水玻璃注漿液加固隧道低穩(wěn)土體應用與分析

何應媛

摘要：文章以某低穩(wěn)隧道工程中砂土加固為研究背景，模擬了淺埋低穩(wěn)隧道周邊砂土層環(huán)境，選用了水玻璃作為注漿加固材料對其進行改良;主要以磷酸作為水玻璃的摻配材料，為其加固性能提供輔助改進效果;測定了不同磷酸摻配比例下，水玻璃注漿液的凝結時間及凝結性能變化規(guī)律;測定了注漿改良后土體的強度變化情況，并對其力學性能進行測試，得到了注漿液的最佳配合比。本研究為淺埋低穩(wěn)隧道的砂性土改良提供了一定的經(jīng)驗借鑒。

關鍵詞：淺埋隧道;穩(wěn)定性;注漿加固;水玻璃

中圖分類號：U457.3 文獻標識碼：A DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2019.10.032

文章編號：1673-4874（2019）10-0114-04

0引言

有關隧道低穩(wěn)定性土體的加固方向，國內(nèi)已有許多相關的研究成果：周俊磊考慮到隧道周邊圍巖對施工過程可能造成的影響，對其穩(wěn)定性進行了分析，并提供了部分支護加固的方案，但并未考慮到此類支護處理手段并不適用于淺埋隧道的施工建設;連會青等人研究了水玻璃注漿加固技術的應用，在其中摻加粉煤灰和水泥作為增強材料，對加固后土體進行了強度檢測，得出了最佳摻配比例，但在其探究過程中忽略了注漿液的凝結時間及凝結性能變化規(guī)律，沒有給施工應用的推廣提供足夠的經(jīng)驗;孫曉明等人針對防膨脹問題研究了注漿材料的配合比搭配，但在原材料選擇上仍有著一定的局限。有關注漿加固低穩(wěn)定性土體的研究還有很多，但能夠應用于淺埋隧道周邊砂土加固方面的研究仍存在著一定的空白。

本文著眼于淺埋低穩(wěn)隧道周邊砂土的加固方案進行以下研究：模擬淺埋低穩(wěn)隧道周邊砂土層環(huán)境，選用了水玻璃作為注漿加固材料并對其進行改良;主要以磷酸作為水玻璃的摻配材料，并輔以水泥作為摻配材料，為其加固性能提供輔助改進效果;測定不同磷酸摻配比例下，水玻璃注漿液的凝結時間及凝結性能變化規(guī)律;測定注漿改良后土體的強度變化情況，并對其力學性能進行測試。

1工程概況與加固機理

某隧道埋深僅為7.6m，下穿地層局部為含黏性土砂，Ⅳ級圍巖，具有穩(wěn)定性較差的特點。通道上方及附近設有各種管線，管線埋深為1.5-3.5m。在隧道的建設過程中，當其穿越低穩(wěn)定性土體時，為保證隧道結構的穩(wěn)定性，需對其低穩(wěn)土體進行注漿加固改良，再繼續(xù)施工。

水泥注漿液是低穩(wěn)土體加固過程中經(jīng)常選擇的注漿材料，但以此方案對低穩(wěn)定性土體進行注漿加固的過程中，會引起周邊土體膨脹隆起，并有可能導致周邊其他建筑物或路面的損壞。而以水玻璃為注漿液材料，則能有效地減少隧道低穩(wěn)定性土體加固過程中容易產(chǎn)生的各類不良影響。

2 原材料及其處理

2.1模具及原材料

本文試驗中選用的土體加固測定模具為直徑100mm、高度100mm的圓柱形模具以及邊長為100mm的立方體模具。

選用磷酸溶液（HPO）作為水玻璃溶液的復摻材料，主要是為了給其提供化學反應所需的H，增強其膠凝作用，從而達到注漿加固低穩(wěn)定性砂土的目的。磷酸溶液選用的是某化工生產(chǎn)有限公司出產(chǎn)的高純度磷酸溶液，其有效成分質(zhì)量分數(shù)為90%。試驗中所用水玻璃溶液的模數(shù)值為2.8，波美度為45°Bé。

