富水砂土地層地鐵隧道注漿止水技術(shù)研究

莊心文

（福州地鐵集團(tuán)有限公司，福建 福州）

引言

地鐵是緩解城市交通擁堵有效的基礎(chǔ)設(shè)施之一，在地鐵隧道建設(shè)過程中，會遇到各種各樣復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境，砂土地層自穩(wěn)能力差、透水性強(qiáng)，顆粒之間黏結(jié)性差，是地鐵隧道施工中常見的地層之一，尤其是在富水砂土地層，極易發(fā)生管涌、塌方等工程事故，因此有必要對富水砂土地層進(jìn)行注漿止水加固[1-2]。

傳統(tǒng)的無機(jī)注漿料在富水或者動水地質(zhì)條件下容易被沖散和稀釋，因此需要尋找新的注漿材料來替代轉(zhuǎn)筒的無機(jī)注漿材料[3]。聚氨酯注漿料能夠與水發(fā)生反應(yīng)，同時(shí)與周圍土體膠結(jié)在一起，從而同時(shí)達(dá)到止水和加固的目的，但由于聚氨酯配方問題，很多時(shí)候具有較強(qiáng)的毒性，因此無法在城市地鐵隧道建設(shè)過程中大規(guī)模使用，因而需要對聚氨酯配方進(jìn)行改進(jìn)，制備適合城市地鐵隧道的聚氨酯注漿材料。

1 注漿材料制備及性能

1.1 原材料

A 組分：多異氰酸酯，棕褐色液體，平均密度為1.23 g/cm3，平均粘度為170 mPa·s。

B 組分：包括多元醇、催化劑、擴(kuò)鏈交聯(lián)劑、和泡沫穩(wěn)定劑。多元醇：聚氧化丙烯二醇，為無色油狀液體，平均密度為1.19 g/cm3，平均粘度為150 mPa·s。催化劑：三乙醇胺和二月桂酸二丁基錫。擴(kuò)鏈交聯(lián)劑：乙二醇。泡沫穩(wěn)定劑：二甲基硅油。

1.2 配比方案

A 組分與B 組分按照1:1 的質(zhì)量比混合，在B 組分中，三乙醇胺、二月桂酸二丁基錫、乙二醇以及二甲基硅油占聚氧化丙烯二醇質(zhì)量的0.3%、1.6%、0.6%和1%。按照200 g 聚氨酯注漿材料進(jìn)行制備計(jì)算，各材料配合比方案見表1。

1.3 制備和反應(yīng)流程

先稱取聚氧化丙烯二醇、三乙醇胺、二月桂酸二丁基錫、乙二醇、二甲基硅油，用玻璃棒攪拌混合均勻，然后加入過量水制成B 組分，稱取同樣質(zhì)量的多異氰酸酯作為A 組分，然后摻入B 組分中快速攪拌均勻，使A、B 組分充分反應(yīng)并發(fā)泡膨脹，最終生成具有一定強(qiáng)度和剛度的固結(jié)體，詳見圖1。

圖1 聚氨酯注漿材料制備及反應(yīng)流程

1.4 基本性能參數(shù)

按照上述方法制備的聚氨酯注漿材料密度為1.205 g/cm3，平均粘度為160 mPa·s，平均凝固時(shí)間為121 s，不揮發(fā)物含量（固含量）為97.84%，發(fā)泡率為1 265%，平均抗壓強(qiáng)度達(dá)到7.45 MPa，標(biāo)準(zhǔn)砂固結(jié)體滲透率僅為1.2×10-5cm/s，均滿足《聚氨酯灌漿材料》中的各項(xiàng)指標(biāo)要求，見表2。

表2 制備聚氨酯基本性能參數(shù)情況

雖然部分原材料有毒或者低毒性，但是當(dāng)經(jīng)過化學(xué)反應(yīng)后，制備的聚氨酯注漿材料實(shí)際為無毒或者接近于實(shí)際無毒，由于添加劑的摻量相對很低，因此可以將注漿漿液視為無毒或者低毒材料。對砂漿固結(jié)體進(jìn)行28 d 浸水試驗(yàn)，結(jié)果表明：砂漿固結(jié)體的平均質(zhì)量損失率僅為0.45%；浸水后水中平均TDS 含量為202 mg/L，僅較試驗(yàn)前自來水（TDS 含量192 mg/L）增加10 mg/L，遠(yuǎn)低國家規(guī)定的<1 000 mg/L 要求；浸泡后自來水PH 值與浸泡前幾乎無差別。綜上分析可知：制備的聚氨酯注漿材料屬于環(huán)保性方面的要求。

