高抗滲注漿材料在水下地鐵隧道地層加固中的研究與應用

卓 越， 焦 雷

(中鐵隧道集團有限公司勘測設計研究院， 廣東 廣州 511458)

高抗滲注漿材料在水下地鐵隧道地層加固中的研究與應用

卓 越， 焦 雷

(中鐵隧道集團有限公司勘測設計研究院， 廣東 廣州 511458)

為探討高抗滲注漿材料在水下地鐵隧道地層加固中的應用，采用普通水泥漿液摻加無堿速凝劑和高效減水劑的形式制備高抗滲注漿材料，通過室內試驗分析普通水泥漿液在不同外加劑摻量條件下的漿液性能，以凝結時間、流動度和抗滲性能為主要指標對漿液的配比進行設計。室內試驗結果表明，水灰比在0.65～1.0，調整漿液配合比，漿液流動度可達到230～270 mm，初凝時間小于2 h，抗滲等級大于P8，滿足施工要求。在廈門地鐵3號線五緣灣站—會展中心站區間斜井暗挖隧道現場2個循環注漿試驗中，確定了3種注漿配比的應用條件，通過加固體強度和抗滲性2項指標實驗分析，驗證了高抗滲注漿材料具有良好的抗滲及加固地層效果。

注漿材料； 抗滲性能； 流動度； 凝結時間

0 引言

隧道近海域段、斷層破碎帶及接觸帶受構造影響嚴重，巖體破碎，自穩能力和抗風化能力很差，風化深度大，常在海底形成風化深槽。無論是斷層破碎帶還是風化深槽，都對隧道施工產生不利影響。加上隧道埋設在海平面幾十米以下，圍巖承受著巨大的海水壓力作用，施工開挖中極易產生坍塌，并可能伴隨產生涌水涌泥，危及施工設備和人員安全。為了防止地層的沉降坍塌和突涌水，必須采用全斷面帷幕超前預注漿來加固圍巖，以確保施工安全。海底隧道在復雜的地質和特殊的水文條件下，使用普通水泥液漿注漿材料往往不能達到理想的效果[1]。王紅喜等[2]利用硅灰、羥乙基纖維素和聚丙烯酰胺3種物質進行復配，研制出一種新型抗水分散劑(KSF);張小平等[3]采用最優化方法進行尋優計算，得出滿足工程要求的最優配比;李慎剛等[4]進行實時可視的注漿試驗以及開發應用軟件模擬滲透注漿試驗;劉瑾等[5]研究了水溶性高分子土體固化劑對土體室內CBR及回彈模量的影響，同時初步探討了高分子固化劑的固化機制;阮文軍等[6]從注漿材料方面解決注漿施工中出現的一些問題，通過大量試驗，研制出3種具有獨特性能的新型水泥復合漿液；涂鵬等[7]、周茗如等[8]利用正交試驗設計方法，以抗壓強度為主要指標，對漿液的配比進行了優化設計，通過腐蝕試驗分析了硫酸鹽、碳酸鹽對強度的影響；陳鐵林等[9]、胡安兵等[10]研究了海水對漿液強度的影響，得出了海水可以延長初凝時間、減緩漿液強度上升的速度、稀釋漿液并加劇不均勻擴散的結論；趙繼增[11]通過現場試驗確定了全斷面帷幕注漿技術參數，成功地穿越青島膠州灣海底隧道F4-4斷層，注漿效果良好，達到了開挖要求，對類似工程具有一定的借鑒意義；薛翊國等[12]、夏小亮[13]利用統計方法分析了影響因素和注漿效果之間的關系，結合室內試驗對所獲得的注漿參數進行了實際應用；張民慶等[14]對各種檢查方法進行了應用效果的探討，并提出了各種注漿技術的檢查方法和標準；李治國等[15]采用全斷面帷幕注漿的方法對風化槽進行堵水和加固取得了較好的效果，并提出了5參數評價方法。但以上文獻在漿液的性質、材料等成分對漿液結石體的影響方面涉及較少。

