水泥-水玻璃雙液漿加固公路隧道淺埋段效果分析

■胡進(jìn)昌（漳州市高速公路有限責(zé)任公司，漳州363005）

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水泥-水玻璃雙液漿加固公路隧道淺埋段效果分析

■胡進(jìn)昌
（漳州市高速公路有限責(zé)任公司，漳州363005）

針對(duì)隧道在淺埋偏壓、圍巖破碎條件下施工易滑易塌的特點(diǎn)，依托漳永高速公路安建隧道中采用水泥-水玻璃雙液漿進(jìn)行加固的工程實(shí)例，對(duì)水泥-水玻璃雙液漿注漿參數(shù)及施工工藝進(jìn)行了分析，并對(duì)加固效果進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明：使用水泥-水玻璃雙液漿注漿后，圍巖的整體性和強(qiáng)度得到提升，開挖后的圍巖變形量小，加固效果明顯。

隧道工程水泥-水玻璃雙液漿加固注漿參數(shù)施工工藝

0引言

長(zhǎng)大公路隧道常因地質(zhì)地形原因要穿越淺埋破碎區(qū)，在隧道施工過(guò)程中，由于埋深淺、巖層破碎、含水量大等，極易出現(xiàn)大量涌水，甚至造成隧道內(nèi)的冒頂式塌方，使隧道施工存在重大的安全和質(zhì)量隱患。為此，尋求快速、安全、經(jīng)濟(jì)的隧道淺埋破碎帶處治技術(shù)，成為公路山嶺隧道建設(shè)中亟待解決的關(guān)鍵問題之一。

注漿法是利用壓力將能固化的漿液通過(guò)鉆孔注入巖土孔隙或建筑物的裂隙中，使其物理力學(xué)性能得到改善的一種方法。該方法出現(xiàn)于19世紀(jì)初的法國(guó)，而我國(guó)的注漿技術(shù)研究起步較晚，20世紀(jì)50年代以前所做工作很少，50年代之后開始初步掌握注漿技術(shù)［1～3］。近年來(lái)，注漿法在土木工程的各個(gè)領(lǐng)域中，已成為不可或缺的施工方法。在隧道工程中，注漿主要應(yīng)用于圍巖地質(zhì)條件差、偏壓、洞口及淺埋段等的圍巖加固中。經(jīng)過(guò)50多年的發(fā)展，我國(guó)的注漿技術(shù)無(wú)論是在理論上，還是在實(shí)際應(yīng)用上，都取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展［1～3］。特別是近幾年比較盛行的水泥-水玻璃雙液漿的注漿技術(shù)，更是得到廣泛研究與應(yīng)用，加固效果顯著。

本文結(jié)合水泥-水玻璃雙液漿加固圍巖在漳永高速公路安建隧道出口淺埋段的應(yīng)用，分析其加固效果。

2水泥-水玻璃漿液機(jī)理及特點(diǎn)

2.1水泥-水玻璃漿液固化機(jī)理

水玻璃是一種粘稠液體，水解后呈堿性。當(dāng)這種液體壓入黃土中，水玻璃便與黃土中的堿金屬發(fā)生作用，生成一種堿金屬水合硅酸鹽和二氧化硅凝膠，如下式所示：

這種二氧化硅凝膠和堿金屬水合硅酸鹽充填了黃土中的孔隙，增加了顆粒的膠結(jié)力，使土體硬化，強(qiáng)度增加。

水玻璃能加快水泥的水化作用，其主要原理是水玻璃能與水泥漿中的氫氧化鈣反應(yīng)，生成具有一定強(qiáng)度的膠凝體—水化硅酸鈣。反應(yīng)機(jī)理為：

Ca（OH）2+Na2O·nSiO2+mSiO2→CaO·nSiO2·mH2O+NaOH

水泥中的硅酸三鈣與硅酸二鈣水化后生成氫氧化鈣，由于氫氧化鈣在水中的溶解度不高，很快就達(dá)到了飽和，從而限制以后的硅酸三鈣與硅酸二鈣的水化。加入水玻璃后，水玻璃與漿液體系中的氫氧化鈣反應(yīng)，消耗了漿液體系中的氫氧化鈣，使溶液中的氫氧化鈣含量未達(dá)到飽和，從而加快了硅酸二鈣與硅酸三鈣的水化作用，宏觀上表現(xiàn)出水泥漿液初凝時(shí)間加快，結(jié)石體早期強(qiáng)度增長(zhǎng)［3～5］。

