超細水泥-水玻璃漿液在富水粉細砂地層暗挖隧道中的注漿止水效果研究

鄭青

（北京市政建設集團有限責任公司，北京 100089）

北京地鐵暗挖隧道穿越的地層主要為第四系沖洪積地層，自上而下以砂層、黏土或卵石地層為主，地鐵隧道施工遇到的含水層以潛水為主［1-2］。在含水地層注漿止水施工中，目前采用的注漿漿液主要有普通水泥漿液、水泥-水玻璃漿液，或者在雙漿液里面摻入一定量的磷酸氫二鈉等外加劑形成改性水玻璃漿液［3-7］。大量工程實踐表明：對于富水致密的粉細砂地層或粉質黏土地層，由于顆粒粒徑小，顆粒之間的孔隙細微，上述注漿材料止水效果通常并不理想。隧道覆土較淺時，為防止注漿對上方道路及地下管線產生不利影響，須嚴格控制注漿壓力，避免漿液滲入地層中。

針對富水粉細砂地層注漿止水難題，本文依托北京地鐵14 號線15 標高家園站S1 聯(lián)絡通道工程，以超細水泥為基料，加入水玻璃、緩凝劑磷酸氫二鈉等制備雙漿液進行注漿止水試驗，研究注漿壓力小于0.5 MPa時的止水效果及地表道路沉降的控制措施，為其他暗挖聯(lián)絡通道注漿止水方案的制定提供依據。

1 工程概況

北京地鐵14 號線15 標高家園站位于萬紅西街與芳園西路交口北側，場區(qū)東西兩側為大山子南里住宅小區(qū)，磚混結構，天然地基，條形基礎。車站主體結構為單層側式站臺車站，站臺層和集散廳分離布置。其中站臺層為單層結構，由基于車站部位已經貫通的大直徑盾構隧道擴挖構成，站臺層已施工完畢并投入運營使用；集散廳采用外掛形式，為地下三層結構，蓋挖逆作法施工；集散廳與車站主體結構的站臺層通過聯(lián)絡通道連接。本車站共設置17條聯(lián)絡通道，聯(lián)絡通道與車站主體結構的位置關系見圖1。

圖1 聯(lián)絡通道與車站主體結構的位置關系

S1—S3 通道上跨既有14 號線高家園站。L2 通道和F2 通道上跨14 號線高家園站后通過豎向通道下降到車站站臺層與車站站臺相連，L2 通道和F2 通道各包含2 條下通道。D1—D3 通道分別為S1—S3 通道與車站站臺層的下跨線通道，D4—D6 通道均為集散廳站臺層與車站站臺層的跨線通道，D7通道為電梯井與站臺層連接通道。上述聯(lián)絡通道根據斷面大小分別采用CRD法或CD法施工。

施工安排上，先施工S 聯(lián)絡通道。S1 聯(lián)絡通道地層自上而下為：人工填土層（以雜填土和粉土填土為主）、第四紀全新世沖洪積層（主要為粉質黏土、粉細砂）。S1 聯(lián)絡通道結構全部位于富水致密粉細砂地層中，聯(lián)絡通道下方地層為粉質黏土和黏質粉土互層，地下水為層間水，具有一定的承壓性；聯(lián)絡通道上方為萬紅西街，道路沉降控制要求高。

2 S1 通道施工情況及前期注漿存在的問題

S1 聯(lián)絡通道長30.75 m，標準段的斷面開挖尺寸為7.80 m×6.00 m，抬高段的斷面開挖尺寸為7.80 m×8.75 m。采用CRD 法施工，分為4 個導洞開挖，見圖2（括號內為標準斷面開挖尺寸）。原設計的注漿漿液為普通水泥-水玻璃雙液，采用全斷面注漿方法，目前已經開挖15.85 m，還剩余14.90 m未進行注漿止水和開挖施工，見圖3（a）。其中，爬坡段長4.23 m，抬高段長10.37 m。設計注漿范圍為拱部初期支護的外輪廓向外擴1.5 m，側墻初期支護的外輪廓向外擴3.0 m，見圖3（b）。

