超前小导管注浆施工参数试验研究

摘要 南水北调西四环暗涵浅埋暗挖工程中的超前小导管注浆效果,直接影响着施工的安全,包括人身安全、质量安全及四环主路路面安全,因此我们根据本标段的土质情况,对超前小导管注浆的施工控制参数进行了比选。

关键词 南水北调;西四环暗涵;浅埋暗挖;超前小导管;改性水玻璃

中图分类号 TV52 文献标识码 A文章编号 1674-6708(2010)16-0066-02

1 概述

南水北调西四环暗涵浅埋暗挖工程(以下简称西四环暗涵工程)的围岩据设计提供主要为第四系全新统圆砾(卵石),局部地段还夹有中砂镜体,围岩结构松散,不易成洞型,根据《铁路隧道设计规范》(TB10003-99),建议围岩分级为Ⅴ类。另外,地面即为现市政交通干线西四环路,并且多处横穿其它公路等城市设施,地面荷载复杂,上覆土体厚度和两涵间距较小,施工中必须做好支护。

西四环暗涵工程中,超前小导管注浆的效果,直接影响着施工的安全,包括人身安全、质量安全及四环主路路面安全,针对这一点,需要我们根据本标段的土质情况,选择好超前小导管注浆的施工控制参数。

超前小导管注浆加固地层技术,是通过沿主洞开挖轮廓线外纵向向前倾斜钻孔安设注浆管,并注入浆液,达到超前加固围岩和止水的目的,同时小导管还可起到超前管棚预支护作用。该技术是软弱、松散围岩施工中采取的辅助技术措施。

依据《地铁暗挖隧道注浆施工技术规程》和其它一些规范资料,我们对设计提出的注浆用的三种浆液(单液水泥浆、改性水玻璃、水泥-水玻璃双浆液)和小导管的长度进行了如下对比、分析,通过在廊道中试验,结论为用1.7m长的小导管注入改性水玻璃浆液,固结效果明显,在开挖中没有坍塌失稳现象,并可以满足设计及安全施工的要求。

2 超前小导管注浆材料的选择

根据《地铁暗挖隧道注浆施工技术规程》依据隧道所处地层条件合理选择注浆材料:

1)对于无水粗砂及砂砾(卵)石地层应选择单液水泥浆;

2)对无水的中砂及粉细砂地层应选择改性水玻璃浆;

3)在有水的粗砂及砾石地层,应选择水泥-水玻璃双液浆;

4)对于前期及后期强度要求很高的地层,可选择硫铝酸盐水泥类(TGRM,HSC)浆。

对于本标段地层地质结构(属于无水的中砂及粉细砂地层)选择超前小导管注浆材料为改性水玻璃浆。

3 确定最优超前小导管打入方式

西四环暗涵工程中钢格栅设计间距0.5m,外插角控制在15o,超前小导管长度2.25m,环向间距0.3m,水平间距1m。

经过竖井、廊道一段施工经验并结合规范证明:

1)在钢格栅间距为0.5m,外插角控制在15°时,超前小导管与钢格栅主筋相交,无法打入。外插角度必须控制在大于25°。

2)小导管长2.25m时的注改性水玻璃浆液固结位置不能满足土方开挖要求。为了保证施工的安全,充分发挥小导管的作用,将超前小导管长度改为1.7m,水平间距改为0.5m。将超前小导管前0.9m做成花管,以保证每一榀小导管注浆固结土层的搭接,以达到不塌方目的。

(1)超前小导管最佳打入角度25°;

(2)超前小导管最佳长度1.7m;

(3)超前小导管最佳环向间距0.3m,水平间距0.5m。

4 超前小导管注浆配比试验

1)实验室改性水玻璃配合比试验

由于各种规范资料中的配合比都是在一定限制条件下,而且是一个范围,这就需要我们尽量缩小试验范围。

(1)规范配合比试验

按《地铁暗挖隧道注浆施工技术规程》中水玻璃稀释表将40Be’水玻璃原液稀释成15 Be’的水玻璃;98%的浓硫酸稀释成15%的稀硫酸;然后将稀释后的15 Be’水玻璃缓缓倒入稀释后的15%硫酸中并充分的搅拌,并根据改性水玻璃浆液(15 Be’的水玻璃+15%的稀硫酸)的ph值控制两种浆液的配比。

当改性水玻璃浆液ph值控制在4~7范围内时,浆液的固结效果为最佳。稀释硫酸:稀释水玻璃=1:2.8

规范配比折算成体积比为:

水玻璃稀释配比为水玻璃:水=1:1.77;

浓硫酸稀释配比为浓硫酸:水=1:5.5;

改性水玻璃配比为稀释硫酸:稀释水玻璃=1:2.8

(改性水玻璃液配比根据的PH值确定)

(2)施工经验配合比试验

根据现场施工人员提供的经验配比进行试验:

水玻璃稀释配比: 水玻璃:水=1:3;

浓硫酸稀释配比: 浓硫酸:水=1:6;

