厚卵礫漂石地層注漿止水新型材料注漿效果試驗研究

崔 雋，劉士海，王文正，張德華，朱雯蕾

(1.太原理工大學，山西 太原 030024;2.北京市市政工程研究院，北京 100037;3.北京市政建設集團第三工程處，北京 100072;4.北京交通大學，北京 100044)

0 引言

近幾年深基坑工程越來越多，在一些繁華城區，因車站基坑周邊管線眾多、交通繁忙，缺乏施作降水井的條件，降水難度越來越大［1－4］。如何在掌握詳盡準確的地質資料前提下，選擇合適可行的注漿材料，依據工程特點進行合理有效地非降水注漿加固止水設計，成為深基坑施工中的一個技術難題。

在厚卵礫漂石地層中采用注漿帷幕止水后再開挖，極易發生涌水涌砂等工程災害;目前國內外類似工程可借鑒的經驗不多，采用傳統的注漿漿液注漿后漿液擴散半徑不均，地層內漿液大量流失，漿液在地層中呈“糖葫蘆”狀擴散，無法保證注漿效果［5－7］。對于厚卵礫漂石地層，準確地選取注漿材料是決定注漿施工成敗的主要因素之一。

本文基于富水厚卵礫漂石地層的地質特點，從注漿材料選擇方向進行創新，進行卵礫漂石地層新型注漿材料選擇試驗研究以及新型漿液的應用效果檢驗，通過注漿模型試驗及現場原位試驗對注漿效果進行檢驗，以確定新型注漿材料的工程適用性，保證工程的順利實施。

1 厚卵礫漂石地層普通注漿漿液存在問題

1.1 漿液擴散半徑不均勻

施工實踐表明，現有水泥－水玻璃雙液漿用于帷幕注漿在砂卵石中的注漿效果不理想，漿液擴散半徑不均勻，難以保證帷幕的范圍(厚度)。水泥－水玻璃漿液，一旦漿液混合，便產生急劇的化學反應，在不加緩凝劑的條件下，至多90 s左右就凝結，開始堵塞注漿通道，注漿壓力迅速升高，難以注入后續漿液。而加入緩凝劑，結石體的強度急劇下降，難以達到設計強度，且緩凝劑磷酸氫二鈉溶解困難，不便精確控制加入劑量。

為了克服上述雙液注漿材料的問題，需要一種具有更好可注性、可有效增加擴散半徑且不影響結石強度的砂卵石地層雙液注漿材料。

1.2 結晶體耐久性差，后期強度迅速減小

調查研究表明，一般巖溶地下水的水化學屬性為HCO3·SO4型、SO4－C1或 SO4型，其礦化度很高，具有不同程度的腐蝕性。水泥－水玻璃的固結原理為:

上述2個反應生成C－S－H凝膠和氫氧化鈣。氫氧化鈣與水玻璃溶液中硅酸根離子發生反應，生成C－S－H凝膠，即:

在混合液中水泥與水玻璃的反應快，水泥本身的水化化學反應相對較慢。膠凝漿體的早期強度由水玻璃中硅酸根和水泥中的氫氧化鈣的反應產物C－S－H凝膠起主要作用，后期強度由水泥水化反應生成的C－S－H凝膠和水化鋁酸鹽礦物起主要作用。因為化學促凝劑使水泥水化過快，水化產物的結晶形成太快，質量有所降低，導致后期強度增長乏力。

為了克服現有水泥－水玻璃漿液后期固結強度降低的不足，需要一種減小水玻璃對水泥的水化作用、增加漿液固結強度和耐久性改性的水泥－水玻璃漿液。

2 厚卵礫漂石地層新型注漿材料試驗選擇

對于厚卵礫漂石地層，準確選取注漿材料是決定注漿施工成敗的主要因素之一。對于注漿材料的選取，應根據漿液的可注性、可行性、無污染、經濟性及工藝實施難易度綜合分析選取［8－15］。

2.1 注漿材料初步選擇

砂礫石地層由于土體顆粒較粗，粒間孔隙較大，滲透系數也較大，通常采用水泥漿作為注漿的主要材料;但在工程實踐中遇到的砂礫石地層的結構相當復雜，當礫石地層中漂石、卵石的含量較多時，細粒對整個砂礫石地層的滲透性起控制作用，很難用粒狀材料漿液進行灌注，必須采用化學注漿的方法。

