淺析水泥水玻璃雙液漿在隧道中的應(yīng)用

摘 要：進(jìn)入到新世紀(jì)以來(lái)，隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)水平的高速發(fā)展，我國(guó)的公路交通行業(yè)也得到了快速的發(fā)展，而在地鐵隧道的掘進(jìn)等地下工程的施工過(guò)程中，通常都會(huì)遇到大量涌水和突水的問(wèn)題，而主要的治理對(duì)策就是開挖前進(jìn)行預(yù)注漿以及施工后進(jìn)行補(bǔ)注漿的操作，常規(guī)的純水泥漿液的凝結(jié)時(shí)間難以控制，所以堵水的效果也并不理想。而以水泥漿和水玻璃為主劑的新型液體漿材，其不但能夠提高注漿的結(jié)石率，同時(shí)也加快了水泥漿液的凝結(jié)速度，從而取得良好的快速排水的效果。文章便對(duì)水泥水玻璃雙液漿的原材料和反應(yīng)機(jī)理以及水泥水玻璃雙液漿在隧道施工中的應(yīng)用情況兩個(gè)方面的內(nèi)容進(jìn)行了詳細(xì)的分析和探析，從而詳細(xì)的論述我國(guó)公路隧道施工過(guò)程中水泥水玻璃雙液漿的應(yīng)用情況。

關(guān)鍵詞：水泥水玻璃；隧道施工；反應(yīng)機(jī)理

1 水泥水玻璃雙液漿的原材料和反應(yīng)機(jī)理

1.1 雙液漿的原材料

通常情況下，水泥水玻璃雙液漿的原材料是由水玻璃、水泥以及緩凝劑所共同組成的，其中水玻璃的模度應(yīng)是在2.8-3.1的范圍內(nèi)的，而普通的硅酸鹽水泥應(yīng)是新鮮的，并且其強(qiáng)度等級(jí)應(yīng)是高于32.5的，而在選擇緩凝劑時(shí)建議采用工業(yè)上用的碳酸氫二鈉。

1.2 水泥和水玻璃的反應(yīng)機(jī)理

導(dǎo)致水泥出現(xiàn)凝結(jié)以及硬化現(xiàn)象的最主要的原因就是水泥水化的過(guò)程中，會(huì)析出具有較強(qiáng)凝膠性的膠體物質(zhì)。通常情況下，水泥水化反應(yīng)的過(guò)程中會(huì)生成氫氧化鈣、硅酸二鈣以及硅酸三鈣，然后再在反應(yīng)物中加入水玻璃，水玻璃就會(huì)與液體中氫氧化鈣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而生成具有一定強(qiáng)度的凝膠體水化硅酸鈣，所以水泥的水化速度就被大幅度的提升了，而水泥凝結(jié)以及硬化的時(shí)間也被大幅度的縮短了。其具體的化學(xué)反應(yīng)公式為：3CaO·SiO2+nH2O→2CaOSiO2（n-1）H2O+Ca（OH）2和Ca（OH）2+Na2O·nSiO2+mH2O→CaO·nSiO2·mH2O+2NaOH。

在水玻璃和氫氧化鈉發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的過(guò)程中，膠體物質(zhì)會(huì)不斷生成，并且越累積越多，而結(jié)石體的強(qiáng)度也會(huì)隨之越來(lái)越高，因此，水泥水玻璃雙液漿結(jié)石體的最初強(qiáng)度是由氫氧化鈣與水玻璃的化學(xué)反應(yīng)所決定的，而漿液結(jié)石體的后期的強(qiáng)度則就是由水泥本身水化作用所決定的了。在水泥水化反應(yīng)的過(guò)程中，由于所生成的氫氧化鈣的量是一定的，所以所加入水玻璃的量也應(yīng)是一定的，否則如果水玻璃加入的量過(guò)多時(shí)，整個(gè)體系就會(huì)被慢慢稀釋，從而導(dǎo)致固結(jié)體的強(qiáng)度降低，因此水泥與水玻璃的配合比應(yīng)是科學(xué)合理的。

