南京地铁软—流塑淤泥质地层劈裂注浆试验研究
摘要: 针对南京地铁南北线一期工程某区间隧道软—流塑地层的大管棚加小导管超前注浆预加固工程,对软—流塑淤泥质地层劈裂注浆加固的机理及主要影响因素进行了分析,对注浆效果、浆体材料及配比进行了试验研究。现场试验表明,采用劈裂注浆加固是可行的,且效果显著。关键词: 软—流塑淤泥质地层;劈裂注浆;水泥-水玻璃双液;初凝时间;现场试验南京地铁南北线一期工程珠江路站—鼓楼站和鼓楼站—玄武门站两区间隧道,设计采用矿山法修建,而在软—流塑淤泥质粘土中采用矿山法修建隧道,必须对土体进行预加固。软—流塑淤泥质粉质粘土具有含水量大、透水性差、可注性差等特点,普通注浆不能解决问题,须采用压力注浆。本文结合工程需要,对劈裂注浆加固的原理、浆体材料、浆液配比及注浆效果等进行试验研究。
1 工程概况
两区间隧道施工困难地段为珠江路站北端与玄武门站南端。在珠江路站北端段,隧道穿过地层为软— 流塑状粉质粘土,覆土厚度约9m , 地面有2 栋7 层楼房、1 栋4 层楼房和1 条700 污水管; 在玄武门站南端段,隧道穿过地层为软—流塑状淤泥质粉质粘土,覆土厚度约8m , 地面有2 栋2 层楼房、3 栋5 层楼房和1 条Φ900 污水管。以上两段软—流塑粉质粘土、淤泥质粉质粘土,强度低,灵敏度高,开挖后自稳能力极差,易产生塌方,地面沉降难以控制,严重时可能发生涌泥现象,使施工无法进行。
2 施工方案
经工程调研和论证[ 1 ] ,决定采用台阶分步开挖法施工,同时采用大管棚+ 小导管超前预注浆的辅助工法(图1 、图2) 。长管棚结合小导管注浆和掌子面超前
图1 大管棚+ 小导管超前注浆示意图
Ⅰ—小导管超前注浆; Ⅱ—掌子面封闭注浆; Ⅲ—台阶开挖; Ⅳ—下台阶开挖; Ⅴ—大管棚支护; Ⅵ—下台阶初期支护; Ⅶ—拱部初期支护预注浆法,是在隧道拱部打设长管棚和小导管注浆,对拱部进行加固和超前支护,并对隧道掌子面的地层进行注浆改良,然后在管棚和加固拱圈的保护下进行开挖、支护与衬砌。为进一部控制地表沉降,保护地面环境,在开挖及一次支护完成后,即初期支护封闭成环后,在其背后及时进行回填和固结注浆。该方法使用
图2 掌子面注浆孔布置图
大管棚超前支护,以提高地层的稳定性,减少地面的沉降,小导管主要用于补遗和加强; 长管全断面一次注浆,以加固开挖轮廓线以内的软土,防止发生洞内涌泥;长管注浆的先后顺序是从四周向中间挤压,中间预留排水孔排水,以提高注浆加固的效果,同时根据注浆时的跑浆情况,必要时进行二次注浆。3 劈裂注浆加固原理
劈裂注浆是目前应用最广的注浆方法之一,它既可适应于渗透性较好的砂层,又可适应于渗透性差的粘土层[2 ] 。劈裂注浆采用高压注浆工艺,将水泥或化学浆液等注入土层以改善土层性质。在注浆过程中, 注浆管出口的浆液对周围地层施加了附加压应力,使土体发生剪切裂缝,而浆液则沿着裂缝从土体强度低的地方向强度高的地方劈裂,劈入土体中的浆体便形成了加固土体的网络或骨架。由于浆液在劈入土层过程中并不是与土颗粒均匀混合,而是呈两相各自存在, 所以从土的微观结构分析,土除受到部分的压密作用外,其他物理力学性能的变化并不明显,故其加固效果应从宏观上来分析,即应考虑土体的骨架效应[2 ,3 ] 。
4 注浆材料
