新型改性水泥-水玻璃復(fù)合注漿材料加固砂卵石地層研究

王曉嬋，高勝雷

（北京市市政建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，北京 100049）

0 緒論

在城市地下施工時(shí)，有時(shí)會(huì)遇到上覆土較淺、土體結(jié)構(gòu)松散的地層，在這種地層進(jìn)行暗挖施工極易出現(xiàn)拱頂土脫落、坍塌等問題，對(duì)城市安全造成嚴(yán)重威脅。為減小砂卵石地層超淺埋暗挖施工對(duì)周圍環(huán)境的影響，保證施工安全[1-4]，通常在開挖前采用合理配比的注漿液對(duì)土體進(jìn)行注漿預(yù)加固，使其形成拱部效應(yīng)，來控制地層變形[5]。針對(duì)北京某砂卵石地層超淺埋暗挖下穿城市快速道路工程的預(yù)加固漿液進(jìn)行研究，通過試驗(yàn)分析選取適合本工程地層的預(yù)加固注漿液，同時(shí)總結(jié)該種地層淺埋暗挖預(yù)加固施工工藝，為今后類似條件工程提供借鑒。

1 工程概況

1.1 工程簡(jiǎn)介

該暗挖段與道路填方路基段垂直交叉下穿，全長(zhǎng)為110 m。暗挖截面尺寸為7400 mm×4300 mm。暗挖結(jié)構(gòu)外頂距離自然地面約為4.65 m，距離穿越道路中埋深約為9.45 m，覆土較淺，同時(shí)與暗挖結(jié)構(gòu)相交叉的管線繁多，其中污水距離結(jié)構(gòu)頂部?jī)H為28 cm。

1.2 工程地質(zhì)條件

暗挖區(qū)間隧道圍巖主要為雜填土①1層、黏質(zhì)粉土填土①層、卵石②層、卵石③層、卵石④層。按照ADECO-RS工法原理分類本工程砂卵石地層對(duì)應(yīng)為C級(jí)，填土及卵石層粘聚力低，圍巖穩(wěn)定性較差，無法形成自然應(yīng)力拱，容易引發(fā)結(jié)構(gòu)變形，導(dǎo)致地面沉降過大或塌陷。根據(jù)場(chǎng)區(qū)區(qū)域水文地質(zhì)資料，本結(jié)構(gòu)施工范圍內(nèi)存在上層滯水。

1.3 暗挖預(yù)加固措施

依托暗挖工程根據(jù)不同的施工位置采用不同的加固工藝。馬頭門門洞位置及下穿現(xiàn)況污水管線區(qū)域設(shè)置超前小導(dǎo)管進(jìn)行注漿，對(duì)土體進(jìn)行加固；暗挖結(jié)構(gòu)段位于卵石層及表層雜填土層，圍巖穩(wěn)定性較差，不易形成自然應(yīng)力拱，施工過程中容易發(fā)生塌落，同時(shí)暗挖結(jié)構(gòu)下穿城市快速路，頂部風(fēng)險(xiǎn)較大，為保證施工安全，開挖前采取深孔注漿進(jìn)行超前支護(hù)。

2 新型改性水泥-水玻璃復(fù)合注漿材料試驗(yàn)研究

2.1 本工況對(duì)注漿材料性能要求

選取施工現(xiàn)場(chǎng)5～15 m深處的卵石樣本。通過5組樣本篩分試驗(yàn)可知：選取的第1、4組砂卵石為相對(duì)均勻土體，級(jí)配良好，土體密實(shí)度較好，卵石質(zhì)量約占到總質(zhì)量的60%；第2、3、5組樣本的平均粒徑較大，卵石質(zhì)量約占總質(zhì)量的80%。詳細(xì)結(jié)果如圖1所示。

圖1 卵石土體及大粒徑漂石

暗挖區(qū)間隧道圍巖主要為雜填土①1層、黏質(zhì)粉土填土①層、卵石②層、卵石③層、卵石④層。卵石一般粒徑為30～90 mm，已發(fā)現(xiàn)顆粒物最大直徑250 mm，成分主要為石英砂巖、輝綠巖、安山巖、硅質(zhì)白云巖等硬巖類，顆粒物形狀以亞圓形為主，200 mm以上漂石多為長(zhǎng)圓形。

