新型改性水泥-水玻璃复合注浆材料加固砂卵石地层研究

王晓婵，高胜雷

（北京市市政建设集团有限责任公司，北京 100049）

0 绪论

在城市地下施工时，有时会遇到上覆土较浅、土体结构松散的地层，在这种地层进行暗挖施工极易出现拱顶土脱落、坍塌等问题，对城市安全造成严重威胁。为减小砂卵石地层超浅埋暗挖施工对周围环境的影响，保证施工安全[1-4]，通常在开挖前采用合理配比的注浆液对土体进行注浆预加固，使其形成拱部效应，来控制地层变形[5]。针对北京某砂卵石地层超浅埋暗挖下穿城市快速道路工程的预加固浆液进行研究，通过试验分析选取适合本工程地层的预加固注浆液，同时总结该种地层浅埋暗挖预加固施工工艺，为今后类似条件工程提供借鉴。

1 工程概况

1.1 工程简介

该暗挖段与道路填方路基段垂直交叉下穿，全长为110 m。暗挖截面尺寸为7400 mm×4300 mm。暗挖结构外顶距离自然地面约为4.65 m，距离穿越道路中埋深约为9.45 m，覆土较浅，同时与暗挖结构相交叉的管线繁多，其中污水距离结构顶部仅为28 cm。

1.2 工程地质条件

暗挖区间隧道围岩主要为杂填土①1层、黏质粉土填土①层、卵石②层、卵石③层、卵石④层。按照ADECO-RS工法原理分类本工程砂卵石地层对应为C级，填土及卵石层粘聚力低，围岩稳定性较差，无法形成自然应力拱，容易引发结构变形，导致地面沉降过大或塌陷。根据场区区域水文地质资料，本结构施工范围内存在上层滞水。

1.3 暗挖预加固措施

依托暗挖工程根据不同的施工位置采用不同的加固工艺。马头门门洞位置及下穿现况污水管线区域设置超前小导管进行注浆，对土体进行加固；暗挖结构段位于卵石层及表层杂填土层，围岩稳定性较差，不易形成自然应力拱，施工过程中容易发生塌落，同时暗挖结构下穿城市快速路，顶部风险较大，为保证施工安全，开挖前采取深孔注浆进行超前支护。

2 新型改性水泥-水玻璃复合注浆材料试验研究

2.1 本工况对注浆材料性能要求

选取施工现场5～15 m深处的卵石样本。通过5组样本筛分试验可知：选取的第1、4组砂卵石为相对均匀土体，级配良好，土体密实度较好，卵石质量约占到总质量的60%；第2、3、5组样本的平均粒径较大，卵石质量约占总质量的80%。详细结果如图1所示。

图1 卵石土体及大粒径漂石

暗挖区间隧道围岩主要为杂填土①1层、黏质粉土填土①层、卵石②层、卵石③层、卵石④层。卵石一般粒径为30～90 mm，已发现颗粒物最大直径250 mm，成分主要为石英砂岩、辉绿岩、安山岩、硅质白云岩等硬岩类，颗粒物形状以亚圆形为主，200 mm以上漂石多为长圆形。

地层土体颗粒较粗，粒间孔隙较大，渗透系数也较大，结合工程实际情况及以往经验，拟采用水泥-水玻璃复合注浆材料。在本工程中，深孔注浆加固区域大部分为砂卵石，但上部还掺杂着部分杂填土，杂填土堆积时间短，性质不均匀，厚度变化大，成分复杂，有机质含量高，压密周期长，压缩性非常大。针对此情况，注浆材料需满足以下要求：

（1）同时适用于砂卵石地层和杂填土地层，可注性良好，扩散半径均匀。

（2）深孔注浆加固区域内杂填土成分复杂，较为松散，要求注浆材料能较大程度上提高加固体强度，且耐久性较高。

（3）凝胶时间可控，凝结不能过快。

2.2 普通水泥-水玻璃注浆材料的改性思路

2.2.1 试验材料

水泥：P·O42.5水泥，高效分散剂：聚羧酸钠盐分散剂：木质素磺酸钙，无收缩灌浆剂，硫酸铜：化学纯，水玻璃：浓度42 Bé°，钢渣微粉：比表面积450 m2/kg，缓凝剂：FK-6羟基羧酸（盐），均为市售。

