化學灌漿在富水砂層隧道開挖中的應用

汪永劍，丁仕輝

(廣東水電二局股份有限公司，廣東 廣州 511340)

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化學灌漿在富水砂層隧道開挖中的應用

汪永劍，丁仕輝

(廣東水電二局股份有限公司，廣東 廣州 511340)

采用有機固化劑與水玻璃配制化學漿液，在室內(nèi)進行模擬注灌漿試驗，確定了合適的漿液配比，并應用于富水砂層隧道開挖，解決了水泥雙液注漿不能克服的難題?；瘜W灌漿對固結暗挖隧道中富水砂層(尤其是粉細砂層)，保護周圍構筑物和管線，能有效的降低施工風險，在市政、公路、水利等暗挖隧道施工中具有較好的應用前景。

隧道工程；富水砂層；暗挖施工；灌漿加固；化學漿液；有機固化劑

在市政、鐵路、水利等土木工程暗挖隧道施工中、遇到砂層特別是含水砂層時，需采取措施，防止涌水、涌砂、坍塌等危及施工及周邊建筑物安全事故的發(fā)生，采取措施主要有冷凍法、超前小導管水泥(水泥及水玻璃雙液)注漿法[1]，但冷凍法時間長、費用高，超前小導管水泥或雙液注漿法處理效果差。

水玻璃化學灌漿[2]可克服上述措施的不足，能有效解決水泥或雙液灌漿不能解決的問題，其材料來源廣，價格低，采用有機溶劑、無毒性，操作方便，且粘度低、滲透性好、強度高。20世紀60年代后期，國外開始研究有機溶劑作固化劑的水玻璃灌漿技術，70年代后進入實用階段；新世紀以來，在國內(nèi)有較多應用(治理礦井潰砂)[3]。

但采用有機材料作水玻璃的固化劑進行制漿，其配比沒有統(tǒng)一的規(guī)程、標準。為確定可用的配比，在室內(nèi)進行了以有機材料作固化劑的水玻璃化學漿液配制試驗和模擬現(xiàn)場化學灌漿試驗，配制出合適的化學漿液，成功應用于某透水砂層隧道暗挖施工，解決了水泥雙液注漿不能克服的施工難題。

1 室內(nèi)試驗

1.1配制化學漿液的原料

1) 水玻璃

水玻璃是由堿金屬氧化物和二氧化硅結合而成的可溶性強堿弱酸鹽，溶于水，遇酸分解。水玻璃溶液可與酸發(fā)生置換反應，溶液中存在的游離鈉離子及二氧化硅膠粒表面吸附的鈉離子與帶相反電荷的酸根離子發(fā)生作用，從而使膠粒失去電性，使溶膠失去穩(wěn)定性，二氧化硅溶膠便發(fā)生絮凝作用，形成凝膠體。

2) 有機固化劑A

有機固化劑A含酯基而無親水基(羥基或是羧基)，可水解但不溶于水；在沒有催化劑的條件時，水解速率很小，水只能使其緩慢分解。

3) 表面活性劑B

表面活性劑B易溶于水，屬陰離子型表面活性劑，具有良好的乳化性能。

本化學漿液固結原理：表面活性劑B使有機固化劑A溶于水，溶于水的有機固化劑A發(fā)生水解，生成有機酸，水玻璃與酸發(fā)生置換反應，形成凝膠體。

1.2室內(nèi)試驗

1.2.1原材料

試驗用原、材料包括水玻璃(40玻鎂度)、有機固化劑A、表面活性劑B、砂、水，水玻璃、有機固化劑A、表面活性劑B均為市場采購的化工材料。砂采用河砂，細度模數(shù)FM=2.4，松散密度1.34 g/cm3，緊密密度1.50 g/cm3，表觀密度2.63 g/cm3，緊密砂孔隙率43%；水采用普通自來水。

1.2.2混合漿液配比試驗

為滿足施工現(xiàn)場要求，配制的混合漿液必須符合兩個條件，首先混合漿液能在1h內(nèi)保持可灌性，不凝結；其次混合漿液灌入砂層后，砂層能在0.5 h左右凝結，時間大短會影響漿液擴散范圍，時間太長，會影響施工進度。為獲得適合于工程現(xiàn)場灌注的化學漿液，在室內(nèi)進行了11種配比混合漿液可灌時間及注漿后砂體凝結試驗。

混合漿液可灌時間試驗方法：根據(jù)試驗用量按配比分別稱量好所需水玻璃、固化劑A、活性劑B、水。將水倒入透明塑料杯中(常用的水杯、容積182 mL)，然后加入活性劑B攪拌均勻，再將水玻璃加入并攪拌均勻，最后將固化劑A加入攪拌均勻，即配制完成；采用晃動、觀察等方法，對其可灌性進行判定，當混合漿液開始出現(xiàn)絮狀或流動性變差時，即認為其失去可灌性，從配制完成至失去可灌性的時間為其可灌時間。

砂體凝結試驗方法：先在透明塑料杯中盡量豎直放入注漿膠管(醫(yī)用輸液膠管)，再在杯中裝滿砂(砂重273 g)，然后緩慢倒入78 mL水，最后用針筒將配制好的78 mL混合漿液通過注漿膠管緩緩注入；注漿完后剪掉上部杯體及砂，用杯內(nèi)底部5 cm高砂測定凝結時間(采用測水泥凝結時間的方法進行測定)。

