南京地鐵軟—流塑淤泥質地層劈裂注漿試驗研究

摘要: 針對南京地鐵南北線一期工程某區間隧道軟—流塑地層的大管棚加小導管超前注漿預加固工程,對軟—流塑淤泥質地層劈裂注漿加固的機理及主要影響因素進行了分析,對注漿效果、漿體材料及配比進行了試驗研究。現場試驗表明,采用劈裂注漿加固是可行的,且效果顯著。關鍵詞: 軟—流塑淤泥質地層;劈裂注漿;水泥-水玻璃雙液;初凝時間;現場試驗
　　南京地鐵南北線一期工程珠江路站—鼓樓站和鼓樓站—玄武門站兩區間隧道,設計采用礦山法修建,而在軟—流塑淤泥質粘土中采用礦山法修建隧道,必須對土體進行預加固。軟—流塑淤泥質粉質粘土具有含水量大、透水性差、可注性差等特點,普通注漿不能解決問題,須采用壓力注漿。本文結合工程需要,對劈裂注漿加固的原理、漿體材料、漿液配比及注漿效果等進行試驗研究。
1 　工程概況
兩區間隧道施工困難地段為珠江路站北端與玄武門站南端。在珠江路站北端段,隧道穿過地層為軟— 流塑狀粉質粘土,覆土厚度約9m , 地面有2 棟7 層樓房、1 棟4 層樓房和1 條700 污水管; 在玄武門站南端段,隧道穿過地層為軟—流塑狀淤泥質粉質粘土,覆土厚度約8m , 地面有2 棟2 層樓房、3 棟5 層樓房和1 條Φ900 污水管。以上兩段軟—流塑粉質粘土、淤泥質粉質粘土,強度低,靈敏度高,開挖后自穩能力極差,易產生塌方,地面沉降難以控制,嚴重時可能發生涌泥現象,使施工無法進行。
2 　施工方案
經工程調研和論證[ 1 ] ,決定采用臺階分步開挖法施工,同時采用大管棚+ 小導管超前預注漿的輔助工法(圖1 、圖2) 。長管棚結合小導管注漿和掌子面超前

圖1 　大管棚+ 小導管超前注漿示意圖

Ⅰ—小導管超前注漿; Ⅱ—掌子面封閉注漿; Ⅲ—臺階開挖; Ⅳ—下臺階開挖; Ⅴ—大管棚支護; Ⅵ—下臺階初期支護; Ⅶ—拱部初期支護預注漿法,是在隧道拱部打設長管棚和小導管注漿,對拱部進行加固和超前支護,并對隧道掌子面的地層進行注漿改良,然后在管棚和加固拱圈的保護下進行開挖、支護與襯砌。為進一部控制地表沉降,保護地面環境,在開挖及一次支護完成后,即初期支護封閉成環后,在其背后及時進行回填和固結注漿。該方法使用