2.2.2 改性方法

由于现有普通水泥-水玻璃双液注浆材料难以满足上述要求，需对其进行改进。通过反复测试，最终得到如下改性方法：（1）添加高效分散剂，增加可注性及浆液扩散半径。水泥浆液中添加适量的高效分散剂和无收缩灌浆剂，吸附于固体颗粒的表面，使其表面易于湿润，添加无收缩灌浆剂使浆液强度提高、凝结后不收缩不变形。（2）添加硫酸铜提高结晶体强度，防止崩解。硫酸铜与水玻璃发生双水解反应，减小水玻璃对水泥的水化作用。（3）添加钢渣微粉提高结石体的结石抗渗性。钢渣微粉可减小浆液因水分挥发引起的结石体干缩，也可生成凝胶充填结石体内部孔结构，提高结石体的密度，增强抗渗性能。（4）添加缓凝剂使凝胶时间可控。经过多次试验，最终配比如下：A液为水泥浆液，采用P·O42.5水泥，配合比为：m（水）∶m（水泥）∶m（高效分散剂）∶m（无收缩灌浆剂）∶m（钢渣微粉）=1∶1.2∶0.055∶0.055∶0.075；B液：水玻璃浓度为42Bé°，配合比为：m（水）∶m（水玻璃）∶m（硫酸铜）=1∶1∶0.03。

2.3 改性水泥-水玻璃注浆材料适用性试验

为了进一步验证添加剂对普通水泥-水玻璃注浆液的影响及改良后注浆液的适用性，进行如下添加剂试验。

2.3.1 凝胶时间试验

根据工程实际，改性水泥-水玻璃复合浆液的凝胶时间需要可以在几秒到几十分钟之间调节。固定高效分散剂、硫酸铜、钢渣微粉的含量，分析浆液中水泥、缓凝剂含量对浆液凝胶时间的影响。配制过程如图2所示。

图2 改性水泥-水玻璃配制过程

水灰比对改性水泥-水玻璃复合浆液凝胶时间的影响如表1所示。

表1 水灰比对改性水泥-水玻璃复合浆液凝胶时间的影响

由表1可见，随着水灰比的增大，凝胶时间逐渐缩短。复合浆液凝胶时间在19～110 s范围内波动，时间较短，可适用于双液注浆，能够满足注浆快凝的要求。

还可以通过改变缓凝剂来控制凝胶时间，固定浆液水灰比为1.0，缓凝剂对改性水泥-水玻璃复合浆液凝胶时间的影响如表2所示。

表2 缓凝剂对改性水泥-水玻璃复合浆液凝胶时间的影响

由表2可见，凝胶时间随缓凝剂用量的增加而延长。改性水泥-水玻璃复合浆液的凝胶时间可以从几十秒至几十分钟进行调控。

2.3.2 抗压强度试验

对改性水泥-水玻璃复合浆液结石体的无侧限抗压强度进行测试，根据DL/T 5126—2001《聚合物改性水泥砂浆试验规程》试验操作方法进行试件制备与养护，制作径高比1∶1的圆柱形试件。试模的直径和高度均为100 mm。将制备的样品浸入水中并进行3、7、14、28 d的标准养护。为保证试验结果的可靠性和准确性，每组试件不少于6个。水灰比与硫酸铜含量对改性水泥-水玻璃复合浆液结石体无侧限抗压强度影响如表3所示。

由表3可以看出，在相同水灰比条件下，随着硫酸铜含量增加，改性水泥-水玻璃复合浆液结石体3 d抗压强度呈提高趋势。在硫酸铜含量小于7%时，强度提高幅度较小；超过7%时，强度提高明显。随着水灰比的增大，结石体的抗压强度不断降低，说明水灰比对结石体的抗压强度影响显著，水灰比增大，会直接导致结石体内部孔隙率增大，从而降低结石体强度。同时浆液中用水量增大，浆液的pH值显著降低，不利于改性水泥-水玻璃复合浆液的水化，特别会对早期强度产生显著影响。因此，在普通水泥-水玻璃复合浆液中加入硫酸铜能显著提高复合浆液结石体的强度。

表3 改性水泥-水玻璃复合浆液结石体的无侧限抗压强度

2.3.3 浆液结石体抗渗性试验

析水性是水泥浆液的重要特性，主要是由于水泥颗粒粒径大且不溶于水，在重力的作用下，因颗粒沉淀造成浆水分离[6]。随着水分的析出，浆液黏度不断改变，注浆扩散范围受到影响。同时析水性也会导致水泥浆液结石率较低，影响地层加固效果。在普通水泥浆液中掺入钢渣微粉可以提高结石体致密度，降低因水分挥发引起的结石体干缩，极大提高浆液的抗渗性。为了验证，分别测试普通浆液和改性浆液在不同水灰比下的析水性。

