浅谈改性水玻璃在粉细砂地层中的应用

[摘 要]本文在分析改性水玻璃浆材性能的基础上，结合被灌地层的特性，将浆材试配获得的优化成果直接应用于工程实践，解决了工程中已出现的渗漏流砂问题，消除了因流砂而引起地面塌陷的安全隐患。实践证明，对于粉细砂地层，采取灌注改性水玻璃浆液的工艺措施，可达到止水阻砂的目的，且实施效果明显，值得类似工程借鉴。

[关键词]粉细砂地层 渗漏 流砂 改性水玻璃 效果评价

中图分类号：TQ171.1+1 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）46-0376-02

1 概述

随着化学灌浆材料研究及成果应用的不断发展，化学灌浆材料品种不断增加或更新，浆材性能不断改进，化灌效果不断提高，已基本满足工程建设的需要，较好地解决了工程防渗的问题。然而，近些年来，为解决砂质地基（尤其是粉砂质地基）的渗漏、液化等问题，在灌注浆材方面的研究或深化改进等工作做得并不多，所用的化学灌浆材料主要是水玻璃、改性水玻璃或酸性水玻璃、丙凝、木质素等品种。其中的丙凝、木质素材料，由于材料价格较昂贵特别是对灌浆区域的环境造成污染等不利因素，影响其在砂质地基中的广泛应用；而普通水玻璃因碱污染、耐久性等问题，也不能被设计采纳。改性水玻璃浆材以其价廉、易于配置、方便施工、无环境污染等有利因素得到了人们的关注，已逐渐成为应用最广泛的化学灌浆材料之一。

2 改性水玻璃浆液配制

2.1 配制材料

（1）水玻璃（Na2O・nSiO2）：浓度380Be、二氧化硅含量28.0%、氧化钠含量9.0%、模数3.2。

（2）硫酸（H2SO4）：合理95%～98%。

（3）邻苯二甲酸氢钾（C8H5KO4）：含量不少于99.8%。

（4）碳酸氢钠（NaHCO3）：含量99.8%。

（5）成套缓冲剂（PH1、7、9）。

2.2 配制方法

配置改性水玻璃浆液，采用的方法为酸化法。在试配过程中，采取了多组试配参数，经成果分析认为：控制溶胶的酸碱度PH=2左右，使制备的改性水玻璃处于酸性区域，可得到稳定性较高的溶胶。

改性水玻璃溶胶制备好后，在灌入时再用碱性固化剂进行胶凝时间及浓度调配。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，以达到预期的灌浆目的。

a.浆材的浓度与胶凝时间：改性水玻璃的起始浓度是较低的，在1.4 ～3.8x10-3Pa・s之间，掺入固化剂后，在胶凝过程中的粘度变化具有突变性，说明浆材的可灌性能良好；

b.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；

c.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。

d.配置预注改性水玻璃浆液时，除调配浆液性能取得试配参数外，为获得更加的灌浆效果，宜取其灌浆范围内地层的砂样进行室内胶结试验，以期得到更为适宜的浆液配置参数。

3 工程实践

3.1 工程概况

长沙市火车站广场排水改造工程，位于长沙市车站路路段，南起火车站售票大厅西侧，经阿波罗商业广场旁横跨八一路，北至今朝宾馆南侧，排水干管全长1030.73m，期间设有26个检查井（见照片1）。管道材质，除跨越八一路地段采用钢筋混凝土管外，其余均为PVC螺旋管（管径大于800mm的管设置了加强钢带）。检查井采用红砖砌筑，井壁外侧粉刷了一层砂浆。

排水管采用开槽敷管法进行敷设，对管槽地基超挖部分采用砂砾石回填，基底铺设200mm厚砂垫层。排水管道安装完毕后，对排水管道及检查井周边的空隙，先采用粉细砂进行回填，经夯实后再用沥青混凝土恢复地面（路面）。

排水设施投入运行后，发现排水管道与检查井接口处有地下水渗漏，并伴有粉细砂流出，且有2处地面（路面）可见明显的沉降裂痕。对此，已引起长沙市市政工程指挥部的高度重视。为解决管道周边回填的粉细砂随地下渗漏水长期流失使排水管周边产生脱空、进而导致产生地面沉陷的问题，业主与设计单位研究决定：对排水管道及检查井周边渗漏涌砂的问题，采取化灌方法进行封堵处理。

3.2 地质条件

灌浆范围内的地层系人工回填的砂砾石、粉细砂，局部有人工杂填土。灌浆孔钻穿表层混凝土或沥青混凝土后，均出现钻进回水消失（地面孔钻）或涌水流砂（井内钻孔）的现象，说明受灌地层结构松散，透水性强。

