南京地鐵軟—流塑淤泥質(zhì)地層劈裂注漿試驗(yàn)研究

摘要: 針對南京地鐵南北線一期工程某區(qū)間隧道軟—流塑地層的大管棚加小導(dǎo)管超前注漿預(yù)加固工程,對軟—流塑淤泥質(zhì)地層劈裂注漿加固的機(jī)理及主要影響因素進(jìn)行了分析,對注漿效果、漿體材料及配比進(jìn)行了試驗(yàn)研究?，F(xiàn)場試驗(yàn)表明,采用劈裂注漿加固是可行的,且效果顯著。關(guān)鍵詞: 軟—流塑淤泥質(zhì)地層;劈裂注漿;水泥-水玻璃雙液;初凝時間;現(xiàn)場試驗(yàn)
　　南京地鐵南北線一期工程珠江路站—鼓樓站和鼓樓站—玄武門站兩區(qū)間隧道,設(shè)計采用礦山法修建,而在軟—流塑淤泥質(zhì)粘土中采用礦山法修建隧道,必須對土體進(jìn)行預(yù)加固。軟—流塑淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土具有含水量大、透水性差、可注性差等特點(diǎn),普通注漿不能解決問題,須采用壓力注漿。本文結(jié)合工程需要,對劈裂注漿加固的原理、漿體材料、漿液配比及注漿效果等進(jìn)行試驗(yàn)研究。
1 　工程概況
兩區(qū)間隧道施工困難地段為珠江路站北端與玄武門站南端。在珠江路站北端段,隧道穿過地層為軟— 流塑狀粉質(zhì)粘土,覆土厚度約9m , 地面有2 棟7 層樓房、1 棟4 層樓房和1 條700 污水管; 在玄武門站南端段,隧道穿過地層為軟—流塑狀淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土,覆土厚度約8m , 地面有2 棟2 層樓房、3 棟5 層樓房和1 條Φ900 污水管。以上兩段軟—流塑粉質(zhì)粘土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土,強(qiáng)度低,靈敏度高,開挖后自穩(wěn)能力極差,易產(chǎn)生塌方,地面沉降難以控制,嚴(yán)重時可能發(fā)生涌泥現(xiàn)象,使施工無法進(jìn)行。
2 　施工方案
經(jīng)工程調(diào)研和論證[ 1 ] ,決定采用臺階分步開挖法施工,同時采用大管棚+ 小導(dǎo)管超前預(yù)注漿的輔助工法(圖1 、圖2) 。長管棚結(jié)合小導(dǎo)管注漿和掌子面超前

圖1 　大管棚+ 小導(dǎo)管超前注漿示意圖

Ⅰ—小導(dǎo)管超前注漿; Ⅱ—掌子面封閉注漿; Ⅲ—臺階開挖; Ⅳ—下臺階開挖; Ⅴ—大管棚支護(hù); Ⅵ—下臺階初期支護(hù); Ⅶ—拱部初期支護(hù)預(yù)注漿法,是在隧道拱部打設(shè)長管棚和小導(dǎo)管注漿,對拱部進(jìn)行加固和超前支護(hù),并對隧道掌子面的地層進(jìn)行注漿改良,然后在管棚和加固拱圈的保護(hù)下進(jìn)行開挖、支護(hù)與襯砌。為進(jìn)一部控制地表沉降,保護(hù)地面環(huán)境,在開挖及一次支護(hù)完成后,即初期支護(hù)封閉成環(huán)后,在其背后及時進(jìn)行回填和固結(jié)注漿。該方法使用

