水泥-水玻璃雙液漿加固公路隧道淺埋段效果分析

■胡進昌（漳州市高速公路有限責任公司，漳州363005）

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水泥-水玻璃雙液漿加固公路隧道淺埋段效果分析

■胡進昌
（漳州市高速公路有限責任公司，漳州363005）

針對隧道在淺埋偏壓、圍巖破碎條件下施工易滑易塌的特點，依托漳永高速公路安建隧道中采用水泥-水玻璃雙液漿進行加固的工程實例，對水泥-水玻璃雙液漿注漿參數(shù)及施工工藝進行了分析，并對加固效果進行了驗證。結果表明：使用水泥-水玻璃雙液漿注漿后，圍巖的整體性和強度得到提升，開挖后的圍巖變形量小，加固效果明顯。

隧道工程水泥-水玻璃雙液漿加固注漿參數(shù)施工工藝

0引言

長大公路隧道常因地質(zhì)地形原因要穿越淺埋破碎區(qū)，在隧道施工過程中，由于埋深淺、巖層破碎、含水量大等，極易出現(xiàn)大量涌水，甚至造成隧道內(nèi)的冒頂式塌方，使隧道施工存在重大的安全和質(zhì)量隱患。為此，尋求快速、安全、經(jīng)濟的隧道淺埋破碎帶處治技術，成為公路山嶺隧道建設中亟待解決的關鍵問題之一。

注漿法是利用壓力將能固化的漿液通過鉆孔注入巖土孔隙或建筑物的裂隙中，使其物理力學性能得到改善的一種方法。該方法出現(xiàn)于19世紀初的法國，而我國的注漿技術研究起步較晚，20世紀50年代以前所做工作很少，50年代之后開始初步掌握注漿技術［1～3］。近年來，注漿法在土木工程的各個領域中，已成為不可或缺的施工方法。在隧道工程中，注漿主要應用于圍巖地質(zhì)條件差、偏壓、洞口及淺埋段等的圍巖加固中。經(jīng)過50多年的發(fā)展，我國的注漿技術無論是在理論上，還是在實際應用上，都取得了長足的進展［1～3］。特別是近幾年比較盛行的水泥-水玻璃雙液漿的注漿技術，更是得到廣泛研究與應用，加固效果顯著。

本文結合水泥-水玻璃雙液漿加固圍巖在漳永高速公路安建隧道出口淺埋段的應用，分析其加固效果。

2水泥-水玻璃漿液機理及特點

2.1水泥-水玻璃漿液固化機理

水玻璃是一種粘稠液體，水解后呈堿性。當這種液體壓入黃土中，水玻璃便與黃土中的堿金屬發(fā)生作用，生成一種堿金屬水合硅酸鹽和二氧化硅凝膠，如下式所示：

這種二氧化硅凝膠和堿金屬水合硅酸鹽充填了黃土中的孔隙，增加了顆粒的膠結力，使土體硬化，強度增加。

水玻璃能加快水泥的水化作用，其主要原理是水玻璃能與水泥漿中的氫氧化鈣反應，生成具有一定強度的膠凝體—水化硅酸鈣。反應機理為：

Ca（OH）2+Na2O·nSiO2+mSiO2→CaO·nSiO2·mH2O+NaOH

水泥中的硅酸三鈣與硅酸二鈣水化后生成氫氧化鈣，由于氫氧化鈣在水中的溶解度不高，很快就達到了飽和，從而限制以后的硅酸三鈣與硅酸二鈣的水化。加入水玻璃后，水玻璃與漿液體系中的氫氧化鈣反應，消耗了漿液體系中的氫氧化鈣，使溶液中的氫氧化鈣含量未達到飽和，從而加快了硅酸二鈣與硅酸三鈣的水化作用，宏觀上表現(xiàn)出水泥漿液初凝時間加快，結石體早期強度增長［3～5］。

2.2水泥-水玻璃漿液特點

據(jù)研究，水泥-水玻璃漿液膠凝時間短，且可在幾秒鐘到幾十分鐘內(nèi)準確控制。膠凝時間與水泥品種、水泥漿水灰比、水玻璃溶液濃度、水玻璃溶液與水泥漿的體積比和漿液溫度有關，其主要規(guī)律表現(xiàn)為，在同一條件下，水泥中含硅酸三鈣越多，水泥漿水灰比越低，水玻璃溶液濃度越低，水玻璃溶液與水泥漿的比例越小、溫度越高，漿液的膠凝時間越短。同時，水泥-水玻璃漿液凝固后的結石率高，達98%以上，且結石體的早期強度增長很快，抗壓強度較高，根據(jù)水灰比及水泥漿～水玻璃的比例不同，3d強度均可達到4～17MPa不等［3］。

3工程實例

3.1工程背景

漳州漳永高速公路安建隧道為分離式隧道，左右洞平均長1556m，屬長隧道，最大埋深190m。隧道進口左右線平面設計線間距為17.16m，出口左右線平面設計線間距為19.45m，最小間距14.22m。