3.2 灌浆孔布设

处理检查井周边渗漏流砂问题，其实质是解决排水管周边粉细砂地层的渗漏问题，而重点则是封堵检查井周边的环状渗漏通道。

（1）地面布孔方式

在检查井两侧（进口侧和出口侧）与排水管结合部位各布设两排孔，排距600mm，孔距750mm，孔深分别为：排水管两侧的灌浆孔深入到管底700mm，其余灌浆孔深入到管顶以上200mm。

（2）井内布孔方式

在检查井两侧与排水管结合处的管壁外侧环状断面上各布设一排孔，孔距680mm（弧长），孔位距管壁150mm，孔深1.0m，孔向与管轴平行。有些部位因施工场地狭小，为便于施钻，则布设斜孔（倾角一般为500）。

3.3 灌浆施工工艺

（1）灌浆方法

地面施灌：采用自制灌注器冲管成孔，自下而上分段纯压式灌浆方法；

井内施灌：采用手持电钻成孔，预埋灌浆花管纯压式灌注方法。

（2）工艺流程

地面施工：造孔自下而上分段灌浆全孔灌注结束后回填封孔；

井内施工：造孔预埋灌浆花管冲洗下入射浆管安装止浆塞灌浆闭浆回填封孔。

（3）特殊情况处理

a.在灌注过程中，为防止浆液外漏作无效灌浆，尤其是防止注入量突增或灌浆压力突增引起的排水管道有害变形，设置了抬动观测装置进行变形观测，并指定专人观察受灌部位及其周边有无漏浆、管道有无变形等情况；

b.当发现地面冒浆时，采用表面封堵、间歇灌注的方法进行处理；

c.在检查井施钻过程中，发现孔内涌水涌砂时，先用麻丝或棉纱作临时性封堵处理，然后在其上部打斜孔进行灌浆，等灌浆结束并待凝后再清除麻丝或棉纱，用干硬性水泥砂浆进行回填封孔。

d.井内有涌水流砂的灌浆部位，是灌浆处理最主要的关键部位。灌注这些部位时，适当调整改性水玻璃浆液配合比，缩短其胶凝时间；同时适当增加固化剂用量，以提高其胶凝强度。

e.灌入浆量的控制：由于改性水玻璃浆液的可灌性好，既要确保充填好砂粒孔隙，又要控制好浆液的扩散半径。在灌浆实施过程中，根据不同的灌浆部位、砂层的孔隙率、孔距及灌浆深度等，设定各灌浆孔段的注入浆量。

f.在灌注过程中，因灌浆设备故障或管路堵塞一次无法灌入规定浆量的孔段，则重新打孔进行补灌。

3.4 主要灌浆参数

（1）浆液配合比

改性水玻璃主剂配合比一般为水玻璃：硫酸：碳酸氢钠=8：1：0.8，其他固化剂或增强剂的参加量，视灌浆部位的具体情况进行取舍或调整。

（2）灌浆段长

从地面打孔灌浆时，灌浆段长为0.3m；从井内施灌时，取灌浆段长为0.9m。

（3）灌浆压力

由地面施灌时，采用的灌浆压力为0.1～0.2MPa；由井内施灌时，采用的灌浆压力为0.1MPa；以压力表指针摆动的中值进行控制。

（4）灌浆结束标准

在规定灌浆压力下，灌入“规定浆量”后即可结束灌浆。此处的“规定浆量”，是指根据各灌段情况设定需要注入的改性水玻璃浆量。

3.5 灌浆效果评价

该项目共完成钻孔520个（其中灌浆孔506个，检查孔14个），总进尺1299.43m，灌浆段总长711.87m，灌入改性水玻璃浆液30570L（详见表1）。

（1）防渗能力

排水管道周边回填的粉细砂经灌浆处理后，进行了注水试验（成果见表2）。灌后

② 过滤管直径为11cm，长度为95cm。

粉细砂地层的渗透系数K值均达到ix10-6cm/s，说明经灌浆后管道周边地层的防渗能力有了显著的提高。

4.结论与建议

a.改性水玻璃化学浆液，应用于长沙市火车站广场排水改造工程中成功地解决了排水管周边粉细砂地层的漏水涌砂问题，并取得了到良好的止水阻砂效果。工程实践证明，改性水玻璃浆液作为充填粉细砂孔隙同时又能起到良好胶结作用的灌浆材料，具有良好的可灌性、经济性与实用性，对提高粉细砂地层的防渗能力、改善粉细砂地层的力学性能有着明显的实施效果，值得类似工程借鉴。

b.改性水玻璃作为化学灌浆材料之一已被人们认识和逐渐研发与应用，并在建筑工程地基处理实施中取得了一定的成就。鉴于改性水玻璃材浆制备比较繁琐，对改性剂、固化剂等的掺量需进行严格控制；灌浆机具尚无配套产品，也未作防酸处理等现状，而影响其广泛应用。建议灌浆设备制造商能从实用性与耐久性方面，对灌浆机具进行必要的改进与完善，生产出适应改性水玻璃灌浆工艺的专业配套机具，使此类经济实用的灌注材料能在工程建设中发挥更大的作用。