1.3 磷酸氫二鈉的作用機(jī)理

在制備水泥水玻璃雙液漿的過(guò)程中，還必須加入另外一種重要的化學(xué)物質(zhì)，此類物質(zhì)就是磷酸氫二鈉，由于漿液發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的過(guò)程可能只需要2-3秒的時(shí)間就可以完成，而化學(xué)反應(yīng)的外在表現(xiàn)就是雙液漿會(huì)瞬間出現(xiàn)凝結(jié)的現(xiàn)象，因此施工的可操作性是很差的。此時(shí)如果加入了磷酸氫二鈉，那么在水泥顆粒的表面就會(huì)形成一層抗溶解性能極強(qiáng)的磷酸鈣，水泥正常水化的過(guò)程就會(huì)被放慢。因此，Ca（OH）2析出的速度也會(huì)變慢，化學(xué)反應(yīng)的時(shí)間被延長(zhǎng)了，所以在發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的幾分鐘甚至是幾十分鐘的時(shí)間內(nèi)就可以任意的調(diào)節(jié)雙液漿的凝結(jié)時(shí)間了。

2 水泥水玻璃雙液漿在隧道施工中的應(yīng)用情況

2.1 注漿的目的

在充分分析了隧道工程施工特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，依據(jù)劈裂灌漿的原理并且選擇水泥水玻璃雙液漿的注漿方法，能夠保證漿液的凝固時(shí)間是在可控的范圍內(nèi)的，并且提高了漿液結(jié)石體的早期強(qiáng)度和漿液的結(jié)石效率，在灌漿的壓力相對(duì)較高的情況下，應(yīng)保證漿液能夠克服底層的抗拉強(qiáng)度和初始應(yīng)力，避免土地結(jié)構(gòu)出現(xiàn)被擾動(dòng)和被破壞的情況，在黃土層中形成新的孔隙以及裂縫，這樣就大大的提高了飽和黃土層的可灌性以及漿液擴(kuò)散的實(shí)際距離。在黃土層的孔隙和裂縫中，水泥和水玻璃這兩種液體能夠充分混合并且迅速的凝結(jié)在一起，從而形成網(wǎng)狀的漿脈，這樣就會(huì)強(qiáng)制性的擠出土體中的一部分水分，同時(shí)自身也會(huì)吸收一部分水分，這樣土體的含水量就被大大的降低了。

2.2 注漿的技術(shù)參數(shù)

（1）漿液的配合比。在施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行試驗(yàn)和統(tǒng)計(jì)時(shí)，為了保證飽和黃土層具備良好的可灌性以及漿液有充分的擴(kuò)散距離，建議選擇的漿液配合比為：水泥漿的水灰比應(yīng)為0.75：1-1.0：1，水泥形勢(shì)選擇42.5的普通硅酸鹽水泥；而水玻璃的模數(shù)則為2.8-3.1的范圍內(nèi)，其溶液的濃度應(yīng)為35-40；至于雙漿液的配合比則為水玻璃：水泥=0.5：1-1.0：1。（2）注漿的壓力。注漿壓力的選擇與黃土層的強(qiáng)度、密度、鉆孔的深度、最初的應(yīng)力以及注漿的順序等很多因素都是緊密相關(guān)的，在進(jìn)行注漿操作的過(guò)程中，如果出現(xiàn)了漿液向著剪切破壞滑動(dòng)面的方向發(fā)展的情況，并且被加固的土層的埋深很淺時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)地表冒漿的現(xiàn)象，因此注漿時(shí)必須選擇合適的劈裂注漿極限壓力。（3）漿液的擴(kuò)散半徑。這里的漿液擴(kuò)散半徑指的并不是漿液擴(kuò)散的最遠(yuǎn)距離，而是指符合工程實(shí)際需求的擴(kuò)散距離。設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)擴(kuò)散半徑時(shí)，不應(yīng)選取平均值，而應(yīng)選擇多數(shù)條件下能夠達(dá)到的數(shù)值，黃土在水平方向和豎直方向上的滲透性是有所差異的，所以在確定擴(kuò)散半徑時(shí)，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際試驗(yàn)情況來(lái)確定。

