XPM納米灌注劑在富水粉細砂地層注漿中的應用

張 勇

（中鐵十二局集團有限公司第二工程有限公司，山西太原 030032）

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XPM納米灌注劑在富水粉細砂地層注漿中的應用

張 勇

（中鐵十二局集團有限公司第二工程有限公司，山西太原 030032）

摘 要：在北京地鐵施工中，富水細砂層經常遇到，由于該地層孔隙小，滲透系數小，對其注漿加固一直是暗挖施工的難題。本文通過采用新材料XPM納米灌漿劑在富水粉細砂層中注漿，并對注漿加固效果進行評估分析，工程實踐表明，加固效果良好，滿足開挖要求，能夠保證工程自身及周邊道路及建筑物安全。

關鍵詞：地鐵；暗挖隧道；富水粉細砂；注漿加固；XPM納米灌注劑

0　引言

在北京地鐵施工中，由于古河道沖刷沉積作用經常會遇到富水粉細砂地層，該地層松散、無粘聚力、自穩能力很差，一旦開挖，極易發生涌水、涌砂及塌方等工程災害。同時，該類地層孔隙小、滲透系數小、顆粒漿液難以滲透，注漿效果很難保證。

針對富水粉細砂層注漿，很多單位及地鐵建設者從注漿技術及材料等方面進行了大量研究、試驗及實踐，取得了一定效果。目前，富水粉細砂層注漿通常使用超細水泥，而超細水泥粒徑正好處于可注的臨界狀態，任何對可注性不利的因素都會導致注漿的失敗。為了提高可注性，通常加入多種外加劑，如，懸浮劑、減水劑、稀釋劑等，漿液制作繁瑣，且需要不斷的試驗才能成功。因此，超細水泥在富水粉細砂地層注漿成功案例不多[1]。

隨著材料技術的發展，納米級注漿材料已開發出來[2-3]，且已在一些工程實際中得到應用。如，XPM 納米灌注劑，在各類工程事故搶修、礦井巷道注漿、地鐵二襯注漿止水中得到了成功的應用[3-5]，但由于其造價高，在地鐵暗挖隧道注漿尚無應用實例。本文通過對XPM 納米灌注劑的特性分析，發現該材料能夠滲透粉細砂地層，同時作為一種外加劑，能夠提高水泥漿液性能，適用于富水粉細砂地層注漿，并在實際應用中取得了良好的效果。

1　工程概況

北京地鐵16號線甘家口站—玉淵潭東門站區間位于三里河路下方，全長為 705.6m，采用礦山法施工，區間設有 1 處臨時施工豎井及橫通道。橫通道開挖穿越地層為卵石層、粉細砂層及礫巖層，采用地面管井降水，降水井直徑 273mm，管徑 200mm，間距 6m。因外部環境影響，橫通道開挖過程中，降水井未封閉，且橫通道位于基巖凹槽內，開挖時地下水豐富。橫通道橫剖面及地層、地下水示意圖見圖 1。

橫通道開挖過程中，采用雙重管注超細水泥-水玻璃雙液漿、改性水玻璃進行粉細砂地層堵水加固，但效果不良，開挖時出現流砂、涌砂現象并導致下臺階整體滑塌，造成險情且無法繼續施工。為了使橫通道能夠正常開挖，確保道路及管線安全，在理論分析的基礎上，提出了采用XPM納米灌注劑進行注漿。

圖1　橫通道剖面及地層地下水示意圖（單位：mm）

2　注漿試驗分析

2.1粉細砂地層特性

對粉細砂地層取樣并進行篩分試驗，試驗結果見表 1。根據表 1 試驗結果，粉細砂顆粒粒徑主要集中在0.075～0.25mm，地層顆粒間孔隙很小，地層滲透系數為 5m /天，屬低滲透性地層。

