孔，建議優(yōu)化鋼管直徑，采用φ30×3.0mm鋼管，更能適應(yīng)粉細(xì)砂層的注漿的特點(diǎn)。

2.2 注漿施工方法

2.2.1 注漿工藝

（1）注漿設(shè)備。采用自制的簡易牛角泵，利用風(fēng)壓進(jìn)行注漿作業(yè)，如圖1所示。

（2）注漿操作步驟。

①關(guān)閉放氣閥及放漿閥；②將配制好的漿液通過進(jìn)漿口灌入泵體；③打開進(jìn)氣閥，使壓縮空氣進(jìn)入泵體，空壓機(jī)風(fēng)壓0.6～0.7MPa；④打開出漿閥，加入漿液，漿液經(jīng)孔口密封器、管路、導(dǎo)管進(jìn)入地層。

2.2.2 注漿量與注漿效果

（1）注漿量控制。在0.6～0.7MPa風(fēng)壓下進(jìn)行注漿，當(dāng)砂層中無法注入時（注漿口冒漿）為止。理論上，漿液在砂層中符合柱形擴(kuò)散理論，即漿液從注漿管的某一段向土層呈柱狀擴(kuò)散。由于漿液的粘度是不斷變化的，受注地層都是不均質(zhì)的，注漿孔的孔源有時也是不規(guī)整的。假設(shè)為漿液粘度一定、土層均質(zhì)、漿源形狀規(guī)整和漿液為牛頓體，漿液在較低的注漿壓力下，是可以進(jìn)行滲透注漿的，滿足滲透理論。注漿量的可參考推導(dǎo)公式計(jì)算：

Q=πr2na

Q注漿量（cm3）；a為柱狀注漿長度（cm）；r1漿液擴(kuò)散半徑（cm）； n為粉細(xì)砂的孔隙率（%）--0.35。

（2）擴(kuò)散半徑。影響擴(kuò)散半徑的因素很多、很復(fù)雜，很難準(zhǔn)確掌握注漿量和擴(kuò)散半徑的關(guān)系。影響擴(kuò)散半徑的主要因素有：粉細(xì)砂的滲透系數(shù)，滲透系數(shù)越大則擴(kuò)散半徑越大；注漿壓力，壓力越大則擴(kuò)散半徑越大；注漿時間，時間越長則擴(kuò)散半徑越大；粉細(xì)砂的孔隙率，注漿量一定時，孔隙率越大則擴(kuò)散半徑越?。粷{液粘度和水的粘度比，粘度越大則擴(kuò)散半徑越小。

（3）注漿效果。改性水玻璃的固砂強(qiáng)度較低，很難通過取樣驗(yàn)證。根據(jù)改性水玻璃的膠凝時間，注漿完成后30min進(jìn)行開挖驗(yàn)證注漿效果，導(dǎo)管周圍形成柱狀砂體，砂層穩(wěn)定，擴(kuò)散半徑25cm～40cm。

（4）影響注漿效果的因素。由于改性水玻璃漿液具有多種性能，為獲得良好的可灌性能與固結(jié)效果，在調(diào)配預(yù)注漿液過程中，需根據(jù)設(shè)計(jì)要求和砂質(zhì)地層特性，合理調(diào)整漿液的技術(shù)參數(shù)，以達(dá)到預(yù)期的注漿效果。影響注漿效果的主要因素：

①漿液ph值與膠凝時間：調(diào)整漿液的ph值，可使?jié){液的膠凝時間從瞬間到幾十分鐘之間可供選擇。在實(shí)施中，可根據(jù)需要對膠凝時間進(jìn)行調(diào)節(jié)，滿足可注性的要求。

②漿液的稀釋效應(yīng)：漿材濃度的變化對漿材的膠凝時間和固化強(qiáng)度具有明顯的影響。漿液濃度越大，膠凝時間越短，其固化強(qiáng)度亦高；漿材濃度降低，其膠凝時間相對延長，但過于稀釋會出現(xiàn)不凝的性狀，同時固化強(qiáng)度也會下降甚至消失。

3 結(jié)語

改性水玻璃注漿具有操作方便、加固效果好、施工進(jìn)度快、成本低、無污染，能解決水泥漿不適宜的粉細(xì)砂地層，對于粉細(xì)砂地質(zhì)的改良具有良好效果，在暗挖隧道施工中得到了應(yīng)用和推廣。但水玻璃漿液作為化學(xué)材料，受地質(zhì)條件、漿材配置和作業(yè)方法等影響，尚存在一些不足，如：①酸性水玻璃的配置沒有理論依據(jù)，需要不斷的總結(jié)相關(guān)數(shù)據(jù)，經(jīng)驗(yàn)指導(dǎo)施工；②酸性水玻璃固砂強(qiáng)度只有0.1-0.4MPa，而且失水后即消散，不能得到高強(qiáng)度固砂體，需在一定的時間內(nèi)完成加固砂層的開挖支護(hù)。隨著改性水玻璃注漿工藝的推廣和工程技術(shù)人員的總結(jié)，其注漿工藝和注漿方法將得到不斷的完善和發(fā)展。

［1］王夢恕.地下工程淺埋暗挖技術(shù)通論［M］.安徽教育出版社，2004，12.

［2］住建部.建筑工程水泥-水玻璃雙液漿技術(shù)規(guī)程［M］.中國建筑工業(yè)出版社，2010，9.

［3］葉英.粉細(xì)砂地層淺埋暗挖法注漿加固技術(shù)指南［M］.中國建筑工業(yè)出版社，2013，10.