2 注漿止水試驗(yàn)概況

2.1 試驗(yàn)原理

試驗(yàn)裝置由水頭系統(tǒng)、注漿系統(tǒng)、砂土模型系統(tǒng)和檢測系統(tǒng)四部分組成，見圖2。試驗(yàn)步驟為：（1） 先安裝砂土模型系統(tǒng)，并將滲壓計(jì)、注漿管等埋入指定位置，并對各處進(jìn)行密封處理；（2） 將進(jìn)水口端朝下放置，然后將試驗(yàn)用砂土分層均勻裝入模型筒中，每填筑10 cm 厚便夯實(shí)一次，直至將模型筒填滿；（3）將進(jìn)水口與水頭系統(tǒng)相連，注漿管與注漿系統(tǒng)相連，滲壓計(jì)與監(jiān)測系統(tǒng)相連；（4） 按照表1 配合比方案配制漿液，并調(diào)整各種參數(shù)；（5） 向水頭系統(tǒng)中注水，直至砂土模型中出水口有穩(wěn)定水流出為止，使砂土層富水；（6） 開始注漿，當(dāng)不能或者難以注入漿液時(shí)停止注漿。

圖2 試驗(yàn)裝置原理示意

2.2 試驗(yàn)砂土特性

試驗(yàn)砂土取自某地鐵盾構(gòu)隧道現(xiàn)場，粒徑以0.1～20 mm 為主，砂土的顆粒級配見圖3。從圖3 中數(shù)據(jù)可以計(jì)算得到砂土的不均勻系數(shù)為1.92，曲率系數(shù)為0.95，屬于級配不良土，經(jīng)測試砂層的平均滲透系數(shù)為6.55×10-3cm/s。

圖3 試驗(yàn)砂土顆粒級配曲線

2.3 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)過程中，通過改變水頭高度和注漿壓力來探討聚氨酯注漿材料的注漿效果，水頭高度分為1 m、1.5 m 和2 m 三種，注漿壓力分為100 kPa、150 kPa和200 kPa 三種，共進(jìn)行3×3=9 組試驗(yàn)。

3 注漿止水試驗(yàn)結(jié)果

3.1 漿液擴(kuò)散距離

不同注漿參數(shù)下漿液的擴(kuò)散距離變化規(guī)律見圖4。從圖4 中可知：相同水頭高度下，隨著注漿壓力的增大，逆水和順?biāo)蔚臄U(kuò)散距離均呈逐漸增大的變化特征；當(dāng)水頭高度為1 m 時(shí)，注漿壓力由100 kPa 增大到200 kPa 后，逆水段和順?biāo)當(dāng)U散距離分別增加了100%和59.1%，當(dāng)水頭高度為1.5 m 時(shí)，注漿壓力由100 kPa 增大到200 kPa 后，逆水段和順?biāo)當(dāng)U散距離分別增加了69.2%和42.3%，水頭高度為2 m 時(shí)，注漿壓力由100 kPa 增大到200 kPa 后，逆水段和順?biāo)當(dāng)U散距離分別增加了100%和37.9%。相同注漿壓力下，逆水段擴(kuò)散距離并沒有隨水頭高度表現(xiàn)出規(guī)律性變化特征，而順?biāo)螖U(kuò)散距離則隨水頭高度的增大而逐漸增大，但是變化的幅度均不是很大，這是因?yàn)閯铀畨毫υ酱?，漿液沿水流方向的擴(kuò)散動力也就越大，可以擴(kuò)散更遠(yuǎn)的距離，但是對于逆水段而言，按理會出現(xiàn)水頭高度越大擴(kuò)散距離越小的變化特征，但由于聚氨酯注漿料的特殊性，水是反應(yīng)物之一，注漿料并不會因?yàn)樗嬖诙淮罅肯♂尯蜎_散，同時(shí)由于聚氨酯漿液的“二次滲透”作用，導(dǎo)致逆水段擴(kuò)散距離隨水頭高度仍有增大趨勢。