2.2原材料稀釋

（1）HPO溶液的稀釋

本文所選的HPO溶液有效成分質(zhì)量分數(shù)為90%，在試驗前要對其進行稀釋，根據(jù)公式（1）： M·90%=M·D （1）

得到所需摻加的水的體積：

M=M·90%/D-M （2）

將HPO溶液稀釋為質(zhì)量分數(shù)為5%、7%以及9%的稀釋溶液。

（2）水玻璃的稀釋

原材料中所選水玻璃為45°Bé的溶液，為了達到控制變量的目的，需要對其進行稀釋。其具體稀釋步驟與HPO溶液的稀釋步驟類似。

3 復合磷酸水玻璃注漿液膠凝性能測試

3.1前期測試

試驗擬定不同濃度的HPO溶液、稀釋為不同波美度的水玻璃以及不同HPO溶液摻配比例為控制指標，研究其對復合磷酸水玻璃注漿液膠凝性能的影響規(guī)律。

將水玻璃溶液波美度稀釋為35°Bé、30Bé、25°Bé以及20°Bé四種;將HPO溶液的有效成分質(zhì)量分數(shù)分為5%、7%以及9%三種;擬定的水玻璃溶液與HPO溶液摻配比例則依據(jù)兩種溶液濃度分別進行調(diào)整。

前期測試數(shù)據(jù)如表1-3所示。

觀察表1-3各數(shù)據(jù)，可以明顯發(fā)現(xiàn)：

當水玻璃的波美度為35Bé時，所得的復合磷酸水玻璃注漿液全部產(chǎn)生瞬間凝結的狀況，此時無法測量其pH值，并且過快的凝結速度將會導致此種配比無法應用于實際工程的施工。

當水玻璃的波美度為30°Bé，HPO溶液質(zhì)量分數(shù)為5%或7%時，同樣產(chǎn)生了瞬間凝結的狀況。當HPO溶液質(zhì)量分數(shù)為9%時，開始出現(xiàn)產(chǎn)生絮狀物的現(xiàn)象，同樣不適用于施工應用。

當水玻璃的波美度為25Bé時，同樣是在HPO溶液質(zhì)量分數(shù)較高時（達到9%）產(chǎn)生絮狀物的現(xiàn)象。因此判斷HPO溶液質(zhì)量分數(shù)不能過高，應控制在5%-7%左右。

同時發(fā)現(xiàn)：隨著水玻璃波美度的下降，復合磷酸水玻璃注漿液的瞬間凝結現(xiàn)象有所緩解，因此判定水玻璃溶液的波美度不能過高;水玻璃-HPO溶液體積比較小時，凝結時間有了很好的改善。

3.2調(diào)整后測試

經(jīng)綜合考量后，將水玻璃溶液的波美度稀釋為20Bé，并適當減小水玻璃-HPO溶液體積比，此時出現(xiàn)凝膠現(xiàn)象較為明顯，并且其凝結時間較為合理?？刂艸PO溶液質(zhì)量分數(shù)和水玻璃-HPO溶液體積比進行測定，測試結果見表4。

對表4中數(shù)據(jù)加以分析，不難發(fā)現(xiàn)如下一些較為明顯的規(guī)律：

（1）無論HPO溶液質(zhì)量分數(shù)為5%或是7%，隨著水玻璃-HPO溶液體積比的減小，復合磷酸水玻璃注漿液的凝結時長都呈現(xiàn)出增長的趨勢，尤其是當水玻璃-HPO溶液體積比達到1：1.7時，其凝結時間已經(jīng)符合合理施工用時。

（2）隨著水玻璃-HPO溶液體積比的減小，復合磷酸水玻璃注漿液的pH值逐漸下降，這是因為隨著HPO溶液體積占比的增大，其中H的濃度逐漸提升，導致其酸性提升。

（3）對比HPO溶液質(zhì)量分數(shù)的影響，發(fā)現(xiàn)當HPO溶液質(zhì)量分數(shù)為7%時，相較于HPO溶液質(zhì)量分數(shù)為5%的復合磷酸水玻璃注漿液，其總體凝結時間呈現(xiàn)出上升的趨勢，其pH值呈現(xiàn)出下降的趨勢。

