XPM纳米灌注剂在富水粉细砂地层注浆中的应用

张 勇

（中铁十二局集团有限公司第二工程有限公司，山西太原 030032）



XPM纳米灌注剂在富水粉细砂地层注浆中的应用

张 勇

（中铁十二局集团有限公司第二工程有限公司，山西太原 030032）

摘 要：在北京地铁施工中，富水细砂层经常遇到，由于该地层孔隙小，渗透系数小，对其注浆加固一直是暗挖施工的难题。本文通过采用新材料XPM纳米灌浆剂在富水粉细砂层中注浆，并对注浆加固效果进行评估分析，工程实践表明，加固效果良好，满足开挖要求，能够保证工程自身及周边道路及建筑物安全。

关键词：地铁；暗挖隧道；富水粉细砂；注浆加固；XPM纳米灌注剂

0　引言

在北京地铁施工中，由于古河道冲刷沉积作用经常会遇到富水粉细砂地层，该地层松散、无粘聚力、自稳能力很差，一旦开挖，极易发生涌水、涌砂及塌方等工程灾害。同时，该类地层孔隙小、渗透系数小、颗粒浆液难以渗透，注浆效果很难保证。

针对富水粉细砂层注浆，很多单位及地铁建设者从注浆技术及材料等方面进行了大量研究、试验及实践，取得了一定效果。目前，富水粉细砂层注浆通常使用超细水泥，而超细水泥粒径正好处于可注的临界状态，任何对可注性不利的因素都会导致注浆的失败。为了提高可注性，通常加入多种外加剂，如，悬浮剂、减水剂、稀释剂等，浆液制作繁琐，且需要不断的试验才能成功。因此，超细水泥在富水粉细砂地层注浆成功案例不多[1]。

随着材料技术的发展，纳米级注浆材料已开发出来[2-3]，且已在一些工程实际中得到应用。如，XPM 纳米灌注剂，在各类工程事故抢修、矿井巷道注浆、地铁二衬注浆止水中得到了成功的应用[3-5]，但由于其造价高，在地铁暗挖隧道注浆尚无应用实例。本文通过对XPM 纳米灌注剂的特性分析，发现该材料能够渗透粉细砂地层，同时作为一种外加剂，能够提高水泥浆液性能，适用于富水粉细砂地层注浆，并在实际应用中取得了良好的效果。

1　工程概况

北京地铁16号线甘家口站—玉渊潭东门站区间位于三里河路下方，全长为 705.6m，采用矿山法施工，区间设有 1 处临时施工竖井及横通道。横通道开挖穿越地层为卵石层、粉细砂层及砾岩层，采用地面管井降水，降水井直径 273mm，管径 200mm，间距 6m。因外部环境影响，横通道开挖过程中，降水井未封闭，且横通道位于基岩凹槽内，开挖时地下水丰富。横通道横剖面及地层、地下水示意图见图 1。

横通道开挖过程中，采用双重管注超细水泥-水玻璃双液浆、改性水玻璃进行粉细砂地层堵水加固，但效果不良，开挖时出现流砂、涌砂现象并导致下台阶整体滑塌，造成险情且无法继续施工。为了使横通道能够正常开挖，确保道路及管线安全，在理论分析的基础上，提出了采用XPM纳米灌注剂进行注浆。

图1　横通道剖面及地层地下水示意图（单位：mm）

2　注浆试验分析

2.1粉细砂地层特性

对粉细砂地层取样并进行筛分试验，试验结果见表 1。根据表 1 试验结果，粉细砂颗粒粒径主要集中在0.075～0.25mm，地层颗粒间孔隙很小，地层渗透系数为 5m /天，属低渗透性地层。