地層土體顆粒較粗，粒間孔隙較大，滲透系數(shù)也較大，結(jié)合工程實(shí)際情況及以往經(jīng)驗(yàn)，擬采用水泥-水玻璃復(fù)合注漿材料。在本工程中，深孔注漿加固區(qū)域大部分為砂卵石，但上部還摻雜著部分雜填土，雜填土堆積時(shí)間短，性質(zhì)不均勻，厚度變化大，成分復(fù)雜，有機(jī)質(zhì)含量高，壓密周期長(zhǎng)，壓縮性非常大。針對(duì)此情況，注漿材料需滿足以下要求：

（1）同時(shí)適用于砂卵石地層和雜填土地層，可注性良好，擴(kuò)散半徑均勻。

（2）深孔注漿加固區(qū)域內(nèi)雜填土成分復(fù)雜，較為松散，要求注漿材料能較大程度上提高加固體強(qiáng)度，且耐久性較高。

（3）凝膠時(shí)間可控，凝結(jié)不能過快。

2.2 普通水泥-水玻璃注漿材料的改性思路

2.2.1 試驗(yàn)材料

水泥：P·O42.5水泥，高效分散劑：聚羧酸鈉鹽分散劑：木質(zhì)素磺酸鈣，無收縮灌漿劑，硫酸銅：化學(xué)純，水玻璃：濃度42 Bé°，鋼渣微粉：比表面積450 m2/kg，緩凝劑：FK-6羥基羧酸（鹽），均為市售。

2.2.2 改性方法

由于現(xiàn)有普通水泥-水玻璃雙液注漿材料難以滿足上述要求，需對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)。通過反復(fù)測(cè)試，最終得到如下改性方法：（1）添加高效分散劑，增加可注性及漿液擴(kuò)散半徑。水泥漿液中添加適量的高效分散劑和無收縮灌漿劑，吸附于固體顆粒的表面，使其表面易于濕潤(rùn)，添加無收縮灌漿劑使?jié){液強(qiáng)度提高、凝結(jié)后不收縮不變形。（2）添加硫酸銅提高結(jié)晶體強(qiáng)度，防止崩解。硫酸銅與水玻璃發(fā)生雙水解反應(yīng)，減小水玻璃對(duì)水泥的水化作用。（3）添加鋼渣微粉提高結(jié)石體的結(jié)石抗?jié)B性。鋼渣微粉可減小漿液因水分揮發(fā)引起的結(jié)石體干縮，也可生成凝膠充填結(jié)石體內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)，提高結(jié)石體的密度，增強(qiáng)抗?jié)B性能。（4）添加緩凝劑使凝膠時(shí)間可控。經(jīng)過多次試驗(yàn)，最終配比如下：A液為水泥漿液，采用P·O42.5水泥，配合比為：m（水）∶m（水泥）∶m（高效分散劑）∶m（無收縮灌漿劑）∶m（鋼渣微粉）=1∶1.2∶0.055∶0.055∶0.075；B液：水玻璃濃度為42Bé°，配合比為：m（水）∶m（水玻璃）∶m（硫酸銅）=1∶1∶0.03。

2.3 改性水泥-水玻璃注漿材料適用性試驗(yàn)

為了進(jìn)一步驗(yàn)證添加劑對(duì)普通水泥-水玻璃注漿液的影響及改良后注漿液的適用性，進(jìn)行如下添加劑試驗(yàn)。

2.3.1 凝膠時(shí)間試驗(yàn)

根據(jù)工程實(shí)際，改性水泥-水玻璃復(fù)合漿液的凝膠時(shí)間需要可以在幾秒到幾十分鐘之間調(diào)節(jié)。固定高效分散劑、硫酸銅、鋼渣微粉的含量，分析漿液中水泥、緩凝劑含量對(duì)漿液凝膠時(shí)間的影響。配制過程如圖2所示。

圖2 改性水泥-水玻璃配制過程

水灰比對(duì)改性水泥-水玻璃復(fù)合漿液凝膠時(shí)間的影響如表1所示。

表1 水灰比對(duì)改性水泥-水玻璃復(fù)合漿液凝膠時(shí)間的影響

由表1可見，隨著水灰比的增大，凝膠時(shí)間逐漸縮短。復(fù)合漿液凝膠時(shí)間在19～110 s范圍內(nèi)波動(dòng)，時(shí)間較短，可適用于雙液注漿，能夠滿足注漿快凝的要求。

還可以通過改變緩凝劑來控制凝膠時(shí)間，固定漿液水灰比為1.0，緩凝劑對(duì)改性水泥-水玻璃復(fù)合漿液凝膠時(shí)間的影響如表2所示。

表2 緩凝劑對(duì)改性水泥-水玻璃復(fù)合漿液凝膠時(shí)間的影響

由表2可見，凝膠時(shí)間隨緩凝劑用量的增加而延長(zhǎng)。改性水泥-水玻璃復(fù)合漿液的凝膠時(shí)間可以從幾十秒至幾十分鐘進(jìn)行調(diào)控。

