高抗?jié)B注漿材料在水下地鐵隧道地層加固中的研究與應(yīng)用

卓 越， 焦 雷

(中鐵隧道集團有限公司勘測設(shè)計研究院， 廣東 廣州 511458)

高抗?jié)B注漿材料在水下地鐵隧道地層加固中的研究與應(yīng)用

卓 越， 焦 雷

(中鐵隧道集團有限公司勘測設(shè)計研究院， 廣東 廣州 511458)

為探討高抗?jié)B注漿材料在水下地鐵隧道地層加固中的應(yīng)用，采用普通水泥漿液摻加無堿速凝劑和高效減水劑的形式制備高抗?jié)B注漿材料，通過室內(nèi)試驗分析普通水泥漿液在不同外加劑摻量條件下的漿液性能，以凝結(jié)時間、流動度和抗?jié)B性能為主要指標對漿液的配比進行設(shè)計。室內(nèi)試驗結(jié)果表明，水灰比在0.65～1.0，調(diào)整漿液配合比，漿液流動度可達到230～270 mm，初凝時間小于2 h，抗?jié)B等級大于P8，滿足施工要求。在廈門地鐵3號線五緣灣站—會展中心站區(qū)間斜井暗挖隧道現(xiàn)場2個循環(huán)注漿試驗中，確定了3種注漿配比的應(yīng)用條件，通過加固體強度和抗?jié)B性2項指標實驗分析，驗證了高抗?jié)B注漿材料具有良好的抗?jié)B及加固地層效果。

注漿材料； 抗?jié)B性能； 流動度； 凝結(jié)時間

0 引言

隧道近海域段、斷層破碎帶及接觸帶受構(gòu)造影響嚴重，巖體破碎，自穩(wěn)能力和抗風(fēng)化能力很差，風(fēng)化深度大，常在海底形成風(fēng)化深槽。無論是斷層破碎帶還是風(fēng)化深槽，都對隧道施工產(chǎn)生不利影響。加上隧道埋設(shè)在海平面幾十米以下，圍巖承受著巨大的海水壓力作用，施工開挖中極易產(chǎn)生坍塌，并可能伴隨產(chǎn)生涌水涌泥，危及施工設(shè)備和人員安全。為了防止地層的沉降坍塌和突涌水，必須采用全斷面帷幕超前預(yù)注漿來加固圍巖，以確保施工安全。海底隧道在復(fù)雜的地質(zhì)和特殊的水文條件下，使用普通水泥液漿注漿材料往往不能達到理想的效果[1]。王紅喜等[2]利用硅灰、羥乙基纖維素和聚丙烯酰胺3種物質(zhì)進行復(fù)配，研制出一種新型抗水分散劑(KSF);張小平等[3]采用最優(yōu)化方法進行尋優(yōu)計算，得出滿足工程要求的最優(yōu)配比;李慎剛等[4]進行實時可視的注漿試驗以及開發(fā)應(yīng)用軟件模擬滲透注漿試驗;劉瑾等[5]研究了水溶性高分子土體固化劑對土體室內(nèi)CBR及回彈模量的影響，同時初步探討了高分子固化劑的固化機制;阮文軍等[6]從注漿材料方面解決注漿施工中出現(xiàn)的一些問題，通過大量試驗，研制出3種具有獨特性能的新型水泥復(fù)合漿液；涂鵬等[7]、周茗如等[8]利用正交試驗設(shè)計方法，以抗壓強度為主要指標，對漿液的配比進行了優(yōu)化設(shè)計，通過腐蝕試驗分析了硫酸鹽、碳酸鹽對強度的影響；陳鐵林等[9]、胡安兵等[10]研究了海水對漿液強度的影響，得出了海水可以延長初凝時間、減緩漿液強度上升的速度、稀釋漿液并加劇不均勻擴散的結(jié)論；趙繼增[11]通過現(xiàn)場試驗確定了全斷面帷幕注漿技術(shù)參數(shù)，成功地穿越青島膠州灣海底隧道F4-4斷層，注漿效果良好，達到了開挖要求，對類似工程具有一定的借鑒意義；薛翊國等[12]、夏小亮[13]利用統(tǒng)計方法分析了影響因素和注漿效果之間的關(guān)系，結(jié)合室內(nèi)試驗對所獲得的注漿參數(shù)進行了實際應(yīng)用；張民慶等[14]對各種檢查方法進行了應(yīng)用效果的探討，并提出了各種注漿技術(shù)的檢查方法和標準；李治國等[15]采用全斷面帷幕注漿的方法對風(fēng)化槽進行堵水和加固取得了較好的效果，并提出了5參數(shù)評價方法。但以上文獻在漿液的性質(zhì)、材料等成分對漿液結(jié)石體的影響方面涉及較少。