圖1為凝結試驗中的混合漿液及砂體(上部為杯中混合漿液，下部為注漿后的砂體)，圖2為砂體凝結時間的檢測，表1為檢測結果匯總。從表1可知，8#配比的混合漿液基本可滿足現(xiàn)場灌漿施工需要。

圖1 凝結試驗中混合漿液及砂體

圖2 砂體凝結時間的檢測

表1 混合漿液配比試驗檢測結果

2 工程應用

2.1工程概況

某隧道長65 m，埋深5 m，為矩形結構(寬×高=6 m×4 m)，采用暗挖法施工。隧道頂斜交1條排水渠(影響22 m長隧道施工)，渠底離隧道頂最近只有0.6 m，排水渠底板為鋼筋混凝土、渠壁為漿砌毛石(有滲漏)，渠底回填砂厚達4.5 m，砂層位于隧道開挖范圍內(nèi)。

隧道按原設計在頂部進行雙層管棚支護及超前小導管雙液(水泥+水玻璃)注漿后開挖，出現(xiàn)流砂、坍塌等現(xiàn)象，雖經(jīng)全力搶險未造成事故，但無法繼續(xù)施工。為解決施工困難，采用8#配比的混合漿液對砂層進行固結防滲加固。

2.2灌漿施工

砂層灌漿工藝流程為：設備安裝→灌漿孔孔位放線→灌漿孔打設→灌漿管埋設→漿液配制→灌漿作業(yè)→灌漿結束(終止壓力=初始壓力+0.3 MPa)→移至下一孔→待全部孔灌漿完畢再重新循環(huán)1次。采用Z1C-NG-52手持沖擊鉆 (鉆桿長1.5 m) 鉆孔、BW-150型注漿機灌漿，灌漿操作要點如下。

1) 灌漿采用2寸鋼管，沿隧道輪廓的側、頂邊線布設，間距30 cm，外插角約45°，同時需穿越原支護雙層大管棚，并使孔內(nèi)有流砂流出。

2) 漿液配制時，首先將活性劑B與水在鐵桶內(nèi)攪拌均勻待用，然后將水玻璃加入攪拌桶內(nèi)，再將活性劑B與水的混合液加入拌和均勻，最后加入固化劑A攪拌均勻后立即進行壓注作業(yè)。

3) 灌漿結束，當灌漿壓力達到初始壓力+0.3 MPa(一般情況下，初始壓力都為0 MPa)后，即可轉入下一孔進行灌漿作業(yè)，待全部灌漿孔灌注完之后再重新循環(huán)1次，這樣使灌漿達到更好效果，待再次達到灌漿壓力后即可停止灌漿。

每次灌漿固結段長約1.2 m，灌漿后約24 h開挖，先挖50 cm并支護好，再挖50 cm，支護好后再進行灌漿作業(yè)，依次循環(huán)進行。

2.3施工效果

經(jīng)開挖揭露，化學灌漿固結達到了預期加固效果(見圖3)，解決了隧道穿越富水砂層涌砂、坍落等施工難題。根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，排水渠在隧道穿越過程(12 d)，累計沉降8.5 mm(設計要求小于30 mm)，保證了整個工程施工的安全，為隧道按期貫通奠定了基礎。

圖3 砂層固結防滲效果

3 結語

1) 采用有機固化劑與水玻璃配制化學漿液，在室內(nèi)進行模擬灌漿試驗，確定了合適的漿液配比，并成功應用于穿越漏水排水渠砂層隧道的開挖施工，解決了富水砂層隧道開挖的難題。本技術在市政、公路等暗挖隧道工程中具有較好的應用前景，對加固砂層，保護周圍構筑物和管線，有效的降低暗挖隧道施工的風險具有較好的效果。

2) 配制化學漿液所用的水玻璃、表面活性劑、有機固化劑均為化工用品，市場上產(chǎn)品質量良莠不齊，目前檢測及施工單位尚無較好手段對其質量進行檢測，因此，每次使用前，均應進行試驗并驗證，以保證混合液灌入砂層后能達到預期效果，確保施工安全。

[1] 地鐵暗挖隧道注漿施工技術規(guī)程(試行)：DBJ01-96—2004[S].北京:北京市城市建設委員會，2004.

[2] 水工建筑物化學灌漿施工規(guī)范：DL/T5046—2010[S].北京:中國電力出版社，2010.

[3] 張改玲.化學灌漿固沙體高壓滲透性及其微觀機理[D].徐州:中國礦業(yè)大學，2011.

(本文責任編輯 王瑞蘭)

Application of Chemical Grouting in Rich Water Sand Tunnel Excavation

WANG Yongjian，DING Shihui

(Guangdong Hydropower Second Co. ,Ltd.,Zengcheng, Guangzhou 511340, China)

Using organic curing agent and sodium silicate compound chemical grout, the suitable ratio of slurry is determined through indoor simulated grouting injection experiment. And it is applied in rich water sand tunnel excavation, which solved the difficult problem of double fluid grouting cement. The chemical grouting is for consolidation of rich water sand (especially silty sand layer) to protect the surrounding structures and pipelines, and can effectively reduce the risk of construction. It has good application prospect in the underground tunnel construction of municipal, highway, water conservancy, etc.

tunnel engineering； rich water sand layer； concealed-digging; grouting reinforcement； chemical grout； organic curing agent

2016-04-11;

2016-05-03

汪永劍(1971)，男，本科，教授級高級工程師，從事施工技術管理及研究工作。

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