圖2 　掌子面注漿孔布置圖

大管棚超前支護,以提高地層的穩定性,減少地面的沉降,小導管主要用于補遺和加強; 長管全斷面一次注漿,以加固開挖輪廓線以內的軟土,防止發生洞內涌泥;長管注漿的先后順序是從四周向中間擠壓,中間預留排水孔排水,以提高注漿加固的效果,同時根據注漿時的跑漿情況,必要時進行二次注漿。
3 　劈裂注漿加固原理
劈裂注漿是目前應用最廣的注漿方法之一,它既可適應于滲透性較好的砂層,又可適應于滲透性差的粘土層[2 ] 。劈裂注漿采用高壓注漿工藝,將水泥或化學漿液等注入土層以改善土層性質。在注漿過程中, 注漿管出口的漿液對周圍地層施加了附加壓應力,使土體發生剪切裂縫,而漿液則沿著裂縫從土體強度低的地方向強度高的地方劈裂,劈入土體中的漿體便形成了加固土體的網絡或骨架。由于漿液在劈入土層過程中并不是與土顆粒均勻混合,而是呈兩相各自存在, 所以從土的微觀結構分析,土除受到部分的壓密作用外,其他物理力學性能的變化并不明顯,故其加固效果應從宏觀上來分析,即應考慮土體的骨架效應[2 ,3 ] 。
4 　注漿材料
隧道所通過的地層為淤泥質粉質粘土,含水量大, 透水性差,在此土層中采用劈裂注漿法加固時,不但存在土體受壓后固結問題,還存在漿液本身的固結問題, 漿液固結后如有多余的水分,它在粘土內無法排出,只能靠粘土中被劈開的裂隙排出,因此采用水泥漿液或水泥粘土漿液時會造成到處跑漿現象。水泥-水玻璃雙液不僅具備水泥漿的特點,而且還兼有某些化學漿液的特點,如漿液膠凝時間可在幾秒至幾十分鐘之間準確控制, 結石體抗壓強度高, 結石率可達98 %～ 100 % , 可注性比純水泥漿明顯提高[ 4 ] 。采用水泥-水玻璃雙液可克服注漿過程中的跑漿現象,有效提高固結土體早期強度,也有利于漿脈周圍被擠壓土體的再固結和整個地層強度的提高。
4.1.1 　水泥-水玻璃漿液性能
(1) 凝膠時間　水玻璃能顯著加快水泥漿的凝膠作用,短時間內使漿液變稠,流動性變差。漿液凝膠時間隨水玻璃濃度、水泥漿濃度、水玻璃與水泥漿的體積比以及溫度等因素的變化而變化。一般情況下,在一定范圍內,水玻璃濃度變小,凝膠時間縮短,兩者呈直線關系;水灰比越小,水泥與水玻璃的反應越快,凝膠時間越短。總的來說,水泥漿越濃,反應越快,水玻璃越稀則反應越快。
(2) 抗壓強度　對于水泥-水玻璃漿液,決定其漿液結石體抗壓強度的主要因素是水泥漿的濃度,其他條件一定時,水泥漿越濃,其抗壓強度越高; 當水泥漿濃度較大時,隨水玻璃濃度的增大,抗壓強度增高; 水泥漿濃度較小時,隨水玻璃濃度的增加,抗壓強度降低;但當水泥漿濃度處于中間狀態時,水玻璃濃度對其抗壓強度影響不大[5 ] 。水泥漿與水玻璃的體積比對抗壓強度也有較大影響。一般情況,濃水泥漿需要濃水玻璃,稀水泥漿需要稀水玻璃,水玻璃過量對其抗壓強度將產生不良影響。
4.1.2 　水泥和水玻璃的反應機理
水泥的凝結和硬化主要是水泥水化析出凝膠性的膠體物質所引起的。水泥水化生成硅酸二鈣、硅酸三鈣和氫氧化鈣,當加入水玻璃以后,水玻璃馬上與新生成的氫氧化鈣反應,生成具有一定強度的凝膠體水化硅酸鈣,因此,水玻璃的加入加快了水泥的水化速度, 也加快了水泥的凝結和硬化[ 6 ] :
3CaO· SiO2 + nH2O →2CaOSiO2 ·( n -1)H2O + Ca(OH)2 Ca(OH)2 + Na2O·nSiO2 + m H2O → 　CaO·nSiO2 ·m H2O + 2NaOH
隨著水玻璃與氫氧化鈣之間反應的進行,生成的膠體質越來越多,結石體強度也越來越高,所以水泥-水玻璃漿液結石體的初期強度是水玻璃與氫氧化鈣的反應起主要作用,而后期強度是水泥本身的水化起主要作用。因水泥水化生成的氫氧化鈣的量是固定的, 因而與之反應的水玻璃的量也是固定的,如果水玻璃加入過量,水玻璃的增加反而會使整個體系稀釋,使固結體強度下降,所以水泥與水玻璃應有一個合適的配比。
5 　室內試驗
511 　試驗方案及材料
