粉細砂地層改性水玻璃注漿試驗研究

韓仁利

（中鐵十七局集團第一工程有限公司，山西 太原 030032）

1 工程概況

石家莊地鐵一號線K8+854.560—K9+236.500段，全長381.94 m，沿中山西路東西向布置，位于主要商業街正下方，覆土厚度約8.6～10.6 m。隧道拱部大部分位于粉細砂和中粗砂層，厚度在0～6 m不等。地下水位低于隧道底板。隧道拱部所處地層主要為粉細砂層、中粗砂層。這種地層致密無膠結，無自穩能力，開挖時易坍，危及施工安全[1]。設計超前支護采用Φ42小導管注漿，管壁每隔100～200 mm交錯鉆眼，眼孔直徑 6～8 mm。小導管環向間距0.3 m，格柵拱架間距0.5 m，小導管每榀打設，單根長度2.0 m，外插角10°～20°，C25混凝土掛網噴錨，隧道初支外采用深孔注漿，加固范圍為初支外1 m，采用WSS工法注超細水泥-改性水玻璃雙液漿。

2 試驗方案

2.1 試驗目的

從普通水泥在粉細砂地層注漿困難的基本問題入手，通過調整水玻璃和磷酸的濃度和比例，配制成黏度低、凝膠時間可控、穩定性好的漿液，通過現場注漿試驗，檢驗改性水玻璃注漿加固效果是否滿足粉細砂層固結的要求。

2.2 漿液配制

2.2.1 原材料

a）水玻璃 選用濃度40Be′，比重1.42～1.45，模數3.3。

b）磷酸 85%濃磷酸。

2.2.2 漿液配制

據《地鐵暗挖隧道注漿施工技術規程》，將水玻璃原液稀釋成15Be′的水玻璃；濃磷酸稀釋成15%的稀磷酸；然后再將15Be′水玻璃緩緩倒入15%磷酸中并充分地攪拌,并根據實時檢測的改性水玻璃漿液的pH值控制兩種漿液的配比。改性水玻璃漿液pH值位于4～7范圍內時,漿液的加固效果為最佳[2]。稀釋磷酸∶稀釋水玻璃=1∶2.8。

施工配合比（體積比）為水玻璃稀釋配比：水玻璃∶水=1∶3；濃磷酸稀釋配比：濃磷酸∶水=1∶6；改性水玻璃配比：稀釋磷酸∶稀釋水玻璃=1∶3。

2.3 注漿試驗

2.3.1 試驗段選取及試驗質量要求

試驗部位選在中-解配線區間右線左①導洞，整個掌子面處于粉細砂層包圍當中，高度方便注漿作業，注漿后能夠及時開挖驗證固結效果。

要求漿液擴散半徑不小于25 cm，擴散均勻，凝固時間在1～2 h，固結體強度達到0.3～0.5 MPa。

2.3.2 注漿參數

a）小導管采用Φ42的無縫鋼管，長2 m，端部制成尖狀[3]，管體上縱向切 10 cm長孔，間距30 cm交錯布置，尾部80 cm不開孔。小導管間距30 cm。在相鄰兩根注漿管間均勻設置兩個空孔，孔深與注漿管相同。

b）注漿壓力達到0.2 MPa后穩壓3 min。

c）單管注漿量 Q=πR2Lnαβ＝0.11 m3，式中 R 為擴散半徑；L為導管長度，m；n為地層孔隙率，33%；α為地層填充系數，0.8；β為漿液消耗系數，1.1。

2.3.3 注漿試驗孔布置

在掌子面布置8根小導管，從左向右編號。

圖1 小導管加工示意圖（單位：mm）

1～2號注漿孔間距30 cm，中間等距鉆兩個空孔，2～5號注漿管間距10 cm，5～6號注漿管間距30 cm，6～7號注漿管間距15 cm，7～8號注漿孔間距15 cm。

圖2 注漿試驗孔布置圖

2.3.4 注漿施工工藝

圖3 注漿工藝流程圖

a）小導管用風槍推入砂層，用吹管將管內砂石吹出，以免堵塞[4]。

b）注漿設備采用雙液注漿泵，用高壓膠管與小導管尾部止漿閥連接，注漿管上安裝壓力表。

c）現場采用體積比配制漿液，一次不能配太多要隨配隨用，防止漿液凝結造成浪費。

d）施工過程中記錄注漿量、注漿壓力和時間，達到設計值時停止注漿。

e）注漿結束后，應對注漿泵及管路進行清洗，以保證下次注漿順利進行。

f）加強勞動保護，注漿人員要穿防護服戴膠皮手套，防止漿液腐蝕人體。

g）工作面噴射C25混凝土5 cm做為止漿墻。小導管用風槍推入，小導管與止漿墻間縫隙用等材料塞縫。

3 注漿結果分析

按小導管注漿施工工藝，對粉細砂層開展超細水泥改性水玻璃注漿試驗，現將試驗數據整理見表1。

表1 注漿情況記錄表

注漿完成5 h后人工破除止漿墻，挖開注漿管周圍松散砂子，1號孔固結體較完整，左右不對稱，空孔側固結半徑達到10 cm，另一側3 cm，用小錘輕敲固結體未破碎；2號管周圍有5 cm固結體；3號管周圍有10 cm固結體；4號管周圍有15 cm固結體；5號管周圍有8 cm固結體；6號管周圍有12 cm固結體；7號管位于黏土中無固結體；8號管周圍有13 cm固結體。最后將試塊放在自然條件下（溫度20℃±3℃，濕度約為50%）養護24 h后將試樣制成標準試樣進行抗壓強度試驗，8個試塊抗壓強度值見表1，剔除固結體強度最大值和最小值，求得固結體平均強度為0.36 MPa，該強度足以滿足預期加固效果。通過在粉細砂地層開展注漿試驗研究，得出以下經驗總結：

a）通過注漿試驗證明超細水泥改性水玻璃在粉細砂層擴散性好，操作簡單，固結體強度能夠達到加固效果。

b）1號管固結體不對稱說明在兩根注漿管中間加空孔擾動砂層后利于漿液的擴散，施工時可以增加空孔數量。

c）所有孔口封堵均出現不同程度的冒漿現象，影響了注漿效果。以后在施工中在孔口挖一圓錐形槽，高度要深入土體至少10 cm，把注漿管與止漿墻和土體間的縫隙完全隔斷，用水泥水玻璃膠泥填平，防止漿液從止漿墻與土體間縫隙竄出。

d）小導管尾部與閘閥焊接時容易漏焊導致冒漿，以后施工中小導管管尾套絲通過變徑管與止漿球閥連接，既連接緊密又可循環使用。

e）漿液呈酸性，注漿人員應全身防護，戴護目鏡，防止爆管或漿液噴出時造成人員傷害。

4 結語

針對該地鐵工程的實際情況，通過對灌漿材料改性，配制成黏度低、凝膠時間可控、穩定性好的漿液，現場注漿試驗研究表明：超細水泥改性水玻璃在粉細砂層擴散性好，操作簡單，施工速度快，保證了初期支護施工的順利進行，達到了預期的加固效果。兩根注漿管中間加空孔擾動砂層后利于漿液的擴散，施工時可以增加空孔數量。超細水泥改性水玻璃注漿施工工藝較成功地在該工程應用，也為以后相似地層的隧道施工提供了寶貴的經驗。