化学灌浆在富水砂层隧道开挖中的应用

汪永剑，丁仕辉

(广东水电二局股份有限公司，广东 广州 511340)



化学灌浆在富水砂层隧道开挖中的应用

汪永剑，丁仕辉

(广东水电二局股份有限公司，广东 广州 511340)

采用有机固化剂与水玻璃配制化学浆液，在室内进行模拟注灌浆试验，确定了合适的浆液配比，并应用于富水砂层隧道开挖，解决了水泥双液注浆不能克服的难题。化学灌浆对固结暗挖隧道中富水砂层(尤其是粉细砂层)，保护周围构筑物和管线，能有效的降低施工风险，在市政、公路、水利等暗挖隧道施工中具有较好的应用前景。

隧道工程；富水砂层；暗挖施工；灌浆加固；化学浆液；有机固化剂

在市政、铁路、水利等土木工程暗挖隧道施工中、遇到砂层特别是含水砂层时，需采取措施，防止涌水、涌砂、坍塌等危及施工及周边建筑物安全事故的发生，采取措施主要有冷冻法、超前小导管水泥(水泥及水玻璃双液)注浆法[1]，但冷冻法时间长、费用高，超前小导管水泥或双液注浆法处理效果差。

水玻璃化学灌浆[2]可克服上述措施的不足，能有效解决水泥或双液灌浆不能解决的问题，其材料来源广，价格低，采用有机溶剂、无毒性，操作方便，且粘度低、渗透性好、强度高。20世纪60年代后期，国外开始研究有机溶剂作固化剂的水玻璃灌浆技术，70年代后进入实用阶段；新世纪以来，在国内有较多应用(治理矿井溃砂)[3]。

但采用有机材料作水玻璃的固化剂进行制浆，其配比没有统一的规程、标准。为确定可用的配比，在室内进行了以有机材料作固化剂的水玻璃化学浆液配制试验和模拟现场化学灌浆试验，配制出合适的化学浆液，成功应用于某透水砂层隧道暗挖施工，解决了水泥双液注浆不能克服的施工难题。

1 室内试验

1.1配制化学浆液的原料

1) 水玻璃

水玻璃是由碱金属氧化物和二氧化硅结合而成的可溶性强碱弱酸盐，溶于水，遇酸分解。水玻璃溶液可与酸发生置换反应，溶液中存在的游离钠离子及二氧化硅胶粒表面吸附的钠离子与带相反电荷的酸根离子发生作用，从而使胶粒失去电性，使溶胶失去稳定性，二氧化硅溶胶便发生絮凝作用，形成凝胶体。

2) 有机固化剂A

有机固化剂A含酯基而无亲水基(羟基或是羧基)，可水解但不溶于水；在没有催化剂的条件时，水解速率很小，水只能使其缓慢分解。

3) 表面活性剂B

表面活性剂B易溶于水，属阴离子型表面活性剂，具有良好的乳化性能。

本化学浆液固结原理：表面活性剂B使有机固化剂A溶于水，溶于水的有机固化剂A发生水解，生成有机酸，水玻璃与酸发生置换反应，形成凝胶体。

1.2室内试验

1.2.1原材料

试验用原、材料包括水玻璃(40玻镁度)、有机固化剂A、表面活性剂B、砂、水，水玻璃、有机固化剂A、表面活性剂B均为市场采购的化工材料。砂采用河砂，细度模数FM=2.4，松散密度1.34 g/cm3，紧密密度1.50 g/cm3，表观密度2.63 g/cm3，紧密砂孔隙率43%；水采用普通自来水。

1.2.2混合浆液配比试验

为满足施工现场要求，配制的混合浆液必须符合两个条件，首先混合浆液能在1h内保持可灌性，不凝结；其次混合浆液灌入砂层后，砂层能在0.5 h左右凝结，时间大短会影响浆液扩散范围，时间太长，会影响施工进度。为获得适合于工程现场灌注的化学浆液，在室内进行了11种配比混合浆液可灌时间及注浆后砂体凝结试验。

混合浆液可灌时间试验方法：根据试验用量按配比分别称量好所需水玻璃、固化剂A、活性剂B、水。将水倒入透明塑料杯中(常用的水杯、容积182 mL)，然后加入活性剂B搅拌均匀，再将水玻璃加入并搅拌均匀，最后将固化剂A加入搅拌均匀，即配制完成；采用晃动、观察等方法，对其可灌性进行判定，当混合浆液开始出现絮状或流动性变差时，即认为其失去可灌性，从配制完成至失去可灌性的时间为其可灌时间。

砂体凝结试验方法：先在透明塑料杯中尽量竖直放入注浆胶管(医用输液胶管)，再在杯中装满砂(砂重273 g)，然后缓慢倒入78 mL水，最后用针筒将配制好的78 mL混合浆液通过注浆胶管缓缓注入；注浆完后剪掉上部杯体及砂，用杯内底部5 cm高砂测定凝结时间(采用测水泥凝结时间的方法进行测定)。

