劈裂注漿技術(shù)在軟流塑地層加固中的應(yīng)用
摘 要:對南京地鐵某區(qū)間隧道軟流塑地層的大管棚加超前小導(dǎo)管劈裂注漿加固方案進行了介紹,并對注漿材料及配比進行了試驗研究,根據(jù)注漿效果可知,設(shè)計的劈裂注漿加固方案可滿足超前加固的要求。
關(guān)鍵詞:軟土地層;劈裂注漿;水泥-水玻璃雙液;現(xiàn)場試驗
劈裂注漿是目前應(yīng)用較廣的一種軟弱土層加固方法,它既可應(yīng)用于滲透性較好的砂層,又可應(yīng)用于滲透性差的粘性土層。劈裂注漿采用高壓注漿工藝,將水泥或化學(xué)漿液等注入土層,以改善土層性質(zhì),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(yīng)力,使土體發(fā)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(wǎng)絡(luò)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(jié)構(gòu)分析,土除受到部分的壓密作用外,其他物理力學(xué)性能的變化并不明顯,故其加固效果應(yīng)從宏觀上來分析,即應(yīng)考慮土體的骨架效應(yīng)。
實踐表明,對于軟—流塑粘土地層,由于地層透水性差,有時滲透注漿或壓密注漿都難以達到理想效果,而劈裂注漿可利用其液壓在地層中產(chǎn)生劈裂孔隙,改善地層的可注性,從而達到注漿加固的要求。
1 工程概況
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(qū)間隧道,設(shè)計采用礦山法修建。在珠江路站北端段, 隧道穿過地層為軟—流塑粉質(zhì)粘土,覆土厚度約9m , 地面有2 棟7 層樓房,1 棟4 層樓房和一條 700 污水管;在玄武門站南端段,隧道穿過地層為軟～ 流塑淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土,覆土厚度約8m , 地面有2 棟2 層樓房,3 棟5 層樓房和一條900 污水管。
以上兩段軟—流塑粉質(zhì)粘土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土,強度低,靈敏度高,易產(chǎn)生蠕動現(xiàn)象,開挖后自穩(wěn)能力極差,易坍塌,地面沉降難以控制,嚴重時可能發(fā)生洞內(nèi)涌泥現(xiàn)象,使施工無法進行,因此必須對土體進行預(yù)加固。
2 施工方案
經(jīng)工程調(diào)研和論證,決定采用臺階分步開挖法施工,同時采用大管棚+ 小導(dǎo)管超前預(yù)注漿的輔助工法(如圖1 、圖2 所示) 。長管棚結(jié)合小導(dǎo)管注漿和掌子面超前預(yù)注漿法,是在隧道拱部打設(shè)長管棚和小導(dǎo)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。
設(shè)計拱部150°范圍設(shè)立管棚支護,注漿加固范圍1. 5m , 大管棚采用長40m 的? 108 鋼管,鋼管打孔注漿,大管棚搭接長度3m , 環(huán)向間距0. 35m ; 短導(dǎo)管采用3m 長的? 32 普通水煤氣管,搭接長度1. 5m , 環(huán)向間距0. 35m ; 長導(dǎo)管采用13m 長的
圖1 圖1 大管棚+ 小導(dǎo)管超前注漿示意圖
Ⅰ—小導(dǎo)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
圖2 掌子面注漿孔布置圖
42PVC 劈裂注漿管,搭接長度4m , 間距0. 5m ×0. 5m ; 邊墻采用中空錨管注漿。開挖臺階長度2～3m , 上臺階施工時設(shè)置臨時仰拱封閉,臨時仰拱采用16 工字鋼,噴20cm 厚C20 混凝土,兩側(cè)各設(shè)置2 根32 、長2. 5m 的鎖腳錨桿,鎖腳錨桿置入角度60°; 下臺階開挖時,對上部鋼架拱腳處,應(yīng)采用跳槽開挖,及時支撐開挖后的拱腳。為進一步控制地表沉降,保護地面環(huán)境,在開挖及一次支護完成后,及時在其背后進行回填和固結(jié)注漿,充填由于開挖所形成空隙。對軟流塑淤泥質(zhì)粘土而言,本工法的關(guān)鍵是注漿,控制地面沉降和拱頂下沉的關(guān)鍵是注漿效果。
