改性水玻璃浆液在粉细砂地层暗挖隧道超前支护中的应用

【摘 要】在浅埋、软弱地层中施工暗挖隧道时，围岩自稳时间短，不能保证安全的完成初次支护时，为确保施工安全，一般采取超前支护措施，常见的超前支护措施为超前小导管注浆加固，小导管注浆材料采用水泥浆或水泥--水玻璃双液浆。在粉细砂层地段，因地层致密无胶结，水泥浆液无法注入，石家庄地铁暗挖隧道超前小导管注浆材料采用改性水玻璃浆液，改性水玻璃浆液由水玻璃、硫酸等材料按一定的比例调配而成，利用自制的简易牛角泵在风压推动下，把改性水玻璃浆液通过小导管按一定的扩散半径以单液方式注入粉细砂层中，扩散凝胶，把松散的砂粒固结成一个强度适中的块体，在隧道周围形成一个防坍塌的固结圈，从而达到砂层加固的目的。

【关键词】粉细砂 改性水玻璃 注浆 加固

随着交通事业的发展和城市化进程的加快，新建铁路、公路和市政工程日益增多，在软弱围岩及砂土层修建的暗挖隧道越来越多，在上述地质中修建暗挖隧道普遍采用注浆法进行地层加固处理。注浆方法包括电化学注浆、劈裂注浆、压密注浆、渗入性注浆等，其中渗入性注浆由于其注浆压力小，对地层结构基本不产生扰动和破坏，使用的机具、设备较简单，施工相对容易，应用广泛。渗入性注浆所采用的浆液主要有水泥类浆液和化学浆液，其性能各不相同。水泥类浆液多用于断层及断层破碎带注浆，一般要求被注地层孔隙大于0.2mm。化学浆液的可注性较好，可用于粉、细砂注浆， 但大部分浆液成本较高，工艺较复杂。作为化学浆液的一种，水玻璃类浆材已有近百年的历史。19世纪后期，注浆材料便从以水泥浆材为主发展到以水玻璃浆材为主，经过不断的技术改进，水玻璃浆材凭借其优越的综合性能，成为应用最广泛的光学注浆材料之一。水玻璃浆液虽然具有众多优点，但在使用过程中需具有合适的胶凝时间和适宜的强度，为此有必要研究适用于粉细砂层的浆液配方和注浆方法，为施工现场提供技术依据。

1 注浆材料

1.1 注浆原材料

水玻璃：模数2.2～2.8，浓度40Be’

硫酸：浓度98%，可用废硫酸代替。

1.2 浆液配制

甲液：浓度15～20Be'水玻璃 乙液：15%稀硫酸

1.2.1 水玻璃的稀释

采用边加水边搅拌边用波美计测量的方法进行，亦可用计算方法，先算出加水量，然后加入水搅拌均匀。

V原=（d配-1）/（d原-1）×V配 V水=V配-V原

式中：d原、d配―分别为原水玻璃和预配水玻璃的比重

V水、V配、V原―分别为加水、原水玻璃和预配水玻璃的体积

稀释后的水玻璃浓度为15～20Be'，当浓度小于15 Be'难于胶凝，大于20 Be'时胶凝时间过快，不能满足浆液渗透的要求。

1.2.2 硫酸的稀释

先算出所需浓硫酸量和加水量，然后将浓硫酸缓慢倒入水中，搅拌均匀，严禁将水倒入浓硫酸中。将浓硫酸稀释成15%的稀硫酸。

1.2.3 改性水玻璃配制

在高速搅拌情况下，将水玻璃缓慢倒入稀硫酸中，其比例根据所配浆液的PH值确定，用PH试纸测其PH值。PH值是影响胶凝时间的主要因素之一，PH值在7附近时胶凝最快，在显著的酸性范围内，胶凝速度大为减慢。当PH值在5～6附近时胶凝较快， PH值在3附近时，胶凝时间很慢。配制后改性水玻璃浆液的PH值控制在3～5之间，满足注浆时胶凝时间可控、稳定性好的要求。浆液的胶凝时间越长，施工方便，扩散半径大，但胶凝时间过长，则不利于施工进度，配置好的改性水玻璃浆液的胶凝时间控制在30～60min，满足可注性和及时开挖的要求。