合適的配方對注漿效果有顯著的促進作用。施工進度要求不同，漿液的配方就有所不同，如隧道開挖進度大于20 m/月以上，就要求注漿材料有較高的早期強度、較快的凝膠時間等，故要對漿液的性質、材料各成分對漿液結石體的不同影響進行試驗研究。

基于廈門地區水域環境特點，通過室內試驗得到高抗滲注漿材料配合比，采用普通水泥單液漿+外加

劑形式，保證漿液較快的膠凝作用、良好的抗壓強度及抗滲性能，以滿足工程施工及抗滲性要求。為此，在廈門地鐵3號線五緣灣站—會展中心站區間斜井暗挖隧道進行了100余m段的注漿加固堵水應用，并對注漿效果進行檢驗，以滿足水下地鐵隧道快速施工的新型注漿材料要求。

1 工程概況

廈門市本島至翔安過海通道工程五緣灣站—會展中心站區間斜井暗挖段地質條件較差，地下水豐富。工程地質勘查資料顯示斜井暗挖段地層依次為雜填土、填砂、填石、淤泥、殘積砂質黏性土、全—中—微風化花崗巖層。斜井海域段地質縱斷面圖如圖1所示，地質勘察參數如表1所示。為保證結構施工安全，擬對斜井段XDK0+236～+360段采用帷幕注漿加固地層。

圖1 斜井海域段地質縱斷面圖

表1 地質勘察參數

2 注漿材料研究

2.1 原材料

采用福建龍鱗普通硅酸鹽水泥(P·O 42.5)，水泥比表面積為360 m2/kg。采用無堿速凝劑SA(setting accelerator)調節漿液凝結時間，速凝劑為液體，固含量在20%以上，pH值為2～3。采用萘系減水劑改善漿液流動性，其固含量在35%以上。以水泥為基材研制高抗滲注漿材料，并進行凝結時間、流動度等相關物理性能的檢測。

2.2 漿液主要參數

2.2.1 注漿材料的流動度、凝結時間及結石率

試驗選擇3種注漿水灰比，通過優選外加劑摻量調節漿液的流動度和凝結時間，得到最終配合比。優化選擇的注漿材料的工作性能如表2所示。

表2 優化選擇的注漿材料的工作性能

由表2可知： 1)注漿材料流動度大于240 mm，漿液的初凝時間小于2 h、終凝時間小于3 h，可保證漿液的可注性； 2)漿液結石率超過99%，可保證漿液的穩定性，提高抗滲性能。

2.2.2 抗壓強度

強度測試試件分為2類： 一類為空白樣，即水泥和水配制的漿液結石體； 另一類為注漿材料，即水泥、水及外加劑(無堿速凝劑和減水劑)配制的漿液結石體。圖2示出空白樣與注漿材料結石體經過淡水養護28 d后再置于人工海水養護各齡期的抗壓強度。可以看出： 1)水灰比增大，結石體的強度降低，而隨著養護時間的延長，空白樣結石體與注漿材料結石體的抗壓強度均不斷增長，且在同水灰比條件下，注漿材料的抗壓強度高于空白樣； 2)外加劑的摻入對注漿材料結石體早期強度的提高非常明顯； 3)后期(28～90 d)海水養護條件下結石體的抗壓強度均有較大增長。

C表示空白試驗; Z表示注漿材料; 數字表示水灰比。下同。

圖2 不同養護條件下結石體的抗壓強度

Fig. 2 Compression strength of reinforced body under different curing conditions

2.2.3 抗滲性

參照GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》中的“抗水滲透試驗”方法成型頂面直徑175 mm、底面直徑185 mm、高度150 mm的漿體試塊，每組6個，進行抗水滲透實驗，其結果如表3所示。可以看出： 1)水灰比對試件的抗水滲透性能影響較大，隨著水灰比增大，試塊平均滲水高度增大，端面滲水試塊個數變多； 2)注漿材料的抗滲性能優于同水灰比的空白樣。