（4）復合磷酸水玻璃注漿液的pH值處于3-6之間，凝結時間處于0.5-65min之間。

因此可以總結出：在不考慮其他影響因素的情況下，想要延長復合磷酸水玻璃注漿液的凝結時間，可以相對地降低水玻璃-HPO溶液體積比或是增加HPO溶液質(zhì)量分數(shù)。

4 注漿液增強砂土體的力學參數(shù)測試

除了研究復合磷酸水玻璃注漿液膠凝性能外，另一需要關注的指標是注漿加固后的砂土體力學性能能否滿足要求。

4.1 砂土級配測試

首先要對淺埋低穩(wěn)隧道周邊土體進行采樣，并測定土樣中的顆粒級配分布情況，測定結果如表5所示。

4.3 力學參數(shù)測試

將按照上述配合比混合的注漿土體充分攪拌，并在攪拌均勻后迅速將其澆筑至模具中。為了保證均勻澆筑，采用分層澆筑的方法，分3層澆筑，澆筑完每一層后以均勻力度插搗30次，最后抹平。攪拌及澆筑的總時間要控制在10min以內(nèi)，澆筑完成后進行標準養(yǎng)護處理。對注漿加固后土體進行抗壓強度測定，測試結果如圖1所示。

由圖1可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過復合磷酸水玻璃注漿液注漿加固的淺埋低穩(wěn)砂土3d后抗壓強度處于0.25-0.3MPa之間;經(jīng)過7d養(yǎng)護后，其抗壓強度處于0.37-0.42MPa之間;再經(jīng)過28d養(yǎng)護后，其抗壓強度處于0.42-0.46MPa之間。其中以第三組復合磷酸水玻璃注漿液加固后的土體抗壓強度值最高，以該組編號加固砂土體為例，其3d抗壓強度值可達總強度值的66%，7d抗壓強度值可達總強度值的90%。在實際淺埋低穩(wěn)隧道周邊土體加固施7_工程中，使用復合磷酸水玻璃注漿液可以在7d時間內(nèi)基本達到使用強度的要求，從而增強砂土的穩(wěn)定性，保證施工安全性。有必要的話，可以配合一定的水泥注漿材料進行復合使用，從而進一步增強其穩(wěn)定性。

4.4最佳配合比

以淺埋低穩(wěn)隧道土體加固力學參數(shù)測試結果作為參考指標，可以發(fā)現(xiàn)：編號3配合比方案制備的加固土體試件抗壓強度在各養(yǎng)護齡期中均處于最佳水平。因此選定最佳的復合磷酸水玻璃注漿液配合比如下：水玻璃波美度為20°Bé，HPO溶液的有效成分質(zhì)量分數(shù)為7%，水玻璃-HPO溶液體積比為1：4. 5。

隨著復合磷酸水玻璃注漿液配合比改變，注漿加固后的淺埋低穩(wěn)隧道土體總體力學性能改變量并不大，加固體抗壓強度基本不變，僅在5%范圍內(nèi)。考慮到應用于實體工程項目中的復合磷酸水玻璃注漿液凝結時間的控制問題，以淺埋低穩(wěn)隧道土體加固力學參數(shù)測試結果作為參考指標，最佳的復合磷酸水玻璃注漿液配合比如下：水玻璃波美度為20°Bé，HPO，溶液的有效成分質(zhì)量分數(shù)為7%，水玻璃-HPO溶液體積比為1：1.7。

5 結語

（1）隨著水玻璃-HPO溶液體積比的減小，復合磷酸水玻璃注漿液的凝結時長都呈現(xiàn)出增長的趨勢。

（2）復合磷酸水玻璃注漿液的pH值處于3-6之間，凝結時間處于0.5-65min之間。

（3）以力學參數(shù)作為參考指標，最佳配合比如下：水玻璃波美度為20°Bé，HPO溶液的有效成分質(zhì)量分數(shù)為7%，水玻璃-HPO溶液體積比為1：1.5。

（4）以凝結時間作為參考指標，最佳配合比如下：水玻璃波美度為20°Bé，HPO溶液的有效成分質(zhì)量分數(shù)為7%，水玻璃-HPO溶液體積比為1：1.7。