改性水玻璃漿液在粉細砂地層暗挖隧道超前支護中的應用

李小雷

（中鐵航空港建設集團有限公司，河北石家莊 050000）

改性水玻璃漿液在粉細砂地層暗挖隧道超前支護中的應用

李小雷

（中鐵航空港建設集團有限公司，河北石家莊 050000）

在淺埋、軟弱地層中施工暗挖隧道時，圍巖自穩時間短，不能保證安全的完成初次支護時，為確保施工安全，一般采取超前支護措施，常見的超前支護措施為超前小導管注漿加固，小導管注漿材料采用水泥漿或水泥--水玻璃雙液漿。在粉細砂層地段，因地層致密無膠結，水泥漿液無法注入，石家莊地鐵暗挖隧道超前小導管注漿材料采用改性水玻璃漿液，改性水玻璃漿液由水玻璃、硫酸等材料按一定的比例調配而成，利用自制的簡易牛角泵在風壓推動下，把改性水玻璃漿液通過小導管按一定的擴散半徑以單液方式注入粉細砂層中，擴散凝膠，把松散的砂粒固結成一個強度適中的塊體，在隧道周圍形成一個防坍塌的固結圈，從而達到砂層加固的目的。

粉細砂 改性水玻璃 注漿 加固

隨著交通事業的發展和城市化進程的加快，新建鐵路、公路和市政工程日益增多，在軟弱圍巖及砂土層修建的暗挖隧道越來越多，在上述地質中修建暗挖隧道普遍采用注漿法進行地層加固處理。注漿方法包括電化學注漿、劈裂注漿、壓密注漿、滲入性注漿等，其中滲入性注漿由于其注漿壓力小，對地層結構基本不產生擾動和破壞，使用的機具、設備較簡單，施工相對容易，應用廣泛。滲入性注漿所采用的漿液主要有水泥類漿液和化學漿液，其性能各不相同。水泥類漿液多用于斷層及斷層破碎帶注漿，一般要求被注地層孔隙大于0.2mm。化學漿液的可注性較好，可用于粉、細砂注漿， 但大部分漿液成本較高，工藝較復雜。作為化學漿液的一種，水玻璃類漿材已有近百年的歷史。19世紀后期，注漿材料便從以水泥漿材為主發展到以水玻璃漿材為主，經過不斷的技術改進，水玻璃漿材憑借其優越的綜合性能，成為應用最廣泛的光學注漿材料之一。水玻璃漿液雖然具有眾多優點，但在使用過程中需具有合適的膠凝時間和適宜的強度，為此有必要研究適用于粉細砂層的漿液配方和注漿方法，為施工現場提供技術依據。

1 注漿材料

1.1 注漿原材料

水玻璃：模數2.2～2.8，濃度40Be'

硫酸：濃度98%，可用廢硫酸代替。

1.2 漿液配制

甲液：濃度15~20Be'水玻璃 乙液：15%稀硫酸

1.2.1 水玻璃的稀釋

采用邊加水邊攪拌邊用波美計測量的方法進行，亦可用計算方法，先算出加水量，然后加入水攪拌均勻。

V原=（d配-1）/（d原-1）×V配 V水=V配-V原

式中：d原、d配—分別為原水玻璃和預配水玻璃的比重

V水、V配、V原—分別為加水、原水玻璃和預配水玻璃的體積

稀釋后的水玻璃濃度為15~20Be'，當濃度小于15 Be'難于膠凝，大于20 Be'時膠凝時間過快，不能滿足漿液滲透的要求。

1.2.2 硫酸的稀釋

先算出所需濃硫酸量和加水量，然后將濃硫酸緩慢倒入水中，攪拌均勻，嚴禁將水倒入濃硫酸中。將濃硫酸稀釋成15%的稀硫酸。

1.2.3 改性水玻璃配制

在高速攪拌情況下，將水玻璃緩慢倒入稀硫酸中，其比例根據所配漿液的PH值確定，用PH試紙測其PH值。PH值是影響膠凝時間的主要因素之一，PH值在7附近時膠凝最快，在顯著的酸性范圍內，膠凝速度大為減慢。當PH值在5～6附近時膠凝較快， PH值在3附近時，膠凝時間很慢。配制后改性水玻璃漿液的PH值控制在3～5之間，滿足注漿時膠凝時間可控、穩定性好的要求。漿液的膠凝時間越長，施工方便，擴散半徑大，但膠凝時間過長，則不利于施工進度，配置好的改性水玻璃漿液的膠凝時間控制在30～60min，滿足可注性和及時開挖的要求。

