一种新型袖阀管双液注浆加固工法

陈剑，魏义山，江红，瞿同明，王树英

（1.中交第三航务工程局有限公司南京分公司，江苏南京210000；2.中交三航局第三工程有限公司，江苏南京210000；3.中南大学，湖南长沙410075）

一种新型袖阀管双液注浆加固工法

陈剑1，2，魏义山1，2，江红1，2，瞿同明3，王树英3

（1.中交第三航务工程局有限公司南京分公司，江苏南京210000；2.中交三航局第三工程有限公司，江苏南京210000；3.中南大学，湖南长沙410075）

传统的袖阀管双液注浆技术通常将水玻璃与水泥浆在袖阀管内混合，液浆凝固速度快，极易造成堵管，影响工程质量和工期。为解决注浆堵管问题，在充分阐述袖阀管注浆机理的基础上，提出一种新型袖阀管注浆技术。新技术的特点在于使用3根管分别注入水泥浆、水玻璃及套壳料，水玻璃与水泥浆在地层内混合。该方法在青岛市地铁R3线嘉（年华）—灵（山卫）区间得到应用，分别使用钻孔取芯法和开挖取样法，结合隧道开挖引起的地表沉降曲线对袖阀管注浆加固效果进行评估。结果表明，该注浆工法有效杜绝了堵管现象，能提高围岩强度，降低地层渗透性。

袖阀管；注浆机理；浆液堵管；新型双液注浆技术；注浆效果评价

随着我国基础建设事业的推进，在各类复杂地质、复杂周边环境条件下进行土体加固的实例越来越多。注浆工艺能有效地加固各类不良岩土，能及时补救地表沉降、房屋不均匀沉降等造成的危害，在滑坡防治、裂缝修复、房屋纠偏、坝基防渗、塌方处理、古建筑保护等方面发挥重要作用，因此被广泛地应用于基坑、隧道、机场、地矿、水电等各类土建项目中［1-2］。其中袖阀管注浆工艺能较好地控制注浆范围和注浆压力，可进行重复注浆，且发生冒浆与串浆的可能性小，钻孔和注浆作业可以分开，是国内外公认的最可靠的注浆工法之一。

袖阀管注浆技术应用广泛，国内许多学者和一线的技术人员对其进行了一系列研究。吴顺川等［3］、孙锋等［4］基于颗粒流数值模拟方法，朱登元等［5］基于有限单元法，在理论上对浆液的扩散机理进行了探索；李丰果［6］以深圳地铁车站施工为背景，分析了袖阀管注浆帷幕在地铁车站暗挖施工中对周边构筑物的保护作用；卜祥玉［7］结合北京地铁8号线南锣鼓巷站—中国美术馆站盾构区间的袖阀管加固实例，介绍了袖阀管注浆工艺，并对注浆造价进行了分析；王国义［8］以成都地铁1号线袖阀管加固盾构周边邻近建（构）筑物为背景，总结了在成都地区富水砂卵石地质条件下袖阀管的加固工艺；魏晨亮等［9］、任国宏［10］依托南宁地铁袖阀管注浆加固实例，总结了在富水圆砾地层条件下进行袖阀管注浆的技术经验；张民庆等［11］对注浆效果的检查评定方法做了系统总结和归类，并结合工程对其中几种方法的应用做了示例。

在袖阀管施工中，注浆时基本采用常规T形三通管法进行双液注浆或者直接进行单液注浆，但T形三通管法容易堵塞袖阀管道，二次注浆条件较差；单液浆在富水地层容易被快速稀释，不能有效形成固结体。在分析袖阀管机理的基础上，提出一种将双液浆在地层内混合的新型注浆方法。此方法的特点在于使用3根管子分别注入水泥浆、水玻璃与套壳料，水玻璃与水泥浆在地层内混合。青岛市地铁R3线嘉（年华）—灵（山卫）区间1#斜井地表袖阀管注浆效果评估表明，此方法有效杜绝了双液浆堵管现象，能有效加固土体。

1　袖阀管加固技术

袖阀管注浆工作原理是将拌制好的浆液通过注浆泵加压，从连通管进入注浆管，注浆管管端连接双塞管；浆液聚集到袖阀管注浆管段，在内压力作用下浆液从泄浆孔喷出，将橡皮套涨开，挤碎套壳料；被加压的浆液沿着地层结构以充填、渗透、压密、劈裂的形式流动；后续的浆液在压力作用下不断注入地层，在地层中形成固结体，从而达到增加地层强度、降低地层渗透性的目的。逐次提升或降低注浆芯管，即可实现分层注浆。袖阀管注浆工作原理如图1所示。