2.3 注漿的工藝控制

（1）隧道施工中的水泥水玻璃雙液漿注漿技術(shù)主要分為掌子面朝前注漿以及地表注漿兩大類，如果隧道工程的埋深是不大于30m的，那么建議采用地表注漿的加固技術(shù)，而如果隧道工程的埋深是大于了60m時(shí)，則建議采用掌子面超前注漿的加固技術(shù)的。而埋深在30m-60m的范圍內(nèi)時(shí)，則應(yīng)根據(jù)實(shí)際的情況來(lái)選擇注漿加固的技術(shù)。（2）由于水泥水玻璃雙液漿的注漿加固過(guò)程通常都是采用分段的注漿工藝的，所以如果選用了地表注漿的技術(shù)，那么就應(yīng)選擇下行式的分段注漿方法，而如果選擇了掌子面超前注漿技術(shù)，則應(yīng)選擇由外向內(nèi)的逐段式的注漿方法。（3）注漿的順序應(yīng)是由外向內(nèi)按順序進(jìn)行的，地表注漿時(shí)采用垂直注漿的方法，而掌子面超前注漿時(shí)選用放射狀注漿的方法。（4）控制注漿量時(shí)應(yīng)采用定量注漿的方法，漿液的濃度會(huì)越來(lái)越濃，而在不擾動(dòng)黃土層的前提下，注漿量應(yīng)控制每分鐘在15-30L的范圍內(nèi)，然后視每個(gè)循環(huán)的壓力情況再進(jìn)行加密補(bǔ)漿，直至符合要求。（5）控制注漿壓力時(shí)應(yīng)采用分段升壓法，壓力值應(yīng)從低到高逐漸升高，選擇間歇式的注漿方式，而具體的間歇時(shí)間則是由漿液的膠凝時(shí)間所決定的。由于施工時(shí)的實(shí)際膠凝時(shí)間是要遠(yuǎn)大于試驗(yàn)時(shí)所測(cè)出的時(shí)間，因此建議較為合理的間歇時(shí)間應(yīng)是在3-8分鐘的范圍內(nèi)。

2.4 注漿加固的效果

通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)室的分析以及實(shí)際工程情況進(jìn)行分析后，采用水泥水玻璃雙液漿注漿完成后，在施工過(guò)程中進(jìn)行開挖觀察并經(jīng)過(guò)了鉆孔取樣我們發(fā)現(xiàn)：漿液在土體中是呈脈狀分布的，結(jié)石體的平均抗壓強(qiáng)度為3.5MPa，拱部開挖時(shí)的環(huán)境溫度要高于洞內(nèi)其他地方的溫度，掌子面處的軟泥被擠出，地下水也從裂縫中被排出了，土體的含水量有了明顯的下降趨勢(shì)，土體從原來(lái)的軟塑形轉(zhuǎn)變成為硬塑形，其力學(xué)特性得到了明顯的改善，從而滿足了隧道施工的實(shí)際需求。

通過(guò)以上的論述，我們對(duì)水泥水玻璃雙液漿的原材料和反應(yīng)機(jī)理以及水泥水玻璃雙液漿在隧道施工中的應(yīng)用情況兩個(gè)方面的內(nèi)容進(jìn)行了詳細(xì)的分析和探討。在隧道施工的過(guò)程中，應(yīng)用水泥水玻璃雙液漿灌漿技術(shù)是十分可行的，大大的降低了隧道工程的施工難度，加固效果良好，并且也為施工提供了十分便利的條件，是一種適應(yīng)性較強(qiáng)的加固方法，通過(guò)在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)以及施工現(xiàn)場(chǎng)所做的試驗(yàn)，對(duì)水泥水玻璃雙液漿的施工工藝和注漿技術(shù)參數(shù)進(jìn)行了一定的總結(jié)，為今后的隧道工程的施工和設(shè)計(jì)提供了參考。

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