砂卵石地層隧道超前導(dǎo)管注漿試驗(yàn)研究及應(yīng)用

賈少山

(中鐵十二局集團(tuán)第二工程有限公司，山西太原 030032)

1 概述

南水北調(diào)中線北京段西四環(huán)暗涵工程在開(kāi)挖中穿越地層為砂層、卵礫石層，隧道開(kāi)挖前采取超前小導(dǎo)管注漿，使砂層、卵礫石層固結(jié)達(dá)到一定強(qiáng)度，從而具有一定的支撐能力，在開(kāi)挖時(shí)不易坍塌。為使超前小導(dǎo)管注漿更好的達(dá)到預(yù)期效果，同時(shí)在注漿后能迅速進(jìn)行開(kāi)挖縮短工序作業(yè)時(shí)間間隔，確定以下試驗(yàn)方案。

2 試驗(yàn)?zāi)康募皟?nèi)容

2.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

同地段做對(duì)比試驗(yàn)，按設(shè)計(jì)步驟進(jìn)行試驗(yàn)，相對(duì)調(diào)整試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行，通過(guò)對(duì)比選擇合適的注漿材料配合比，確定合理的施工孔距、排距、注漿體厚度和深度，選定注漿壓力和時(shí)間，盡可能縮短注漿與開(kāi)挖之間的時(shí)間間隔。

2.2 試驗(yàn)內(nèi)容

1)注漿試驗(yàn)地段的選擇。擬在進(jìn)主洞的廊道下臺(tái)階剛開(kāi)始開(kāi)挖10 m范圍內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)。2)注漿材料及設(shè)備:超前小導(dǎo)管采用無(wú)縫鋼管φ25(外徑)(如圖1所示)，注漿設(shè)備采用GZJC雙液注漿泵，高壓膠管，攪拌機(jī)等。3)注漿試驗(yàn)孔的布置形式和數(shù)量見(jiàn)圖2。外徑為25 mm的超前小導(dǎo)管布置:豎向間距1 m，橫向間距0.3 m，梅花形布置，試驗(yàn)打兩排30孔，外插角7°～15°，導(dǎo)管長(zhǎng)度1.70 m，外露20 cm。4)漿液配比:通過(guò)試驗(yàn)確定合理的漿液配合比。

圖2 超前小導(dǎo)管布置示意圖

3 漿液配置過(guò)程

3.1 改性水玻璃漿液

1)材料:水玻璃:模數(shù) 3.27，濃度 40 Be′;硫酸:濃硫酸(98%的工業(yè)硫酸，1.84 kg/L)。

2)改性水玻璃組成及制漿方法:甲液:水玻璃濃度15 Be′;采用濃度40 Be′水玻璃加水稀釋，采用邊加水邊攪拌邊用波美度計(jì)測(cè)漿液的方法進(jìn)行，稀釋水玻璃濃度在10 Be′～20 Be′之間。或加水體積由公式V原=V配×(d配－1)/(d原－1)。

由 V水=V配－V原得:V水∶V原=53∶23，水玻璃比重與波美度的關(guān)系為 d=145/(145 －Be′)計(jì)算。

乙液:14%硫酸。先算出1 L濃硫酸量所需加水量11.04 L即 V酸∶V水=1∶11.04。

3)改性水玻璃配合比:先經(jīng)過(guò)試配改性水玻璃配合比確定最短凝結(jié)時(shí)間時(shí)試塊抗壓強(qiáng)度最高的配合比。現(xiàn)場(chǎng)做了三種配合比(見(jiàn)表1)。

表1 三種改性水玻璃配合比的漿液試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比表

3.2 注雙液水泥—水玻璃漿液

分別配制水泥漿和水玻璃漿，用雙液注漿泵壓注，在孔口混合漿液。

1)材料:水泥:新鮮的P.O42.5號(hào)普通硅酸鹽水泥。水玻璃:模數(shù)3.27，濃度40 Be′。緩凝劑:磷酸氫二鈉，工業(yè)品。2)雙液水泥—水玻璃漿液組成及制漿方法。先經(jīng)過(guò)試配雙液水泥—水玻璃漿液配合比確定最短凝結(jié)時(shí)間時(shí)試塊抗壓強(qiáng)度最高的配合比。現(xiàn)場(chǎng)做了兩種配合比(見(jiàn)表2)。

表2 兩種雙液水泥—水玻璃漿液配合比的漿液試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比表

水泥漿∶水灰比(1～1.5)∶1(重量比)，緩凝劑摻量(1～3)%(根據(jù)凝結(jié)時(shí)間調(diào)整)。

水玻璃漿35 Be′。

配合比:水泥漿∶水玻璃 =1∶1 ～1∶0.6。

4 試驗(yàn)步驟

1)準(zhǔn)備工作:制作小導(dǎo)管，材料設(shè)備到場(chǎng)并調(diào)試，噴混凝土封閉工作面。2)采用鐵錘將小導(dǎo)管打入孔內(nèi)。3)安設(shè)小導(dǎo)管，按要求角度打設(shè)，打入長(zhǎng)度不小于管長(zhǎng)的90%，打設(shè)到位后聯(lián)結(jié)管路及密封孔口。4)注漿順序原則上逐漸縮小孔距，由低到高。5)注漿壓力控制在0.3 MPa～0.35 MPa，以免壓爆注漿管，注漿量先根據(jù)公式Q=3.141 6×R2Ln計(jì)算。其中，R為漿液擴(kuò)散半徑;L為導(dǎo)管的長(zhǎng)度;n為地層的孔隙率(取0.49)。計(jì)算結(jié)果Q=0.31 m3。

5 超前小導(dǎo)管注漿參數(shù)的確定

1)經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，表明配合比為稀釋硫酸1(1∶6.0)14%∶稀釋水玻璃2(1∶2.1)16 Be′的改性水玻璃漿液在卵石粒徑小于5 cm的砂卵石地層中滲透性良好，擴(kuò)散均勻，凝結(jié)時(shí)間較短，且能有效的控制超挖。配合比為水泥漿1(1∶1)∶稀釋水玻璃1(1∶0.2)35 Be′的水泥—水玻璃漿液在卵石粒徑大于5 cm的砂卵石地層中滲透性好，擴(kuò)散均勻，雖凝結(jié)時(shí)間較長(zhǎng)但可以節(jié)約成本。

2)漿液擴(kuò)散半徑:0.3 m。

3)漿液實(shí)注入量:0.22 m3。

4)注漿終壓:0.35 MPa。

6 注漿標(biāo)準(zhǔn)

注漿過(guò)程中，壓力逐漸上升，流量逐漸減少，當(dāng)壓力達(dá)到注漿終壓，注漿量達(dá)到設(shè)計(jì)注漿量以上，可結(jié)束該孔注漿;注漿壓力未能達(dá)到設(shè)計(jì)終壓，注漿量已達(dá)到設(shè)計(jì)注漿量，并無(wú)漏漿現(xiàn)象，亦可結(jié)束該孔注漿;無(wú)漏注現(xiàn)象，即可結(jié)束本循環(huán)注漿。

7 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)該試驗(yàn)，改性水玻璃漿固結(jié)效果明顯，經(jīng)過(guò)在隧道開(kāi)挖中的應(yīng)用，沒(méi)有坍塌失穩(wěn)現(xiàn)象，有效的控制了超挖，節(jié)約了成本。同時(shí)在施工中能迅速進(jìn)行開(kāi)挖縮短工序作業(yè)時(shí)間間隔，保證了工期目標(biāo)的順利實(shí)現(xiàn)。