其中，橡皮套的作用是当注浆管段浆液压力较大时，皮套撑开，浆液从泄浆孔流入地层；当停止注浆时，皮套缩回，封闭泄浆孔，防止浆液、泥土或地下水回流到袖阀管中，为二次注浆预留条件。双塞管和橡皮帽的作用是控制浆液在袖阀管内的空间，并起到增压作用。套壳料主要由水泥、膨润土制成，能在袖阀管周围形成具有一定强度的保护层。此保护层的竖向强度大，水平向强度小，能有效防止浆液沿袖阀管管壁上下流动，又能被压力浆液沿水平向击碎，因此浆液仅在水平向流动，增加了地层的加固半径。射浆孔起增压作用，高压下能避免浆液在注浆管内凝固。

浆液在地层中主要通过充填、渗透、压密和劈裂的复合效应来达到土体改性的目的，但4种浆液扩散状态并非单独存在。当注浆压力较小，地层存在空洞或较大缝隙时，以充填效应为主；地层疏松，渗透系数较大时，以渗透效应为主。当注浆压力较大，浆液较浓稠时，以压密效应为主，否则以劈裂效应为主。

图1　袖阀管注浆工作原理

2　富水复合地层条件下袖阀管加固技术

2.1工程概况

青岛市地铁R3线嘉—灵区间1#斜井进洞处为Ⅵ级围岩，地层松软，进洞处覆土仅6m，施工风险大。斜井位于滨海大道一侧的绿化带内，总长226m，明挖段长83m，暗挖段长143m。为确保1#斜井安全进洞，在地表处采用袖阀管对斜井隧道上方及周边软弱围岩进行加固，袖阀管加固位置按梅花形布置，间距为1m。

加固区地表为3m厚素填土，往下依次是2.2m厚含淤泥的中粗砂，1.5m厚粉质黏土层，2.2m厚含黏土的砾砂层，为典型的黏土与砂土复合地层。袖阀管加固范围包括部分素填土、全部含淤泥的中粗砂层，粉质黏土层和含黏土的砾砂层、地下水位约在地表以下3.3m。其中粉质黏土层为不透水层，含黏土的砾砂层有低承压水。

2.2新型袖阀管双液注浆方法

富水地层加固通常要求浆液有较好的泌水性能和抗分散性能，因此通常选取凝固速度快、抗分散性能好的水泥-水玻璃双液浆进行注浆。传统注浆方法是采用T形三通管将双液浆混合后注入袖阀管。此种方法虽然浆液配比容易控制，但由于双液浆凝固迅速，每根袖阀管一个注浆步距花费时间较多，且容易塞管。在一些砂砾石与黏土的复合地层中，施工人员难以把握注浆管内每一节段的注浆时间，更加剧了堵管的风险。一旦堵塞，轻则浪费时间人力，重则堵管塞泵，导致工程工期延迟和造价提高。因此，提出了一种将双液浆在地层内混合的新型注浆方法。注浆管示意如图2。

图2　注浆管示意

由图2可见，此种方法将注浆管分为A，B，C三根管，其中A管为普通的PVC袖阀管，用于注入水泥浆，B管和C管为橡胶皮管，B管用于注入水玻璃，C管用于注入套壳料。A管与B管上泄浆孔的布置根据地层条件有所不同，C管不论在何种地层，均不留泄浆孔。在砂砾层，A管每隔33cm预留2个泄浆孔，2个泄浆孔径向对称布置，在A管泄浆孔上、下3～5cm位置的B管上均设置1对泄浆孔，即A管每对孔周围的B管上对应布置2对孔；在黏土层，B管上不留泄浆孔；泄浆孔均用橡皮套包裹。为避免管子在下放钻孔过程中有杂物填充堵塞，A，B管底端用管帽和胶水密封，C管底端用胶带密封，但注意密封不得过于严实。具体实施过程如下。