合適的配方對注漿效果有顯著的促進作用。施工進度要求不同，漿液的配方就有所不同，如隧道開挖進度大于20 m/月以上，就要求注漿材料有較高的早期強度、較快的凝膠時間等，故要對漿液的性質(zhì)、材料各成分對漿液結(jié)石體的不同影響進行試驗研究。

基于廈門地區(qū)水域環(huán)境特點，通過室內(nèi)試驗得到高抗?jié)B注漿材料配合比，采用普通水泥單液漿+外加

劑形式，保證漿液較快的膠凝作用、良好的抗壓強度及抗?jié)B性能，以滿足工程施工及抗?jié)B性要求。為此，在廈門地鐵3號線五緣灣站—會展中心站區(qū)間斜井暗挖隧道進行了100余m段的注漿加固堵水應(yīng)用，并對注漿效果進行檢驗，以滿足水下地鐵隧道快速施工的新型注漿材料要求。

1 工程概況

廈門市本島至翔安過海通道工程五緣灣站—會展中心站區(qū)間斜井暗挖段地質(zhì)條件較差，地下水豐富。工程地質(zhì)勘查資料顯示斜井暗挖段地層依次為雜填土、填砂、填石、淤泥、殘積砂質(zhì)黏性土、全—中—微風(fēng)化花崗巖層。斜井海域段地質(zhì)縱斷面圖如圖1所示，地質(zhì)勘察參數(shù)如表1所示。為保證結(jié)構(gòu)施工安全，擬對斜井段XDK0+236～+360段采用帷幕注漿加固地層。

圖1 斜井海域段地質(zhì)縱斷面圖

表1 地質(zhì)勘察參數(shù)

2 注漿材料研究

2.1 原材料

采用福建龍鱗普通硅酸鹽水泥(P·O 42.5)，水泥比表面積為360 m2/kg。采用無堿速凝劑SA(setting accelerator)調(diào)節(jié)漿液凝結(jié)時間，速凝劑為液體，固含量在20%以上，pH值為2～3。采用萘系減水劑改善漿液流動性，其固含量在35%以上。以水泥為基材研制高抗?jié)B注漿材料，并進行凝結(jié)時間、流動度等相關(guān)物理性能的檢測。

2.2 漿液主要參數(shù)

2.2.1 注漿材料的流動度、凝結(jié)時間及結(jié)石率

試驗選擇3種注漿水灰比，通過優(yōu)選外加劑摻量調(diào)節(jié)漿液的流動度和凝結(jié)時間，得到最終配合比。優(yōu)化選擇的注漿材料的工作性能如表2所示。

表2 優(yōu)化選擇的注漿材料的工作性能

由表2可知： 1)注漿材料流動度大于240 mm，漿液的初凝時間小于2 h、終凝時間小于3 h，可保證漿液的可注性； 2)漿液結(jié)石率超過99%，可保證漿液的穩(wěn)定性，提高抗?jié)B性能。

2.2.2 抗壓強度

強度測試試件分為2類： 一類為空白樣，即水泥和水配制的漿液結(jié)石體； 另一類為注漿材料，即水泥、水及外加劑(無堿速凝劑和減水劑)配制的漿液結(jié)石體。圖2示出空白樣與注漿材料結(jié)石體經(jīng)過淡水養(yǎng)護28 d后再置于人工海水養(yǎng)護各齡期的抗壓強度?？梢钥闯觯?1)水灰比增大，結(jié)石體的強度降低，而隨著養(yǎng)護時間的延長，空白樣結(jié)石體與注漿材料結(jié)石體的抗壓強度均不斷增長，且在同水灰比條件下，注漿材料的抗壓強度高于空白樣； 2)外加劑的摻入對注漿材料結(jié)石體早期強度的提高非常明顯； 3)后期(28～90 d)海水養(yǎng)護條件下結(jié)石體的抗壓強度均有較大增長。

C表示空白試驗; Z表示注漿材料; 數(shù)字表示水灰比。下同。

圖2 不同養(yǎng)護條件下結(jié)石體的抗壓強度

Fig. 2 Compression strength of reinforced body under different curing conditions

2.2.3 抗?jié)B性

參照GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》中的“抗水滲透試驗”方法成型頂面直徑175 mm、底面直徑185 mm、高度150 mm的漿體試塊，每組6個，進行抗水滲透實驗，其結(jié)果如表3所示?？梢钥闯觯?1)水灰比對試件的抗水滲透性能影響較大，隨著水灰比增大，試塊平均滲水高度增大，端面滲水試塊個數(shù)變多； 2)注漿材料的抗?jié)B性能優(yōu)于同水灰比的空白樣。

