一種新型袖閥管雙液注漿加固工法

陳劍，魏義山，江紅，瞿同明，王樹英

（1.中交第三航務工程局有限公司南京分公司，江蘇南京210000；2.中交三航局第三工程有限公司，江蘇南京210000；3.中南大學，湖南長沙410075）

一種新型袖閥管雙液注漿加固工法

陳劍1，2，魏義山1，2，江紅1，2，瞿同明3，王樹英3

（1.中交第三航務工程局有限公司南京分公司，江蘇南京210000；2.中交三航局第三工程有限公司，江蘇南京210000；3.中南大學，湖南長沙410075）

傳統(tǒng)的袖閥管雙液注漿技術通常將水玻璃與水泥漿在袖閥管內混合，液漿凝固速度快，極易造成堵管，影響工程質量和工期。為解決注漿堵管問題，在充分闡述袖閥管注漿機理的基礎上，提出一種新型袖閥管注漿技術。新技術的特點在于使用3根管分別注入水泥漿、水玻璃及套殼料，水玻璃與水泥漿在地層內混合。該方法在青島市地鐵R3線嘉（年華）—靈（山衛(wèi)）區(qū)間得到應用，分別使用鉆孔取芯法和開挖取樣法，結合隧道開挖引起的地表沉降曲線對袖閥管注漿加固效果進行評估。結果表明，該注漿工法有效杜絕了堵管現象，能提高圍巖強度，降低地層滲透性。

袖閥管；注漿機理；漿液堵管；新型雙液注漿技術；注漿效果評價

隨著我國基礎建設事業(yè)的推進，在各類復雜地質、復雜周邊環(huán)境條件下進行土體加固的實例越來越多。注漿工藝能有效地加固各類不良巖土，能及時補救地表沉降、房屋不均勻沉降等造成的危害，在滑坡防治、裂縫修復、房屋糾偏、壩基防滲、塌方處理、古建筑保護等方面發(fā)揮重要作用，因此被廣泛地應用于基坑、隧道、機場、地礦、水電等各類土建項目中［1-2］。其中袖閥管注漿工藝能較好地控制注漿范圍和注漿壓力，可進行重復注漿，且發(fā)生冒漿與串漿的可能性小，鉆孔和注漿作業(yè)可以分開，是國內外公認的最可靠的注漿工法之一。

袖閥管注漿技術應用廣泛，國內許多學者和一線的技術人員對其進行了一系列研究。吳順川等［3］、孫鋒等［4］基于顆粒流數值模擬方法，朱登元等［5］基于有限單元法，在理論上對漿液的擴散機理進行了探索；李豐果［6］以深圳地鐵車站施工為背景，分析了袖閥管注漿帷幕在地鐵車站暗挖施工中對周邊構筑物的保護作用；卜祥玉［7］結合北京地鐵8號線南鑼鼓巷站—中國美術館站盾構區(qū)間的袖閥管加固實例，介紹了袖閥管注漿工藝，并對注漿造價進行了分析；王國義［8］以成都地鐵1號線袖閥管加固盾構周邊鄰近建（構）筑物為背景，總結了在成都地區(qū)富水砂卵石地質條件下袖閥管的加固工藝；魏晨亮等［9］、任國宏［10］依托南寧地鐵袖閥管注漿加固實例，總結了在富水圓礫地層條件下進行袖閥管注漿的技術經驗；張民慶等［11］對注漿效果的檢查評定方法做了系統(tǒng)總結和歸類，并結合工程對其中幾種方法的應用做了示例。

在袖閥管施工中，注漿時基本采用常規(guī)T形三通管法進行雙液注漿或者直接進行單液注漿，但T形三通管法容易堵塞袖閥管道，二次注漿條件較差；單液漿在富水地層容易被快速稀釋，不能有效形成固結體。在分析袖閥管機理的基礎上，提出一種將雙液漿在地層內混合的新型注漿方法。此方法的特點在于使用3根管子分別注入水泥漿、水玻璃與套殼料，水玻璃與水泥漿在地層內混合。青島市地鐵R3線嘉（年華）—靈（山衛(wèi)）區(qū)間1#斜井地表袖閥管注漿效果評估表明，此方法有效杜絕了雙液漿堵管現象，能有效加固土體。

1　袖閥管加固技術

袖閥管注漿工作原理是將拌制好的漿液通過注漿泵加壓，從連通管進入注漿管，注漿管管端連接雙塞管；漿液聚集到袖閥管注漿管段，在內壓力作用下漿液從泄?jié){孔噴出，將橡皮套漲開，擠碎套殼料；被加壓的漿液沿著地層結構以充填、滲透、壓密、劈裂的形式流動；后續(xù)的漿液在壓力作用下不斷注入地層，在地層中形成固結體，從而達到增加地層強度、降低地層滲透性的目的。逐次提升或降低注漿芯管，即可實現分層注漿。袖閥管注漿工作原理如圖1所示。