結合地質組成成分和地下水分布情況，開挖基坑底線下10 m范圍土體不會被開挖擾動，對強度要求不高，采用酸性水玻璃漿液固結止水，開挖基坑底線以上4 m范圍內采用凝固強度較高的水泥－水玻璃雙漿液。綜合以上特性進行比較，為保證注漿效果，初步選定水泥－水玻璃漿液和磷酸－水玻璃漿液進行研究。

2.2 注漿材料的改進

分別從以下2方面進行適應于厚卵礫漂石地層新型注漿漿液體的研究。

1)水泥漿液中添加高效分散劑、無收縮灌漿劑以增加可注性及漿液擴散半徑。高效分散劑(海川5040－聚羧酸鈉鹽型分散劑)可以吸附于固體顆粒的表面，使凝聚的固體顆粒表面易于濕潤;無收縮灌漿劑使漿液強度更高、漿液凝結后不收縮、不變形。以水泥－水玻璃為主體材料，水泥漿液中添加適量的分散劑和無收縮灌漿劑，將得到一種經濟實用的新型可注性好、擴散半徑大的注漿材料。

2)水玻璃漿液中添加適量的添加劑以提高結晶體長期強度，防止崩解。研究［16］表明，以水泥－水玻璃為主體材料，水玻璃漿液中添加適量的硫酸銅和明礬，可獲得一種經濟實用的固結強度高、耐久性好的注漿材料。硫酸銅和明礬加入水泥漿體中，銅離子在堿性的水泥漿體中生成氫氧化銅沉淀，填充硬化水泥漿體的毛細孔，硫酸根離子與水泥漿體中鈣離子形成石膏。石膏、明礬、水泥中的鈣離子以及鋁離子生成鈣礬石，使漿體結構更加密實。

此外，新型注漿材料漿液中，單液不摻加任何有毒化學物質，漿液凝結后凝結體呈堿性，實現了對地層無污染目標，滿足了綠色施工要求。

2.3 注漿材料配比研究

針對卵石地層孔隙率大、易產生跑漿的特點，采用室內試驗方法，分別進行了擴散半徑的測定試驗、漿液可注性及混合率測定試驗及注漿材料凝結時間等試驗，如圖1所示。取一份水、水泥、高效分散劑拌合，作為A液;取一份水、水玻璃、明礬、硫酸銅拌合，作為B液。

圖1 室內試驗Fig.1 Laboratory test

2.3.1 擴散半徑的測定試驗

分別對添加高效分散劑的A－B液、添加普通分散劑的A－B液及未添加分散劑的A－B液進行3組擴散半徑試驗。試驗取A液和B液經過漏斗混合，垂直注入試驗土體。漿液混合后迅速凝結擴散，待漿液凝結后，用酚酞噴灑試驗注漿土體，測量漿液擴散的直徑。漿液擴散半徑如表1所示。

表1 漿液擴散半徑Table 1 Grout diffusion radius mm

由表1可以看出:加入高效分散劑的漿液擴散半徑比加普通分散劑的擴散半徑增加5.5%，比未加分散劑的漿液擴散半徑增加19.0%。高效分散劑可以明顯增加漿液擴散半徑。

2.3.2 漿液可注性及混合率測定試驗

對添加高效分散劑的A－B液及未添加分散劑的A－B液進行了漿液可注性及混合率測定試驗。試驗時，分別在2個1 000 mL的量筒中盛等量的水，分別倒入等量的上述2種雙液漿，待漿液沉淀完成后比較漿液混合的體積。圖1(c)中給出了典型的混合試驗結果。其中左側為未加分散劑的A－B漿液，右側為加高效分散劑的A－B漿液，漿液明顯分為3層。可見高效分散劑對漿液混合率有明顯的改善作用。