安建隧道出口左右洞洞口段主要地質(zhì)情況：表層覆蓋薄層的坡積粘性土，洞身處圍巖以殘坡積土～強風化花崗閃長巖，少量為中風化花崗閃長巖，球狀風化現(xiàn)象發(fā)育。大部分圍巖屬全風化花崗閃長巖呈土體狀，現(xiàn)場判斷為坡積土夾雜大量球狀孤石，地下水豐富，土體處于飽和狀態(tài)，圍巖自穩(wěn)性極差。

該隧道出口段自開始施工以來，洞身開挖后地下水沿掌子面及拱腳流出，大部分土體圍巖呈流塑狀態(tài)。施工過程中多次出現(xiàn)掌子面富水、流泥、失穩(wěn)、冒頂及初支整體下沉侵限等現(xiàn)象，如圖1所示。

圖1　安建隧道出口突泥突水、初支變形

3.2注漿實施方案

水泥-水玻璃雙液注漿分為地表注漿和帷幕注漿兩類。通常當隧道埋深小于30m時，可采用地表注漿加固，當隧道埋深大于60m是，宜采用帷幕注漿，隧道埋深在30～60m之間時，應根據(jù)工程具體情況選擇。本文選取一處地表注漿段落進行實例分析。

3.2.1注漿參數(shù)

為取得最佳的注漿效果，根據(jù)前期試驗得出的數(shù)據(jù)，該項目現(xiàn)場水泥按設計要求采用42.5R普通硅酸鹽水泥，外摻劑采用水玻璃，濃度Be′=35～40，水泥漿水灰比為1∶1，水泥漿與水玻璃比為1∶0.3。

3.2.2注漿范圍

注漿范圍根據(jù)地質(zhì)、地下水情況和施工方法等因素綜合確定。一般注漿加固半徑為隧道開挖半徑的2～3倍，當?shù)叵滤S富時，可為隧道開挖半徑的4～6倍。本次注漿范圍內(nèi)豎向加固范圍為地表至拱底以下2m，橫向加固范圍為開挖輪廓左側(cè)4m至右側(cè)4m，如圖2所示。地表注漿孔按梅花形布設，布置間距為1m×1m，如圖3所示。3.2.3注漿壓力及注漿量

圖2　地表注漿孔立面布設圖

圖3　地表注漿孔平面布設圖

注漿壓力是給予漿液在土層中滲透、擴散、劈裂及壓實的能量，壓力的大小取決于土體密度、強度、初始應力、鉆孔深度等因素。注漿壓力不應過大，否則會造成漿液沿著剪切破壞滑動面發(fā)展，當隧道埋深較淺時，容易導致地表冒漿現(xiàn)象。理論上，劈裂注漿的極限壓力Pu應滿足

式中，γ為土的天然容重（kN/m3）；h為注漿孔埋深（m）；φ為土的內(nèi)摩擦角度；c1為土體的粘聚力（kPa）。

注漿量取決于土體的孔隙率、漿液擴散半徑、注漿壓力等，可用以下公式較粗略的計算出注漿量

Q=πr2hnβ

式中，Q為注漿量，π為圓周率，r為擴散半徑，h為注漿深度，n為孔隙率，β為注漿液的有效填充系數(shù)。

注漿過程由注漿量及注漿壓力控制，通過試驗室中的數(shù)據(jù)計算，當單孔延米注漿達到1m3或者注漿壓力達到2.5MPa時，停止注漿。

3.2.4注漿工藝

該工程注漿布置為直孔，引孔注漿，注漿采用分層注漿施工工藝，由下至上進行注漿，一般采取多次重復注漿，每次少量的注漿方法。即按照2m的步距施工，第一次孔底注漿達到一定的壓力（一般為1MPa）后，將注漿鋼管往上提升2m高度，再次進行注漿，重復以上步驟，直至該孔注漿完畢。工藝流程見圖4。

圖4　工藝流程

4效果分析

為了驗證注漿效果，選取注漿段落中的一個斷面進行分析。從掌子面情況看，圍巖強度及整體性得到較大改善，直觀上土體流塑性明顯降低，詳見圖5。通過對注漿后的取樣巖芯進行結石率和抗壓強度測試，試驗結果表明，巖體的結石率達到95.3%，3d抗壓強度達4.3MPa，28d抗壓強度達到10.1MPa，符合規(guī)范及現(xiàn)場施工要求。

圖5　掌子面狀況

除了上述方法外，還在該斷面進行了凈空收斂與拱頂下沉的監(jiān)控量測，測點布置如圖6所示。

圖6　測點布置

圖7　拱頂下沉及凈空收斂時間曲線

從圖7的拱頂下沉及凈空收斂的時間曲線可以看出，注漿后隧道斷面拱頂下沉及凈空收斂穩(wěn)定速度較快，14d完成變形的70%左右，21d以后變形基本完成，且最終的變形量不大，拱頂下沉不超過17mm，凈空收斂不超過11mm，該結果表明注漿效果明顯。

5結語

淺埋偏壓破碎圍巖的掘進，一直都是隧道施工的難點。本文針對安建隧道實際工程情況，通過工程實踐，驗證了在淺埋偏壓破碎圍巖中采用水泥-水玻璃雙液漿進行加固的可行性。該方法施工便利，加固效果良好，可在今后的隧道設計、施工中予以推廣。同時，本文還介紹了水泥-水玻璃雙液漿施工的參數(shù)及工藝，可供同類工程參考。

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