其中，橡皮套的作用是當注漿管段漿液壓力較大時，皮套撐開，漿液從泄?jié){孔流入地層；當停止注漿時，皮套縮回，封閉泄?jié){孔，防止?jié){液、泥土或地下水回流到袖閥管中，為二次注漿預留條件。雙塞管和橡皮帽的作用是控制漿液在袖閥管內的空間，并起到增壓作用。套殼料主要由水泥、膨潤土制成，能在袖閥管周圍形成具有一定強度的保護層。此保護層的豎向強度大，水平向強度小，能有效防止?jié){液沿袖閥管管壁上下流動，又能被壓力漿液沿水平向擊碎，因此漿液僅在水平向流動，增加了地層的加固半徑。射漿孔起增壓作用，高壓下能避免漿液在注漿管內凝固。

漿液在地層中主要通過充填、滲透、壓密和劈裂的復合效應來達到土體改性的目的，但4種漿液擴散狀態(tài)并非單獨存在。當注漿壓力較小，地層存在空洞或較大縫隙時，以充填效應為主；地層疏松，滲透系數較大時，以滲透效應為主。當注漿壓力較大，漿液較濃稠時，以壓密效應為主，否則以劈裂效應為主。

圖1　袖閥管注漿工作原理

2　富水復合地層條件下袖閥管加固技術

2.1工程概況

青島市地鐵R3線嘉—靈區(qū)間1#斜井進洞處為Ⅵ級圍巖，地層松軟，進洞處覆土僅6m，施工風險大。斜井位于濱海大道一側的綠化帶內，總長226m，明挖段長83m，暗挖段長143m。為確保1#斜井安全進洞，在地表處采用袖閥管對斜井隧道上方及周邊軟弱圍巖進行加固，袖閥管加固位置按梅花形布置，間距為1m。

加固區(qū)地表為3m厚素填土，往下依次是2.2m厚含淤泥的中粗砂，1.5m厚粉質黏土層，2.2m厚含黏土的礫砂層，為典型的黏土與砂土復合地層。袖閥管加固范圍包括部分素填土、全部含淤泥的中粗砂層，粉質黏土層和含黏土的礫砂層、地下水位約在地表以下3.3m。其中粉質黏土層為不透水層，含黏土的礫砂層有低承壓水。

2.2新型袖閥管雙液注漿方法

富水地層加固通常要求漿液有較好的泌水性能和抗分散性能，因此通常選取凝固速度快、抗分散性能好的水泥-水玻璃雙液漿進行注漿。傳統(tǒng)注漿方法是采用T形三通管將雙液漿混合后注入袖閥管。此種方法雖然漿液配比容易控制，但由于雙液漿凝固迅速，每根袖閥管一個注漿步距花費時間較多，且容易塞管。在一些砂礫石與黏土的復合地層中，施工人員難以把握注漿管內每一節(jié)段的注漿時間，更加劇了堵管的風險。一旦堵塞，輕則浪費時間人力，重則堵管塞泵，導致工程工期延遲和造價提高。因此，提出了一種將雙液漿在地層內混合的新型注漿方法。注漿管示意如圖2。

圖2　注漿管示意

由圖2可見，此種方法將注漿管分為A，B，C三根管，其中A管為普通的PVC袖閥管，用于注入水泥漿，B管和C管為橡膠皮管，B管用于注入水玻璃，C管用于注入套殼料。A管與B管上泄?jié){孔的布置根據地層條件有所不同，C管不論在何種地層，均不留泄?jié){孔。在砂礫層，A管每隔33cm預留2個泄?jié){孔，2個泄?jié){孔徑向對稱布置，在A管泄?jié){孔上、下3～5cm位置的B管上均設置1對泄?jié){孔，即A管每對孔周圍的B管上對應布置2對孔；在黏土層，B管上不留泄?jié){孔；泄?jié){孔均用橡皮套包裹。為避免管子在下放鉆孔過程中有雜物填充堵塞，A，B管底端用管帽和膠水密封，C管底端用膠帶密封，但注意密封不得過于嚴實。具體實施過程如下。

1）樁位放樣

袖閥管平面布置間距為1.0m×1.0m，呈梅花狀布置。用全站儀測定袖閥管施工標記點，埋樁標記。

2）修建排污和灰漿拌制系統(tǒng)