2.3.3 注漿材料凝結時間試驗研究

凝結時間是注漿的重要參數，相同條件下，漿液凝結時間越長表示漿液的擴散半徑越大，所以可以通過控制漿液凝結時間來控制擴散半徑，根據不同的地質條件和施工工況需要選擇不同的凝結時間。根據水泥－水玻璃、磷酸－水玻璃2組化學反應的原理，分別進行了不同磷酸濃度和不同水灰比與水玻璃反應的凝結試驗，每組實驗分別進行3次，以增強實驗結果的可靠性。試驗數據見表2和表3，試驗結果如圖2和圖3所示。

表2 凝結時間與水灰比關系表Table 2 Table of correlation between setting time and watercement ratio s

表3 凝結時間與磷酸濃度關系表Table 3 Table of correlation between setting time and H3PO4 concentration s

圖2 凝結時間與水灰比的變化關系Fig.2 Curves of correlation between setting time and watercement ratio

實際工程要求水泥－水玻璃漿液的凝結時間為30～90 s。由圖2可知，水灰比從0.5∶1到1.5∶1均符合要求，最合適的水灰比是1.3∶1。

圖3 凝結時間與磷酸濃度的變化關系Fig. 3 Curves ofcorrelation between setting time and H3PO4concentration

根據實際工程要求磷酸－水玻璃漿液的凝結時間為3～10 s，濃度為4% ～6.5%的磷酸溶液均符合要求，磷酸濃度為6%時凝固時間為4 s，可在4% ～7%內調節磷酸濃度以適應不同地層。確定注漿止水材料漿液配比(質量比)如下。

1)A液。水泥漿采用普通硅酸鹽P·O42.5水泥，配合比為水∶水泥∶高效分散劑∶無收縮灌漿劑=1∶1.3∶0.065∶0.065。

2)B液。水玻璃采用濃度42 Be'，配合比為水∶水玻璃∶明礬∶硫酸銅 =1∶1∶0.03∶0.03。

3)C液。速凝劑，配合比為水∶磷酸=1∶0.15。

3 新型注漿止水材料注漿效果試驗研究

3.1 模型試驗注漿效果

3.1.1 試驗原理

此次試驗為物理模型試驗法，將注漿現場土層的性質以及水位環境還原于模型箱中，注漿壓力和注漿量以注漿工程中實際采用的值等比例減小，以此對漿液擴散性質進行研究。試驗過程采用靜壓滲透注漿。

3.1.2 試驗設計及準備

1)模型試驗箱:3個1.5 m×1.5 m×2 m鐵皮試驗箱，四周分別鉆孔透水，以控制土層水壓，如圖4(a)所示。供壓設備:注漿泵2臺(最大輸出壓力為2 MPa)，壓力表2個(最大量程為0～4 MPa)，如圖4(b)所示。儲漿設備:HJ－200立式水泥攪拌機1臺(攪漿能力為167～250 L/min)，大儲水桶2個，如圖4(c)所示。流量計2個，注漿鋼管6根。

2)試驗材料:被注介質即試驗箱內土層為開挖基坑的原狀土，土層顆粒級配見表4，其孔隙率和滲透系數等土性可近似看成與施工現場土層相同。注漿材料為室內試驗確定的A液、B液及C液。

試驗分組如圖5所示，等體積模型箱①、②、③分別裝填相同的原狀砂土，注漿材料選擇不同的漿液，如表5所示。

圖4 模型試驗設備Fig.4 Model test equipment

表4 土層顆粒級配表Table 4 Particle size distribution

圖5 模型箱分組Fig.5 Model box group

表5 注漿材料分組Table 5 Grouting material group

試驗段位于地下水位以下，試驗巖體層的滲透系數

式中:Q為注水流量，L/min;A為形狀系數，cm，在這里取A=5.5 r;H為試驗水頭，cm，等于試驗水位與地下水位之差。

3.1.3 試驗過程

依據SL 345—2007《水利水電工程注水試驗規程》，通過注水試驗取得注漿所需要的主要參數——土體滲透系數，實驗過程大致如下。

3.1.3.1 一次注水

通過一次注水試驗獲知，模型箱①、②、③的土層滲透系數比較接近，分別為 9.4×10－2、9.8×10－2、10.5×10－2cm/s，與施工現場注漿土層的滲透系數(5.80×10－2cm/s)相近，其中模型箱②土層和③土層的滲透系數比模型箱①的滲透系數大4.3%和11.7%，此差距在允許范圍以內。