1）桩位放样

袖阀管平面布置间距为1.0m×1.0m，呈梅花状布置。用全站仪测定袖阀管施工标记点，埋桩标记。

2）修建排污和灰浆拌制系统

袖阀管施工过程中，不可避免会产生少量（＜10%）的返浆，将废液收集至沉淀池，处理达标后进行无公害排放。

3）钻孔

土层成孔直径为150mm，采用套管护壁水冲法成孔。

4）下管

将A管和B管用胶带绑紧，A管每对孔周围的B管上对应布置2对孔；C管和A，B管做简单绑扎即可，3根管子一起放入钻孔中。应确保3根管子下放到孔底，上部要高出地面50cm以上。在注浆之前，将3根管子的管口用管帽封住，防止落入杂物。

5）配置套壳料

套壳料质量配比为水泥∶膨润土∶水=1∶1.6∶2，每100kg套壳料泥浆中掺入1kg的粉煤灰。

6）拔出套管，下套壳料

使用注浆机，通过C管将套壳料溶液自下而上注入钻孔中，每节套管长4m，注一节套管的深度，拔一节套管，直至拔出套管。注意：①在灌注套壳料过程中，应使袖阀管立在钻孔中心，管身保持直立，且不能将套壳料灌入袖阀管中。②在地质情况良好、钻孔后直立性良好的地层，可一次性拔出套管、一次性灌注套壳料，节省时间和工序。

7）配置双液浆

水泥浆水灰比为1∶1，水泥为P.O42.5普通硅酸盐水泥，水玻璃浓度为30～40°Be'，水泥浆与水玻璃浆的体积比为1∶0.8。

8）注浆

待套壳料养护3～5d，强度达到0.3～0.4MPa后，进行注浆。注浆时，宜根据成孔先后顺序，跳孔注浆。具体过程：将φ12.7mm带双塞的注浆芯管从A管中下放到注浆段位置，自下而上分段注浆；B管中注水玻璃浆液，B管与水玻璃注浆管连接处用防水胶带密封、扎紧。当浆液从A管注入到砂砾地层时，水泥浆管与B管采用同样的注浆压力，每一个注浆步距内注浆3～5min，注浆压力为0.4～0.6MPa。当水泥浆从A管中注入到黏土地层时，B管不注浆，水泥浆管注浆时压力控制在1.5～1.8MPa。

9）终注标准

①用量标准：在地面不发生隆起变形的情况下，单孔每延米水泥用量为240～350kg。②压力标准：当每个注浆步距内稍有注浆量时，压力即飙升（超过2.0 MPa），注浆持续1min可终注。注浆过程中，满足①，②其中一个标准，即停止注浆。

2.3袖阀管注浆施作要点

青岛地铁R3线嘉—灵区间1#斜井地表袖阀管双液注浆实施过程中，注浆过程顺利，冒浆和窜浆的几率较小，未发生过液浆堵管现象，提出以下3个施工要点：

1）袖阀管外套管应具有一定强度，否则容易被高压浆液挤碎，无法控制注浆，也失去了袖阀管二次注浆的条件。

2）套壳料的施作是袖阀管注浆成功与否的关键。施工时套壳料必须按要求配置，注入套壳料溶液时需缓慢、匀速提升橡皮管，并且等套壳料硬化3d以上方可进行注浆。

3）注浆完成后，必须立即清洗袖阀管，预留二次注浆条件。第一次注浆效果有限，一般都应进行二次补浆。

3　袖阀管加固效果评价

注浆效果的检查方法有分析法、检查孔法、开挖取样法、变位推测法和物探法共5类14种方法［9］。理论上，加固效果最准确的评价方法是通过钻孔取芯做抗压强度测试和抗渗测试，然而在许多地层条件下，取出试验所用的芯样十分困难，且受施工进度和环境条件要求。本文以钻孔取芯法、开挖取样法并结合隧道开挖引起的地表沉降曲线对注浆加固效果做出评价。

3.1钻孔取芯法

注浆完成后，在袖阀管注浆区域注浆薄弱地带钻孔取芯。取芯过程顺利，孔壁稳定性较好，不存在返砂或卡钻现象，钻孔取芯结果如图3所示。取芯土体能形成块状，且有较高强度。自然干燥后，随机取一块体凿开，芯块内的土颗粒周围包满了混凝土，浆液填充饱满。可判断该段地层为砂砾层，在砂砾层袖阀管注浆效果较好。

图3　钻孔取芯结果

3.2开挖取样法

开挖取样法是指在隧道开挖过程中，通过观察注浆地层掌子面的加固效果，分析注浆机制，从而对注浆效果进行评定的方法。注浆前本处地层为软塑状黏土，不能自稳，掌子面浆脉如图4所示。注浆后，隧道掌子面湿润但无流动水，地层自稳性较好，开挖过程无坍塌；浆液在粉质黏土地层中明显形成了劈裂浆脉。图5为掌子面取样，浆脉在粉质黏土薄弱地层撑开，形成板层状，并向外扩散；浆脉中无泥土杂质，强度很高。