改性水玻璃配比: 稀释硫酸:稀释水玻璃=1:3

(改性水玻璃液配比根据的PH值确定)

2)改性水玻璃配合比廊道中试验

(1)试验材料:

① 小导管采用内径Φ25无缝钢管,长度为1.7m。注浆管一端做成尖形,另一端焊上铁箍。端头花管0.9m,钻孔沿管壁间隔300mm,呈梅花型布设,不得出现通孔现象,孔径6~8mm;

② 40Be’水玻璃;

③ 98%浓度硫酸;

④ 机具:注浆设备采用双液注浆泵、高压胶管、搅拌机、空压机、风镐等;

⑤ 配合比:

规范配合比;施工经验配合比

⑥ 注浆试验孔的布置形式和数量(见图1)

布置:竖向间距1m,横向间距0.3m,梅花型布置,试验打两排8孔,外插角15°,导管长度1.7m,外露20cm。

(2)试验配比:

①甲液:

水玻璃稀释1:3 施工配比;

②乙液:

98%工业硫酸稀释 1:6施工配比;

将浓硫酸缓慢倒入水中,采用风管搅拌均匀,严禁将水倒入浓硫酸中。

图1

③改性水玻璃配置:

制浆:先在容器中边搅拌边将甲液缓慢倒入乙液中,采用自制风动搅拌机搅拌,混合均匀,并用PH试纸测其PH值是否在4~7间,并记录体积比,根据此比例大体积地将甲液缓慢倒入乙液混合,继续用PH试纸测其PH值,当PH值在4~7间即可使用。

(3)试验步骤:

①准备工作:制作小导管,材料设备到场并调试,喷砼封闭工作面。

②采用风镐将小导管打入孔内。

③安设小导管,按要求角度打设,打入长度1.5m,打设到位后联结管路及密封孔口。

④注浆顺序:由低到高。

⑤注浆压力控制在0.3~0.35MPa,不能超压,以免压爆管。

注浆量根据公式Q=3.1416×R2Ln计算,

R为浆液扩散半径

L为导管的长度

n为地层的孔隙率(按0.49取)

计算结果Q=0.31m3

⑥劳动力配置:3人配置浆液,1人开注浆机,1人在工作面换管,注完浆后堵管防止浆液流出。

⑦施工主要消耗材料:小导管、水玻璃、硫酸。

⑧小导管注浆结束标准

单管注浆结束标准:注浆过程中,压力逐渐上升,流量逐渐减少,当压力达到注浆终压,注浆量达到设计注浆量以上,可结束该孔注浆;注浆压力未能达到设计终压,注浆量已达到设计注浆量,并无漏浆现象,亦可结束该孔注浆。

本循环注浆结束标准:所有注浆孔均达到注浆结束标准,无漏注现象,既可结束本循环注浆。

(4)试验参数:

超前小导管注浆参数:

①注浆终压: 0.3~0.35MPa;

②浆液扩散半径:0.2~0.3m;

③浆液实注入量:0.22m3;

④经试注,改性水玻璃浆液在砂砾料中渗透性良好,扩散均匀。

改性水玻璃配置的影响因素很多。其中包括:试验环境的温度、湿度、注浆土体的含碱量、土体的潮湿程度、含碱量、水玻璃、硫酸的浓度及质量、稀释用水等。所以改性水玻璃的配置,配合比会因为配置地点、配置环境、配置方法的改变而发生变化,改性水玻璃的固结效果也会有明显的变化。

通过竖井、廊道一段施工经验及我们对改性水玻璃所做的一系列试验证明:

①按照《地铁暗挖隧道注浆施工技术规程》中进行配合比进行试验,改性水玻璃的固结效果明显,硬化程度好,能够满足施工要求。但是由于水玻璃和硫酸的相对浓度较高,在试验过程中反应剧烈,容易在配置过程中发生初凝现象,造成配置失败,提高工程造价,所以不适合做施工配合比。

②根据现场施工人员提供的经验配合比进行的试验证明,两种浆液浓度相对较低,在试验过程中的反应较规范配比相对缓慢,试验成功率较高,固结效果明显。

经过试验确定改性水玻璃配合比为:

水玻璃稀释配比:水玻璃:水=1:3;

浓硫酸稀释配比: 浓硫酸:水=1:6;

改性水玻璃配比: 稀释硫酸:稀释水玻璃=1:3.5

(改性水玻璃液配比根据的PH值确定)

注:因为影响改性水玻璃的配合比及效果的因素很多,所以在实际操作中要经常调整改性水玻璃的配合比,不能循规蹈矩的只遵循一个死数,这样才能保证注浆效果,保证施工人员的安全。

5 结论

经过试验确定超前小导管注浆参数

1)注浆压力:0.35Mpa;

2)超前小导管环向间距:0.3m;

3)超前小导管纵向间距:0.5m;

4)超前小导管长度1.7m。

参考文献

[1]水工建筑物水泥灌浆施工技术规范SL62-94.

[2]水工建筑物地下开挖工程施工技术规范DLT 5099-1999.

[3]地下铁道工程施工及验收规范GB50299-1999.