表3 抗水滲透實驗結(jié)果

2.2.4 膨脹特性

海水養(yǎng)護下空白樣結(jié)石體及注漿材料結(jié)石體的膨脹率如圖3所示。可以看出： 1)結(jié)石體在早期快速膨脹，且注漿材料的膨脹率大于同水灰比的空白樣； 2)在后期，空白樣體積不斷收縮，而注漿材料體積基本保持穩(wěn)定，具有微膨脹特性。注漿材料結(jié)石體的微膨脹有利于地層孔洞空間的密實填充，提高其抗?jié)B性能。

圖3 海水養(yǎng)護下結(jié)石體的膨脹率

Fig. 3 Expanding rate of reinforced body under curing condition of seawater

3 工程應(yīng)用

3.1 注漿設(shè)計

注漿采用66孔注漿方案，以隧道中心點為圓心，沿6圈同心圓均勻布孔，A—E序每圈12個孔，F(xiàn)序圈6個孔，序圈間距0.45 m，最大半徑A圈 2.7 m，最小半徑F圈0.45 m，孔底位置沿中心線投影長度依次為10、15、20、25、30 m，加固范圍為隧道最大輪廓外5 m。注漿孔位布置圖如圖4所示。注漿方案示意圖如圖5所示。注漿設(shè)計參數(shù)如表4所示。

圖4 注漿孔位布置圖(單位： m)

圖5 注漿方案示意圖(單位： m)

名稱數(shù)值備注縱向加固段長/m30環(huán)向加固范圍 開挖輪廓線外5m及開挖掌子面漿液擴散半徑/m1.5注漿速度/(L/min)5～110注漿終壓/MPa靜水壓力+0.5～1.5 根據(jù)試驗段調(diào)整終孔間距/m2.2注漿方式 前進式分段注漿,結(jié)合PVC孔底一次性注漿 根據(jù)實際地層調(diào)整注漿孔個數(shù)66檢查孔數(shù)量占比/%5～10孔口管/mm?108,壁厚5

3.2 注漿施工

現(xiàn)場主要施工方法為前進式結(jié)合PVC孔底一次性注漿，施工工藝如下： 1)采用潛孔錘開孔至設(shè)計深度，安裝孔口管； 2)采用三翼鉆頭沿孔口管內(nèi)部鉆至設(shè)計段長或塌孔出水處，將鉆桿取出后，下入PVC套管，沿PVC管將漿液灌至孔底； 3)重復(fù)步驟2)至本孔完成。

在注漿施工過程中如遇以下情況則采用表2的3種配比漿材注漿。

1)第1循環(huán)XDK0+236～+266、第2循環(huán)XDK0+266～+296遇出水、塌孔，即打鉆不出渣、不返風(fēng)，采用配合比1漿材堵水加固地層。

2)在每循環(huán)注漿初期遇寬張裂隙，長時間注漿無壓力，則采用配比1和配比2漿材交替注漿。

3)在每循環(huán)注漿初期遇止?jié){墻開裂及漏漿現(xiàn)象，采用配比3漿材注漿。

在開挖結(jié)束后，經(jīng)開挖揭示，發(fā)現(xiàn)配比1(低水灰比)漿材漿脈較細，配比3(高水灰比)漿材漿脈較寬，證明在相同壓力下，該配比3漿材主要以滲透形式擴散，配比1漿材主要以擠密、劈裂形式加固地層； 但在富水段，低配合比漿材凝結(jié)時間較快，體現(xiàn)了較好的堵水效果。

4 應(yīng)用效果與評定

4.1 檢查孔法檢驗與評價

采用鉆孔檢查法對注漿效果進行了檢查，根據(jù)注漿狀況，選擇注漿范圍內(nèi)可能存在薄弱的注漿部位布設(shè)檢查孔。檢查孔鉆深為開挖段長度以內(nèi)并預(yù)留3 m段。根據(jù)檢查孔涌水量來決定是否須補設(shè)注漿孔。檢查孔的數(shù)量一般按總注漿孔的5%～10%布設(shè)，本次檢查孔數(shù)量為7個。