2.3.2 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

對(duì)改性水泥-水玻璃復(fù)合漿液結(jié)石體的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試，根據(jù)DL/T 5126—2001《聚合物改性水泥砂漿試驗(yàn)規(guī)程》試驗(yàn)操作方法進(jìn)行試件制備與養(yǎng)護(hù)，制作徑高比1∶1的圓柱形試件。試模的直徑和高度均為100 mm。將制備的樣品浸入水中并進(jìn)行3、7、14、28 d的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)。為保證試驗(yàn)結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性，每組試件不少于6個(gè)。水灰比與硫酸銅含量對(duì)改性水泥-水玻璃復(fù)合漿液結(jié)石體無側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響如表3所示。

由表3可以看出，在相同水灰比條件下，隨著硫酸銅含量增加，改性水泥-水玻璃復(fù)合漿液結(jié)石體3 d抗壓強(qiáng)度呈提高趨勢(shì)。在硫酸銅含量小于7%時(shí)，強(qiáng)度提高幅度較小；超過7%時(shí)，強(qiáng)度提高明顯。隨著水灰比的增大，結(jié)石體的抗壓強(qiáng)度不斷降低，說明水灰比對(duì)結(jié)石體的抗壓強(qiáng)度影響顯著，水灰比增大，會(huì)直接導(dǎo)致結(jié)石體內(nèi)部孔隙率增大，從而降低結(jié)石體強(qiáng)度。同時(shí)漿液中用水量增大，漿液的pH值顯著降低，不利于改性水泥-水玻璃復(fù)合漿液的水化，特別會(huì)對(duì)早期強(qiáng)度產(chǎn)生顯著影響。因此，在普通水泥-水玻璃復(fù)合漿液中加入硫酸銅能顯著提高復(fù)合漿液結(jié)石體的強(qiáng)度。

表3 改性水泥-水玻璃復(fù)合漿液結(jié)石體的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

2.3.3 漿液結(jié)石體抗?jié)B性試驗(yàn)

析水性是水泥漿液的重要特性，主要是由于水泥顆粒粒徑大且不溶于水，在重力的作用下，因顆粒沉淀造成漿水分離[6]。隨著水分的析出，漿液黏度不斷改變，注漿擴(kuò)散范圍受到影響。同時(shí)析水性也會(huì)導(dǎo)致水泥漿液結(jié)石率較低，影響地層加固效果。在普通水泥漿液中摻入鋼渣微粉可以提高結(jié)石體致密度，降低因水分揮發(fā)引起的結(jié)石體干縮，極大提高漿液的抗?jié)B性。為了驗(yàn)證，分別測(cè)試普通漿液和改性漿液在不同水灰比下的析水性。

在試驗(yàn)開始前，篩除粒徑0.075 mm以上水泥顆粒，確保無結(jié)塊，漿液配制好后倒入10 mL玻璃量筒進(jìn)行混合漿液靜置析水實(shí)驗(yàn)，每隔一段時(shí)間記錄1次漿液液面高度，直至液面的高度停止變化。為確保試驗(yàn)取得可靠數(shù)據(jù)，每組試驗(yàn)至少重復(fù)3次，取其平均值。利用漿液初始密度、漿液的析水量計(jì)算出各時(shí)刻漿液的析水率。普通水泥漿液與改性水泥-水玻璃復(fù)合漿液的析水率如表4所示。

表4 普通水泥漿液及改性水泥漿液的析水率

從表4可以看出：當(dāng)水灰比小于1.0時(shí)，改性漿液基本無析水現(xiàn)象，普通漿液出現(xiàn)析水。當(dāng)水灰比增大到2.5，靜置40 min時(shí)，改性漿液的析水率僅為1.5%；而此時(shí)普通漿液的析水率是改性漿液的53倍。說明在普通水泥-水玻璃雙液漿中摻入鋼渣微粉能顯著改善水泥漿液的析水性，同時(shí)結(jié)石率也會(huì)隨著水灰比的增大而減小。

3 新型改性水泥-水玻璃復(fù)合注漿材料在砂卵石地層暗挖中的應(yīng)用

本工程采取兩端對(duì)向環(huán)形開挖土體，預(yù)留核心土法，每次開挖長(zhǎng)度為0.5 m。隧道暗挖段開挖斷面分3個(gè)開挖導(dǎo)洞。馬頭門門洞位置及下穿現(xiàn)況污水管線區(qū)域采用超前小導(dǎo)管進(jìn)行注漿加固；暗挖結(jié)構(gòu)段開挖前采取深孔注漿進(jìn)行超前支護(hù)加固。