在试验开始前，筛除粒径0.075 mm以上水泥颗粒，确保无结块，浆液配制好后倒入10 mL玻璃量筒进行混合浆液静置析水实验，每隔一段时间记录1次浆液液面高度，直至液面的高度停止变化。为确保试验取得可靠数据，每组试验至少重复3次，取其平均值。利用浆液初始密度、浆液的析水量计算出各时刻浆液的析水率。普通水泥浆液与改性水泥-水玻璃复合浆液的析水率如表4所示。

表4 普通水泥浆液及改性水泥浆液的析水率

从表4可以看出：当水灰比小于1.0时，改性浆液基本无析水现象，普通浆液出现析水。当水灰比增大到2.5，静置40 min时，改性浆液的析水率仅为1.5%；而此时普通浆液的析水率是改性浆液的53倍。说明在普通水泥-水玻璃双液浆中掺入钢渣微粉能显著改善水泥浆液的析水性，同时结石率也会随着水灰比的增大而减小。

3 新型改性水泥-水玻璃复合注浆材料在砂卵石地层暗挖中的应用

本工程采取两端对向环形开挖土体，预留核心土法，每次开挖长度为0.5 m。隧道暗挖段开挖断面分3个开挖导洞。马头门门洞位置及下穿现况污水管线区域采用超前小导管进行注浆加固；暗挖结构段开挖前采取深孔注浆进行超前支护加固。

3.1 超前小导管注浆浆液配制及参数

3.1.1 超前小导管注浆浆液配制

超前注浆采用改性水泥-水玻璃复合浆液，总的原则是浆液要满足固结地层，防止涌水的产生。根据试验及现场施工需要水泥-水玻璃复合浆液配制如下：普通水泥浆的水灰比为1.0～1.5，在施工中可依据现场情况适量调整；水泥水玻璃复合浆液的水灰比为1.25～2.5，施工中可适当调整。

3.1.2 超前小导管注浆参数

竖井向下开挖至马头门位置时，根据测量放线打入拱部双排超前小导管，小导管沿109°范围的轮廓线布置，采用φ42 mm，L=4 m和L=5 m钢管，环向间距为0.5 m，外插角10°～20°。

3.2 深孔注浆浆液配置及施工参数

3.2.1 深孔注浆浆液配制

本工程深孔注浆采用双重管无收缩注浆工法，即WSS注浆工艺，对区间拱部进行深孔注浆，以达到稳固土体的预期目的。WSS浆液为新型改性水泥-水玻璃复合注浆材料，分为A、B液。

A液配制流程：水、高效分散剂、钢渣微粉、缓凝剂、水泥。浆液配制前按搅拌机的容量和注浆材料的配比参数计算出配制一桶浆液所需的水泥和水的用量，先在搅拌机中加入一定量的水，再加入规定量的缓凝剂，强力搅拌3 min，然后加入定量的水泥和钢渣微粉，强力搅拌，最后加入高效分散剂，搅拌均匀，即完成A液配制待用。

B液配制流程：在浓水玻璃中加入硫酸铜，并稀释至设计浓度，搅拌均匀后待用，量取水玻璃桶的体积，标定设计单段注浆量所需的高度，一次控制设计注浆量。图3为现场注浆施工情况。

图3 现场注浆施工情况

3.2.2 深孔注浆参数

采用改性水泥-水玻璃复合浆液，注浆压力控制在0.8～1.0 MPa，扩散半径≥0.5 m，单根注浆管每延米注浆量≥0.76 m3，注浆后的渗透系数≤1.0×10-7cm/s。

3.3 现场施工验证

应用改性水泥-水玻璃复合注浆材料进行现场施工，现场开挖揭示效果如图4所示，注浆效果良好。施工过程中监测数据可控，保证了施工的安全。

图4 现场开挖揭示效果

4 结语

（1）针砂卵石地层的加固要求，对常见的注浆材料现存问题进行分析，通过掺加添加剂的方式对普通水泥-水玻璃复合注浆材料进行改性，通过添加剂试验发现：缓凝剂的添加使得凝胶时间可控；硫酸铜的添加改善了结石体与混凝土或岩体界面的状况，增大了粘结力，使得抗压强度显著提高；钢渣微粉的添加提高结石体的致密性，抗渗性能提高。

（2）根据试验发现的规律，改良了普通水泥-水玻璃复合注浆液，配制出满足该工况超前小导管注浆加固和深孔注浆超前支护的复合注浆液，同时给出了改良注浆液的施工参数。根据施工情况来看，改性水泥-水玻璃复合注浆液可在砂卵石地层中均匀扩散，加固效果良好，提高了超前注浆加固地层的工效，实现了下穿隧道暗挖的安全、快速施工。