劈裂注浆技术在软流塑地层加固中的应用

摘　要:对南京地铁某区间隧道软流塑地层的大管棚加超前小导管劈裂注浆加固方案进行了介绍,并对注浆材料及配比进行了试验研究,根据注浆效果可知,设计的劈裂注浆加固方案可满足超前加固的要求。

关键词:软土地层;劈裂注浆;水泥-水玻璃双液;现场试验

　　劈裂注浆是目前应用较广的一种软弱土层加固方法,它既可应用于渗透性较好的砂层,又可应用于渗透性差的粘性土层。劈裂注浆采用高压注浆工艺,将水泥或化学浆液等注入土层,以改善土层性质,在注浆过程中,注浆管出口的浆液对周围地层施加了附加压应力,使土体发生剪切裂缝,而浆液则沿着裂缝从土体强度低的地方向强度高的地方劈裂,劈入土体中的浆体便形成了加固土体的网络或骨架。由于浆液在劈入土层过程中并不是与土颗粒均匀混合,而是呈两相各自存在,所以从土的微观结构分析,土除受到部分的压密作用外,其他物理力学性能的变化并不明显,故其加固效果应从宏观上来分析,即应考虑土体的骨架效应。
实践表明,对于软—流塑粘土地层,由于地层透水性差,有时渗透注浆或压密注浆都难以达到理想效果,而劈裂注浆可利用其液压在地层中产生劈裂孔隙,改善地层的可注性,从而达到注浆加固的要求。

1 工程概况
南京地铁南北线一期工程珠江路站—鼓楼站和鼓楼站—玄武门站两区间隧道,设计采用矿山法修建。在珠江路站北端段, 隧道穿过地层为软—流塑粉质粘土,覆土厚度约9m , 地面有2 栋7 层楼房,1 栋4 层楼房和一条 700 污水管;在玄武门站南端段,隧道穿过地层为软～ 流塑淤泥质粉质粘土,覆土厚度约8m , 地面有2 栋2 层楼房,3 栋5 层楼房和一条900 污水管。
以上两段软—流塑粉质粘土、淤泥质粉质粘土,强度低,灵敏度高,易产生蠕动现象,开挖后自稳能力极差,易坍塌,地面沉降难以控制,严重时可能发生洞内涌泥现象,使施工无法进行,因此必须对土体进行预加固。

2 施工方案
经工程调研和论证,决定采用台阶分步开挖法施工,同时采用大管棚+ 小导管超前预注浆的辅助工法(如图1 、图2 所示) 。长管棚结合小导管注浆和掌子面超前预注浆法,是在隧道拱部打设长管棚和小导管注浆,对拱部进行加固和超前支护,并对隧道掌子面的地层进行注浆改良,然后在管棚和加固拱圈的保护下进行开挖、支护与衬砌。
设计拱部150°范围设立管棚支护,注浆加固范围1. 5m , 大管棚采用长40m 的? 108 钢管,钢管打孔注浆,大管棚搭接长度3m , 环向间距0. 35m ; 短导管采用3m 长的? 32 普通水煤气管,搭接长度1. 5m , 环向间距0. 35m ; 长导管采用13m 长的

图1 　图1 大管棚+ 小导管超前注浆示意图
ⅰ—小导管超前注浆; ⅱ—掌子面封闭注浆; ⅲ—台阶开挖; ⅳ 下台阶开挖; ⅴ—大管棚支护; ⅵ—下台阶初期支护; ⅶ— 拱部初期支护

图2 　掌子面注浆孔布置图
42pvc 劈裂注浆管,搭接长度4m , 间距0. 5m ×0. 5m ; 边墙采用中空锚管注浆。开挖台阶长度2～3m , 上台阶施工时设置临时仰拱封闭,临时仰拱采用16 工字钢,喷20cm 厚c20 混凝土,两侧各设置2 根32 、长2. 5m 的锁脚锚杆,锁脚锚杆置入角度60°; 下台阶开挖时,对上部钢架拱脚处,应采用跳槽开挖,及时支撑开挖后的拱脚。为进一步控制地表沉降,保护地面环境,在开挖及一次支护完成后,及时在其背后进行回填和固结注浆,充填由于开挖所形成空隙。对软流塑淤泥质粘土而言,本工法的关键是注浆,控制地面沉降和拱顶下沉的关键是注浆效果。