袖閥管施工過程中，不可避免會產生少量（＜10%）的返漿，將廢液收集至沉淀池，處理達標后進行無公害排放。

3）鉆孔

土層成孔直徑為150mm，采用套管護壁水沖法成孔。

4）下管

將A管和B管用膠帶綁緊，A管每對孔周圍的B管上對應布置2對孔；C管和A，B管做簡單綁扎即可，3根管子一起放入鉆孔中。應確保3根管子下放到孔底，上部要高出地面50cm以上。在注漿之前，將3根管子的管口用管帽封住，防止落入雜物。

5）配置套殼料

套殼料質量配比為水泥∶膨潤土∶水=1∶1.6∶2，每100kg套殼料泥漿中摻入1kg的粉煤灰。

6）拔出套管，下套殼料

使用注漿機，通過C管將套殼料溶液自下而上注入鉆孔中，每節(jié)套管長4m，注一節(jié)套管的深度，拔一節(jié)套管，直至拔出套管。注意：①在灌注套殼料過程中，應使袖閥管立在鉆孔中心，管身保持直立，且不能將套殼料灌入袖閥管中。②在地質情況良好、鉆孔后直立性良好的地層，可一次性拔出套管、一次性灌注套殼料，節(jié)省時間和工序。

7）配置雙液漿

水泥漿水灰比為1∶1，水泥為P.O42.5普通硅酸鹽水泥，水玻璃濃度為30～40°Be'，水泥漿與水玻璃漿的體積比為1∶0.8。

8）注漿

待套殼料養(yǎng)護3～5d，強度達到0.3～0.4MPa后，進行注漿。注漿時，宜根據成孔先后順序，跳孔注漿。具體過程：將φ12.7mm帶雙塞的注漿芯管從A管中下放到注漿段位置，自下而上分段注漿；B管中注水玻璃漿液，B管與水玻璃注漿管連接處用防水膠帶密封、扎緊。當漿液從A管注入到砂礫地層時，水泥漿管與B管采用同樣的注漿壓力，每一個注漿步距內注漿3～5min，注漿壓力為0.4～0.6MPa。當水泥漿從A管中注入到黏土地層時，B管不注漿，水泥漿管注漿時壓力控制在1.5～1.8MPa。

9）終注標準

①用量標準：在地面不發(fā)生隆起變形的情況下，單孔每延米水泥用量為240～350kg。②壓力標準：當每個注漿步距內稍有注漿量時，壓力即飆升（超過2.0 MPa），注漿持續(xù)1min可終注。注漿過程中，滿足①，②其中一個標準，即停止注漿。

2.3袖閥管注漿施作要點

青島地鐵R3線嘉—靈區(qū)間1#斜井地表袖閥管雙液注漿實施過程中，注漿過程順利，冒漿和竄漿的幾率較小，未發(fā)生過液漿堵管現象，提出以下3個施工要點：

1）袖閥管外套管應具有一定強度，否則容易被高壓漿液擠碎，無法控制注漿，也失去了袖閥管二次注漿的條件。

2）套殼料的施作是袖閥管注漿成功與否的關鍵。施工時套殼料必須按要求配置，注入套殼料溶液時需緩慢、勻速提升橡皮管，并且等套殼料硬化3d以上方可進行注漿。

3）注漿完成后，必須立即清洗袖閥管，預留二次注漿條件。第一次注漿效果有限，一般都應進行二次補漿。

3　袖閥管加固效果評價

注漿效果的檢查方法有分析法、檢查孔法、開挖取樣法、變位推測法和物探法共5類14種方法［9］。理論上，加固效果最準確的評價方法是通過鉆孔取芯做抗壓強度測試和抗?jié)B測試，然而在許多地層條件下，取出試驗所用的芯樣十分困難，且受施工進度和環(huán)境條件要求。本文以鉆孔取芯法、開挖取樣法并結合隧道開挖引起的地表沉降曲線對注漿加固效果做出評價。

3.1鉆孔取芯法

注漿完成后，在袖閥管注漿區(qū)域注漿薄弱地帶鉆孔取芯。取芯過程順利，孔壁穩(wěn)定性較好，不存在返砂或卡鉆現象，鉆孔取芯結果如圖3所示。取芯土體能形成塊狀，且有較高強度。自然干燥后，隨機取一塊體鑿開，芯塊內的土顆粒周圍包滿了混凝土，漿液填充飽滿?？膳袛嘣摱蔚貙訛樯暗[層，在砂礫層袖閥管注漿效果較好。

