劈裂注漿在長壽山隧道一二號明洞中的應(yīng)用

姚建青

1 工程概況

長壽山隧道一、二號明洞起訖里程分別為 HDK 42+906～HDK 42+985,HDK 43+120～HDK 43+260及兩段中部為一 35m長的暗挖短隧道。工程位于蘭州市城關(guān)區(qū)羅鍋溝、腰子溝內(nèi),屬低中山區(qū),工點范圍內(nèi)溝谷發(fā)育,地勢起伏,地形復(fù)雜,附近多為荒地及預(yù)留開發(fā)區(qū),人為開挖及平整回填等活動劇烈,對工程附近地形地貌影響大。

隧道經(jīng)過范圍地層有:第四系全新統(tǒng)人工填土,砂質(zhì)黃土,細(xì)圓礫土,上更新統(tǒng)沖積砂質(zhì)黃土、粉砂、細(xì)圓礫土、粗圓礫土、第三系中新統(tǒng)砂巖、泥巖。工點區(qū)未發(fā)現(xiàn)對工程有影響的斷層及褶皺構(gòu)造跡象。工點范圍內(nèi)未發(fā)現(xiàn)有不良地質(zhì)現(xiàn)象。

工點范圍內(nèi)特殊巖土為濕陷性黃土。全新統(tǒng)砂質(zhì)黃土具Ⅰ級非自重濕陷性,濕陷性土層厚度 5m～10m,上更新統(tǒng)砂質(zhì)黃土具Ⅲ級 ～Ⅳ級(嚴(yán)重 ～很嚴(yán)重)自重濕陷性,濕陷性土層厚 5m～30m。

2 劈裂注漿工藝的機理

劈裂注漿工藝的加固機理[1]是在灌漿壓力作用下,漿液克服地層的初始應(yīng)力的抗拉強度,引起土體結(jié)構(gòu)的破壞和擾動,使地層中原有的孔隙或裂隙擴張,漿液又注入到這些擴張后的孔隙或裂隙中,通過充填、擠密、擴散、離子交換等作用,使原有土體滲透性降低、土層顆粒粘聚力加強,形成新的土體固結(jié)。

2.1 充填效應(yīng)

漿液在壓力作用下進(jìn)入土體后首先充填土體中的孔隙,如果土體中局部有孔穴則漿液就會充填固結(jié)起到加固作用。

2.2 擠密效應(yīng)

由于漿液的充填,在壓力作用下漿液擴散對周圍的土體必然產(chǎn)生一定的擠密作用,使孔隙比有所減小。

2.3 擴散效應(yīng)

擴散效應(yīng)是一個綜合的含義,其中包括漿液在壓力作用下產(chǎn)生的劈裂以及在主脈理上產(chǎn)生的支脈,劈裂過程中在各條脈理上也會發(fā)生局部的滲透。

2.4 離子交換效應(yīng)

漿液在脈狀擴散的過程中,由于脈理較細(xì),擴散層次多,漿液與土體充分接觸,這樣漿液中多余的鈣離子與土體中的鈉離子產(chǎn)生離子交換,所以沿著與漿液接觸的那部分土體也得到了加固。

2.5 骨架效應(yīng)

漿液在土體中并不是與土顆粒均勻地混合,兩者呈兩相狀各自存在,所以從土的微觀結(jié)構(gòu)分析,除受到部分的擠密作用,孔隙比和含水率稍有變化外,其他物理力學(xué)性能的變化不明顯,所以加固效果應(yīng)從宏觀上來分析,即應(yīng)考慮土體的骨架效應(yīng)。由于漿液的凝固體與土體構(gòu)成兩相體,形成了復(fù)合結(jié)構(gòu),所以其彈性模量高于原來土體的彈性模量,土的穩(wěn)定性會有較大的提高。

3 劈裂注漿施工工藝

3.1 注漿材料

注漿材料的類型很多,大多是根據(jù)加固的目的、施工環(huán)境、施工方法等條件來選擇漿體的類型。黃土地區(qū)施工用材料多以黃土或天然砂礫填筑為主,選擇以水泥為主體的無機類漿體材料較為合適。在使用過程中,為了降低工程造價,也可用黃土或粉煤灰代替部分水泥而配制成水泥黃土漿或水泥粉煤灰漿液。在某些情況下為了達(dá)到一定的技術(shù)要求,如為控制注漿過程中的附加下沉、初凝時間等,需要在漿體中加入一定數(shù)量的添加劑,常用的添加劑有水玻璃、三乙醇胺等。