圖2 　掌子面注漿孔布置圖

大管棚超前支護(hù),以提高地層的穩(wěn)定性,減少地面的沉降,小導(dǎo)管主要用于補(bǔ)遺和加強(qiáng); 長管全斷面一次注漿,以加固開挖輪廓線以內(nèi)的軟土,防止發(fā)生洞內(nèi)涌泥;長管注漿的先后順序是從四周向中間擠壓,中間預(yù)留排水孔排水,以提高注漿加固的效果,同時根據(jù)注漿時的跑漿情況,必要時進(jìn)行二次注漿。
3 　劈裂注漿加固原理
劈裂注漿是目前應(yīng)用最廣的注漿方法之一,它既可適應(yīng)于滲透性較好的砂層,又可適應(yīng)于滲透性差的粘土層[2 ] 。劈裂注漿采用高壓注漿工藝,將水泥或化學(xué)漿液等注入土層以改善土層性質(zhì)。在注漿過程中, 注漿管出口的漿液對周圍地層施加了附加壓應(yīng)力,使土體發(fā)生剪切裂縫,而漿液則沿著裂縫從土體強(qiáng)度低的地方向強(qiáng)度高的地方劈裂,劈入土體中的漿體便形成了加固土體的網(wǎng)絡(luò)或骨架。由于漿液在劈入土層過程中并不是與土顆粒均勻混合,而是呈兩相各自存在, 所以從土的微觀結(jié)構(gòu)分析,土除受到部分的壓密作用外,其他物理力學(xué)性能的變化并不明顯,故其加固效果應(yīng)從宏觀上來分析,即應(yīng)考慮土體的骨架效應(yīng)[2 ,3 ] 。
4 　注漿材料
隧道所通過的地層為淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土,含水量大, 透水性差,在此土層中采用劈裂注漿法加固時,不但存在土體受壓后固結(jié)問題,還存在漿液本身的固結(jié)問題, 漿液固結(jié)后如有多余的水分,它在粘土內(nèi)無法排出,只能靠粘土中被劈開的裂隙排出,因此采用水泥漿液或水泥粘土漿液時會造成到處跑漿現(xiàn)象。水泥-水玻璃雙液不僅具備水泥漿的特點(diǎn),而且還兼有某些化學(xué)漿液的特點(diǎn),如漿液膠凝時間可在幾秒至幾十分鐘之間準(zhǔn)確控制, 結(jié)石體抗壓強(qiáng)度高, 結(jié)石率可達(dá)98 %～ 100 % , 可注性比純水泥漿明顯提高[ 4 ] 。采用水泥-水玻璃雙液可克服注漿過程中的跑漿現(xiàn)象,有效提高固結(jié)土體早期強(qiáng)度,也有利于漿脈周圍被擠壓土體的再固結(jié)和整個地層強(qiáng)度的提高。
4.1.1 　水泥-水玻璃漿液性能
(1) 凝膠時間　水玻璃能顯著加快水泥漿的凝膠作用,短時間內(nèi)使?jié){液變稠,流動性變差。漿液凝膠時間隨水玻璃濃度、水泥漿濃度、水玻璃與水泥漿的體積比以及溫度等因素的變化而變化。一般情況下,在一定范圍內(nèi),水玻璃濃度變小,凝膠時間縮短,兩者呈直線關(guān)系;水灰比越小,水泥與水玻璃的反應(yīng)越快,凝膠時間越短?？偟膩碚f,水泥漿越濃,反應(yīng)越快,水玻璃越稀則反應(yīng)越快。
(2) 抗壓強(qiáng)度　對于水泥-水玻璃漿液,決定其漿液結(jié)石體抗壓強(qiáng)度的主要因素是水泥漿的濃度,其他條件一定時,水泥漿越濃,其抗壓強(qiáng)度越高; 當(dāng)水泥漿濃度較大時,隨水玻璃濃度的增大,抗壓強(qiáng)度增高; 水泥漿濃度較小時,隨水玻璃濃度的增加,抗壓強(qiáng)度降低;但當(dāng)水泥漿濃度處于中間狀態(tài)時,水玻璃濃度對其抗壓強(qiáng)度影響不大[5 ] 。水泥漿與水玻璃的體積比對抗壓強(qiáng)度也有較大影響。一般情況,濃水泥漿需要濃水玻璃,稀水泥漿需要稀水玻璃,水玻璃過量對其抗壓強(qiáng)度將產(chǎn)生不良影響。
4.1.2 　水泥和水玻璃的反應(yīng)機(jī)理
水泥的凝結(jié)和硬化主要是水泥水化析出凝膠性的膠體物質(zhì)所引起的。水泥水化生成硅酸二鈣、硅酸三鈣和氫氧化鈣,當(dāng)加入水玻璃以后,水玻璃馬上與新生成的氫氧化鈣反應(yīng),生成具有一定強(qiáng)度的凝膠體水化硅酸鈣,因此,水玻璃的加入加快了水泥的水化速度, 也加快了水泥的凝結(jié)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
隨著水玻璃與氫氧化鈣之間反應(yīng)的進(jìn)行,生成的膠體質(zhì)越來越多,結(jié)石體強(qiáng)度也越來越高,所以水泥-水玻璃漿液結(jié)石體的初期強(qiáng)度是水玻璃與氫氧化鈣的反應(yīng)起主要作用,而后期強(qiáng)度是水泥本身的水化起主要作用。因水泥水化生成的氫氧化鈣的量是固定的, 因而與之反應(yīng)的水玻璃的量也是固定的,如果水玻璃加入過量,水玻璃的增加反而會使整個體系稀釋,使固結(jié)體強(qiáng)度下降,所以水泥與水玻璃應(yīng)有一個合適的配比。
