劈裂注漿技術(shù)在軟流塑地層加固中的應(yīng)用

摘　要:對(duì)南京地鐵某區(qū)間隧道軟流塑地層的大管棚加超前小導(dǎo)管劈裂注漿加固方案進(jìn)行了介紹,并對(duì)注漿材料及配比進(jìn)行了試驗(yàn)研究,根據(jù)注漿效果可知,設(shè)計(jì)的劈裂注漿加固方案可滿(mǎn)足超前加固的要求。
關(guān)鍵詞:軟土地層;劈裂注漿;水泥-水玻璃雙液;現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)
　　劈裂注漿是目前應(yīng)用較廣的一種軟弱土層加固方法,它既可應(yīng)用于滲透性較好的砂層,又可應(yīng)用于滲透性差的粘性土層。劈裂注漿采用高壓注漿工藝,將水泥或化學(xué)漿液等注入土層,以改善土層性質(zhì),在注漿過(guò)程中,注漿管出口的漿液對(duì)周?chē)貙邮┘恿烁郊訅簯?yīng)力,使土體發(fā)生剪切裂縫,而漿液則沿著裂縫從土體強(qiáng)度低的地方向強(qiáng)度高的地方劈裂,劈入土體中的漿體便形成了加固土體的網(wǎng)絡(luò)或骨架。由于漿液在劈入土層過(guò)程中并不是與土顆粒均勻混合,而是呈兩相各自存在,所以從土的微觀結(jié)構(gòu)分析,土除受到部分的壓密作用外,其他物理力學(xué)性能的變化并不明顯,故其加固效果應(yīng)從宏觀上來(lái)分析,即應(yīng)考慮土體的骨架效應(yīng)。
實(shí)踐表明,對(duì)于軟—流塑粘土地層,由于地層透水性差,有時(shí)滲透注漿或壓密注漿都難以達(dá)到理想效果,而劈裂注漿可利用其液壓在地層中產(chǎn)生劈裂孔隙,改善地層的可注性,從而達(dá)到注漿加固的要求。

1 工程概況
南京地鐵南北線(xiàn)一期工程珠江路站—鼓樓站和鼓樓站—玄武門(mén)站兩區(qū)間隧道,設(shè)計(jì)采用礦山法修建。在珠江路站北端段, 隧道穿過(guò)地層為軟—流塑粉質(zhì)粘土,覆土厚度約9m , 地面有2 棟7 層樓房,1 棟4 層樓房和一條 700 污水管;在玄武門(mén)站南端段,隧道穿過(guò)地層為軟～ 流塑淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土,覆土厚度約8m , 地面有2 棟2 層樓房,3 棟5 層樓房和一條900 污水管。
以上兩段軟—流塑粉質(zhì)粘土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土,強(qiáng)度低,靈敏度高,易產(chǎn)生蠕動(dòng)現(xiàn)象,開(kāi)挖后自穩(wěn)能力極差,易坍塌,地面沉降難以控制,嚴(yán)重時(shí)可能發(fā)生洞內(nèi)涌泥現(xiàn)象,使施工無(wú)法進(jìn)行,因此必須對(duì)土體進(jìn)行預(yù)加固。

2 施工方案
經(jīng)工程調(diào)研和論證,決定采用臺(tái)階分步開(kāi)挖法施工,同時(shí)采用大管棚+ 小導(dǎo)管超前預(yù)注漿的輔助工法(如圖1 、圖2 所示) 。長(zhǎng)管棚結(jié)合小導(dǎo)管注漿和掌子面超前預(yù)注漿法,是在隧道拱部打設(shè)長(zhǎng)管棚和小導(dǎo)管注漿,對(duì)拱部進(jìn)行加固和超前支護(hù),并對(duì)隧道掌子面的地層進(jìn)行注漿改良,然后在管棚和加固拱圈的保護(hù)下進(jìn)行開(kāi)挖、支護(hù)與襯砌。
設(shè)計(jì)拱部150°范圍設(shè)立管棚支護(hù),注漿加固范圍1. 5m , 大管棚采用長(zhǎng)40m 的? 108 鋼管,鋼管打孔注漿,大管棚搭接長(zhǎng)度3m , 環(huán)向間距0. 35m ; 短導(dǎo)管采用3m 長(zhǎng)的? 32 普通水煤氣管,搭接長(zhǎng)度1. 5m , 環(huán)向間距0. 35m ; 長(zhǎng)導(dǎo)管采用13m 長(zhǎng)的