表1　土样筛分试验结果

2.2注浆材料特性

2.2.1超细水泥

根据 800 目超细水泥激光粒度仪测试报告，其主要特性见表 2。

表2　800目超细水泥粒度测试结果

2.2.2XPM纳米灌注剂

XPM 纳米灌注剂是采用沸石经超细粉磨至粒径至327×10-9m 的无机中性纳米级外加剂，主要化学成分为 SiO2和 Al2O3，该材料的性能特征如下：

（1）具有良好的可注性，在 0.45 水灰比条件下，流速接近水流速；

（2）颗粒细，布朗运动活泼，不产生离析和沉淀，浆液具有良好的稳定性，可注入 0.01mm 孔隙开度；

（3）减水率高，达 28%～37%；

（4）具有良好的胶结性，能与水泥浆液中的Ca(OH)2反应生成尺寸 1nm 的 C-S-H 凝胶分子，通过结晶生长填塞毛细通道；

（5）良好的抗渗性，抗渗指标达 P30～P40；

（6）结石强度高，抗压强度可提高 2～3 倍；

（7）直接掺入水泥浆中，注浆工艺简单，施工操作方便；

（8）无毒害无污染。

2.3粉细砂层注浆加固机理

2.3.1渗透注浆

对于粒状介质，其可注性一般用可灌度 GR来表示：

式（1）中，D15为地层小于此种粒径的颗粒质量占总颗粒质量的 15%；d85为注浆材料小于此种粒径的粒状颗粒质量占总颗粒质量的 85%。

一般认为 GR＞15 时，可以渗透，当 GR＜11 时，认为渗透无效。

2.3.2劈裂注浆

渗透注浆是一个纯理论公式，试验和大量实践资料都表明，在理论上即使是细砂层可注，但实际均匀渗透的距离却非常小。注浆过程中，浆液不可能一直扩散，即使增加注浆压力，浆液也不会继续扩散，这时，注浆压力的增大会使土层之间产生裂隙，此时为劈裂渗透。

2.3.3粉细砂注浆加固

在粉细砂层注浆，加固以渗透、劈裂、挤密地层为主，全过程分为充填渗透阶段、挤密阶段、劈裂阶段、被动土压力阶段及再渗透阶段等 5 个阶段。

2.4试验分析结论

结合地层、注浆材料特征、粉细砂注浆加固，并参考相关研究结论，可分析得出如下结论。

（1）800 目超细水泥针对粉细砂地层可灌度GR= 12.1＜15，且＞11，超细水泥的粒径处于可注的临界状态。

（2）已有研究表明，超细水泥在比表面积8000cm2/g 时，对粉细砂渗透可达 230mm，大于该比表面积时对粉细砂的渗透性仅有微弱提高[1]。800 目超细水泥比表面积为 9313.9cm2/g，因此，选用 800 目超细水泥注浆比较经济合理。

（3）XPM 纳米灌注剂针对粉细砂地层可灌度GR= 296.6，远大于 15，因此，XPM 纳米灌注剂对粉细砂地层是可渗透的。

（4）XPM 纳米灌注剂在加入水泥浆液后，能够提高浆液的流变性，使得水泥浆液更好地渗透。

（5）浆液在粉细砂层劈裂渗透后，形成的结实体和土体相结合形成复合土体。XPM 纳米灌注剂能够提高水泥水化反应进程，并提高其强度，使得复合土体整体稳定性增强。

（6）XPM 纳米灌注剂与水泥浆中的Ca(OH)2反应生成 C-S-H 凝胶分子，通过结晶生长填塞毛细通道，对粉细砂地层水进行封堵的同时，弥补了水玻璃浆脉强度低的缺点。

3　注浆施工

3.1工艺流程

注浆采用双重管后退式注浆，工艺流程如下：

止浆墙施工→孔位布置→钻孔→封孔→后退注浆→下一孔施工。

3.2注浆参数设计

（1）已有研究表明，粉细砂地层采用1.25MPa 的注浆压力时，土体在水平和竖向都发生了裂变，形成了形状各异的浆脉，对土体起到了很好的改良作用[8]，因此，注浆压力选用 1～1.5MPa。

（2）超细水泥在粉细砂地层渗透可达 230mm，考虑 XPM 纳米灌注剂能够提高水泥浆液的流变性及劈裂渗透因素，浆液扩散半径取 500mm。

（3）注浆范围及孔位布置。每注浆段长 6m，开挖4m，留 2m 作为下一注浆段止浆墙，注浆横向范围为开挖轮廓外 1500mm，竖向沿横隔板往下 500mm。注浆范围及孔位布置见图 2、图 3。

（4）浆液配置。原材料采用 800 目超细水泥、XPM 纳米灌注剂、水玻璃、硫酸、C 剂（加速凝固）。浆液分为悬浊液（由 A 液和 C 液组成，简称 AC 液）和溶液型（由 A 液和 B 液组成，简称 AB 液），AB 液强度低，止水效果好，AC 液强度高，注浆时，AB 液和 AC 液交互使用，浆液配合比见表 3。

