富水地区地铁车站基坑注浆结石体抗渗性能试验研究

2022-09-15王成乾胡瑶瑶孙连勇张宗锋黄永亮李鹏董坤罗威何灵垚

新型建筑材料 2022年8期

王成乾，胡瑶瑶，孙连勇，张宗锋，黄永亮，李鹏，董坤，罗威，何灵垚

（1.中国海洋大学工程学院，山东青岛 266100；2.山东省交通规划设计院集团有限公司，山东济南 250101；3.济南市轨道交通集团有限公司，山东济南 250000；4.济南万科企业有限公司，山东济南 250002）

0 引言

富水地区地铁车站基坑在高水压力作用下极易发生基底突涌水、围护结构渗漏水等现象，严重影响地铁车站的安全建设与稳定运营。通过注浆处理，浆液与地层形成复合体，可以显著改善岩土体强度与抗渗性能。由于施工简单方便，注浆技术已经取得了长足发展，广泛应用于地铁车站基坑防渗堵漏中[1-3]。同时，注浆材料对于注浆防渗效果的影响得到了大量研究。研究表明，水泥-水玻璃浆液具有经济实惠、凝结时间短等特点[4-5]，在工程实际中受到青睐。张良辉等[6]基于隧道病害整治工程，开展了水泥-水玻璃双液注浆的早期研究，调整注浆参数和注浆工艺，取得了良好的注浆效果。郑秀华[7]从水泥-水玻璃的基本性能出发，对水泥-水玻璃浆液的性能和应用进行讨论。安妮等[8]对水泥-水玻璃浆液凝结时间、抗压强度等特性开展了试验研究，探究了水泥浆量、水玻璃量、水泥-水玻璃比例以及浆液龄期对性能的影响和相关规律，并应用于实际工程中。吴昊和杨晓华[9]针对黄土隧道富水软弱段围岩强度低、自稳能力差的特性，在室内测试了水泥-水玻璃浆液不同配比下的凝结时间以及注浆加固时影响土体无侧限抗压强度的因素，在此基础上，通过现场模拟试验，对水泥-水玻璃浆液配比、注浆压力、浆液扩散半径等技术参数和注浆加固后复合土体的强度进行了研究。杨秀竹等[10]研究了岩溶水条件下改性水泥-水玻璃浆液特性，通过正交试验研究了水灰比、粉煤灰掺量、水玻璃浓度、水玻璃掺量等因素对浆液及结石体力学性能和凝结时间的影响，并得到最佳配比。

水泥-水玻璃浆液以凝结时间短、稳定性强、易于施工等特性在注浆工程中得到了广泛应用，并取得了较大发展。本试验研究选择地铁车站基坑施工缝、变形缝等渗漏水缝隙、基坑外富水岩溶裂隙与软弱透水土层为试验背景，研究了水泥-水玻璃结石体、浆-土结石体以及浆-岩结石体的抗渗性能，分析了在水灰比、水玻璃掺量等影响因素下结石体抗渗性能的变化规律。并分析得出最优浆液配比，可为注浆防渗工作提供参考。

1 试验

1.1 试验材料

水泥：P·O42.5R，山东山水水泥集团有限公司。水玻璃：SiO2含量为27.3%，Na2O含量为8.54%，模数为3.30，20℃波美度为38.5 Be，浙江嘉善优瑞耐火材料有限公司。

1.2 试验设备

水泥胶砂搅拌机：JJ-5型，搅拌锅容积为5 L，搅拌叶宽度为135 mm。岩石渗透分析仪（见图1）：HYS-4型，济南矿岩试验仪器公司，主要包括压力室、渗透水压控制系统、渗透围压控制系统和渗透水量测量装置4部分，渗透压力工作范围为0~3.5 MPa。

1.3 渗透分析试件制作

为研究水泥-水玻璃（C-S）浆液在地下混凝土结构裂缝、软黏土底层以及富水破碎岩层注浆中的抗渗效果，分别测试水泥-水玻璃结石体、浆-土结石体与浆-岩结石体渗透系数。试件尺寸为直径5 cm、高5 cm的圆柱体试件。

水泥-水玻璃浆液由水泥浆液与水玻璃拌合而成。使用搅拌机首先将设计配比的水、水泥拌合得到水泥浆液，水灰比分别为0.8、1.0、1.2、1.5、2.0，然后继续加入设计配比的水玻璃，水玻璃的体积掺量分别为20%、30%、40%、50%，拌合得到水泥-水玻璃浆液，充分混合后迅速倒入模具中制成水泥-水玻璃结石体试件。

