超細(xì)水泥-水玻璃雙液漿性能及注漿止水效果試驗(yàn)研究

鄭昊 李兆平 王子元 趙秀海

1.北京市政建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司， 北京 100089； 2.北京交通大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院， 北京 100044

1 工程概況

北京地鐵14號(hào)線高家園站為單層側(cè)式站臺(tái)車(chē)站，站臺(tái)層和集散廳分離布置，通過(guò)暗挖通道（S1—S3、X1—X3等）連接，見(jiàn)圖1。

圖1 暗挖通道與車(chē)站主體結(jié)構(gòu)的位置關(guān)系

暗挖通道地表為萬(wàn)紅西街，并鄰近建筑物，對(duì)道路豎向位移的控制要求嚴(yán)格。沉降不大于30 mm，隆起不大于10 mm。

該工程S1 暗挖通道長(zhǎng)度為30.75 m，穿越地層主要為第四系富水粉細(xì)砂層，標(biāo)準(zhǔn)段斷面開(kāi)挖尺寸為7.80 m × 6.00 m，抬高段斷面開(kāi)挖尺寸為7.80 m ×8.75 m。通道縱剖面見(jiàn)圖2。通道采用交叉中隔壁（Cross Diaphragm，CRD）法施工，分4 個(gè)導(dǎo)洞開(kāi)挖，上下層各2個(gè)導(dǎo)洞，開(kāi)挖之前須深孔注漿止水加固地層。穿越富水地層時(shí)對(duì)暗挖隧道注漿止水的漿液主要有普通水泥漿液、普通水泥-水玻璃雙液漿等［1-3］。本工程原設(shè)計(jì)的注漿漿液為普通水泥-水玻璃雙液漿，采用該漿液對(duì)地層進(jìn)行注漿止水加固，上層的2 個(gè)導(dǎo)洞已經(jīng)開(kāi)挖15.85 m，下層2個(gè)導(dǎo)洞未開(kāi)挖。由于普通水泥顆粒粒徑一般在10 ～ 20 μm，大于等于粉細(xì)砂顆粒間隙（約10 μm），漿液很難滲入，需要將注漿壓力增大至1 MPa左右，迫使?jié){液通過(guò)劈裂方式進(jìn)入地層，達(dá)到止水和加固地層的目的。由于注漿壓力過(guò)大，在注漿過(guò)程中萬(wàn)紅西街道路發(fā)生大面積隆起，且暗挖通道出現(xiàn)涌水、涌砂現(xiàn)象。

圖2 S1通道縱剖面（單位：cm）

為有效控制注漿造成的地表道路隆起，提出超細(xì)水泥-水玻璃雙液漿注漿止水方案。超細(xì)水泥粒徑主要在7 ～ 11 μm，最小粒徑在1.15 ～ 1.32 μm，粒徑小于10 μm 的顆粒占比近60%，因此超細(xì)水泥能有效滲入粉細(xì)砂顆粒間隙。

目前該漿液多用于破碎巖體或裂隙發(fā)育巖體的注漿止水［4-6］，在第四紀(jì)粉細(xì)砂地層的注漿應(yīng)用并不多見(jiàn)。本文通過(guò)試驗(yàn)方法研究超細(xì)水泥-水玻璃雙液漿的主要性能，確定漿液的配合比，并在工程現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行注漿止水效果試驗(yàn)。

2 漿液性能試驗(yàn)

2.1 試樣制備

所采用的超細(xì)水泥-水玻璃雙液漿由超細(xì)水泥漿液（A 液）、水玻璃溶液（B 液）和緩凝劑配制而成，A 液與B 液的體積比為1∶1。由于磷酸氫二鈉能有效延緩水泥、水玻璃的凝膠時(shí)間［7］，選擇磷酸氫二鈉作為緩凝劑。為了研究配合比對(duì)漿液性能的影響，共設(shè)計(jì)0.8、1.0、1.2三組水灰比。