根據(jù)施工需要,由于本隧道所通過的地層大都為飽和度較高的黃土,含水率大,在此土層中采用劈裂注漿法加固時,要同時考慮注漿加固土體受壓后固結(jié)問題,還要考慮漿液自身的固結(jié)問題,純水泥漿在漿液的固化過程中析水較多,硬化需要較長的時間。因此我們選擇了水泥—水玻璃雙液漿(CS漿液),CS漿液克服了水泥漿凝結(jié)時間長且不易控制、析水率高、結(jié)石率低的缺點,且漿液膠凝時間可在幾秒至幾十分鐘之間準(zhǔn)確控制,結(jié)石體抗壓強度高,結(jié)石率可達(dá) 98%～100%,可注性比純水泥漿明顯提高。

3.2 劈裂注漿主要設(shè)計參數(shù)

1)漿液配比:采用水玻璃 40 Be′,模數(shù) n=3.1;425號普通硅酸鹽水泥,水灰比為水泥 1∶0.75,水玻璃用量為水泥用量的 3%～5%,混合成水泥水玻璃漿液。

2)鉆孔:鉆孔孔徑為 80,上臺階開挖注漿孔間距為 1.2 m×1.2m,下臺階開挖隧底注漿孔間距為 1.0m×1.0m。

3)注漿流量和注漿壓力:注漿流量和注漿壓力與土質(zhì)種類、透水性、注漿速度、注漿方法等因素有關(guān),一般參考現(xiàn)場實驗或據(jù)已有的經(jīng)驗來確定。通常情況下注漿流量應(yīng)配合注漿壓力來調(diào)整,注漿初期土層吸收漿液能力強,壓力可以較小,隨著土體吸收量減小可以逐漸增加流量增大壓力,使其處于最佳的吸收狀態(tài),注漿接近結(jié)束時可適當(dāng)增大注漿壓力。注漿壓力過小達(dá)不到預(yù)期的注漿量和擴散半徑的要求,但注漿壓力超過一定范圍時,會引起土體結(jié)構(gòu)的破壞。控制注漿壓力不大于 2.5MPa。

3.3 劈裂注漿施工工藝

1)注漿工藝順序:成孔→下注漿管→孔口密封→注漿→觀察溢漿孔→補漿→封閉。

2)套殼料:套殼料又稱封閉泥漿,當(dāng)鉆孔到達(dá)設(shè)計深度后從鉆孔內(nèi)灌入封閉漿液,其作用是封閉單向閥管和鉆孔壁之間的孔隙,迫使從灌漿孔內(nèi)開環(huán),壓出的漿液擠破套殼料注入四周土層。

3)封閉泥漿的鉆孔中插入單向閥管(劈裂注漿管),采用內(nèi)徑為 60的塑料管,每隔 33cm～50cm鉆一組射漿孔(即每米 2組 ～3組),外包橡皮套,插入鉆孔時管端封閉,管內(nèi)充滿水。

4)泥漿達(dá)到一定強度后,在單向閥管內(nèi)插入雙向密封注漿芯管進(jìn)行分層注漿,首先加大壓力使?jié){液頂開橡皮套,擠破套殼料,在土體產(chǎn)生劈裂,并沿著裂縫擴散,擴散范圍受注漿壓力、時間、漿液配比、土層特征等因素的影響。從底部每一米注漿一次,達(dá)到一定的壓力后,提起 1m再注漿,這樣重復(fù)進(jìn)行。注漿完成后,清洗管內(nèi)殘留漿液,以便于第二次重復(fù)注漿(單向閥塑料管即留在注漿后的土層中)。

4 結(jié)語

1)本工程根據(jù)注漿加固的目的,采用不同的斷面形式、注漿方式、漿液配比取得了較好的經(jīng)濟(jì)與社會效益。2)在黃土地區(qū)陷穴注漿施工時,采用“水泥—水玻璃+黃土”注漿方法對陷穴土體進(jìn)行加固是可行的,效果較好,可有效的降低工程造價。3)采用壓力注漿法時,注漿量、注漿壓力等設(shè)計參數(shù)最好通過現(xiàn)場注漿試驗來確定,并針對現(xiàn)場情況提出適合的施工工藝,以事半功倍。

[1] 馬越勇.劈裂注漿地基處理技術(shù)在沉井穿越卵礫石層中的應(yīng)用[J].建筑施工,1998,5(20):46-48.

[2] 熊厚金,林天健,李 寧.巖土工程化學(xué)[M].北京:科學(xué)出版社,2001.

[3] 施紅政.夯實水泥土樁的應(yīng)用與體會[J].山西建筑,2006,32(18):91-92.