圖3　鉆孔取芯結果

3.2開挖取樣法

開挖取樣法是指在隧道開挖過程中，通過觀察注漿地層掌子面的加固效果，分析注漿機制，從而對注漿效果進行評定的方法。注漿前本處地層為軟塑狀黏土，不能自穩(wěn)，掌子面漿脈如圖4所示。注漿后，隧道掌子面濕潤但無流動水，地層自穩(wěn)性較好，開挖過程無坍塌；漿液在粉質黏土地層中明顯形成了劈裂漿脈。圖5為掌子面取樣，漿脈在粉質黏土薄弱地層撐開，形成板層狀，并向外擴散；漿脈中無泥土雜質，強度很高。

圖4　掌子面漿脈

圖5　掌子面取樣

3.3隧道開挖引起加固地層地表沉降

地層加固的目的是為了隧道安全順利進洞。在隧道進洞15m位置布置地表沉降測點，測點布置示意如圖6，測試斷面地表沉降曲線見圖7。由圖7可知，注漿后，隧道開挖引起的地層損失得到補償，地表發(fā)生少量隆起，最大隆起量約10mm。由于隧道開挖和漿土混合體自身固結原因，地表發(fā)生緩慢沉降，最大沉降速率＜1mm/d，最終沉降變化值在8mm左右，地表隆沉范圍在5mm以內。注漿加固使得土體在隧道開挖過程中沉降控制較好。

圖6　測點布置示意（單位：m）

圖7　測試斷面地表沉降曲線

4　結論

為了克服傳統(tǒng)T形三通管袖閥管雙液注漿工藝容易堵塞管道的問題，提出了一種在地層內注混合雙液漿的新型袖閥管注漿方法，并成功運用于現場實踐，得出主要結論如下：

1）袖閥管加固洞口段地層不僅提高了圍巖強度，降低了地層滲透性，而且補償了隧道開挖引起的地層損失，使地層抬升；通過袖閥管注漿方法對軟弱圍巖地層條件下隧道進洞的加固和補償，有效控制了隧道開挖引起的地層變形。

2）新型注漿方法的特點在于水泥漿、水玻璃溶液在地層中混合，避免了雙液漿在注漿管內凝固而堵管；水泥漿和水玻璃在高壓下都往土體的縫隙中流動，二者會快速接觸并凝固。

［1］張長生，陶連金，強小俊，等.注漿加固處理軟土地基的試驗研究［J］.鐵道建筑，2012（1）：89-92.

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［3］吳順川，金愛兵，高永濤.袖閥管注漿技術改性土體研究及效果評價［J］.巖土力學，2007，28（7）：1353-1358.

［4］孫鋒，張頂立，陳鐵林，等.土體劈裂注漿過程的細觀模擬研究［J］.巖土工程學報，2010，32（3）：474-480.

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［11］張民慶，張文強，孫國慶.注漿效果檢查評定技術與應用實例［J］.巖土力學與工程學報，2006，25（增2）：3909-3918.

AbstractT raditional methods of sleeve valve pipe grouting with double liquid usually mixed water glass and cement slurry together in the grouting pipe，which could be easily blocked due to the fast solidifying speed of double liquid grouting，and affected the quality and the duration of a project.Based on detailed elaborate explanation of sleeve valve pipe grouting mechanism，a new sleeve valve pipe grouting method was proposed for solving the trouble of stoppage.T he new characteristic of this method lies in using three pipes to inject cement slurry，water glass，and sleeve shell material，respectively，mixing the water glass and cement slurry together in the stratum.T his new method is carried in Jianianhua-Lingshanwei section construction of Qingdao Subway line R3.Some methods involving coring，excavation sampling，and the analysis of ground surface settlement curve are conducted to evaluate the grouting effects.T he results show that the new sleeve valve pipe grouting method can put an end to pipe blocking，improve the strength of surrounding rock and reduce the permeability of strata.

New Soil Reinforcing Method Using Sleeve Valve Pipe with Double Liquid Grouting Materials

CHEN Jian1，2，WEI Yishan1，2，JIANG Hong1，2，QU Tongming3，WANG Shuying3
（1.Nanjing Branch Company of CCCc Third Harbor Engineering.Co.，Ltd.，Nanjing Jiangsu 210000，China；2.No.3 Engineering Co.，Ltd.of CCCc Third Harbor Engineering Co.，Ltd.，Nanjing Jiangsu 210000，China；3.Central South University，Changsha Hunan 410075，China）

Sleeve valve pipe；Grouting mechanism；Grouting blockage；New double liquid grouting method；The evaluation of grouting effect

U45；U457+.3

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2016.04.26

1003-1995（2016）04-0102-05

（責任審編鄭冰）

2015-12-04；

2016-01-14

陳劍（1979—），男，工程師。