圖1 　圖1 大管棚+ 小導(dǎo)管超前注漿示意圖
Ⅰ—小導(dǎo)管超前注漿; Ⅱ—掌子面封閉注漿; Ⅲ—臺(tái)階開(kāi)挖; Ⅳ 下臺(tái)階開(kāi)挖; Ⅴ—大管棚支護(hù); Ⅵ—下臺(tái)階初期支護(hù); Ⅶ— 拱部初期支護(hù)

圖2 　掌子面注漿孔布置圖
42PVC 劈裂注漿管,搭接長(zhǎng)度4m , 間距0. 5m ×0. 5m ; 邊墻采用中空錨管注漿。開(kāi)挖臺(tái)階長(zhǎng)度2～3m , 上臺(tái)階施工時(shí)設(shè)置臨時(shí)仰拱封閉,臨時(shí)仰拱采用16 工字鋼,噴20cm 厚C20 混凝土,兩側(cè)各設(shè)置2 根32 、長(zhǎng)2. 5m 的鎖腳錨桿,鎖腳錨桿置入角度60°; 下臺(tái)階開(kāi)挖時(shí),對(duì)上部鋼架拱腳處,應(yīng)采用跳槽開(kāi)挖,及時(shí)支撐開(kāi)挖后的拱腳。為進(jìn)一步控制地表沉降,保護(hù)地面環(huán)境,在開(kāi)挖及一次支護(hù)完成后,及時(shí)在其背后進(jìn)行回填和固結(jié)注漿,充填由于開(kāi)挖所形成空隙。對(duì)軟流塑淤泥質(zhì)粘土而言,本工法的關(guān)鍵是注漿,控制地面沉降和拱頂下沉的關(guān)鍵是注漿效果。
3 　注漿材料隧道所通過(guò)的地層為淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土,含水量大,透水性差, 在此土層中采用劈裂注漿法加固時(shí),不但存在土體受壓后固結(jié)問(wèn)題,還存在漿液本身的固結(jié)問(wèn)題,漿液固結(jié)后如有多余的水份, 它在粘土內(nèi)無(wú)法排出,只能靠粘土中被劈開(kāi)的裂隙排出,因此采用水泥漿液或水泥粘土漿液時(shí)會(huì)造成到處跑漿現(xiàn)象。水泥-水玻璃雙液不僅具備水泥漿的特點(diǎn),而且還兼有某些化學(xué)漿液的特點(diǎn),如漿液膠凝時(shí)間可在幾秒至幾十分鐘之間準(zhǔn)確控制,結(jié)石體抗壓強(qiáng)度高,結(jié)石率可達(dá)98 %～100 % 等,可注性比純水泥漿明顯提高。采用水泥-水玻璃雙液可克服注漿過(guò)程中的跑漿現(xiàn)象,有效提高固結(jié)土體早期強(qiáng)度,也有利于漿脈周?chē)粩D壓土體的再固結(jié)和整個(gè)地層強(qiáng)度的提高。
(1) 為確定合適的注漿材料及配比,對(duì)6 個(gè)不同品種的水泥-水玻璃漿液進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn),考察了漿液初凝時(shí)間、凈漿立方抗壓強(qiáng)度與水泥品種、水灰比及水玻璃加量范圍的關(guān)系。室驗(yàn)分兩個(gè)步驟進(jìn)行:第一步通過(guò)對(duì)漿液凝結(jié)時(shí)間、凈漿立方體抗壓強(qiáng)度(40 ×40 ×40mm3) 與水泥品種關(guān)系的研究,選出兩種合適的漿材;第二步對(duì)選出的兩種漿材,通過(guò)對(duì)其與水玻璃反應(yīng)特性的比較,從中選出最合適的水泥品種、水灰比及水玻璃加量范圍。試驗(yàn)采用正交設(shè)計(jì)方法安排,用多指標(biāo)綜合平衡法分析試驗(yàn)結(jié)果。由漿材及配化實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知:抗壓強(qiáng)度的主要影響因素是水灰比,初凝時(shí)間的主要影響因素為水泥品種。試驗(yàn)所用材料中Hc —T(高) 、Hc —T(可) 及425 號(hào)普通水泥后期強(qiáng)度較高,但425 號(hào)普通水泥凝結(jié)時(shí)間較長(zhǎng),初期強(qiáng)度也低,故決定選取Hc —T 凝結(jié)時(shí)間可調(diào)超細(xì)灌漿材料和Hc —T 高強(qiáng)無(wú)收縮超細(xì)灌漿材料繼續(xù)做進(jìn)一步試驗(yàn),研究水灰比及水玻璃加量對(duì)凝結(jié)時(shí)間及流動(dòng)度的影響。