浆-土结石体的制作是将水泥-水玻璃浆液与粉质黏土进行拌合，以模拟土层注浆后的状态。浆-土结石体试件设计配比：水泥-水玻璃浆液与土体积比（浆土体积比）分别为0.5、1.0、1.5、2.0，水灰比分别为1.0、1.2、1.5、1.7、2.0，水玻璃的体积掺量分别为30%、35%、40%、45%。粉质黏土的基本物理参数见表1。

表1 粉质黏土的基本物理参数

浆-岩结石体试件的制作采用向岩体裂隙注浆的方法。使用筛网筛选出粒径为510 mm的花岗岩砾石，以表面充填密实为原则，装填入试件模具中。通过注水的方式测量装填后的孔隙率为0.478，并控制每个试件孔隙率差值小于1%[11]。浆-岩结石体试件设计配比为：水灰比分别为1.0、1.2、1.5、1.7、2.0[9，12-13]，水玻璃体积掺量分别为30%、35%、40%、45%、50%[14-16]，将配制好的水泥-水玻璃浆液注入试件中制成浆-岩结石体试件。

1.4 试件养护

试件浇筑成型后，待浆液初凝，用抹刀沿着模具口抹平。试件成型抹面后立即用塑料膜覆盖试件表面，然后放入（20±5）℃、相对湿度大于90%的标准养护室静置1 d后脱模，继续将试件放在标准养护室中养护，养护龄期为3 d。达到养护龄期后，将试件放入岩石渗透分析仪中进行渗透系数测试。

2 试验结果与分析

2.1 水泥-水玻璃结石体渗透系数分析

按照水泥-水玻璃浆液设定配比，测试结石体试件渗透系数，绘制出水泥-水玻璃试件渗透系数与水玻璃体积掺量、水灰比（W/C）关系如图2所示，并进行对比分析。

由图2可见，当水灰比为0.8、水玻璃体积掺量为20%时，浆液结石体的渗透系数最小，为4.15×10-9cm/s。当水灰比为1.0，水玻璃体积掺量为30%时，结石体的渗透系数为6.54×10-9cm/s。水泥-水玻璃浆液的渗透系数最大值为6.37×10-8cm/s，此时浆液水灰比为2.0、水玻璃体积掺量为50%。在一定水灰比条件下，随着注浆浆液水玻璃体积掺量增加，结石体渗透系数呈现出增大的趋势。这表明，较大的水玻璃掺量降低了浆液结石体抗渗性能。水玻璃掺量太多使得浆液中水和水玻璃在水泥水化反应中处于过量的状态，浆液被稀释，水泥水化后在结石体内未形成足够的水化产物，如水化硅酸钙等，水化完成后结石体内部含水量较高，结石体内水化物密实程度低，从而导致浆液结石体渗透系数增大。

水玻璃掺量一定时，水灰比增大导致浆液结石体渗透系数增大，水灰比增大对水泥-水玻璃浆液结石体的抗渗性能产生不利影响。同样，较大的水灰比导致浆液中水泥含量相对偏少，无法与浆液中的水玻璃完全反应，导致水化反应后生成的水化产物不足，不能使得结石体密实，且水化产物间存在过多空隙，结石体内含水量较少，因此水灰比增大时水泥-水玻璃浆液结石体的渗透系数增大。

2.2 浆-土结石体渗透系数分析

（1）根据正交试验法，水灰比选为1，水玻璃体积掺量为50%。浆-土结石体渗透系数与浆土体积比的关系见图3。

由图3可见，随着浆土体积比增大，即浆土拌合时水泥-水玻璃浆液比例增大，更多的浆液充填了土颗粒之间的孔隙，浆-土结石体孔隙率与原始土层相比大大减小，水泥-水玻璃浆液与土胶结为密实、极难透水的结石体，使浆-土结石体渗透系数呈现减小的趋势，避免了地铁车站基坑突涌水灾害发生。由于土颗粒间存在较大的孔隙，原始土层的水平与竖向渗透系数分别为0.69×10-6、156.55×10-6cm/s，地铁车站基坑在施工时因外力扰动极易发生突水突泥灾害。通过注浆，浆液在土层中产生劈裂的同时也填充了土颗粒之间的孔隙，因此注浆后浆-土结石体渗透系数大大减小，土层抗渗性能显著提高。