2.2水泥-水玻璃漿液特點(diǎn)

據(jù)研究，水泥-水玻璃漿液膠凝時(shí)間短，且可在幾秒鐘到幾十分鐘內(nèi)準(zhǔn)確控制。膠凝時(shí)間與水泥品種、水泥漿水灰比、水玻璃溶液濃度、水玻璃溶液與水泥漿的體積比和漿液溫度有關(guān)，其主要規(guī)律表現(xiàn)為，在同一條件下，水泥中含硅酸三鈣越多，水泥漿水灰比越低，水玻璃溶液濃度越低，水玻璃溶液與水泥漿的比例越小、溫度越高，漿液的膠凝時(shí)間越短。同時(shí)，水泥-水玻璃漿液凝固后的結(jié)石率高，達(dá)98%以上，且結(jié)石體的早期強(qiáng)度增長(zhǎng)很快，抗壓強(qiáng)度較高，根據(jù)水灰比及水泥漿～水玻璃的比例不同，3d強(qiáng)度均可達(dá)到4～17MPa不等［3］。

3工程實(shí)例

3.1工程背景

漳州漳永高速公路安建隧道為分離式隧道，左右洞平均長(zhǎng)1556m，屬長(zhǎng)隧道，最大埋深190m。隧道進(jìn)口左右線平面設(shè)計(jì)線間距為17.16m，出口左右線平面設(shè)計(jì)線間距為19.45m，最小間距14.22m。

安建隧道出口左右洞洞口段主要地質(zhì)情況：表層覆蓋薄層的坡積粘性土，洞身處圍巖以殘坡積土～強(qiáng)風(fēng)化花崗閃長(zhǎng)巖，少量為中風(fēng)化花崗閃長(zhǎng)巖，球狀風(fēng)化現(xiàn)象發(fā)育。大部分圍巖屬全風(fēng)化花崗閃長(zhǎng)巖呈土體狀，現(xiàn)場(chǎng)判斷為坡積土夾雜大量球狀孤石，地下水豐富，土體處于飽和狀態(tài)，圍巖自穩(wěn)性極差。

該隧道出口段自開始施工以來(lái)，洞身開挖后地下水沿掌子面及拱腳流出，大部分土體圍巖呈流塑狀態(tài)。施工過(guò)程中多次出現(xiàn)掌子面富水、流泥、失穩(wěn)、冒頂及初支整體下沉侵限等現(xiàn)象，如圖1所示。

圖1　安建隧道出口突泥突水、初支變形

3.2注漿實(shí)施方案

水泥-水玻璃雙液注漿分為地表注漿和帷幕注漿兩類。通常當(dāng)隧道埋深小于30m時(shí)，可采用地表注漿加固，當(dāng)隧道埋深大于60m是，宜采用帷幕注漿，隧道埋深在30～60m之間時(shí)，應(yīng)根據(jù)工程具體情況選擇。本文選取一處地表注漿段落進(jìn)行實(shí)例分析。

3.2.1注漿參數(shù)

為取得最佳的注漿效果，根據(jù)前期試驗(yàn)得出的數(shù)據(jù)，該項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)水泥按設(shè)計(jì)要求采用42.5R普通硅酸鹽水泥，外摻劑采用水玻璃，濃度Be′=35～40，水泥漿水灰比為1∶1，水泥漿與水玻璃比為1∶0.3。

3.2.2注漿范圍

注漿范圍根據(jù)地質(zhì)、地下水情況和施工方法等因素綜合確定。一般注漿加固半徑為隧道開挖半徑的2～3倍，當(dāng)?shù)叵滤S富時(shí)，可為隧道開挖半徑的4～6倍。本次注漿范圍內(nèi)豎向加固范圍為地表至拱底以下2m，橫向加固范圍為開挖輪廓左側(cè)4m至右側(cè)4m，如圖2所示。地表注漿孔按梅花形布設(shè)，布置間距為1m×1m，如圖3所示。3.2.3注漿壓力及注漿量