图1为凝结试验中的混合浆液及砂体(上部为杯中混合浆液，下部为注浆后的砂体)，图2为砂体凝结时间的检测，表1为检测结果汇总。从表1可知，8#配比的混合浆液基本可满足现场灌浆施工需要。

图1 凝结试验中混合浆液及砂体

图2 砂体凝结时间的检测

表1 混合浆液配比试验检测结果

2 工程应用

2.1工程概况

某隧道长65 m，埋深5 m，为矩形结构(宽×高=6 m×4 m)，采用暗挖法施工。隧道顶斜交1条排水渠(影响22 m长隧道施工)，渠底离隧道顶最近只有0.6 m，排水渠底板为钢筋混凝土、渠壁为浆砌毛石(有渗漏)，渠底回填砂厚达4.5 m，砂层位于隧道开挖范围内。

隧道按原设计在顶部进行双层管棚支护及超前小导管双液(水泥+水玻璃)注浆后开挖，出现流砂、坍塌等现象，虽经全力抢险未造成事故，但无法继续施工。为解决施工困难，采用8#配比的混合浆液对砂层进行固结防渗加固。

2.2灌浆施工

砂层灌浆工艺流程为：设备安装→灌浆孔孔位放线→灌浆孔打设→灌浆管埋设→浆液配制→灌浆作业→灌浆结束(终止压力=初始压力+0.3 MPa)→移至下一孔→待全部孔灌浆完毕再重新循环1次。采用Z1C-NG-52手持冲击钻 (钻杆长1.5 m) 钻孔、BW-150型注浆机灌浆，灌浆操作要点如下。

1) 灌浆采用2寸钢管，沿隧道轮廓的侧、顶边线布设，间距30 cm，外插角约45°，同时需穿越原支护双层大管棚，并使孔内有流砂流出。

2) 浆液配制时，首先将活性剂B与水在铁桶内搅拌均匀待用，然后将水玻璃加入搅拌桶内，再将活性剂B与水的混合液加入拌和均匀，最后加入固化剂A搅拌均匀后立即进行压注作业。

3) 灌浆结束，当灌浆压力达到初始压力+0.3 MPa(一般情况下，初始压力都为0 MPa)后，即可转入下一孔进行灌浆作业，待全部灌浆孔灌注完之后再重新循环1次，这样使灌浆达到更好效果，待再次达到灌浆压力后即可停止灌浆。

每次灌浆固结段长约1.2 m，灌浆后约24 h开挖，先挖50 cm并支护好，再挖50 cm，支护好后再进行灌浆作业，依次循环进行。

2.3施工效果

经开挖揭露，化学灌浆固结达到了预期加固效果(见图3)，解决了隧道穿越富水砂层涌砂、坍落等施工难题。根据监测数据显示，排水渠在隧道穿越过程(12 d)，累计沉降8.5 mm(设计要求小于30 mm)，保证了整个工程施工的安全，为隧道按期贯通奠定了基础。

图3 砂层固结防渗效果

3 结语

1) 采用有机固化剂与水玻璃配制化学浆液，在室内进行模拟灌浆试验，确定了合适的浆液配比，并成功应用于穿越漏水排水渠砂层隧道的开挖施工，解决了富水砂层隧道开挖的难题。本技术在市政、公路等暗挖隧道工程中具有较好的应用前景，对加固砂层，保护周围构筑物和管线，有效的降低暗挖隧道施工的风险具有较好的效果。

2) 配制化学浆液所用的水玻璃、表面活性剂、有机固化剂均为化工用品，市场上产品质量良莠不齐，目前检测及施工单位尚无较好手段对其质量进行检测，因此，每次使用前，均应进行试验并验证，以保证混合液灌入砂层后能达到预期效果，确保施工安全。

[1] 地铁暗挖隧道注浆施工技术规程(试行)：DBJ01-96—2004[S].北京:北京市城市建设委员会，2004.

[2] 水工建筑物化学灌浆施工规范：DL/T5046—2010[S].北京:中国电力出版社，2010.

[3] 张改玲.化学灌浆固沙体高压渗透性及其微观机理[D].徐州:中国矿业大学，2011.

(本文责任编辑 王瑞兰)

Application of Chemical Grouting in Rich Water Sand Tunnel Excavation

WANG Yongjian，DING Shihui

(Guangdong Hydropower Second Co. ,Ltd.,Zengcheng, Guangzhou 511340, China)

Using organic curing agent and sodium silicate compound chemical grout, the suitable ratio of slurry is determined through indoor simulated grouting injection experiment. And it is applied in rich water sand tunnel excavation, which solved the difficult problem of double fluid grouting cement. The chemical grouting is for consolidation of rich water sand (especially silty sand layer) to protect the surrounding structures and pipelines, and can effectively reduce the risk of construction. It has good application prospect in the underground tunnel construction of municipal, highway, water conservancy, etc.

tunnel engineering； rich water sand layer； concealed-digging; grouting reinforcement； chemical grout； organic curing agent

2016-04-11;

2016-05-03

汪永剑(1971)，男，本科，教授级高级工程师，从事施工技术管理及研究工作。

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