為確定合適的注漿材料及配比,試驗分兩個步驟進行。第一步通過對漿液凝結時間、凈漿立方體抗壓強度(40mm ×40mm ×40mm) 與水泥品種關系的研究, 選出兩種合適的水泥品種;第二步對選出的兩種漿材, 通過對其與水玻璃反應特性的比較,從中選出最合適的水泥品種、水灰比及水玻璃加量范圍。試驗采用正交設計方法安排,用多指標綜合平衡法分析試驗結果。
試驗材料: (1) HC —T 高強無收縮超細灌漿材料;
(2) HC —T 凝結時間可調超細灌漿材料;
(3) HC —P 超細灌漿材料;
(4) HC —K 早強型超細灌漿材料;
(5) 425 號普通硅酸鹽水泥;
(6) 325 號普通硅酸鹽水泥;
大凝結時間增長,漿液流動度增大,且在試驗范圍內612 　注漿效果呈現線性變化;隨水玻璃加量的增多,漿液膠凝時間縮
(1) 注漿加固范圍　注漿是隱蔽性工程,為保證短,流動度減小;在水灰比相等的情況下, HC —T 凝結注漿質量,應對注漿效果進行檢查。試驗后對掌子面時間可調超細灌漿材料與水玻璃的反應更快,且水灰加固土體進行開挖,開挖到止漿巖盤,目測注漿加固范比變化對凝結時間和流動性的影響更小,漿液更穩定。圍,從掌子面開挖效果看,漿脈分布明顯,注漿孔周圍因此,決定采用HC —T 凝結時間可調超細灌漿材料進有明顯的擠密土體,說明劈裂注漿起到了加固土體的行現場對比試驗。效果。
(2) 地面沉降及拱頂下沉　通過科研試驗段的施6 　現場試驗工,采用設計方案,順利地通過了該段軟弱土層,施工611 　注漿材料及注漿壓力時未發生洞內涌泥現象,地面沉降和隧道周邊變形也　　現場對比試驗采用兩種注漿材料: ① 大管棚: 得到了有效控制。經現場監控量測,除交叉口段地面沉降過多,超過30mm 外,其余地段地表沉降及拱頂下沉值均不超過30mm , 滿足規范要求。
(3) 漿液分析　通過試驗段的施工,發現HC —T 凝結時間可調超細注漿材料,即使在軟流塑地層中也能快速凝結,使土體得到加固。而盾構1 標在盾構機出口段進行注漿加固施工中,曾發生普通水泥-水玻璃雙液漿在軟流塑地層中不凝固的現象,后改注HC — T 凝結時間可調超細注漿材料,盾構機才出洞。
7 　結論
(1) 采用“大管棚+ 小導管超前預注漿+ 掌子面封閉注漿”,劈裂注漿工法,能有效地加固軟流塑地層,防止隧道開挖時發生坍塌和洞內涌泥等現象,有效控制地面沉降和隧道周邊變形。
(2) 采用劈裂注漿法加固軟—流塑淤泥質粉質粘土地層,要求漿液粘稠,能快速凝固,固結體早、后期強度高。通過大量的室內及現場試驗,證明HC —T 凝結時間可調超細灌漿材料,當其水灰比為016～018 、水玻璃濃度Be25°左右、水玻璃加量1 %～3 % 時,符合注漿加固工程的要求。
(3) HC —T 凝結時間可調注漿材料雙液漿,其加固效果明顯優于普通水泥-水玻璃雙液漿,能快速凝固, 固結體強度高,但其造價較高。普通水泥-水玻璃漿液凝結時間長,甚至出現不凝固的現象,但造價較低, 可在地層較好時采用。
參考文獻:
[ 1 ] 　上海市市政工程管理局. 軟土市政地下工程施工技術手冊[ R ] . 上海:上海市政工程管理局,1990.
[ 2 ] 　雷風,袁輝,揚春滿. 地鐵隧道底部土體分層劈裂注漿加固的施工與監測[J ] . 世界隧道,1998 , (5) :37 39.
[ 3 ] 　章耿. 上海軟土地基劈裂注漿現場試驗[J ] . 建筑施工,1995 ,17(5) :26 -29.
[ 4 ] 　周書明,陳建軍,等. 軟流塑淤泥質地層地鐵區間隧道劈裂注漿加固[J ] . 巖土工程學報, 2002 ,24 (2) : 222 -224.
[ 5 ] 　杜嘉洪,張崇瑞,何修仁,等. 地下建筑注漿工程簡明手冊[M] . 北京:科學出版社,1998.
[ 6 ] 　王星華. 粘土固化漿液在地下工程中的應用[M] . 北京: 中國鐵道出版社,1998.

原作者：張旭芝,符飛躍, 王星華