表3 抗水滲透實驗結果

2.2.4 膨脹特性

海水養護下空白樣結石體及注漿材料結石體的膨脹率如圖3所示。可以看出： 1)結石體在早期快速膨脹，且注漿材料的膨脹率大于同水灰比的空白樣； 2)在后期，空白樣體積不斷收縮，而注漿材料體積基本保持穩定，具有微膨脹特性。注漿材料結石體的微膨脹有利于地層孔洞空間的密實填充，提高其抗滲性能。

圖3 海水養護下結石體的膨脹率

Fig. 3 Expanding rate of reinforced body under curing condition of seawater

3 工程應用

3.1 注漿設計

注漿采用66孔注漿方案，以隧道中心點為圓心，沿6圈同心圓均勻布孔，A—E序每圈12個孔，F序圈6個孔，序圈間距0.45 m，最大半徑A圈 2.7 m，最小半徑F圈0.45 m，孔底位置沿中心線投影長度依次為10、15、20、25、30 m，加固范圍為隧道最大輪廓外5 m。注漿孔位布置圖如圖4所示。注漿方案示意圖如圖5所示。注漿設計參數如表4所示。

圖4 注漿孔位布置圖(單位： m)

圖5 注漿方案示意圖(單位： m)

名稱數值備注縱向加固段長/m30環向加固范圍 開挖輪廓線外5m及開挖掌子面漿液擴散半徑/m1.5注漿速度/(L/min)5～110注漿終壓/MPa靜水壓力+0.5～1.5 根據試驗段調整終孔間距/m2.2注漿方式 前進式分段注漿,結合PVC孔底一次性注漿 根據實際地層調整注漿孔個數66檢查孔數量占比/%5～10孔口管/mm?108,壁厚5

3.2 注漿施工

現場主要施工方法為前進式結合PVC孔底一次性注漿，施工工藝如下： 1)采用潛孔錘開孔至設計深度，安裝孔口管； 2)采用三翼鉆頭沿孔口管內部鉆至設計段長或塌孔出水處，將鉆桿取出后，下入PVC套管，沿PVC管將漿液灌至孔底； 3)重復步驟2)至本孔完成。

在注漿施工過程中如遇以下情況則采用表2的3種配比漿材注漿。

1)第1循環XDK0+236～+266、第2循環XDK0+266～+296遇出水、塌孔，即打鉆不出渣、不返風，采用配合比1漿材堵水加固地層。

2)在每循環注漿初期遇寬張裂隙，長時間注漿無壓力，則采用配比1和配比2漿材交替注漿。

3)在每循環注漿初期遇止漿墻開裂及漏漿現象，采用配比3漿材注漿。

在開挖結束后，經開挖揭示，發現配比1(低水灰比)漿材漿脈較細，配比3(高水灰比)漿材漿脈較寬，證明在相同壓力下，該配比3漿材主要以滲透形式擴散，配比1漿材主要以擠密、劈裂形式加固地層； 但在富水段，低配合比漿材凝結時間較快，體現了較好的堵水效果。

4 應用效果與評定

4.1 檢查孔法檢驗與評價

采用鉆孔檢查法對注漿效果進行了檢查，根據注漿狀況，選擇注漿范圍內可能存在薄弱的注漿部位布設檢查孔。檢查孔鉆深為開挖段長度以內并預留3 m段。根據檢查孔涌水量來決定是否須補設注漿孔。檢查孔的數量一般按總注漿孔的5%～10%布設，本次檢查孔數量為7個。

由檢查孔鉆孔情況可知： 右側出水量較大，最大出水量為0.15 L/(m·min)；左側出水量較小，最大出水量為0.1 L/(m·min)。從檢查孔來看，7個檢查孔單孔出水量均不大于0.2 L/(m·min)的控制標準，注漿效果良好，達到了注漿止水的目的。

4.2 隧道開挖后效果檢查

由開挖揭示的情況可知： 1)開挖至注漿前段(0～10 m)比較干燥，無明顯水跡，漿脈發育較多，說明注漿效果不錯； 2)開挖至注漿中段(10～20 m)掌子面右側拱腰位置有少量水滴，有濕痕； 3)開挖至注漿后段(20～25 m)掌子面基本能夠自穩，右側拱腳處出現滲水，在進行小導管補充注漿后，開挖順利完成。注漿后開挖效果如圖6所示。可以說明，該注漿材料能夠滿足廈門地區水域環境下圍巖強化和防滲水的要求。