图4　掌子面浆脉

图5　掌子面取样

3.3隧道开挖引起加固地层地表沉降

地层加固的目的是为了隧道安全顺利进洞。在隧道进洞15m位置布置地表沉降测点，测点布置示意如图6，测试断面地表沉降曲线见图7。由图7可知，注浆后，隧道开挖引起的地层损失得到补偿，地表发生少量隆起，最大隆起量约10mm。由于隧道开挖和浆土混合体自身固结原因，地表发生缓慢沉降，最大沉降速率＜1mm/d，最终沉降变化值在8mm左右，地表隆沉范围在5mm以内。注浆加固使得土体在隧道开挖过程中沉降控制较好。

图6　测点布置示意（单位：m）

图7　测试断面地表沉降曲线

4　结论

为了克服传统T形三通管袖阀管双液注浆工艺容易堵塞管道的问题，提出了一种在地层内注混合双液浆的新型袖阀管注浆方法，并成功运用于现场实践，得出主要结论如下：

1）袖阀管加固洞口段地层不仅提高了围岩强度，降低了地层渗透性，而且补偿了隧道开挖引起的地层损失，使地层抬升；通过袖阀管注浆方法对软弱围岩地层条件下隧道进洞的加固和补偿，有效控制了隧道开挖引起的地层变形。

2）新型注浆方法的特点在于水泥浆、水玻璃溶液在地层中混合，避免了双液浆在注浆管内凝固而堵管；水泥浆和水玻璃在高压下都往土体的缝隙中流动，二者会快速接触并凝固。

［1］张长生，陶连金，强小俊，等.注浆加固处理软土地基的试验研究［J］.铁道建筑，2012（1）：89-92.

［2］王俊.旋喷桩与袖阀管注浆在桥梁桩基加固中的应用［J］.铁道建筑，2013（9）：24-26.

［3］吴顺川，金爱兵，高永涛.袖阀管注浆技术改性土体研究及效果评价［J］.岩土力学，2007，28（7）：1353-1358.

［4］孙锋，张顶立，陈铁林，等.土体劈裂注浆过程的细观模拟研究［J］.岩土工程学报，2010，32（3）：474-480.

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［11］张民庆，张文强，孙国庆.注浆效果检查评定技术与应用实例［J］.岩土力学与工程学报，2006，25（增2）：3909-3918.

AbstractT raditional methods of sleeve valve pipe grouting with double liquid usually mixed water glass and cement slurry together in the grouting pipe，which could be easily blocked due to the fast solidifying speed of double liquid grouting，and affected the quality and the duration of a project.Based on detailed elaborate explanation of sleeve valve pipe grouting mechanism，a new sleeve valve pipe grouting method was proposed for solving the trouble of stoppage.T he new characteristic of this method lies in using three pipes to inject cement slurry，water glass，and sleeve shell material，respectively，mixing the water glass and cement slurry together in the stratum.T his new method is carried in Jianianhua-Lingshanwei section construction of Qingdao Subway line R3.Some methods involving coring，excavation sampling，and the analysis of ground surface settlement curve are conducted to evaluate the grouting effects.T he results show that the new sleeve valve pipe grouting method can put an end to pipe blocking，improve the strength of surrounding rock and reduce the permeability of strata.

New Soil Reinforcing Method Using Sleeve Valve Pipe with Double Liquid Grouting Materials

CHEN Jian1，2，WEI Yishan1，2，JIANG Hong1，2，QU Tongming3，WANG Shuying3
（1.Nanjing Branch Company of CCCc Third Harbor Engineering.Co.，Ltd.，Nanjing Jiangsu 210000，China；2.No.3 Engineering Co.，Ltd.of CCCc Third Harbor Engineering Co.，Ltd.，Nanjing Jiangsu 210000，China；3.Central South University，Changsha Hunan 410075，China）

Sleeve valve pipe；Grouting mechanism；Grouting blockage；New double liquid grouting method；The evaluation of grouting effect

U45；U457+.3

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2016.04.26

1003-1995（2016）04-0102-05

（责任审编郑冰）

2015-12-04；

2016-01-14

陈剑（1979—），男，工程师。