圖2 S1通道抬高段的斷面示意（單位：m）

圖3 S1通道剖面圖（單位：m）

注漿施工期間，萬紅西街地表沉降出現(xiàn)5 次紅色監(jiān)測預警，道路出現(xiàn)隆起和開裂。為控制地表變形而改變注漿壓力后，洞內出現(xiàn)涌水、涌砂。由此造成的惡性循環(huán)導致工程難以進行，注漿施工停止。

在富水粉細砂地層中，粉細砂顆粒間縫隙約為10 μm，滲透系數(shù)為1.2×10-2cm/s，所用普通P·O 42.5硅酸鹽水泥顆粒粒徑為20～80 μm，普通水泥-水玻璃漿液無法有效滲透進地層，難以在控制注漿隆起的同時起到加固止水效果，導致道路沉降超標，紅色預警頻發(fā)。若減小注漿壓力控制預警，則加固止水效果變差，須補漿再進行開挖，如此即形成惡性循環(huán)，造成進度延誤且風險未能有效控制。

3 超細水泥-水玻璃漿液注漿止水實施方案

超細水泥漿液主要用于堵漏，用于富水粉細砂地層的止水研究尚不多見［8-11］，因此須對超細水泥漿液的水灰比、水玻璃摻入量、緩凝劑摻入量、注漿孔位布置、注漿工法、注漿量、注漿壓力的控制方法等關鍵技術問題進行研究。

3.1 試驗段及注漿范圍

選擇S1通道剩余的未開挖段作為超細水泥-水玻璃漿液注漿試驗段，長14.9 m。為便于對比注漿效果，試驗段注漿范圍與普通水泥-水玻璃漿液一致，即拱部初期支護的外輪廓向外擴1.5 m，側墻初期支護的外輪廓向外擴3.0 m。

3.2 漿液配合比

1）A液：水泥漿液采用超細水泥（密度2.95 g/cm3），水與超細水泥質量比為1∶1。

2）B 液：水玻璃稀釋后波美度為20（稀釋后密度1.16 g/cm3），水與水玻璃質量比為1∶1。

3）緩凝劑磷酸二氫鈉摻量為水泥質量的2.5%。

4）配制單液漿A 液初凝時間不早于2 h，雙液漿A液與B液初凝時間30～90 s。

5）雙液漿A 液與B 液按體積4∶1 注入。經計算，注入土體中的每方漿液中超細水泥、波美度為20的水玻璃、磷酸二氫鈉分別約為600，110，15 kg。

對該配合比下的固結體進行抗?jié)B測試，3 d齡期的抗?jié)B性能已滿足標準要求，7 d 齡期的抗?jié)B性能達到0.6 MPa，表明漿液的流動性、固結體強度及抗?jié)B性能均能滿足工程要求。

3.3 注漿參數(shù)

根據超細水泥漿液止水性能試驗研究成果，并結合工程的實際地質條件和地下水狀況，設定注漿參數(shù)。

1）采用超細水泥-水玻璃雙漿液，根據地層條件，添加磷酸氫二鈉調節(jié)漿液凝結時間。

2）注漿壓力控制在0.2～0.5 MPa。

3）注漿孔孔徑50 mm，擴散半徑0.2 m，孔距350 mm。

4）單孔注漿量Q的計算公式為

式中：R為漿液擴散半徑；L為注漿長度；n為地層空隙率（按地質報告取0.36）；α為地層填充系數(shù)，取0.8；β為漿液消耗系數(shù)，取1.1。

經計算得到第1—第3 循環(huán)的單孔注漿量分別為247，279，227 L。

4 超細水泥-水玻璃漿液注漿方法及工藝

4.1 二重管無收縮雙液注漿法

選用二重管無收縮雙液注漿法。根據工程要求及地層特點，將預先配制好的漿液分別盛于不同容器內。用SH300 鉆機將雙重鉆桿鉆至設計深度后，用JP600 注漿機分別將漿液泵送至雙壁鉆桿內外環(huán)狀間隙。當經過鉆頭上方配置的雙液混合器后，內外環(huán)狀間隙的漿液迅速均勻混合，在注漿壓力的作用下，漿液擴散、滲透至周圍地層，并在可控且可調的時間內與地層發(fā)生反應產生凝膠作用，形成一道具有一定厚度的、連續(xù)的、具有隔水效果的止水帷幕。