在每組試樣中，磷酸氫二鈉與超細(xì)水泥的質(zhì)量比分別為0、2.5%，水玻璃波美度分別為20、30 °Bé。共組合成12 組試樣，見(jiàn)表1。對(duì)每組試樣分別測(cè)試凝膠時(shí)間、凝結(jié)時(shí)間和固結(jié)體抗壓強(qiáng)度。

表1 試樣配合比

2.2 測(cè)試方法

凝膠時(shí)間為從A、B 液混合至失去流動(dòng)性的時(shí)間，其測(cè)試方法按照J(rèn)C/ T 2536—2019《水泥-水玻璃灌漿材料》執(zhí)行。凝膠時(shí)間一般控制在數(shù)十秒內(nèi)。對(duì)于富水地層，若凝膠時(shí)間太短，漿液擴(kuò)散范圍有限，容易造成注漿管堵塞；若凝膠時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，注入到地層中后易被地下水沖刷，所以用此指標(biāo)衡量漿液的流動(dòng)性。

漿液凝結(jié)時(shí)間是指漿液凝結(jié)成具有一定強(qiáng)度的固結(jié)體所用的時(shí)間，分為初凝時(shí)間和終凝時(shí)間。漿液凝結(jié)時(shí)間按照GB/ T 1346—2011《水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度、凝結(jié)時(shí)間、安定性檢驗(yàn)方法》測(cè)試。

按照GB/ T 17671—2021《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法》中的要求制作固結(jié)體強(qiáng)度試件，養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期，測(cè)試其抗壓強(qiáng)度。

2.3 測(cè)試結(jié)果及分析

2.3.1 凝膠時(shí)間

超細(xì)水泥-水玻璃雙液漿凝膠時(shí)間隨水灰比變化曲線見(jiàn)圖3。其中：P2.5 + B20 代表所配制的漿液中磷酸氫二鈉質(zhì)量摻量為2.5%，水玻璃波美度為20 °Bé，其他以此類(lèi)推。可知：①漿液凝膠時(shí)間隨水灰比增加而增大，摻入磷酸氫二鈉可明顯延長(zhǎng)漿液凝膠時(shí)間，增加漿液流動(dòng)性；③磷酸氫二鈉摻量相同，水玻璃波美度為30 °Bé時(shí)漿液凝膠時(shí)間比波美度為20 °Bé時(shí)短，這說(shuō)明增大水玻璃波美度可以縮短漿液凝膠時(shí)間。

圖3 超細(xì)水泥-水玻璃雙液漿凝膠時(shí)間隨水灰比變化曲線

2.3.2 凝結(jié)時(shí)間

超細(xì)水泥-水玻璃雙液漿凝結(jié)時(shí)間隨水灰比變化曲線見(jiàn)圖4。可知：①漿液的初凝時(shí)間及終凝時(shí)間均隨水灰比增加而增加；②水玻璃波美度為20 °Bé 時(shí)，磷酸氫二鈉的摻入會(huì)縮短漿液凝結(jié)時(shí)間，而水玻璃波美度為30 °Bé 時(shí)，磷酸氫二鈉的摻入會(huì)延長(zhǎng)漿液凝結(jié)時(shí)間；③不同磷酸氫二鈉摻量下，水玻璃波美度為20 °Bé 時(shí)漿液初凝、終凝時(shí)間均明顯高于水玻璃波美度為30 °Bé 時(shí)，說(shuō)明提高水玻璃波美度可以明顯縮短漿液凝結(jié)時(shí)間。

圖4 超細(xì)水泥-水玻璃雙液漿凝結(jié)時(shí)間隨水灰比變化曲線

2.3.3 固結(jié)體抗壓強(qiáng)度

固結(jié)體抗壓強(qiáng)度隨齡期變化曲線見(jiàn)圖5。其中，W/S0.8 + B20 代表所配制的漿液中水灰比為0.8，水玻璃波美度為20 °Bé，其他以此類(lèi)推。可知：①不論是否摻入磷酸氫二鈉，從總體上看，固結(jié)體抗壓強(qiáng)度隨齡期增長(zhǎng)而增大。②水灰比增大會(huì)降低固結(jié)體抗壓強(qiáng)度。水灰比相同時(shí)，水玻璃波美度為30 °Bé 時(shí)固結(jié)體抗壓強(qiáng)度小于波美度為20 °Bé 時(shí)，表明水玻璃波美度越大，固結(jié)體抗壓強(qiáng)度越低。③磷酸氫二鈉摻量為2.5%時(shí)固結(jié)體抗壓強(qiáng)度小于不摻磷酸氫二鈉時(shí)，說(shuō)明磷酸氫二鈉的摻入會(huì)降低固結(jié)體抗壓強(qiáng)度。