表1　土樣篩分試驗結果

2.2注漿材料特性

2.2.1超細水泥

根據 800 目超細水泥激光粒度儀測試報告，其主要特性見表 2。

表2　800目超細水泥粒度測試結果

2.2.2XPM納米灌注劑

XPM 納米灌注劑是采用沸石經超細粉磨至粒徑至327×10-9m 的無機中性納米級外加劑，主要化學成分為 SiO2和 Al2O3，該材料的性能特征如下：

（1）具有良好的可注性，在 0.45 水灰比條件下，流速接近水流速；

（2）顆粒細，布朗運動活潑，不產生離析和沉淀，漿液具有良好的穩定性，可注入 0.01mm 孔隙開度；

（3）減水率高，達 28%～37%；

（4）具有良好的膠結性，能與水泥漿液中的Ca(OH)2反應生成尺寸 1nm 的 C-S-H 凝膠分子，通過結晶生長填塞毛細通道；

（5）良好的抗滲性，抗滲指標達 P30～P40；

（6）結石強度高，抗壓強度可提高 2～3 倍；

（7）直接摻入水泥漿中，注漿工藝簡單，施工操作方便；

（8）無毒害無污染。

2.3粉細砂層注漿加固機理

2.3.1滲透注漿

對于粒狀介質，其可注性一般用可灌度 GR來表示：

式（1）中，D15為地層小于此種粒徑的顆粒質量占總顆粒質量的 15%；d85為注漿材料小于此種粒徑的粒狀顆粒質量占總顆粒質量的 85%。

一般認為 GR＞15 時，可以滲透，當 GR＜11 時，認為滲透無效。

2.3.2劈裂注漿

滲透注漿是一個純理論公式，試驗和大量實踐資料都表明，在理論上即使是細砂層可注，但實際均勻滲透的距離卻非常小。注漿過程中，漿液不可能一直擴散，即使增加注漿壓力，漿液也不會繼續擴散，這時，注漿壓力的增大會使土層之間產生裂隙，此時為劈裂滲透。

2.3.3粉細砂注漿加固

在粉細砂層注漿，加固以滲透、劈裂、擠密地層為主，全過程分為充填滲透階段、擠密階段、劈裂階段、被動土壓力階段及再滲透階段等 5 個階段。

2.4試驗分析結論

結合地層、注漿材料特征、粉細砂注漿加固，并參考相關研究結論，可分析得出如下結論。

（1）800 目超細水泥針對粉細砂地層可灌度GR= 12.1＜15，且＞11，超細水泥的粒徑處于可注的臨界狀態。

（2）已有研究表明，超細水泥在比表面積8000cm2/g 時，對粉細砂滲透可達 230mm，大于該比表面積時對粉細砂的滲透性僅有微弱提高[1]。800 目超細水泥比表面積為 9313.9cm2/g，因此，選用 800 目超細水泥注漿比較經濟合理。

（3）XPM 納米灌注劑針對粉細砂地層可灌度GR= 296.6，遠大于 15，因此，XPM 納米灌注劑對粉細砂地層是可滲透的。

（4）XPM 納米灌注劑在加入水泥漿液后，能夠提高漿液的流變性，使得水泥漿液更好地滲透。

（5）漿液在粉細砂層劈裂滲透后，形成的結實體和土體相結合形成復合土體。XPM 納米灌注劑能夠提高水泥水化反應進程，并提高其強度，使得復合土體整體穩定性增強。

（6）XPM 納米灌注劑與水泥漿中的Ca(OH)2反應生成 C-S-H 凝膠分子，通過結晶生長填塞毛細通道，對粉細砂地層水進行封堵的同時，彌補了水玻璃漿脈強度低的缺點。

3　注漿施工

3.1工藝流程

注漿采用雙重管后退式注漿，工藝流程如下：

止漿墻施工→孔位布置→鉆孔→封孔→后退注漿→下一孔施工。

3.2注漿參數設計

（1）已有研究表明，粉細砂地層采用1.25MPa 的注漿壓力時，土體在水平和豎向都發生了裂變，形成了形狀各異的漿脈，對土體起到了很好的改良作用[8]，因此，注漿壓力選用 1～1.5MPa。

（2）超細水泥在粉細砂地層滲透可達 230mm，考慮 XPM 納米灌注劑能夠提高水泥漿液的流變性及劈裂滲透因素，漿液擴散半徑取 500mm。

（3）注漿范圍及孔位布置。每注漿段長 6m，開挖4m，留 2m 作為下一注漿段止漿墻，注漿橫向范圍為開挖輪廓外 1500mm，豎向沿橫隔板往下 500mm。注漿范圍及孔位布置見圖 2、圖 3。

（4）漿液配置。原材料采用 800 目超細水泥、XPM 納米灌注劑、水玻璃、硫酸、C 劑（加速凝固）。漿液分為懸濁液（由 A 液和 C 液組成，簡稱 AC 液）和溶液型（由 A 液和 B 液組成，簡稱 AB 液），AB 液強度低，止水效果好，AC 液強度高，注漿時，AB 液和 AC 液交互使用，漿液配合比見表 3。