(a) XDK0+245(第1循環)

(b) XDK0+260(第2循環)

5 結論與體會

1)通過室內試驗研究，根據施工情況調整水灰比為0.65、0.8和1.0 3種漿液外加劑摻量，控制注漿液體的流動性和初凝時間，可滿足隧道內不同注漿部位的需求。注漿材料漿液結石率高，早期強度快速增長，后期強度穩定。注漿材料氣孔孔徑減小、封閉孔的形成及結石體的微膨脹特性有利于注漿材料抗滲性能的提高。

2)在廈門地鐵3號線100余m的注漿施工試驗和應用中，根據不同地質和水文條件選用一種或多種配比漿材交替注漿達到了快速加固堵水的目的，開挖后加固體強度和單孔涌水量驗證了高抗滲注漿材料能夠滿足廈門地區水域環境下的施工要求。

3)由于受現場注漿設備條件限制，暫未進行水灰比低于0.65漿材的現場注漿試驗，后續工作應對此展開研究，以滿足較大涌水量時現場注漿需求。

[1] 楊米加, 陳明雄, 賀永年. 注漿理論的研究現狀及發展方向[J]．巖石力學與工程學報，2001, 20(6): 839． YANG Mijia, CHEN Mingxiong, HE Yongnian. Current research state of grouting technology and its development direction in future[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2001, 20(6): 839.

[2] 王紅喜，田焜，丁慶軍，等. 適宜于高壓飽水條件下的同步注漿材料性能研究[J]．施工技術，2007, 36(5): 97. WANG Hongxi, TIAN Kun, DING Qingjun, et al. Research on the performance of synchronous grouting material under rich and high water pressure[J]. Construction Technology,2007， 36(5): 97.

[3] 張小平， 劉艷華， 張小蒙，等. 泡沫輕質材料試驗研究的均勻設計方法及配方優化[J]. 巖土力學，2004， 25(8)： 1323． ZHANG Xiaoping, LIU Yanhua, ZHANG Xiaomeng, et al. Uniform design method and mix proportion optimization for experimental research on foam lightweight material[J]. Rock and Soil Mechanics, 2004， 25(8): 1323.

[4] 李慎剛，趙文，杜嘉鴻. 滲透注漿試驗研究現狀及展望[J]．路基工程， 2010(3): 41． LI Shengang, ZHAO Wen, DU Jiahong. Research situation and prospect on osmotic grouting test[J]. Subgrade Engineering, 2010(3): 41．

[5] 劉瑾，張峰君，陳曉明，等．新型水溶性高分子土體固化劑的性能及機理研究[J]．材料科學與工程，2001， 19(4)： 62． LIU Jin, ZHANG Fengjun, CHEN Xiaoming, et al. Study of the soil hardening properties and mechanism of a new water soluble polymeric soil hardening agent[J]. Materials Science and Engineering, 2001, 19(4): 62.

[6] 阮文軍，王文臣，胡安兵. 新型水泥復合漿液的研制及其應用[J]. 巖土工程學報，2001， 23(2): 212. RUAN Wenjun, WANG Wenchen, HU Anbing. Development and application of new kind of cement composite grout[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2001, 23(2): 212.

[7] 涂鵬，王星華．海底隧道注漿材料試驗研究及工程應用[J]．鐵道工程學報，2010，9(9): 51． TU Peng, WANG Xinghua. Experimental study of grouting materials for submarine tunnel and their application[J]. Journal of Railway Engineering Society, 2010, 9(9): 51.

[8] 周茗如，蘇波濤，彭新新，等．復合水泥基速凝注漿材料的試驗研究[J]．建筑科學， 2017， 33(1): 52． ZHOU Mingru, SU Botao, PENG Xinxin, et al. Experimental study of composite cementitious fast-gelling grouting material[J]. Building Science, 2017, 33(1): 52.