圖4 漿液擴(kuò)散距離變化規(guī)律

相同注漿參數(shù)下，順?biāo)螖U(kuò)散距離較逆水段擴(kuò)散距離高出約10 cm；當(dāng)注漿壓力較小時(shí)，逆水段擴(kuò)散距離基本相等，這是因?yàn)闈{液均是先擴(kuò)散到某一位置后再進(jìn)行反應(yīng)；而當(dāng)注漿壓力較大時(shí)，逆水段擴(kuò)散距離有明顯差異，這主要是因?yàn)闈{液的擴(kuò)散和反應(yīng)是同時(shí)進(jìn)行的，過程相對更加復(fù)雜，當(dāng)漿液反應(yīng)完成后，才會基本停止持續(xù)的擴(kuò)散。

3.2 堵水率

不同注漿參數(shù)下漿液的堵水率變化規(guī)律見圖5。從圖5 中可知：相同水頭高度下，隨著注漿壓力的升高，堵水率逐漸增大，相同注漿壓力下，水頭高度越高，堵水率越大，這說明隨著漿液擴(kuò)散距離的增大，動水更難從結(jié)石體中滲流通過，起到的堵水效果越好；當(dāng)固定水頭分別為1 m、1.5 m 和2.0 m 時(shí)，注漿壓力從100 kPa 增大至200 kPa 后，堵水率分別增大了6.46%、5.83%、6.16%，而當(dāng)固定注漿壓力為100 kPa、150 kPa 和200 kPa 時(shí)，水頭高度從1 m 增大至2 m后，堵水率分別增大了1.62%、1.61%和1.32%。由此可見：注漿壓力對堵水率的影響程度高于水頭高度。

圖5 堵水率變化規(guī)律

3.3 止水時(shí)間

不同注漿參數(shù)下漿液的止水時(shí)間變化規(guī)律見圖6。從圖6 中可知：相同水頭高度下，隨著注漿壓力增大，止水時(shí)間注漿縮短，相同注漿壓力下，隨著水頭高度的增大，止水時(shí)間也逐漸縮短，即注漿壓力越大、水頭越高，漿液的凝固時(shí)間越短；從試驗(yàn)結(jié)果來講，不同注漿參數(shù)下的凝固時(shí)間在180 s～221 s，比制備得到的聚氨酯注漿材料平均凝固時(shí)間（121 s）要長很多，這主要是因?yàn)樵趯?shí)際注漿過程中，A、B 組分需要在注漿泵混合室才開始混合，而且當(dāng)注入砂土地層中時(shí)，由于雙組分的接觸面積較小，會導(dǎo)致漿液混合不充分，反應(yīng)的輸漿相對滯后，因此，砂土固結(jié)體的凝固時(shí)間也會相應(yīng)延后。在實(shí)際注漿過程中，可以合理增大注漿壓力，使?jié){液在動水作用下的運(yùn)動速度加快，保證漿液與水的充分接觸，從而縮短凝固時(shí)間，提高堵水止水效果。

圖6 止水時(shí)間變化規(guī)律

4 結(jié)論

利用多種材料配制了一種實(shí)際無毒/低毒的聚氨酯注漿材料，并在該材料基礎(chǔ)上，進(jìn)行注漿止水試驗(yàn)，得出如下結(jié)論：

（1） 隨著注漿壓力的增大，漿液的擴(kuò)散距離和堵水率注漿增大，止水時(shí)間逐漸減小；隨著水頭高度的增加，順?biāo)蔚臄U(kuò)散距離注漿增大，堵水率注漿增大，止水時(shí)間逐漸減小，由于漿液的“二次滲透”作用，逆水段的擴(kuò)散距離也有增大的趨勢，注漿壓力對注漿效果的影響程度高于水頭高度對注漿效果的影響程度。

（2） 漿液的實(shí)際注漿凝固時(shí)間要遠(yuǎn)長于實(shí)驗(yàn)室制備所得的平均凝固時(shí)間，在實(shí)際注漿過程中，應(yīng)該適當(dāng)增大注漿壓力來縮短漿液凝固時(shí)間，提升注漿效果。

（3） 通過對漿液擴(kuò)散距離、堵水率和止水時(shí)間等參數(shù)的監(jiān)測分析可知，自配的聚氨酯漿液具備良好的堵水止水性能，能夠快速對富水砂土地層進(jìn)行有效封堵。