圖2　地表注漿孔立面布設(shè)圖

圖3　地表注漿孔平面布設(shè)圖

注漿壓力是給予漿液在土層中滲透、擴(kuò)散、劈裂及壓實(shí)的能量，壓力的大小取決于土體密度、強(qiáng)度、初始應(yīng)力、鉆孔深度等因素。注漿壓力不應(yīng)過(guò)大，否則會(huì)造成漿液沿著剪切破壞滑動(dòng)面發(fā)展，當(dāng)隧道埋深較淺時(shí)，容易導(dǎo)致地表冒漿現(xiàn)象。理論上，劈裂注漿的極限壓力Pu應(yīng)滿足

式中，γ為土的天然容重（kN/m3）；h為注漿孔埋深（m）；φ為土的內(nèi)摩擦角度；c1為土體的粘聚力（kPa）。

注漿量取決于土體的孔隙率、漿液擴(kuò)散半徑、注漿壓力等，可用以下公式較粗略的計(jì)算出注漿量

Q=πr2hnβ

式中，Q為注漿量，π為圓周率，r為擴(kuò)散半徑，h為注漿深度，n為孔隙率，β為注漿液的有效填充系數(shù)。

注漿過(guò)程由注漿量及注漿壓力控制，通過(guò)試驗(yàn)室中的數(shù)據(jù)計(jì)算，當(dāng)單孔延米注漿達(dá)到1m3或者注漿壓力達(dá)到2.5MPa時(shí)，停止注漿。

3.2.4注漿工藝

該工程注漿布置為直孔，引孔注漿，注漿采用分層注漿施工工藝，由下至上進(jìn)行注漿，一般采取多次重復(fù)注漿，每次少量的注漿方法。即按照2m的步距施工，第一次孔底注漿達(dá)到一定的壓力（一般為1MPa）后，將注漿鋼管往上提升2m高度，再次進(jìn)行注漿，重復(fù)以上步驟，直至該孔注漿完畢。工藝流程見圖4。

圖4　工藝流程

4效果分析

為了驗(yàn)證注漿效果，選取注漿段落中的一個(gè)斷面進(jìn)行分析。從掌子面情況看，圍巖強(qiáng)度及整體性得到較大改善，直觀上土體流塑性明顯降低，詳見圖5。通過(guò)對(duì)注漿后的取樣巖芯進(jìn)行結(jié)石率和抗壓強(qiáng)度測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果表明，巖體的結(jié)石率達(dá)到95.3%，3d抗壓強(qiáng)度達(dá)4.3MPa，28d抗壓強(qiáng)度達(dá)到10.1MPa，符合規(guī)范及現(xiàn)場(chǎng)施工要求。

圖5　掌子面狀況

除了上述方法外，還在該斷面進(jìn)行了凈空收斂與拱頂下沉的監(jiān)控量測(cè)，測(cè)點(diǎn)布置如圖6所示。

圖6　測(cè)點(diǎn)布置

圖7　拱頂下沉及凈空收斂時(shí)間曲線

從圖7的拱頂下沉及凈空收斂的時(shí)間曲線可以看出，注漿后隧道斷面拱頂下沉及凈空收斂穩(wěn)定速度較快，14d完成變形的70%左右，21d以后變形基本完成，且最終的變形量不大，拱頂下沉不超過(guò)17mm，凈空收斂不超過(guò)11mm，該結(jié)果表明注漿效果明顯。

5結(jié)語(yǔ)

淺埋偏壓破碎圍巖的掘進(jìn)，一直都是隧道施工的難點(diǎn)。本文針對(duì)安建隧道實(shí)際工程情況，通過(guò)工程實(shí)踐，驗(yàn)證了在淺埋偏壓破碎圍巖中采用水泥-水玻璃雙液漿進(jìn)行加固的可行性。該方法施工便利，加固效果良好，可在今后的隧道設(shè)計(jì)、施工中予以推廣。同時(shí)，本文還介紹了水泥-水玻璃雙液漿施工的參數(shù)及工藝，可供同類工程參考。

［1］中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)編寫組．JTJD70-2004，公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范［S］．北京：人民交通出版社，2004．

［2］來(lái)弘鵬，謝永利，楊曉華．地表預(yù)注漿加固公路隧道淺埋偏壓破碎圍巖效果分析［J］．巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2008，27（11）：2309-2315．

［3］楊曉華，俞永華．水泥-水玻璃雙液注漿在黃土隧道施工中的應(yīng)用［J］．中國(guó)公路學(xué)報(bào)，2004，17（2）：68-72．

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