隧道所通过的地层为淤泥质粉质粘土,含水量大, 透水性差,在此土层中采用劈裂注浆法加固时,不但存在土体受压后固结问题,还存在浆液本身的固结问题, 浆液固结后如有多余的水分,它在粘土内无法排出,只能靠粘土中被劈开的裂隙排出,因此采用水泥浆液或水泥粘土浆液时会造成到处跑浆现象。水泥-水玻璃双液不仅具备水泥浆的特点,而且还兼有某些化学浆液的特点,如浆液胶凝时间可在几秒至几十分钟之间准确控制, 结石体抗压强度高, 结石率可达98 %～ 100 % , 可注性比纯水泥浆明显提高[ 4 ] 。采用水泥-水玻璃双液可克服注浆过程中的跑浆现象,有效提高固结土体早期强度,也有利于浆脉周围被挤压土体的再固结和整个地层强度的提高。
4.1.1 水泥-水玻璃浆液性能
(1) 凝胶时间 水玻璃能显著加快水泥浆的凝胶作用,短时间内使浆液变稠,流动性变差。浆液凝胶时间随水玻璃浓度、水泥浆浓度、水玻璃与水泥浆的体积比以及温度等因素的变化而变化。一般情况下,在一定范围内,水玻璃浓度变小,凝胶时间缩短,两者呈直线关系;水灰比越小,水泥与水玻璃的反应越快,凝胶时间越短。总的来说,水泥浆越浓,反应越快,水玻璃越稀则反应越快。
(2) 抗压强度 对于水泥-水玻璃浆液,决定其浆液结石体抗压强度的主要因素是水泥浆的浓度,其他条件一定时,水泥浆越浓,其抗压强度越高; 当水泥浆浓度较大时,随水玻璃浓度的增大,抗压强度增高; 水泥浆浓度较小时,随水玻璃浓度的增加,抗压强度降低;但当水泥浆浓度处于中间状态时,水玻璃浓度对其抗压强度影响不大[5 ] 。水泥浆与水玻璃的体积比对抗压强度也有较大影响。一般情况,浓水泥浆需要浓水玻璃,稀水泥浆需要稀水玻璃,水玻璃过量对其抗压强度将产生不良影响。
4.1.2 水泥和水玻璃的反应机理
水泥的凝结和硬化主要是水泥水化析出凝胶性的胶体物质所引起的。水泥水化生成硅酸二钙、硅酸三钙和氢氧化钙,当加入水玻璃以后,水玻璃马上与新生成的氢氧化钙反应,生成具有一定强度的凝胶体水化硅酸钙,因此,水玻璃的加入加快了水泥的水化速度, 也加快了水泥的凝结和硬化[ 6 ] :
3CaO· SiO2 + nH2O →2CaOSiO2 ·( n -1)H2O + Ca(OH)2 Ca(OH)2 + Na2O·nSiO2 + m H2O → CaO·nSiO2 ·m H2O + 2NaOH
随着水玻璃与氢氧化钙之间反应的进行,生成的胶体质越来越多,结石体强度也越来越高,所以水泥-水玻璃浆液结石体的初期强度是水玻璃与氢氧化钙的反应起主要作用,而后期强度是水泥本身的水化起主要作用。因水泥水化生成的氢氧化钙的量是固定的, 因而与之反应的水玻璃的量也是固定的,如果水玻璃加入过量,水玻璃的增加反而会使整个体系稀释,使固结体强度下降,所以水泥与水玻璃应有一个合适的配比。
5 室内试验
511 试验方案及材料
为确定合适的注浆材料及配比,试验分两个步骤进行。第一步通过对浆液凝结时间、净浆立方体抗压强度(40mm ×40mm ×40mm) 与水泥品种关系的研究, 选出两种合适的水泥品种;第二步对选出的两种浆材, 通过对其与水玻璃反应特性的比较,从中选出最合适的水泥品种、水灰比及水玻璃加量范围。试验采用正交设计方法安排,用多指标综合平衡法分析试验结果。
试验材料: (1) HC —T 高强无收缩超细灌浆材料;
(2) HC —T 凝结时间可调超细灌浆材料;
(3) HC —P 超细灌浆材料;