由檢查孔鉆孔情況可知： 右側(cè)出水量較大，最大出水量為0.15 L/(m·min)；左側(cè)出水量較小，最大出水量為0.1 L/(m·min)。從檢查孔來看，7個檢查孔單孔出水量均不大于0.2 L/(m·min)的控制標準，注漿效果良好，達到了注漿止水的目的。

4.2 隧道開挖后效果檢查

由開挖揭示的情況可知： 1)開挖至注漿前段(0～10 m)比較干燥，無明顯水跡，漿脈發(fā)育較多，說明注漿效果不錯； 2)開挖至注漿中段(10～20 m)掌子面右側(cè)拱腰位置有少量水滴，有濕痕； 3)開挖至注漿后段(20～25 m)掌子面基本能夠自穩(wěn)，右側(cè)拱腳處出現(xiàn)滲水，在進行小導(dǎo)管補充注漿后，開挖順利完成。注漿后開挖效果如圖6所示?？梢哉f明，該注漿材料能夠滿足廈門地區(qū)水域環(huán)境下圍巖強化和防滲水的要求。

(a) XDK0+245(第1循環(huán))

(b) XDK0+260(第2循環(huán))

5 結(jié)論與體會

1)通過室內(nèi)試驗研究，根據(jù)施工情況調(diào)整水灰比為0.65、0.8和1.0 3種漿液外加劑摻量，控制注漿液體的流動性和初凝時間，可滿足隧道內(nèi)不同注漿部位的需求。注漿材料漿液結(jié)石率高，早期強度快速增長，后期強度穩(wěn)定。注漿材料氣孔孔徑減小、封閉孔的形成及結(jié)石體的微膨脹特性有利于注漿材料抗?jié)B性能的提高。

2)在廈門地鐵3號線100余m的注漿施工試驗和應(yīng)用中，根據(jù)不同地質(zhì)和水文條件選用一種或多種配比漿材交替注漿達到了快速加固堵水的目的，開挖后加固體強度和單孔涌水量驗證了高抗?jié)B注漿材料能夠滿足廈門地區(qū)水域環(huán)境下的施工要求。

3)由于受現(xiàn)場注漿設(shè)備條件限制，暫未進行水灰比低于0.65漿材的現(xiàn)場注漿試驗，后續(xù)工作應(yīng)對此展開研究，以滿足較大涌水量時現(xiàn)場注漿需求。

[1] 楊米加, 陳明雄, 賀永年. 注漿理論的研究現(xiàn)狀及發(fā)展方向[J]．巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2001, 20(6): 839． YANG Mijia, CHEN Mingxiong, HE Yongnian. Current research state of grouting technology and its development direction in future[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2001, 20(6): 839.

[2] 王紅喜，田焜，丁慶軍，等. 適宜于高壓飽水條件下的同步注漿材料性能研究[J]．施工技術(shù)，2007, 36(5): 97. WANG Hongxi, TIAN Kun, DING Qingjun, et al. Research on the performance of synchronous grouting material under rich and high water pressure[J]. Construction Technology,2007， 36(5): 97.

[3] 張小平， 劉艷華， 張小蒙，等. 泡沫輕質(zhì)材料試驗研究的均勻設(shè)計方法及配方優(yōu)化[J]. 巖土力學(xué)，2004， 25(8)： 1323． ZHANG Xiaoping, LIU Yanhua, ZHANG Xiaomeng, et al. Uniform design method and mix proportion optimization for experimental research on foam lightweight material[J]. Rock and Soil Mechanics, 2004， 25(8): 1323.

[4] 李慎剛，趙文，杜嘉鴻. 滲透注漿試驗研究現(xiàn)狀及展望[J]．路基工程， 2010(3): 41． LI Shengang, ZHAO Wen, DU Jiahong. Research situation and prospect on osmotic grouting test[J]. Subgrade Engineering, 2010(3): 41．

[5] 劉瑾，張峰君，陳曉明，等．新型水溶性高分子土體固化劑的性能及機理研究[J]．材料科學(xué)與工程，2001， 19(4)： 62． LIU Jin, ZHANG Fengjun, CHEN Xiaoming, et al. Study of the soil hardening properties and mechanism of a new water soluble polymeric soil hardening agent[J]. Materials Science and Engineering, 2001, 19(4): 62.

[6] 阮文軍，王文臣，胡安兵. 新型水泥復(fù)合漿液的研制及其應(yīng)用[J]. 巖土工程學(xué)報，2001， 23(2): 212. RUAN Wenjun, WANG Wenchen, HU Anbing. Development and application of new kind of cement composite grout[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2001, 23(2): 212.