（5）注漿量。單孔注漿量按照式（2）控制：取 0.4；α 為注漿孔隙充填率，取0.8；β 為漿液消耗系數，取 1.15。

根據公式（2）計算，得到粉細砂地層單孔每延米注漿量為 289L。

式（2）中，Q 為注漿量，m3；R為漿液擴散半徑，m；L為注漿孔長度，m；n 為地層孔隙率，粉細砂

圖2　注漿孔縱剖面布置圖（單位：mm）

圖3　注漿孔平面布置圖（單位：mm）

表3　漿液配合比表

3.3注漿施工

3.3.1鉆孔

鉆孔采用 ZLJ-1200 鉆機，鉆桿為直徑 42mm 中空鉆桿，每根長 2.0m，接頭要旋緊以保證密閉不漏漿液。按孔位布置圖，調整好水平、豎向鉆進角度，對準孔位后開鉆。嚴格掌握鉆桿深度，慢速運轉，掌握地層對鉆機的影響情況，以確定相應地層條件下的鉆進參數。觀察溢水出水情況，出現大量溢水時，應立即停止作業，分析原因，采取有效措施后，方可繼續施工。

圖4　注漿加固效果圖

3.3.2后退注漿

鉆孔完成后，采用 SYB-60/5 雙液注漿泵后退式注漿。先采用改性水玻璃漿液進行封孔，然后根據地層中含水情況，交替注 AB 液和 AC 液，邊注漿邊倒退鉆桿，完成注漿。嚴格控制注漿壓力，同時密切關注注漿量，采取注漿量及注漿壓力雙控方法控制。注漿完成后，為防止漿液在管內凝固，必須將注漿管沖洗干凈。

由于粉細砂層上部為卵石地層，因此注漿自上而下進行，先注上部孔位，以防止下部孔位注漿時漿液大量流入卵石地層。橫向先注兩側，后注中間，并采用跳孔注漿方式。

3.3效果檢查

注漿結束開挖前，需進行注漿效果檢查。首先統計總注漿量，并結合加固土體體積，反算漿液充填率來初步判斷注漿效果；其次，從止漿墻向地層中鉆孔（孔位盡量設置在注漿前地層滲水部位），并觀察是否有水流，若無水流，方可破除止漿墻開挖，若有水，需進行局部補充注漿；最后，破除止漿墻，進行開挖驗證。

通過開挖觀察，漿液滲透、劈裂滲透至地層并擠密加固土體，漿液凝固體及土體構成了一種復合土體。加固形成的復合土體強度高，滲透系數極低，整體穩定，滿足開挖需求。注漿加固后效果見圖 4。

4　結論

（1）引入 XPM 納米灌注劑在富水粉細砂地層注漿，工程實踐表明加固效果良好，滿足開挖需求，有效地保證了工程自身及周邊道路、管線的安全，避免了工程風險。

（2）XPM 納米灌注劑價格高，導致工程造價提高，大范圍使用經濟性較差。隨著材料技術的發展，XPM 納米級注漿材料的價格有望不斷降低，在注漿中使用的可能性也將進一步提高。

（3）漿液制作簡單，不需加入其他外加劑，僅需按照水泥重量比例加入適量灌注劑即可。

參考文獻

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責任編輯 朱開明

Application of XPM Nanometer Perfusion Agent in Water Rich Sand Stratum Grouting

Zhang Yong

Abstract:Beijing metro construction frequently encounters water rich silty fine sand strata, bringing great difficulties and risks to the construction of a metro especially caused by tunnel construction. The formation pore is small, the slurry is hard to penetrate, and the grouting reinforcement is always a difficult problem in the construction of the tunnel. Although the ultrafi ne cement has had some achievements， but it still needs to add a variety of additives. With cumbersome slurry configuration, there is few successful case. The paper introduces a new XPM nanometer grouting agent (nanometer class grouting material), based on the analysis of grouting theory, and it has been used in the engineering practice, and the effect is good.

Keywords:metro, tunnel, water rich sand, grouting, nanometer XPM perfusion agent

中圖分類號：TU753

作者簡介：張勇（1984—），男，工程師

收稿日期2016-03-31