(4) HC —K 早强型超细灌浆材料;
(5) 425 号普通硅酸盐水泥;
(6) 325 号普通硅酸盐水泥;
大凝结时间增长,浆液流动度增大,且在试验范围内612 注浆效果呈现线性变化;随水玻璃加量的增多,浆液胶凝时间缩
(1) 注浆加固范围 注浆是隐蔽性工程,为保证短,流动度减小;在水灰比相等的情况下, HC —T 凝结注浆质量,应对注浆效果进行检查。试验后对掌子面时间可调超细灌浆材料与水玻璃的反应更快,且水灰加固土体进行开挖,开挖到止浆岩盘,目测注浆加固范比变化对凝结时间和流动性的影响更小,浆液更稳定。围,从掌子面开挖效果看,浆脉分布明显,注浆孔周围因此,决定采用HC —T 凝结时间可调超细灌浆材料进有明显的挤密土体,说明劈裂注浆起到了加固土体的行现场对比试验。效果。
(2) 地面沉降及拱顶下沉 通过科研试验段的施6 现场试验工,采用设计方案,顺利地通过了该段软弱土层,施工611 注浆材料及注浆压力时未发生洞内涌泥现象,地面沉降和隧道周边变形也 现场对比试验采用两种注浆材料: ① 大管棚: 得到了有效控制。经现场监控量测,除交叉口段地面沉降过多,超过30mm 外,其余地段地表沉降及拱顶下沉值均不超过30mm , 满足规范要求。
(3) 浆液分析 通过试验段的施工,发现HC —T 凝结时间可调超细注浆材料,即使在软流塑地层中也能快速凝结,使土体得到加固。而盾构1 标在盾构机出口段进行注浆加固施工中,曾发生普通水泥-水玻璃双液浆在软流塑地层中不凝固的现象,后改注HC — T 凝结时间可调超细注浆材料,盾构机才出洞。
7 结论
(1) 采用“大管棚+ 小导管超前预注浆+ 掌子面封闭注浆”,劈裂注浆工法,能有效地加固软流塑地层,防止隧道开挖时发生坍塌和洞内涌泥等现象,有效控制地面沉降和隧道周边变形。
(2) 采用劈裂注浆法加固软—流塑淤泥质粉质粘土地层,要求浆液粘稠,能快速凝固,固结体早、后期强度高。通过大量的室内及现场试验,证明HC —T 凝结时间可调超细灌浆材料,当其水灰比为016～018 、水玻璃浓度Be25°左右、水玻璃加量1 %～3 % 时,符合注浆加固工程的要求。
(3) HC —T 凝结时间可调注浆材料双液浆,其加固效果明显优于普通水泥-水玻璃双液浆,能快速凝固, 固结体强度高,但其造价较高。普通水泥-水玻璃浆液凝结时间长,甚至出现不凝固的现象,但造价较低, 可在地层较好时采用。
参考文献:
[ 1 ] 上海市市政工程管理局. 软土市政地下工程施工技术手册[ R ] . 上海:上海市政工程管理局,1990.
[ 2 ] 雷风,袁辉,扬春满. 地铁隧道底部土体分层劈裂注浆加固的施工与监测[J ] . 世界隧道,1998 , (5) :37 39.
[ 3 ] 章耿. 上海软土地基劈裂注浆现场试验[J ] . 建筑施工,1995 ,17(5) :26 -29.
[ 4 ] 周书明,陈建军,等. 软流塑淤泥质地层地铁区间隧道劈裂注浆加固[J ] . 岩土工程学报, 2002 ,24 (2) : 222 -224.
[ 5 ] 杜嘉洪,张崇瑞,何修仁,等. 地下建筑注浆工程简明手册[M] . 北京:科学出版社,1998.
[ 6 ] 王星华. 粘土固化浆液在地下工程中的应用[M] . 北京: 中国铁道出版社,1998.
原作者：张旭芝,符飞跃, 王星华