3 注漿材料隧道所通過的地層為淤泥質(zhì)粉質(zhì)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(jié)問題,還存在漿液本身的固結(jié)問題,漿液固結(jié)后如有多余的水份, 它在粘土內(nèi)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(xiàn)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(xué)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(jié)石體抗壓強度高,結(jié)石率可達98 %～100 % 等,可注性比純水泥漿明顯提高。采用水泥-水玻璃雙液可克服注漿過程中的跑漿現(xiàn)象,有效提高固結(jié)土體早期強度,也有利于漿脈周圍被擠壓土體的再固結(jié)和整個地層強度的提高。
(1) 為確定合適的注漿材料及配比,對6 個不同品種的水泥-水玻璃漿液進行了室內(nèi)試驗,考察了漿液初凝時間、凈漿立方抗壓強度與水泥品種、水灰比及水玻璃加量范圍的關(guān)系。室驗分兩個步驟進行:第一步通過對漿液凝結(jié)時間、凈漿立方體抗壓強度(40 ×40 ×40mm3) 與水泥品種關(guān)系的研究,選出兩種合適的漿材;第二步對選出的兩種漿材,通過對其與水玻璃反應(yīng)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(shè)計方法安排,用多指標綜合平衡法分析試驗結(jié)果。由漿材及配化實驗結(jié)果可知:抗壓強度的主要影響因素是水灰比,初凝時間的主要影響因素為水泥品種。試驗所用材料中Hc —T(高) 、Hc —T(可) 及425 號普通水泥后期強度較高,但425 號普通水泥凝結(jié)時間較長,初期強度也低,故決定選取Hc —T 凝結(jié)時間可調(diào)超細灌漿材料和Hc —T 高強無收縮超細灌漿材料繼續(xù)做進一步試驗,研究水灰比及水玻璃加量對凝結(jié)時間及流動度的影響。
(2) Hc —T 高強無收縮超細灌漿材料試驗結(jié)果可知:兩種試驗材料,隨水灰比的增大,凝結(jié)時間增長,漿液流動度增大,且在試驗范圍內(nèi)呈現(xiàn)線性變化;隨水玻璃加量的增多,漿液初凝時間縮短,流動度減小;在水灰比相等的情況下, Hc —T 凝結(jié)時間可調(diào)超細灌漿材料與水玻璃的反應(yīng)更快,且水灰比變化對凝結(jié)時間和流動性的影響更小,漿液更穩(wěn)定。
經(jīng)過技術(shù)經(jīng)濟論證,決定對不同注漿管采用不同注漿材料進行現(xiàn)場試驗。大管棚:42. 5 級普通硅酸鹽水泥-水玻璃雙液, 水玻璃濃度25～35Be°,模數(shù)2. 6 , 水灰比0. 8～1. 0 , 水泥漿與水玻璃體積比1∶0. 5 。小導(dǎo)管和PVC 劈裂注漿管: Hc —T 凝結(jié)時間可調(diào)超細灌漿材料,水泥標號42. 5 級,水灰比0. 6～0. 8 , 水玻璃濃度25Be°左右,水玻璃加量1 %～3 % 。注漿加固壓力1. 0～
1. 5MPa 。
4 注漿效果
注漿是隱蔽性工程,為保證注漿質(zhì)量,應(yīng)對注漿效果進行檢查。通過對掌子面加固土體進行開挖,目測注漿加固范圍,發(fā)現(xiàn)加固土體中漿脈分布明顯,注漿孔周圍也有明顯的擠密土體。采用設(shè)計方案,順利地通過了科研試驗段的軟弱土層,施工時未發(fā)生洞內(nèi)涌泥現(xiàn)象,地面沉降和隧道周邊變形也得到了有效地控制。經(jīng)現(xiàn)場監(jiān)控量測,除交叉口段地面沉降較大( > 30mm) 外,其余地段地表沉降及拱頂下沉值均≤30mm 。
通過對比試驗,發(fā)現(xiàn)普通硅酸鹽水泥-水玻璃雙液凝固時間長,有時甚至出現(xiàn)不凝固現(xiàn)象,加固效果不很理想; HC —T 凝結(jié)時間可調(diào)超細注漿材料注漿效果則明顯優(yōu)于普通水泥-水玻璃雙液,可注性好,漿液能快速凝結(jié)。
5 結(jié)束語
(1) 采用“大管棚+ 小導(dǎo)管超前預(yù)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(fā)生坍塌和洞內(nèi)涌泥等現(xiàn)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(zhì)粘土地層,要求漿液粘稠,能快速凝固,固結(jié)體早后期強度高。通過大量的室內(nèi)及現(xiàn)場試驗,證明HC —T 凝結(jié)時間可調(diào)超細灌漿材料,當其水灰比為0. 6～0. 8 、水玻璃濃度25°Be 左右、水玻璃加量1 %～3 % 時, 符合該地層注漿加固的要求,但其造價較高。普通水泥-水玻璃漿液加固效果不及Hc —T 凝結(jié)時間可調(diào)超細灌漿材料,但造價較低,可在注漿難度相對較小時采用。
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