粉細(xì)砂地層改性水玻璃注漿試驗(yàn)研究

韓仁利

（中鐵十七局集團(tuán)第一工程有限公司，山西 太原 030032）

1 工程概況

石家莊地鐵一號線K8+854.560—K9+236.500段，全長381.94 m，沿中山西路東西向布置，位于主要商業(yè)街正下方，覆土厚度約8.6～10.6 m。隧道拱部大部分位于粉細(xì)砂和中粗砂層，厚度在0～6 m不等。地下水位低于隧道底板。隧道拱部所處地層主要為粉細(xì)砂層、中粗砂層。這種地層致密無膠結(jié)，無自穩(wěn)能力，開挖時易坍，危及施工安全[1]。設(shè)計超前支護(hù)采用Φ42小導(dǎo)管注漿，管壁每隔100～200 mm交錯鉆眼，眼孔直徑 6～8 mm。小導(dǎo)管環(huán)向間距0.3 m，格柵拱架間距0.5 m，小導(dǎo)管每榀打設(shè)，單根長度2.0 m，外插角10°～20°，C25混凝土掛網(wǎng)噴錨，隧道初支外采用深孔注漿，加固范圍為初支外1 m，采用WSS工法注超細(xì)水泥-改性水玻璃雙液漿。

2 試驗(yàn)方案

2.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

從普通水泥在粉細(xì)砂地層注漿困難的基本問題入手，通過調(diào)整水玻璃和磷酸的濃度和比例，配制成黏度低、凝膠時間可控、穩(wěn)定性好的漿液，通過現(xiàn)場注漿試驗(yàn)，檢驗(yàn)改性水玻璃注漿加固效果是否滿足粉細(xì)砂層固結(jié)的要求。

2.2 漿液配制

2.2.1 原材料

a）水玻璃 選用濃度40Be′，比重1.42～1.45，模數(shù)3.3。

b）磷酸 85%濃磷酸。

2.2.2 漿液配制

據(jù)《地鐵暗挖隧道注漿施工技術(shù)規(guī)程》，將水玻璃原液稀釋成15Be′的水玻璃；濃磷酸稀釋成15%的稀磷酸；然后再將15Be′水玻璃緩緩倒入15%磷酸中并充分地攪拌,并根據(jù)實(shí)時檢測的改性水玻璃漿液的pH值控制兩種漿液的配比。改性水玻璃漿液pH值位于4～7范圍內(nèi)時,漿液的加固效果為最佳[2]。稀釋磷酸∶稀釋水玻璃=1∶2.8。

施工配合比（體積比）為水玻璃稀釋配比：水玻璃∶水=1∶3；濃磷酸稀釋配比：濃磷酸∶水=1∶6；改性水玻璃配比：稀釋磷酸∶稀釋水玻璃=1∶3。

2.3 注漿試驗(yàn)

2.3.1 試驗(yàn)段選取及試驗(yàn)質(zhì)量要求

試驗(yàn)部位選在中-解配線區(qū)間右線左①導(dǎo)洞，整個掌子面處于粉細(xì)砂層包圍當(dāng)中，高度方便注漿作業(yè)，注漿后能夠及時開挖驗(yàn)證固結(jié)效果。

要求漿液擴(kuò)散半徑不小于25 cm，擴(kuò)散均勻，凝固時間在1～2 h，固結(jié)體強(qiáng)度達(dá)到0.3～0.5 MPa。

2.3.2 注漿參數(shù)

a）小導(dǎo)管采用Φ42的無縫鋼管，長2 m，端部制成尖狀[3]，管體上縱向切 10 cm長孔，間距30 cm交錯布置，尾部80 cm不開孔。小導(dǎo)管間距30 cm。在相鄰兩根注漿管間均勻設(shè)置兩個空孔，孔深與注漿管相同。

b）注漿壓力達(dá)到0.2 MPa后穩(wěn)壓3 min。

c）單管注漿量 Q=πR2Lnαβ＝0.11 m3，式中 R 為擴(kuò)散半徑；L為導(dǎo)管長度，m；n為地層孔隙率，33%；α為地層填充系數(shù)，0.8；β為漿液消耗系數(shù)，1.1。

2.3.3 注漿試驗(yàn)孔布置

在掌子面布置8根小導(dǎo)管，從左向右編號。

圖1 小導(dǎo)管加工示意圖（單位：mm）

1～2號注漿孔間距30 cm，中間等距鉆兩個空孔，2～5號注漿管間距10 cm，5～6號注漿管間距30 cm，6～7號注漿管間距15 cm，7～8號注漿孔間距15 cm。