3 　注浆材料隧道所通过的地层为淤泥质粉质粘土,含水量大,透水性差, 在此土层中采用劈裂注浆法加固时,不但存在土体受压后固结问题,还存在浆液本身的固结问题,浆液固结后如有多余的水份, 它在粘土内无法排出,只能靠粘土中被劈开的裂隙排出,因此采用水泥浆液或水泥粘土浆液时会造成到处跑浆现象。水泥-水玻璃双液不仅具备水泥浆的特点,而且还兼有某些化学浆液的特点,如浆液胶凝时间可在几秒至几十分钟之间准确控制,结石体抗压强度高,结石率可达98 %～100 % 等,可注性比纯水泥浆明显提高。采用水泥-水玻璃双液可克服注浆过程中的跑浆现象,有效提高固结土体早期强度,也有利于浆脉周围被挤压土体的再固结和整个地层强度的提高。
(1) 为确定合适的注浆材料及配比,对6 个不同品种的水泥-水玻璃浆液进行了室内试验,考察了浆液初凝时间、净浆立方抗压强度与水泥品种、水灰比及水玻璃加量范围的关系。室验分两个步骤进行:第一步通过对浆液凝结时间、净浆立方体抗压强度(40 ×40 ×40mm3) 与水泥品种关系的研究,选出两种合适的浆材;第二步对选出的两种浆材,通过对其与水玻璃反应特性的比较,从中选出最合适的水泥品种、水灰比及水玻璃加量范围。试验采用正交设计方法安排,用多指标综合平衡法分析试验结果。由浆材及配化实验结果可知:抗压强度的主要影响因素是水灰比,初凝时间的主要影响因素为水泥品种。试验所用材料中hc —t(高) 、hc —t(可) 及425 号普通水泥后期强度较高,但425 号普通水泥凝结时间较长,初期强度也低,故决定选取hc —t 凝结时间可调超细灌浆材料和hc —t 高强无收缩超细灌浆材料继续做进一步试验,研究水灰比及水玻璃加量对凝结时间及流动度的影响。
(2) hc —t 高强无收缩超细灌浆材料试验结果可知:两种试验材料,随水灰比的增大,凝结时间增长,浆液流动度增大,且在试验范围内呈现线性变化;随水玻璃加量的增多,浆液初凝时间缩短,流动度减小;在水灰比相等的情况下, hc —t 凝结时间可调超细灌浆材料与水玻璃的反应更快,且水灰比变化对凝结时间和流动性的影响更小,浆液更稳定。
经过技术经济论证,决定对不同注浆管采用不同注浆材料进行现场试验。大管棚:42. 5 级普通硅酸盐水泥-水玻璃双液, 水玻璃浓度25～35be°,模数2. 6 , 水灰比0. 8～1. 0 , 水泥浆与水玻璃体积比1∶0. 5 。小导管和pvc 劈裂注浆管: hc —t 凝结时间可调超细灌浆材料,水泥标号42. 5 级,水灰比0. 6～0. 8 , 水玻璃浓度25be°左右,水玻璃加量1 %～3 % 。注浆加固压力1. 0～
1. 5mpa 。
4 　注浆效果
注浆是隐蔽性工程,为保证注浆质量,应对注浆效果进行检查。通过对掌子面加固土体进行开挖,目测注浆加固范围,发现加固土体中浆脉分布明显,注浆孔周围也有明显的挤密土体。采用设计方案,顺利地通过了科研试验段的软弱土层,施工时未发生洞内涌泥现象,地面沉降和隧道周边变形也得到了有效地控制。经现场监控量测,除交叉口段地面沉降较大( > 30mm) 外,其余地段地表沉降及拱顶下沉值均≤30mm 。
通过对比试验,发现普通硅酸盐水泥-水玻璃双液凝固时间长,有时甚至出现不凝固现象,加固效果不很理想; hc —t 凝结时间可调超细注浆材料注浆效果则明显优于普通水泥-水玻璃双液,可注性好,浆液能快速凝结。

5 　结束语
(1) 采用“大管棚+ 小导管超前预注浆+ 掌子面封闭注浆”劈裂注浆工法,能有效地加固软流塑地层,防止隧道开挖时发生坍塌和洞内涌泥等现象,有效控制地面沉降和隧道周边变形。
(2) 采用劈裂注浆法加固软—流塑淤泥质粘土地层,要求浆液粘稠,能快速凝固,固结体早后期强度高。通过大量的室内及现场试验,证明hc —t 凝结时间可调超细灌浆材料,当其水灰比为0. 6～0. 8 、水玻璃浓度25°be 左右、水玻璃加量1 %～3 % 时, 符合该地层注浆加固的要求,但其造价较高。普通水泥-水玻璃浆液加固效果不及hc —t 凝结时间可调超细灌浆材料,但造价较低,可在注浆难度相对较小时采用。

参考文献:
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