2 改性水玻璃的注漿作業

2.1 小導管的安設

小導管的安設應采用引孔頂入法。其安設步驟為：

（1）用吹管將粉細砂吹出成孔，孔徑40mm，孔深視導管深度而定；

（2）插入導管，如插入困難，可輕擊鋼管頂入；

（3）用吹風管將管內砂石吹出；

圖1 注漿設備系統圖

（4）導管周圍縫隙用塑膠泥封堵，并用棉紗將孔口堵塞。

暗挖隧道小導管超前支護一般采用φ42×3.25mm鋼管，但在粉細砂層中施工超前小導管注改性水玻璃漿液時，因小導管采用風管將砂吹出成孔，成孔直徑40mm左右，為防止錘擊導管導致砂層脫落或塌孔，建議優化鋼管直徑，采用φ30×3.0mm鋼管，更能適應粉細砂層的注漿的特點。

2.2 注漿施工方法

2.2.1 注漿工藝

（1）注漿設備。采用自制的簡易牛角泵，利用風壓進行注漿作業，如圖1所示。

（2）注漿操作步驟。

①關閉放氣閥及放漿閥；②將配制好的漿液通過進漿口灌入泵體；③打開進氣閥，使壓縮空氣進入泵體，空壓機風壓0.6～0.7MPa；④打開出漿閥，加入漿液，漿液經孔口密封器、管路、導管進入地層。

2.2.2 注漿量與注漿效果

（1）注漿量控制。在0.6～0.7MPa風壓下進行注漿，當砂層中無法注入時（注漿口冒漿）為止。理論上，漿液在砂層中符合柱形擴散理論，即漿液從注漿管的某一段向土層呈柱狀擴散。由于漿液的粘度是不斷變化的，受注地層都是不均質的，注漿孔的孔源有時也是不規整的。假設為漿液粘度一定、土層均質、漿源形狀規整和漿液為牛頓體，漿液在較低的注漿壓力下，是可以進行滲透注漿的，滿足滲透理論。注漿量的可參考推導公式計算：

Q=πr2na

Q注漿量（cm3）；a為柱狀注漿長度（cm）；r1漿液擴散半徑（cm）； n為粉細砂的孔隙率（%）--0.35。

（2）擴散半徑。影響擴散半徑的因素很多、很復雜，很難準確掌握注漿量和擴散半徑的關系。影響擴散半徑的主要因素有：粉細砂的滲透系數，滲透系數越大則擴散半徑越大；注漿壓力，壓力越大則擴散半徑越大；注漿時間，時間越長則擴散半徑越大；粉細砂的孔隙率，注漿量一定時，孔隙率越大則擴散半徑越小；漿液粘度和水的粘度比，粘度越大則擴散半徑越小。

（3）注漿效果。改性水玻璃的固砂強度較低，很難通過取樣驗證。根據改性水玻璃的膠凝時間，注漿完成后30min進行開挖驗證注漿效果，導管周圍形成柱狀砂體，砂層穩定，擴散半徑25cm～40cm。

（4）影響注漿效果的因素。由于改性水玻璃漿液具有多種性能，為獲得良好的可灌性能與固結效果，在調配預注漿液過程中，需根據設計要求和砂質地層特性，合理調整漿液的技術參數，以達到預期的注漿效果。影響注漿效果的主要因素：

①漿液ph值與膠凝時間：調整漿液的ph值，可使漿液的膠凝時間從瞬間到幾十分鐘之間可供選擇。在實施中，可根據需要對膠凝時間進行調節，滿足可注性的要求。

②漿液的稀釋效應：漿材濃度的變化對漿材的膠凝時間和固化強度具有明顯的影響。漿液濃度越大，膠凝時間越短，其固化強度亦高；漿材濃度降低，其膠凝時間相對延長，但過于稀釋會出現不凝的性狀，同時固化強度也會下降甚至消失。

3 結語

改性水玻璃注漿具有操作方便、加固效果好、施工進度快、成本低、無污染，能解決水泥漿不適宜的粉細砂地層，對于粉細砂地質的改良具有良好效果，在暗挖隧道施工中得到了應用和推廣。但水玻璃漿液作為化學材料，受地質條件、漿材配置和作業方法等影響，尚存在一些不足，如：①酸性水玻璃的配置沒有理論依據，需要不斷的總結相關數據，經驗指導施工；②酸性水玻璃固砂強度只有0.1-0.4MPa，而且失水后即消散，不能得到高強度固砂體，需在一定的時間內完成加固砂層的開挖支護。隨著改性水玻璃注漿工藝的推廣和工程技術人員的總結，其注漿工藝和注漿方法將得到不斷的完善和發展。

［1］王夢恕.地下工程淺埋暗挖技術通論［M］.安徽教育出版社，2004，12.

［2］住建部.建筑工程水泥-水玻璃雙液漿技術規程［M］.中國建筑工業出版社，2010，9.

［3］葉英.粉細砂地層淺埋暗挖法注漿加固技術指南［M］.中國建筑工業出版社，2013，10.