圖5 固結(jié)體抗壓強(qiáng)度隨齡期變化曲線

2.3.4 超細(xì)水泥-水玻璃雙液漿配合比確定

漿液凝膠時(shí)間是配合比設(shè)計(jì)時(shí)首先要考慮的指標(biāo)。根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)，漿液凝膠時(shí)間宜控制在60 ～ 90 s。有3 組配合比滿足要求（參見(jiàn)圖3），分別是：①磷酸氫二鈉摻量2.5%，水玻璃波美度20 °Bé，水灰比1.0；②磷酸氫二鈉摻量2.5%，水玻璃波美度20 °Bé，水灰比1.2；③磷酸氫二鈉摻量2.5%，水玻璃波美度30 °Bé，水灰比1.2。

綜合考慮上述3 組漿液的凝膠時(shí)間、終凝時(shí)間和固結(jié)體抗壓強(qiáng)度，最后確定本工程超細(xì)水泥-水玻璃雙液漿配合比為：A 液為超細(xì)水泥凈漿，水灰比為1.0；B 液為水玻璃溶液，波美度為20 °Bé；緩凝劑為磷酸氫二鈉，摻量為2.5%。A 液約占總注漿量的80%，B液與緩凝劑各占約10%。

3 超細(xì)水泥漿液中顆粒運(yùn)移規(guī)律

顆粒流方法是從微觀角度研究介質(zhì)的力學(xué)特性，因此可以模擬土體等多孔散體介質(zhì)的力學(xué)行為［8］。

為掌握超細(xì)水泥漿液在粉細(xì)砂地層中的擴(kuò)散規(guī)律，給超細(xì)水泥-水玻璃雙液漿注漿壓力設(shè)定、注漿孔位布置等提供參考，采用顆粒離散元軟件對(duì)超細(xì)水泥漿液中顆粒在粉細(xì)砂地層中的運(yùn)移過(guò)程進(jìn)行模擬，不考慮水玻璃和緩凝劑的作用。

3.1 微觀力學(xué)參數(shù)的標(biāo)定

顆粒流方法是通過(guò)不斷調(diào)整模型材料中顆粒大小、級(jí)配特性、顆粒間相互作用本構(gòu)模型、接觸方式以及相應(yīng)的微觀力學(xué)參數(shù)來(lái)反映所模擬材料的宏觀物理力學(xué)特性［9-10］，因此需要對(duì)計(jì)算模型的參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定。標(biāo)定后的地層物理力學(xué)參數(shù)和漿液微觀參數(shù)分別見(jiàn)表2、表3。

表2 標(biāo)定后地層物理力學(xué)參數(shù)

表3 超細(xì)水泥漿液微觀參數(shù)

3.2 計(jì)算模型

計(jì)算模型見(jiàn)圖6。模型長(zhǎng)度和寬度均為6 m，共生成17033 個(gè)顆粒。通過(guò)程序可以在注漿孔處施加一個(gè)恒定的注漿壓力。

圖6 計(jì)算模型

3.3 計(jì)算結(jié)果分析

單個(gè)注漿孔直徑為5 cm 時(shí)，不同注漿壓力下粉細(xì)砂地層中壓力分布見(jiàn)圖7。其中：注漿孔處壓力為設(shè)定的注漿壓力；從紅色到藍(lán)色壓力逐漸變小。超細(xì)水泥漿液中顆粒運(yùn)移距離見(jiàn)表4。