(2) Hc —T 高強(qiáng)無(wú)收縮超細(xì)灌漿材料試驗(yàn)結(jié)果可知:兩種試驗(yàn)材料,隨水灰比的增大,凝結(jié)時(shí)間增長(zhǎng),漿液流動(dòng)度增大,且在試驗(yàn)范圍內(nèi)呈現(xiàn)線(xiàn)性變化;隨水玻璃加量的增多,漿液初凝時(shí)間縮短,流動(dòng)度減小;在水灰比相等的情況下, Hc —T 凝結(jié)時(shí)間可調(diào)超細(xì)灌漿材料與水玻璃的反應(yīng)更快,且水灰比變化對(duì)凝結(jié)時(shí)間和流動(dòng)性的影響更小,漿液更穩(wěn)定。
經(jīng)過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)論證,決定對(duì)不同注漿管采用不同注漿材料進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。大管棚:42. 5 級(jí)普通硅酸鹽水泥-水玻璃雙液, 水玻璃濃度25～35Be°,模數(shù)2. 6 , 水灰比0. 8～1. 0 , 水泥漿與水玻璃體積比1∶0. 5 。小導(dǎo)管和PVC 劈裂注漿管: Hc —T 凝結(jié)時(shí)間可調(diào)超細(xì)灌漿材料,水泥標(biāo)號(hào)42. 5 級(jí),水灰比0. 6～0. 8 , 水玻璃濃度25Be°左右,水玻璃加量1 %～3 % 。注漿加固壓力1. 0～
1. 5MPa 。
4 　注漿效果
注漿是隱蔽性工程,為保證注漿質(zhì)量,應(yīng)對(duì)注漿效果進(jìn)行檢查。通過(guò)對(duì)掌子面加固土體進(jìn)行開(kāi)挖,目測(cè)注漿加固范圍,發(fā)現(xiàn)加固土體中漿脈分布明顯,注漿孔周?chē)灿忻黠@的擠密土體。采用設(shè)計(jì)方案,順利地通過(guò)了科研試驗(yàn)段的軟弱土層,施工時(shí)未發(fā)生洞內(nèi)涌泥現(xiàn)象,地面沉降和隧道周邊變形也得到了有效地控制。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè),除交叉口段地面沉降較大( > 30mm) 外,其余地段地表沉降及拱頂下沉值均≤30mm 。
通過(guò)對(duì)比試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)普通硅酸鹽水泥-水玻璃雙液凝固時(shí)間長(zhǎng),有時(shí)甚至出現(xiàn)不凝固現(xiàn)象,加固效果不很理想; HC —T 凝結(jié)時(shí)間可調(diào)超細(xì)注漿材料注漿效果則明顯優(yōu)于普通水泥-水玻璃雙液,可注性好,漿液能快速凝結(jié)。

5 　結(jié)束語(yǔ)
(1) 采用“大管棚+ 小導(dǎo)管超前預(yù)注漿+ 掌子面封閉注漿”劈裂注漿工法,能有效地加固軟流塑地層,防止隧道開(kāi)挖時(shí)發(fā)生坍塌和洞內(nèi)涌泥等現(xiàn)象,有效控制地面沉降和隧道周邊變形。
(2) 采用劈裂注漿法加固軟—流塑淤泥質(zhì)粘土地層,要求漿液粘稠,能快速凝固,固結(jié)體早后期強(qiáng)度高。通過(guò)大量的室內(nèi)及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),證明HC —T 凝結(jié)時(shí)間可調(diào)超細(xì)灌漿材料,當(dāng)其水灰比為0. 6～0. 8 、水玻璃濃度25°Be 左右、水玻璃加量1 %～3 % 時(shí), 符合該地層注漿加固的要求,但其造價(jià)較高。普通水泥-水玻璃漿液加固效果不及Hc —T 凝結(jié)時(shí)間可調(diào)超細(xì)灌漿材料,但造價(jià)較低,可在注漿難度相對(duì)較小時(shí)采用。

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