[9] 陳鐵林，滕紅軍，張頂立．廈門翔安海底隧道富水砂層注漿試驗[J]．巖石力學與工程學報，2007(增刊2)： 3711． CHEN Tielin, TENG Hongjun, ZHANG Dingli. Grouting test on water-enriched sand layer of Xiamen Xiang′an Subsea Tunnel[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2007(S2): 3711.

[10] 胡安兵，徐會文，楊敏.新型注漿材料試驗研究[J]．巖土工程學報，2005，27(2)： 210． HU Anbing, XU Huiwen, YANG Min. Experiments on a new type of grout[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2005, 27(2): 210.

[11] 趙繼增．青島膠州灣海底隧道涌水斷層全斷面帷幕注漿技術研究[J]．山東大學學報(工學版)，2009， 39(6)： 116． ZHAO Jizeng. Study of full-face curtain grouting on water-burst fault in subsea tunnel[J]. Journal of Shandong University (Engineering Science), 2009, 39(6): 116.

[12] 薛翊國， 李術才, 蘇茂鑫， 等．青島膠州灣海底隧道涌水斷層注漿效果綜合檢驗方法研究[J]．巖石力學與工程學報，2011， 30(7): 1383． XUE Yiguo, LI Shucai, SU Maoxin, et al. Stduy of comprehensive test method for grouting effect of water filling fault in Qingdao Kiaochow Subsea Tunnel[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2011, 30(7): 1383.

[13] 夏小亮.注漿材料優化配比與注漿試驗研究[D]．淮南: 安徽理工大學，2011． XIA Xiaoliang. Study of the optimization ratio of grouting materials and grouting experiment[D]．Huainan: Anhui University of Science and Technology，2011.

[14] 張民慶，張文強，孫國慶．注漿效果檢查評定技術與應用實例[J]．巖石力學與工程學報，2006，25(增刊2): 3909． ZHANG Minqing, ZHANG Wenqiang, SUN Guoqing. Evaluation technique grouting effect and its application to engineering[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2006, 25(S2): 3909.

[15] 李治國，孫振川，王小軍，等. 廈門翔安海底服務隧道F1風化槽注漿堵水技術[J]. 巖石力學與工程學報，2007，26(增刊2): 3841． LI Zhiguo, SUN Zhenchuan, WANG Xiaojun, et al. Grouting technology for water blockage of weathered slot F1 in Xiamen Xiang′an subsea service tunnel[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2007, 26(S2): 3841.

Study and Application of High-impervious Grouting Material to Ground Reinforcement of Underwater Metro Tunnel

ZHUO Yue, JIAO Lei

(Survey,DesignandResearchInstituteofChinaRailwayTunnelGroupCo.,Ltd.,Guangzhou511458,Guangdong,China)

The high-impervious grouting material prepared by Portland cement, alkali free additive and high-efficient water reducer is used in ground reinforcement of underwater metro tunnel. The performances of Portland cement grout, i. e. setting time, fluidity and impermeability, under different mixing proportions of additives are analyzed by indoor test. The test results show that the fluidity of the grout can reach 230-270 mm; the setting time of the grout is less than 2 h and the impermeable grade is higher than P8 when the water-cement ratio reaches 0.65-1.0. Finally, the applicable conditions of grout under 3 proportions are determined by grouting test of prepared grout in mined tunnel of inclined shaft of Wuyuan Bay Station-Convention Center Station Section on Line No. 3 of Xiamen metro; the ground reinforcement effect of the high-impervious grouting material is testified by strength and impermeability of the ground reinforced.

grouting material; impermeability; fluidity; setting time

2017-05-01;

2017-06-10

卓越(1965—)，男，安徽靈璧人，2013年畢業于北京交通大學，巖土工程專業，博士，教授級高級工程師，主要從事隧道與地下工程科研和施工管理工作。E-mail: fxyzz@sohu.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.08.003

U 45

A

1672-741X(2017)08-0933-06