[7] 涂鵬，王星華．海底隧道注漿材料試驗研究及工程應(yīng)用[J]．鐵道工程學(xué)報，2010，9(9): 51． TU Peng, WANG Xinghua. Experimental study of grouting materials for submarine tunnel and their application[J]. Journal of Railway Engineering Society, 2010, 9(9): 51.

[8] 周茗如，蘇波濤，彭新新，等．復(fù)合水泥基速凝注漿材料的試驗研究[J]．建筑科學(xué)， 2017， 33(1): 52． ZHOU Mingru, SU Botao, PENG Xinxin, et al. Experimental study of composite cementitious fast-gelling grouting material[J]. Building Science, 2017, 33(1): 52.

[9] 陳鐵林，滕紅軍，張頂立．廈門翔安海底隧道富水砂層注漿試驗[J]．巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2007(增刊2)： 3711． CHEN Tielin, TENG Hongjun, ZHANG Dingli. Grouting test on water-enriched sand layer of Xiamen Xiang′an Subsea Tunnel[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2007(S2): 3711.

[10] 胡安兵，徐會文，楊敏.新型注漿材料試驗研究[J]．巖土工程學(xué)報，2005，27(2)： 210． HU Anbing, XU Huiwen, YANG Min. Experiments on a new type of grout[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2005, 27(2): 210.

[11] 趙繼增．青島膠州灣海底隧道涌水斷層全斷面帷幕注漿技術(shù)研究[J]．山東大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版)，2009， 39(6)： 116． ZHAO Jizeng. Study of full-face curtain grouting on water-burst fault in subsea tunnel[J]. Journal of Shandong University (Engineering Science), 2009, 39(6): 116.

[12] 薛翊國， 李術(shù)才, 蘇茂鑫， 等．青島膠州灣海底隧道涌水斷層注漿效果綜合檢驗方法研究[J]．巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2011， 30(7): 1383． XUE Yiguo, LI Shucai, SU Maoxin, et al. Stduy of comprehensive test method for grouting effect of water filling fault in Qingdao Kiaochow Subsea Tunnel[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2011, 30(7): 1383.

[13] 夏小亮.注漿材料優(yōu)化配比與注漿試驗研究[D]．淮南: 安徽理工大學(xué)，2011． XIA Xiaoliang. Study of the optimization ratio of grouting materials and grouting experiment[D]．Huainan: Anhui University of Science and Technology，2011.

[14] 張民慶，張文強，孫國慶．注漿效果檢查評定技術(shù)與應(yīng)用實例[J]．巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2006，25(增刊2): 3909． ZHANG Minqing, ZHANG Wenqiang, SUN Guoqing. Evaluation technique grouting effect and its application to engineering[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2006, 25(S2): 3909.

[15] 李治國，孫振川，王小軍，等. 廈門翔安海底服務(wù)隧道F1風(fēng)化槽注漿堵水技術(shù)[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2007，26(增刊2): 3841． LI Zhiguo, SUN Zhenchuan, WANG Xiaojun, et al. Grouting technology for water blockage of weathered slot F1 in Xiamen Xiang′an subsea service tunnel[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2007, 26(S2): 3841.

Study and Application of High-impervious Grouting Material to Ground Reinforcement of Underwater Metro Tunnel

ZHUO Yue, JIAO Lei

(Survey,DesignandResearchInstituteofChinaRailwayTunnelGroupCo.,Ltd.,Guangzhou511458,Guangdong,China)

The high-impervious grouting material prepared by Portland cement, alkali free additive and high-efficient water reducer is used in ground reinforcement of underwater metro tunnel. The performances of Portland cement grout, i. e. setting time, fluidity and impermeability, under different mixing proportions of additives are analyzed by indoor test. The test results show that the fluidity of the grout can reach 230-270 mm; the setting time of the grout is less than 2 h and the impermeable grade is higher than P8 when the water-cement ratio reaches 0.65-1.0. Finally, the applicable conditions of grout under 3 proportions are determined by grouting test of prepared grout in mined tunnel of inclined shaft of Wuyuan Bay Station-Convention Center Station Section on Line No. 3 of Xiamen metro; the ground reinforcement effect of the high-impervious grouting material is testified by strength and impermeability of the ground reinforced.

grouting material; impermeability; fluidity; setting time

2017-05-01;

2017-06-10

卓越(1965—)，男，安徽靈璧人，2013年畢業(yè)于北京交通大學(xué)，巖土工程專業(yè)，博士，教授級高級工程師，主要從事隧道與地下工程科研和施工管理工作。E-mail: fxyzz@sohu.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.08.003

U 45

A

1672-741X(2017)08-0933-06