圖2 注漿試驗(yàn)孔布置圖

2.3.4 注漿施工工藝

圖3 注漿工藝流程圖

a）小導(dǎo)管用風(fēng)槍推入砂層，用吹管將管內(nèi)砂石吹出，以免堵塞[4]。

b）注漿設(shè)備采用雙液注漿泵，用高壓膠管與小導(dǎo)管尾部止?jié){閥連接，注漿管上安裝壓力表。

c）現(xiàn)場采用體積比配制漿液，一次不能配太多要隨配隨用，防止?jié){液凝結(jié)造成浪費(fèi)。

d）施工過程中記錄注漿量、注漿壓力和時間，達(dá)到設(shè)計值時停止注漿。

e）注漿結(jié)束后，應(yīng)對注漿泵及管路進(jìn)行清洗，以保證下次注漿順利進(jìn)行。

f）加強(qiáng)勞動保護(hù)，注漿人員要穿防護(hù)服戴膠皮手套，防止?jié){液腐蝕人體。

g）工作面噴射C25混凝土5 cm做為止?jié){墻。小導(dǎo)管用風(fēng)槍推入，小導(dǎo)管與止?jié){墻間縫隙用等材料塞縫。

3 注漿結(jié)果分析

按小導(dǎo)管注漿施工工藝，對粉細(xì)砂層開展超細(xì)水泥改性水玻璃注漿試驗(yàn)，現(xiàn)將試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理見表1。

表1 注漿情況記錄表

注漿完成5 h后人工破除止?jié){墻，挖開注漿管周圍松散砂子，1號孔固結(jié)體較完整，左右不對稱，空孔側(cè)固結(jié)半徑達(dá)到10 cm，另一側(cè)3 cm，用小錘輕敲固結(jié)體未破碎；2號管周圍有5 cm固結(jié)體；3號管周圍有10 cm固結(jié)體；4號管周圍有15 cm固結(jié)體；5號管周圍有8 cm固結(jié)體；6號管周圍有12 cm固結(jié)體；7號管位于黏土中無固結(jié)體；8號管周圍有13 cm固結(jié)體。最后將試塊放在自然條件下（溫度20℃±3℃，濕度約為50%）養(yǎng)護(hù)24 h后將試樣制成標(biāo)準(zhǔn)試樣進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，8個試塊抗壓強(qiáng)度值見表1，剔除固結(jié)體強(qiáng)度最大值和最小值，求得固結(jié)體平均強(qiáng)度為0.36 MPa，該強(qiáng)度足以滿足預(yù)期加固效果。通過在粉細(xì)砂地層開展注漿試驗(yàn)研究，得出以下經(jīng)驗(yàn)總結(jié)：

a）通過注漿試驗(yàn)證明超細(xì)水泥改性水玻璃在粉細(xì)砂層擴(kuò)散性好，操作簡單，固結(jié)體強(qiáng)度能夠達(dá)到加固效果。

b）1號管固結(jié)體不對稱說明在兩根注漿管中間加空孔擾動砂層后利于漿液的擴(kuò)散，施工時可以增加空孔數(shù)量。

c）所有孔口封堵均出現(xiàn)不同程度的冒漿現(xiàn)象，影響了注漿效果。以后在施工中在孔口挖一圓錐形槽，高度要深入土體至少10 cm，把注漿管與止?jié){墻和土體間的縫隙完全隔斷，用水泥水玻璃膠泥填平，防止?jié){液從止?jié){墻與土體間縫隙竄出。

d）小導(dǎo)管尾部與閘閥焊接時容易漏焊導(dǎo)致冒漿，以后施工中小導(dǎo)管管尾套絲通過變徑管與止?jié){球閥連接，既連接緊密又可循環(huán)使用。

e）漿液呈酸性，注漿人員應(yīng)全身防護(hù)，戴護(hù)目鏡，防止爆管或漿液噴出時造成人員傷害。

4 結(jié)語

針對該地鐵工程的實(shí)際情況，通過對灌漿材料改性，配制成黏度低、凝膠時間可控、穩(wěn)定性好的漿液，現(xiàn)場注漿試驗(yàn)研究表明：超細(xì)水泥改性水玻璃在粉細(xì)砂層擴(kuò)散性好，操作簡單，施工速度快，保證了初期支護(hù)施工的順利進(jìn)行，達(dá)到了預(yù)期的加固效果。兩根注漿管中間加空孔擾動砂層后利于漿液的擴(kuò)散，施工時可以增加空孔數(shù)量。超細(xì)水泥改性水玻璃注漿施工工藝較成功地在該工程應(yīng)用，也為以后相似地層的隧道施工提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。