5 　室內(nèi)試驗(yàn)
511 　試驗(yàn)方案及材料
為確定合適的注漿材料及配比,試驗(yàn)分兩個步驟進(jìn)行。第一步通過對漿液凝結(jié)時間、凈漿立方體抗壓強(qiáng)度(40mm ×40mm ×40mm) 與水泥品種關(guān)系的研究, 選出兩種合適的水泥品種;第二步對選出的兩種漿材, 通過對其與水玻璃反應(yīng)特性的比較,從中選出最合適的水泥品種、水灰比及水玻璃加量范圍。試驗(yàn)采用正交設(shè)計方法安排,用多指標(biāo)綜合平衡法分析試驗(yàn)結(jié)果。
試驗(yàn)材料: (1) HC —T 高強(qiáng)無收縮超細(xì)灌漿材料;
(2) HC —T 凝結(jié)時間可調(diào)超細(xì)灌漿材料;
(3) HC —P 超細(xì)灌漿材料;
(4) HC —K 早強(qiáng)型超細(xì)灌漿材料;
(5) 425 號普通硅酸鹽水泥;
(6) 325 號普通硅酸鹽水泥;
大凝結(jié)時間增長,漿液流動度增大,且在試驗(yàn)范圍內(nèi)612 　注漿效果呈現(xiàn)線性變化;隨水玻璃加量的增多,漿液膠凝時間縮
(1) 注漿加固范圍　注漿是隱蔽性工程,為保證短,流動度減小;在水灰比相等的情況下, HC —T 凝結(jié)注漿質(zhì)量,應(yīng)對注漿效果進(jìn)行檢查。試驗(yàn)后對掌子面時間可調(diào)超細(xì)灌漿材料與水玻璃的反應(yīng)更快,且水灰加固土體進(jìn)行開挖,開挖到止?jié){巖盤,目測注漿加固范比變化對凝結(jié)時間和流動性的影響更小,漿液更穩(wěn)定。圍,從掌子面開挖效果看,漿脈分布明顯,注漿孔周圍因此,決定采用HC —T 凝結(jié)時間可調(diào)超細(xì)灌漿材料進(jìn)有明顯的擠密土體,說明劈裂注漿起到了加固土體的行現(xiàn)場對比試驗(yàn)。效果。
(2) 地面沉降及拱頂下沉　通過科研試驗(yàn)段的施6 　現(xiàn)場試驗(yàn)工,采用設(shè)計方案,順利地通過了該段軟弱土層,施工611 　注漿材料及注漿壓力時未發(fā)生洞內(nèi)涌泥現(xiàn)象,地面沉降和隧道周邊變形也　　現(xiàn)場對比試驗(yàn)采用兩種注漿材料: ① 大管棚: 得到了有效控制。經(jīng)現(xiàn)場監(jiān)控量測,除交叉口段地面沉降過多,超過30mm 外,其余地段地表沉降及拱頂下沉值均不超過30mm , 滿足規(guī)范要求。
(3) 漿液分析　通過試驗(yàn)段的施工,發(fā)現(xiàn)HC —T 凝結(jié)時間可調(diào)超細(xì)注漿材料,即使在軟流塑地層中也能快速凝結(jié),使土體得到加固。而盾構(gòu)1 標(biāo)在盾構(gòu)機(jī)出口段進(jìn)行注漿加固施工中,曾發(fā)生普通水泥-水玻璃雙液漿在軟流塑地層中不凝固的現(xiàn)象,后改注HC — T 凝結(jié)時間可調(diào)超細(xì)注漿材料,盾構(gòu)機(jī)才出洞。
7 　結(jié)論
(1) 采用“大管棚+ 小導(dǎo)管超前預(yù)注漿+ 掌子面封閉注漿”,劈裂注漿工法,能有效地加固軟流塑地層,防止隧道開挖時發(fā)生坍塌和洞內(nèi)涌泥等現(xiàn)象,有效控制地面沉降和隧道周邊變形。
(2) 采用劈裂注漿法加固軟—流塑淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土地層,要求漿液粘稠,能快速凝固,固結(jié)體早、后期強(qiáng)度高。通過大量的室內(nèi)及現(xiàn)場試驗(yàn),證明HC —T 凝結(jié)時間可調(diào)超細(xì)灌漿材料,當(dāng)其水灰比為016～018 、水玻璃濃度Be25°左右、水玻璃加量1 %～3 % 時,符合注漿加固工程的要求。
(3) HC —T 凝結(jié)時間可調(diào)注漿材料雙液漿,其加固效果明顯優(yōu)于普通水泥-水玻璃雙液漿,能快速凝固, 固結(jié)體強(qiáng)度高,但其造價較高。普通水泥-水玻璃漿液凝結(jié)時間長,甚至出現(xiàn)不凝固的現(xiàn)象,但造價較低, 可在地層較好時采用。
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原作者：張旭芝,符飛躍, 王星華