4.2 鉆孔及注漿設備選擇

采用SH300履帶式液壓鉆機（圖4）配合JP600注漿機（圖5）進行注漿施工。SH300鉆機體積小，長3.7 m，寬1.6 m，高2.3 m。注漿試驗段導洞寬2.85 m，高2.5 m，滿足作業(yè)空間，鉆機可以在導洞中自由行走。該鉆機360 度全方位成孔，功率大，成孔效率高。JP600 注漿機配置有流量計和加壓閥，可以自由控制注漿流量及注漿壓力，待達到設計壓力后漿液停止注入，自動回流。

圖4 SH300鉆機

圖5 JP600注漿機及配套裝置

4.3 注漿孔布置

上通道共分3 個循環(huán)，1#，2#導洞每個循環(huán)注漿孔參數(shù)見表1。第1 循環(huán)注漿設計見圖6 和圖7。其余2個循環(huán)注漿孔布置類似。

表1 上通道的1#,2#導洞注漿孔參數(shù)

圖6 1#，2#導洞第1循環(huán)注漿孔布置（單位：m）

圖7 1#，2#導洞第1循環(huán)深孔注漿縱剖面示意（單位：m）

S1 通道1#，2#導洞開挖完畢后，向下進行豎向注漿，如圖8 所示。臨近既有線一側注漿管與其結構邊線距離500 mm，嚴格控制臨近既有線一側的注漿壓力，防止串漿。

圖8 下導洞注漿示意（單位：m）

4.4 注漿壓力控制

由于S1通道注漿試驗段覆土深度僅6 m，為確保通道上方的道路沉降不超標，注漿壓力控制在0.5 MPa之內。在注漿管路末端添加壓力裝置，通過調節(jié)注漿機泄壓回流裝置控制注漿壓力。開泵前旋轉壓力調節(jié)旋鈕將油壓調在要求的表刻度上。隨注漿阻力的增大，泵壓隨之升高。當達到調定值時，自動泄壓回流，保證注漿終壓不高于0.5 MPa。

5 注漿效果檢驗

第1 循環(huán)：施工時間為2020年11月4日—2020年12月3日，注漿長度為6.2 m，開挖4.2 m，打孔380孔。開挖過程中未發(fā)生涌水、涌砂現(xiàn)象，掌子面情況如圖9所示。

圖9 第1循環(huán)注漿開挖結束后掌子面情況

第2循環(huán)：施工時間為2020年12月31日—2021年1月11日，注漿長度為7 m，開挖5 m，打孔350 孔。開挖過程中未發(fā)生涌水、涌砂現(xiàn)象，掌子面情況如圖10所示。

圖10 第2循環(huán)注漿開挖結束后掌子面情況

第1，第2 循環(huán)注漿結束后，開挖揭露的掌子面情況表明采用超細水泥-水玻璃漿液注漿加固效果良好。

6 結論

通過對北京地鐵14 號線高家園站與外掛站廳之間的S1聯(lián)絡通道前期注漿存在的問題進行原因分析，提出了超細水泥-水玻璃漿液的注漿止水方案，詳細給出了注漿參數(shù)、單孔注漿量、注漿孔布置、注漿流量和壓力的可調可控措施，并應用于該工程。主要結論如下：

1）對于富水粉細砂地層，由于普通硅酸鹽水泥顆粒粒徑大于粉細砂顆粒間縫隙，普通水泥-水玻璃漿液無法有效滲進地層，難以在控制注漿隆起的同時起到加固止水效果。

2）推薦超細水泥漿液的材料配合比∶水與超細水泥質量比1∶1，水玻璃稀釋后波美度為20，緩凝劑磷酸二氫鈉摻量為水泥質量的2.5%。

3）注漿后開挖揭露的掌子面特征表明，超細水泥-水玻璃漿液注漿取得了良好的止水效果，可為淺埋富水致密粉細砂地層暗挖隧道工程提供參考。