（2）根据正交试验法，水灰比选为1，浆土体积比为1，浆-土结石体渗透系数与水泥-水玻璃浆液中水玻璃体积掺量的关系见图4。

由图4可见，水玻璃体积掺量为30%～45%时，浆-土结石体渗透系数与浆液中水玻璃体积掺量整体上呈正相关；当水玻璃体积掺量达到50%时，浆-土结石体渗透系数比水玻璃体积掺量为45%时有所减小。当水泥-水玻璃浆液中水玻璃体积掺量为30%时，浆-土结石体渗透系数最小，为1.80×10-8cm/s；当水玻璃体积掺量为45%时，浆-土结石体渗透系数最大，为3.03×10-8cm/s；当水玻璃体积掺量继续增大至50%，结石体渗透系数出现下降趋势，为2.51×10-8cm/s，可能的原因为水玻璃过量，有部分水玻璃未参加水化反应，并在结石体内部形成较难透水的胶状体所致。

（3）选取水泥-水玻璃浆液中水玻璃体积掺量为50%，浆土体积比为1.0，浆-土结石体渗透系数与水灰比的关系如图5所示。

由图5可见，随着水灰比逐渐增大，浆-土结石体渗透系数呈增大的趋势。在所取的水灰比范围内，当水灰比为1.0时，浆-土结石体渗透系数最小，为2.51×10-8cm/s；当水灰比为2.0时，结石体渗透系数出现较大增长，为4.72×10-8cm/s，与水灰比为1.0时相比结石体渗透系数增大了88.04%。较大的水灰比无法提供足够量的水泥来参与水化反应，因此没有充足的水化产物充填结石体内部，导致浆-土结石体的渗透系数增大。

2.3 浆-岩结石体渗透系数分析

为研究在富水岩溶裂隙中的注浆防渗效果，遴选出关键水灰比与注浆浆液中水玻璃体积掺量，制作水泥-水玻璃浆液与砾石结石体试件，并测试结石体的渗透系数，分析浆-岩结石体渗透系数在不同影响因素下的变化规律。制作浆-岩结石体试件，注浆浆液水灰比分别选用1.0、1.2、1.5、1.7、2.0，浆液中水玻璃体积掺量为30%~50%，分别研究不同水灰比、不同水玻璃体积掺量对结石体渗透系数的影响，结果如图6所示。

由图6可见：

（1）在一定水灰比条件下，随着浆液中水玻璃体积掺量的增大，浆-岩结石体渗透系数呈现出增大的趋势。在浆液中水玻璃体积掺量增大的条件下，当水灰比为1.5时，浆-岩结石体渗透系数增长幅度最大，水玻璃体积掺量从30%增加到50%时，结石体渗透系数增大了5.02倍。这说明，相较于其他水泥-水玻璃浆液水灰比，浆液水灰比为1.5时，结石体渗透系数受水玻璃体积掺量影响最大。浆液中水灰比过大或过小时，浆液中水玻璃体积掺量变化对浆-岩结石体渗透系数的影响会减弱。当水玻璃体积掺量为30%时，水灰比为1.0、1.2、1.7的结石体渗透系数相差不大。此时水泥在反应中为过量状态，不同水灰比所含的水泥与水玻璃生成的胶凝产物含量大致相当，使得结石体渗透系数差别较小。

（2）当注浆浆液中水玻璃体积掺量一定时，水灰比增大导致了浆-岩结石体渗透系数增长。水灰比由1.0增长至2.0，水玻璃体积掺量为30%、35%、40%、45%、50%的浆-岩结石体渗透系数分别增长了5.71、5.51、10.64、8.26、6.34倍。这说明，当水玻璃体积掺量为40%时，结石体渗透系数受水灰比变化影响最大。无论增大或减小水玻璃体积掺量，浆-岩结石体渗透系数受到水灰比影响都会变弱。当水灰比为1.0时，不同水玻璃体积掺量的浆-岩结石体渗透系数大致相同，水玻璃体积掺量为30%时，渗透系数为5.56×10-9cm/s。可能的原因为，浆液中没有足够的水泥，即使水玻璃体积掺量增大也无法与水泥完全反应，反应产物的量由水泥量决定，即由水灰比决定，因此不同水玻璃体积掺量的结石体渗透系数差别较小。

3 对实际工程的建议

（1）无论水泥-水玻璃结石体、浆-土结石体、浆-岩结石体，较小的水灰比和水玻璃体积掺量都会提高结石体的抗渗性能。因此，在实际工程中，若要提高注浆的防渗堵漏效果，可适当减小水灰比及水泥-水玻璃浆液中水玻璃体积掺量。

（2）在试验中发现，盲目减小水灰比与水玻璃体积掺量会大大减弱浆液的流动性，缩短浆液凝结时间，不利于实际施工。为达到满意的防渗堵漏效果，同时考虑到施工方便，基于本试验设计配比，建议水泥-水玻璃结石体采用水灰比为1.0，水玻璃体积掺量为20%；浆-土结石体与浆-岩结石体采用水灰比为1.0，水玻璃体积掺量为30%。