表4 不同注漿壓力下超細(xì)水泥漿液中顆粒運(yùn)移距離

圖7 不同注漿壓力下粉細(xì)砂地層中壓力分布

由圖7 和表4 可知：顆粒運(yùn)移距離隨注漿壓力增大而逐漸增大；在0.2 ～ 0.5 MPa 的低注漿壓力下，超細(xì)水泥漿液中顆粒在粉細(xì)砂地層中的運(yùn)移距離能夠達(dá)到23.3 ～ 40.8 cm，表現(xiàn)出滲透注漿的特點(diǎn)。注漿壓力為0.5 MPa 時(shí)，運(yùn)移距離可達(dá)40.8 cm，因此注漿孔間距可取50 cm左右。

4 現(xiàn)場(chǎng)注漿試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)方案

采用二重管無(wú)收縮雙液注漿法，在北京地鐵14號(hào)線高家園站S1暗挖通道進(jìn)行超細(xì)水泥-水玻璃雙液漿的注漿試驗(yàn)。根據(jù)表3 的數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果，注漿壓力取0.5 MPa，注漿孔直徑5 cm，注漿孔間距取50 cm，呈梅花形布置。

S1 通道未開(kāi)挖段斷面形式有標(biāo)準(zhǔn)段和抬高段2 種，注漿范圍見(jiàn)圖8。上層1、2 號(hào)導(dǎo)洞采用水平后退式深孔注漿方式，下層3、4 號(hào)導(dǎo)洞由上層導(dǎo)洞垂直向下打設(shè)注漿管進(jìn)行注漿。1、2號(hào)導(dǎo)洞未開(kāi)挖段分三個(gè)循環(huán)注漿開(kāi)挖，3、4號(hào)導(dǎo)洞分五個(gè)循環(huán)注漿開(kāi)挖，每個(gè)循環(huán)留2 m止?jié){墻。

圖8 注漿范圍（單位：m）

對(duì)S1暗挖通道注漿后掌子面滲漏水情況、地表豎向位移進(jìn)行了觀察和監(jiān)測(cè)。在2號(hào)導(dǎo)洞掌子面注漿固結(jié)體中取3個(gè)芯樣，測(cè)試無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

注漿第一個(gè)循環(huán)結(jié)束后各導(dǎo)洞掌子面沒(méi)有出現(xiàn)滲漏水情況，說(shuō)明超細(xì)水泥-水玻璃雙液漿止水效果良好。

為反映不同漿液注漿對(duì)地表變形的影響，在兩種漿液的接合部布置兩個(gè)地表變形監(jiān)測(cè)斷面（DB1 和DB2），見(jiàn)圖9。監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示：采用普通水泥-水玻璃雙液漿注漿施工過(guò)程中地表出現(xiàn)較大隆起，兩個(gè)監(jiān)測(cè)斷面中間測(cè)點(diǎn)DB1?2和DB2?2的最大隆起量分別為40.19、41.16 mm；改用超細(xì)水泥-水玻璃雙液漿注漿后，測(cè)點(diǎn)DB1?2 和DB2?2 最終隆起量分別降至22.11、20.87 mm，分別降低了44.99%、49.30%。

圖9 地表變形測(cè)點(diǎn)布置

2 號(hào)導(dǎo)洞3 個(gè)芯樣無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度分別為0.483、0.573、0.462 MPa，均滿足不小于0.3 MPa 的設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)論

1）根據(jù)對(duì)12 組漿液的流動(dòng)性、凝結(jié)時(shí)間、固結(jié)體強(qiáng)度的測(cè)試結(jié)果，提出了適用于本工程注漿止水用超細(xì)水泥-水玻璃雙液漿的配合比。

2）在0.5 MPa 的注漿壓力下，超細(xì)水泥漿液中顆粒在粉細(xì)砂地層中的運(yùn)移距離為40.8 cm，所以注漿壓力為0.5 MPa 時(shí)，注漿孔間距取50 cm，可實(shí)現(xiàn)漿脈的有效搭接。

3）對(duì)于富水粉細(xì)砂地層，采用超細(xì)水泥-水玻璃雙液漿不但注漿止水效果良好，而且開(kāi)挖面注漿固結(jié)體強(qiáng)度較高，有利于開(kāi)挖面的穩(wěn)定。