3.1.3.2 注漿

待注水試驗完成后開始進行注漿模型試驗。各試驗箱的注漿材料各不相同，形成對比。注漿壓力控制在1.0～1.5 MPa。注漿管與注水管如圖6所示。

圖6 注漿管與注水管Fig.6 Grouting pipe and water injection pipe

試驗采用全孔一次注漿。利用注漿泵控制注漿壓力為0.5～1 MPa(模擬現場壓力為1～2 MPa)，注漿時主要對模型注漿孔壁周圍水平裂隙和垂直裂隙進行充填。注漿所用的漿液經過充分攪拌均勻后才能開始注漿，并應在注漿過程中不停地緩慢攪拌，防止水泥漿液析水過快，改變水泥漿液濃度。注漿過程中注水管也會一直注水。出水孔的變化過程如圖7所示。

試驗過程中在出水孔處會出現如圖8所示的透水孔出水、出漿、自動堵孔這3個明顯過程。當土體與模型箱之間的縫隙出現冒漿時，要及時封住出漿口，使漿液不能繼續外流，保持設計水頭高度進行壓漿。當注漿壓力達到1.0～1.5 MPa或者注漿壓力迅速大幅增大或者漿液流動范圍難以控制時，終止注漿。

圖7 出水孔的變化過程Fig.7 Changing process of drainage holes

圖8 混合裝置示意圖Fig.8 Mixer

3.1.3.3 二次注水

待注漿完成后，拆除輸漿導管和輸水導管，翌日，在各注水管管孔處(在漿液擴散范圍以內)再次進行注水試驗，測試注漿后凝結土體的滲透系數。

3.1.3.4 三次注水

注漿完成2個月后，對注漿模型箱內的凝結體進行常水頭注水試驗，一方面檢驗注漿后土體的滲透性，另一方面驗證高效分散劑對于漿液耐久性的改善作用。

3.1.4 試驗結果分析

3.1.4.1 注漿時間的分析

表6給出了各模型箱完整完成3步過程的第1個出水孔的耗時記錄。

表6 出水孔的堵水時間對比Table 6 Time needed for water sealing of drainage hole

由表6可知:加入高效分散劑的水泥－水玻璃漿液相對于普通C－S漿液在第1個和第2個過程中用時較少，可知第1種漿液在模擬土層中擴散更容易、更快，可以預測加入的漿液在相同條件下漿液擴散半徑會更大;2種漿液的凝結時間基本相同;對比化學漿液——磷酸－水玻璃漿液與前2組漿液的時間可以明顯看出，模型箱③試驗開始后能夠較其他2組更迅速地出水，這說明化學漿液在漿液中的擴散更快;在第3個過程(凝結的過程)中，化學漿液又表現出了絕對的優勢，出漿后可以迅速地堵孔。

3.1.4.2 滲透系數結果及分析

注漿結束后二次注水獲得了3個模型箱土層滲透系數，見表7。

表7 滲透系數對比Table 7 Permeability cm/s

對比一次和二次注水試驗得出的土層滲透系數，不難看出注漿后滲透系數顯著減小。加入高效分散劑后，漿液凝結體的滲透系數明顯減小;由③對比①可以看出，磷酸－水玻璃化學漿液的凝結體較水泥－水玻璃漿液滲透系數稍大，滿足抗滲性要求，是一種較合格的止水材料。

3.1.4.3 漿液耐久性結果及其分析

①、②、③模型箱土層滲透系數見表8。

表8 耐久性對比Table 8 Durability cm/s

由表8可以看出:加水泥漿中高效分散劑的模型箱①的土層滲透系數由1.06×10－7變成了6.42×10－6，增大了60.6倍;模型箱②的普通水泥－水玻璃漿液在2個月后凝結體滲透系數由7.46×10－7增大為1.05×10－4，增大了140.8倍;模型箱③的化學漿液——磷酸－水玻璃漿液凝結體2個月內由3.45×10－7變成2.26 ×10－3，增大6.5 ×104倍。由①對比②可知，水泥漿中添加高效分散劑可增加水泥－水玻璃漿液的耐久性，使漿液可以持久地保持止水功效;化學漿液較其他2種漿液最初防水效果好，但在耐久性上磷酸－水玻璃漿液較差，在對耐久性有要求的注漿止水項目不建議單純采用磷酸－水玻璃漿液。