2 改性水玻璃的注浆作业

2.1 小导管的安设

小导管的安设应采用引孔顶入法。其安设步骤为：

（1）用吹管将粉细砂吹出成孔，孔径40mm，孔深视导管深度而定；

（2）插入导管，如插入困难，可轻击钢管顶入；

（3）用吹风管将管内砂石吹出；

（4）导管周围缝隙用塑胶泥封堵，并用棉纱将孔口堵塞。

暗挖隧道小导管超前支护一般采用φ42×3.25mm钢管，但在粉细砂层中施工超前小导管注改性水玻璃浆液时，因小导管采用风管将砂吹出成孔，成孔直径40mm左右，为防止锤击导管导致砂层脱落或塌孔，建议优化钢管直径，采用φ30×3.0mm钢管，更能适应粉细砂层的注浆的特点。

2.2 注浆施工方法

2.2.1 注浆工艺

（1）注浆设备。采用自制的简易牛角泵，利用风压进行注浆作业，如图1所示。

（2）注浆操作步骤。

①关闭放气阀及放浆阀；②将配制好的浆液通过进浆口灌入泵体；③打开进气阀，使压缩空气进入泵体，空压机风压0.6～0.7MPa；④打开出浆阀，加入浆液，浆液经孔口密封器、管路、导管进入地层。

2.2.2 注浆量与注浆效果

（1）注浆量控制。在0.6～0.7MPa风压下进行注浆，当砂层中无法注入时（注浆口冒浆）为止。理论上，浆液在砂层中符合柱形扩散理论，即浆液从注浆管的某一段向土层呈柱状扩散。由于浆液的粘度是不断变化的，受注地层都是不均质的，注浆孔的孔源有时也是不规整的。假设为浆液粘度一定、土层均质、浆源形状规整和浆液为牛顿体，浆液在较低的注浆压力下，是可以进行渗透注浆的，满足渗透理论。注浆量的可参考推导公式计算：

Q=πr2na

Q注浆量（cm3）；a为柱状注浆长度（cm）；r1浆液扩散半径（cm）； n为粉细砂的孔隙率（%）--0.35。

（2）扩散半径。影响扩散半径的因素很多、很复杂，很难准确掌握注浆量和扩散半径的关系。影响扩散半径的主要因素有：粉细砂的渗透系数，渗透系数越大则扩散半径越大；注浆压力，压力越大则扩散半径越大；注浆时间，时间越长则扩散半径越大；粉细砂的孔隙率，注浆量一定时，孔隙率越大则扩散半径越小；浆液粘度和水的粘度比，粘度越大则扩散半径越小。

（3）注浆效果。改性水玻璃的固砂强度较低，很难通过取样验证。根据改性水玻璃的胶凝时间，注浆完成后30min进行开挖验证注浆效果，导管周围形成柱状砂体，砂层稳定，扩散半径25cm～40cm。

（4）影响注浆效果的因素。由于改性水玻璃浆液具有多种性能，为获得良好的可灌性能与固结效果，在调配预注浆液过程中，需根据设计要求和砂质地层特性，合理调整浆液的技术参数，以达到预期的注浆效果。影响注浆效果的主要因素：

①浆液ph值与胶凝时间：调整浆液的ph值，可使浆液的胶凝时间从瞬间到几十分钟之间可供选择。在实施中，可根据需要对胶凝时间进行调节，满足可注性的要求。

②浆液的稀释效应：浆材浓度的变化对浆材的胶凝时间和固化强度具有明显的影响。浆液浓度越大，胶凝时间越短，其固化强度亦高；浆材浓度降低，其胶凝时间相对延长，但过于稀释会出现不凝的性状，同时固化强度也会下降甚至消失。

3 结语

改性水玻璃注浆具有操作方便、加固效果好、施工进度快、成本低、无污染，能解决水泥浆不适宜的粉细砂地层，对于粉细砂地质的改良具有良好效果，在暗挖隧道施工中得到了应用和推广。但水玻璃浆液作为化学材料，受地质条件、浆材配置和作业方法等影响，尚存在一些不足，如：①酸性水玻璃的配置没有理论依据，需要不断的总结相关数据，经验指导施工；②酸性水玻璃固砂强度只有0.1-0.4MPa，而且失水后即消散，不能得到高强度固砂体，需在一定的时间内完成加固砂层的开挖支护。随着改性水玻璃注浆工艺的推广和工程技术人员的总结，其注浆工艺和注浆方法将得到不断的完善和发展。

参考文献：

[1]王梦恕.地下工程浅埋暗挖技术通论[M].安徽教育出版社，2004，12.

[2]住建部.建筑工程水泥-水玻璃双液浆技术规程[M].中国建筑工业出版社，2010，9.

[3]叶英.粉细砂地层浅埋暗挖法注浆加固技术指南[M].中国建筑工业出版社，2013，10.