（5）注浆量。单孔注浆量按照式（2）控制：取 0.4；α 为注浆孔隙充填率，取0.8；β 为浆液消耗系数，取 1.15。

根据公式（2）计算，得到粉细砂地层单孔每延米注浆量为 289L。

式（2）中，Q 为注浆量，m3；R为浆液扩散半径，m；L为注浆孔长度，m；n 为地层孔隙率，粉细砂

图2　注浆孔纵剖面布置图（单位：mm）

图3　注浆孔平面布置图（单位：mm）

表3　浆液配合比表

3.3注浆施工

3.3.1钻孔

钻孔采用 ZLJ-1200 钻机，钻杆为直径 42mm 中空钻杆，每根长 2.0m，接头要旋紧以保证密闭不漏浆液。按孔位布置图，调整好水平、竖向钻进角度，对准孔位后开钻。严格掌握钻杆深度，慢速运转，掌握地层对钻机的影响情况，以确定相应地层条件下的钻进参数。观察溢水出水情况，出现大量溢水时，应立即停止作业，分析原因，采取有效措施后，方可继续施工。

图4　注浆加固效果图

3.3.2后退注浆

钻孔完成后，采用 SYB-60/5 双液注浆泵后退式注浆。先采用改性水玻璃浆液进行封孔，然后根据地层中含水情况，交替注 AB 液和 AC 液，边注浆边倒退钻杆，完成注浆。严格控制注浆压力，同时密切关注注浆量，采取注浆量及注浆压力双控方法控制。注浆完成后，为防止浆液在管内凝固，必须将注浆管冲洗干净。

由于粉细砂层上部为卵石地层，因此注浆自上而下进行，先注上部孔位，以防止下部孔位注浆时浆液大量流入卵石地层。横向先注两侧，后注中间，并采用跳孔注浆方式。

3.3效果检查

注浆结束开挖前，需进行注浆效果检查。首先统计总注浆量，并结合加固土体体积，反算浆液充填率来初步判断注浆效果；其次，从止浆墙向地层中钻孔（孔位尽量设置在注浆前地层渗水部位），并观察是否有水流，若无水流，方可破除止浆墙开挖，若有水，需进行局部补充注浆；最后，破除止浆墙，进行开挖验证。

通过开挖观察，浆液渗透、劈裂渗透至地层并挤密加固土体，浆液凝固体及土体构成了一种复合土体。加固形成的复合土体强度高，渗透系数极低，整体稳定，满足开挖需求。注浆加固后效果见图 4。

4　结论

（1）引入 XPM 纳米灌注剂在富水粉细砂地层注浆，工程实践表明加固效果良好，满足开挖需求，有效地保证了工程自身及周边道路、管线的安全，避免了工程风险。

（2）XPM 纳米灌注剂价格高，导致工程造价提高，大范围使用经济性较差。随着材料技术的发展，XPM 纳米级注浆材料的价格有望不断降低，在注浆中使用的可能性也将进一步提高。

（3）浆液制作简单，不需加入其他外加剂，仅需按照水泥重量比例加入适量灌注剂即可。

参考文献

[1] 夏春雷，叶英. 北京地铁粉细砂注浆新材料研究[J].市政技术，2008（2）：143-145.

[2] 郭力. 纳米注浆材料初探[J]. 洛阳理工学院学报（自然科学版），2012（1）：9-12.

[3] 王芳，郑淑芬，张雾珍. XPM纳米外加剂的研发与应用[J]. 科技情报开发与经济，2006（20）：133-134.

[4] 高明玉. XPM纳米灌注浆工艺[J]. 华北科技学院学报，2007（3）：45-46.

[5] 陈勇刚. XPM纳米灌注材料在井巷注浆中的应用[J].有色金属（矿山部分），2010（3）：11-13.

[6] 崔玖江，崔晓青. 隧道与地下工程注浆技术[M]. 北京：中国建筑工业出版社，2011：55-60.

[7] 叶英. 粉细砂地层浅埋暗挖法注浆加固技术指南[M].北京：中国建筑工业出版社，2013：19-30.

[8] 尤田，刘军，吴玉勤，等. 富水粉细砂地层注浆三维颗粒流数值模拟分析[J]. 市政技术，2015 （6）：68-71.

责任编辑 朱开明

Application of XPM Nanometer Perfusion Agent in Water Rich Sand Stratum Grouting

Zhang Yong

Abstract:Beijing metro construction frequently encounters water rich silty fine sand strata, bringing great difficulties and risks to the construction of a metro especially caused by tunnel construction. The formation pore is small, the slurry is hard to penetrate, and the grouting reinforcement is always a difficult problem in the construction of the tunnel. Although the ultrafi ne cement has had some achievements， but it still needs to add a variety of additives. With cumbersome slurry configuration, there is few successful case. The paper introduces a new XPM nanometer grouting agent (nanometer class grouting material), based on the analysis of grouting theory, and it has been used in the engineering practice, and the effect is good.

Keywords:metro, tunnel, water rich sand, grouting, nanometer XPM perfusion agent

中图分类号：TU753

作者简介：张勇（1984—），男，工程师

收稿日期2016-03-31