3.2 現場實施及注漿效果

基于前述研究，厚卵礫漂石地層新型注漿止水材料可由A、B、C 3種漿液相互配合形成，結合室內試驗配比及模型試驗結果，現場注漿止水材料選為CDSCA漿液(水泥+聚羧酸鈉鹽型分散劑－水玻璃+硫酸銅+明礬)、PC－SCA漿液(磷酸－水玻璃+硫酸銅+明礬)。

3.2.1 現場漿液配制

水泥－水玻璃漿液的凝結時間控制在30～90 s，改性水玻璃漿液控制在2～10 s。

為了滿足注漿固結的目的，需要按照一定的次序進行漿液配制。例如，水泥漿稀釋應在攪拌桶中按每次攪拌體加入所需的水量，開動攪拌機，再加入水泥攪拌3 min以上。B液和C液配比按照實驗室配比配置。

注漿根據現場情況，冒漿采用B液與C液，不冒漿選用A液與B液，A液與B液配比為1∶1，B液與C液配比為 1∶1。

3.2.2 現場注漿

3.2.2.1 注漿泵試運轉

確定注漿系統各部分連接無誤后，開動注漿泵壓水試驗，檢查注漿泵液壓情況，系統管路是否漏漿，管路是否暢通。

3.2.2.2 漿液注入

系統就緒后，如圖9所示，進行漿液注入。因本工程注漿深度較大，主要由漂石和鵝卵石組成，穿過較多含水層，且裂隙大小不同，在一定的注漿壓力下，漿液的流動和擴散不同。同時，靜水壓力隨含水層埋藏深度增加而增加，在一定的注漿壓力下，上部巖層的裂隙進漿多，擴散遠，下部巖層的進漿少，擴散近，或幾乎不擴散。本工程采用上下分段后退式雙液注漿，確保注漿止水深度范圍內止水效果，漿液在各含水層擴散均勻，保證注漿質量。

圖9 注漿系統布置圖Fig.9 Arrangement of grouting system

首先開通①號和②號吸漿管，同時關閉③號吸漿管，漿液通過新型注漿管端頭混合裝置(作者另有文章詳述，端頭混合裝置見圖8)實現2種漿液充分混合后壓入地層。完成1 000 L的注漿量后，開通②號和③號吸漿管，關閉①號吸漿管，漿液通過新型注漿管端頭混合裝置實現2種漿液充分混合后壓入地層。同時要實時觀察注漿壓力，壓力較大時可注水泥－水玻璃雙液漿(A液和B液)，壓力較小時可注速凝的化學漿(B液和C液)。

另外，采用隔孔注入方式，這樣既避免了注漿孔互相影響，又使后注孔起到補充先注孔的作用，保證了土體漿液擴散均勻。

3.2.2.3 壓力、注漿量控制

通過壓力表觀察注漿壓力，檢查隨注漿量的增加，壓力變化情況。注漿過程中采用壓力控制，注漿壓力控制在1.5～3 MPa、注漿速度為60 L/min，當注漿時間達到15 min，同時注漿壓力達到2.0 MPa時，或者注漿壓力超過3 MPa，雙重管往上提0.5～1.0 m后，繼續注漿，直到注漿完成。

3.2.3 現場注漿效果

3.2.3.1 開挖過程中的土體穩定性

隨著基坑開挖的進行，基坑內水位逐漸降低至車站基底以下，可以滿足無水施工的狀態，實現了止水效果;對于注漿漿液擴散范圍內的基坑側壁部分土體，固結強度明顯高于同一水平位置的基坑內土層，注漿前后土體力學指標對比見表9。注漿降低了泥漿護壁施工的難度，實現了維護樁間土體加固的效果，注漿后基坑側壁的開挖面穩定性很好，同時通過鉆孔，從注漿體內取出原狀樣品，可知注漿土體變為整體，如圖10所示。