3.1 超前小導(dǎo)管注漿漿液配制及參數(shù)

3.1.1 超前小導(dǎo)管注漿漿液配制

超前注漿采用改性水泥-水玻璃復(fù)合漿液，總的原則是漿液要滿足固結(jié)地層，防止涌水的產(chǎn)生。根據(jù)試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)施工需要水泥-水玻璃復(fù)合漿液配制如下：普通水泥漿的水灰比為1.0～1.5，在施工中可依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況適量調(diào)整；水泥水玻璃復(fù)合漿液的水灰比為1.25～2.5，施工中可適當(dāng)調(diào)整。

3.1.2 超前小導(dǎo)管注漿參數(shù)

豎井向下開挖至馬頭門位置時(shí)，根據(jù)測(cè)量放線打入拱部雙排超前小導(dǎo)管，小導(dǎo)管沿109°范圍的輪廓線布置，采用φ42 mm，L=4 m和L=5 m鋼管，環(huán)向間距為0.5 m，外插角10°～20°。

3.2 深孔注漿漿液配置及施工參數(shù)

3.2.1 深孔注漿漿液配制

本工程深孔注漿采用雙重管無收縮注漿工法，即WSS注漿工藝，對(duì)區(qū)間拱部進(jìn)行深孔注漿，以達(dá)到穩(wěn)固土體的預(yù)期目的。WSS漿液為新型改性水泥-水玻璃復(fù)合注漿材料，分為A、B液。

A液配制流程：水、高效分散劑、鋼渣微粉、緩凝劑、水泥。漿液配制前按攪拌機(jī)的容量和注漿材料的配比參數(shù)計(jì)算出配制一桶漿液所需的水泥和水的用量，先在攪拌機(jī)中加入一定量的水，再加入規(guī)定量的緩凝劑，強(qiáng)力攪拌3 min，然后加入定量的水泥和鋼渣微粉，強(qiáng)力攪拌，最后加入高效分散劑，攪拌均勻，即完成A液配制待用。

B液配制流程：在濃水玻璃中加入硫酸銅，并稀釋至設(shè)計(jì)濃度，攪拌均勻后待用，量取水玻璃桶的體積，標(biāo)定設(shè)計(jì)單段注漿量所需的高度，一次控制設(shè)計(jì)注漿量。圖3為現(xiàn)場(chǎng)注漿施工情況。

圖3 現(xiàn)場(chǎng)注漿施工情況

3.2.2 深孔注漿參數(shù)

采用改性水泥-水玻璃復(fù)合漿液，注漿壓力控制在0.8～1.0 MPa，擴(kuò)散半徑≥0.5 m，單根注漿管每延米注漿量≥0.76 m3，注漿后的滲透系數(shù)≤1.0×10-7cm/s。

3.3 現(xiàn)場(chǎng)施工驗(yàn)證

應(yīng)用改性水泥-水玻璃復(fù)合注漿材料進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)施工，現(xiàn)場(chǎng)開挖揭示效果如圖4所示，注漿效果良好。施工過程中監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可控，保證了施工的安全。

圖4 現(xiàn)場(chǎng)開挖揭示效果

4 結(jié)語

（1）針砂卵石地層的加固要求，對(duì)常見的注漿材料現(xiàn)存問題進(jìn)行分析，通過摻加添加劑的方式對(duì)普通水泥-水玻璃復(fù)合注漿材料進(jìn)行改性，通過添加劑試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：緩凝劑的添加使得凝膠時(shí)間可控；硫酸銅的添加改善了結(jié)石體與混凝土或巖體界面的狀況，增大了粘結(jié)力，使得抗壓強(qiáng)度顯著提高；鋼渣微粉的添加提高結(jié)石體的致密性，抗?jié)B性能提高。

（2）根據(jù)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的規(guī)律，改良了普通水泥-水玻璃復(fù)合注漿液，配制出滿足該工況超前小導(dǎo)管注漿加固和深孔注漿超前支護(hù)的復(fù)合注漿液，同時(shí)給出了改良注漿液的施工參數(shù)。根據(jù)施工情況來看，改性水泥-水玻璃復(fù)合注漿液可在砂卵石地層中均勻擴(kuò)散，加固效果良好，提高了超前注漿加固地層的工效，實(shí)現(xiàn)了下穿隧道暗挖的安全、快速施工。