表9 注漿前后土體力學指標對比Table 9 Mechanical parameters of ground before and after grouting

3.2.3.2 著色劑判別法

為了證實注漿效果，采用著色劑用肉眼識別。在基坑開挖過程中，根據注漿漿液中氫氧根離子(OH－1)呈堿性及酚酞試劑遇堿變紅的原理，在基坑側壁噴灑酚酞試劑，可以看到漿液清楚地顯現出來。

3.2.3.3 滲透系數對比法

為使現場注漿試驗的水文、地質情況具有代表性，在西側基坑西北角進行現場原位注漿試驗。試驗根據基坑的開挖進度進行，分3層且每層3組試驗，對加高效分散劑的C－S漿液注漿土體、普通C－S漿液注漿土體以及未注漿的土體的滲透性能分別進行試驗。

由現場原位注漿地層的注水試驗可得到注漿后土體滲透性系數，具體滲透系數對比如表10所示。

圖10 注漿后的土體Fig.10 Ground consolidated by grouting

表10 現場原位注漿地層滲透系數對比Table 10 Permeability cm/s

由注漿后地層滲透系數與未注漿地層滲透系數對比可以看出，注漿后土體滲透性系數為10－7～10－6cm/s，地層的滲透性有了明顯的改善，滿足了滲透系數小于10－6cm/s的施工效果要求，說明注漿止水效果良好。

3.2.3.4 水位變化對比法

試驗基坑地下水位監測變化曲線如圖11所示，分別記錄了基坑外水位側點(西外SW－01)和基坑內水位測點(西內SW－01－1)的水位。

圖11 水位監測變化曲線Fig.11 Fluctuation of water level

從西外SW－01觀測井水位變化可以看出:基坑外水位高程在22.51～23.61 m內，水位浮動較為穩定，隨著基坑內排水的增多，基坑外水位在一定時間內有所上升。從西內SW－01－1觀測井水位變化可以看出:隨著排水井的排水量增加，基坑內水位一直呈下降趨勢，并且下降后水位只在局部會有很小回升。由內、外觀測井水位變化對比可以看出:止水帷幕實現了其止水效果，使基坑內水位下降到了基底以下，滿足了基坑內無水作業的要求。

4 結論與建議

4.1 結論

1)研發采用的2種新型漿液:CD－SCA(水泥+聚羧酸鈉鹽型分散劑－水玻璃+硫酸銅+明礬)漿液和PC－SCA(磷酸－水玻璃+硫酸銅+明礬)漿液，使漿液可呈柱狀均勻擴散，滿足了帷幕止水墻的范圍(厚度)及強度，適用于厚卵礫漂石地層。

2)模型試驗表明:加入高效分散劑的水泥－水玻璃漿液相比普通C－S漿液在模擬土層中擴散更容易、更快，相同條件下漿液擴散半徑更大，漿液凝結體滲透系數明顯減小;磷酸－水玻璃漿液耐久性較差，在對耐久性有要求的注漿止水項目中不建議單純采用磷酸－水玻璃漿液。

3)現場注漿試驗表明:注漿漿液已經擴散到圍護樁內側，擴散半徑滿足設計要求;注漿漿液擴散范圍內的基坑側壁部分土體固結強度明顯高于同一水平位置的基坑內土層，實現了維護樁間土體加固的效果;同時，注漿后土體滲透性系數為10－7～10－6cm/s，地層的滲透性有了明顯的改善，滿足了滲透系數小于10－6cm/s的施工效果要求，注漿止水效果良好，保證了工程安全。

4.2 建議

1)厚卵礫漂石地層注漿時漿液的擴散方式取決于地層的滲透性、漿液自身的性質及注漿壓力等，本文主要對CD－SCA和PC－SCA 2種新型漿液注漿前后地層的滲透性改變、注漿時注漿壓力控制等進行了探討研究，新型漿液在厚卵礫漂石地層中擴散形式以及在注漿過程中滲透和劈裂發生的條件等問題尚需要進一步分析探討。

2)注漿前后土體強度的變化是衡量注漿效果的重要指標之一，本文只針對現場注漿1 d和3 d齡期內土體的強度進行了分析，試驗中注漿土體1、3、7、28 d齡期內的強度變化規律等問題還需進一步研究分析。

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