地铁隧道砂砾地层预注浆加固技术

地铁隧道砂砾地层预注浆加固技术1工程概况xx地铁一号线十四标中小区间位于xx市大东区小东路段，地表建筑物密集，地下管网密布。线路沿小东路东西走向，全长约585m，双洞马蹄形断面，断面约33㎡，线间距13~14m，结构顶板埋深8~17m，其中65米下穿地下人防工程，隧道顶距其基础仅7m，左线76m斜下插东北文化城，隧道顶与其基础垂直距离仅2m。水位埋深8~9m，坑外井群降水，井距6~8m。中小区间所处地层为中粗砂，夹杂砾石，强透水，自稳性较差，I类场地。台阶法人工开挖，设计初支采用拱部超前小导管预注浆+拱架+网喷联合支护，拱架距离50~75cm/榀，无轨运输，垂直提升。2注浆材料的的选择2．1单液水泥浆单液水泥浆操作简便，料源广泛，物价低廉，结石强度较高，但凝固时间较慢，不利于隧洞快速掘进，单液水泥浆主要用于后注浆。曾用水泥浆+喷砼用速凝剂试验，速凝剂为水泥掺量5%时，5min左右浆液凝固，打开凝固体内部未结固，速凝剂为水泥掺量8%、10%时，1h后两者均未见结固。2．2水泥-水玻璃双液浆（C-S浆）C-S浆是工程中常用的材料，价格便宜，结石强度高，结石率大，无毒污染，缺点是结石体稳定性差，干燥地层易风化崩解，而且在施灌中应加入缓凝剂等外加剂并严格控制混合液比例，方能避免堵管等现象。试验发现，凝胶时间对混合液比例十分敏感，混合液配比的变化直接影响浆液可灌性。2．3HSC水泥-水泥双液型注浆材料（A、B型特种水泥）HSC（highstrengthcement）特种注浆材料主要由特制硫铝酸盐水泥、专用外加剂组成，该材料由唐山北极熊特种水泥有限责任公司制造，由A、B两种组分构成，A组分为硫铝酸盐水泥+絮凝剂，B组分为硅酸盐水泥+速凝剂，两组分分别调成水灰比为0.5~0.6浆液后，再按1：1比例用双液注浆泵注入岩体(双液双系统法)，该注浆材料的主要性能为早期强度较高，后期强度不降低，而且凝胶时间在35s-40min可调，0.5小时后抗压强度可达4MPa，28d可达37MPa，流动性大，具有良好的可注性，而且对流水有一定的堵截作用。中小区间施工前期采用该浆材进行地层预注浆加固，取得了较好的效果，但因该材料可注性极强，渗透能力大，而且价格偏高，每循环用量很大，后停止使用，经实验主要采用水泥+固砂剂双液浆进行预注浆地层加固。3水泥浆+BH-M75型固砂剂双液浆3．1BH-M75型固砂剂加固机理BH-M75型固砂剂由辽宁北四达企业生产的一种化学型液态地层加固液，呈淡黄色或乳白色，无味，由载体水玻璃（SiO2·nH2O）、缓凝剂磷酸氢二钠（Na2HPO4）、助剂组成，质量稳定，不需现场调配，可直接与水泥浆混合施灌即可。BH-M75型固砂剂+水泥浆加固地层机理如下：1、水泥的水化与水解反应。水泥主要成分为硅酸三钙3CaO·SiO2、硅酸三钙2CaO·SiO2、铝酸三钙3CaO·AL2O3和铁铝酸四钙4CaO·AL2O3·Fe2O3，水泥配置浆液时，不断水解和水化成氢氧化钙Ca（OH）2和其他水化物，其主要化学与物理方程式为：3CaO·SiO2+6H2O=3CaO·SiO2·3H2O+3Ca(OH)2，2(2CaO·SiO2)+4H2O=3CaO·SiO2·3H2O+Ca(OH)2，3CaO·Al2O3+6H2O=3CaO·Al2O3·6H2O2、水玻璃加速水泥的水化反应。水玻璃能加速水泥水化反应的原理是水玻璃能与水泥水化析出的Ca(OH)2反应生成具有一定强度的胶凝体即水化硅酸钙，其反应机理如下：Ca(OH)2+Na2O·nSiO2+mH2O→CaO·nSiO2·mH2O+NaOH。水泥水化反应析出的Ca(OH)2在水中溶解度不高，很快就达到饱和，从而抑制了硅酸三钙与硅酸二钙的水化，加入水玻璃后，水玻璃与浆液体系中的氢氧化钙反应，消耗了氢氧化钙，使溶液中的氢氧化钙达不到饱和，促使硅酸三钙与硅酸二钙的水化，这在宏观上表现为水泥浆初凝加快。3、缓凝剂磷酸氢二钠的缓凝作用。缓凝剂磷酸氢二钠在浆液体系中扮演很重要的角色，它本身并不参与水玻璃和氢氧化钙的反应，而是抑制水泥水化，其原理是磷酸氢二钠与氢氧化钙反应生成磷酸钙，磷酸钙包裹在水泥颗粒表面，对水泥颗粒的水化产生屏蔽作用，阻止了硅酸三钙与硅酸二钙的水化，反应机理为：Na2HPO4+Ca(OH)2→Ca2PO4+NaOH。4、通过水玻璃和磷酸氢二钠对水泥水化反应的一正一负作用，控制两者掺量来调节浆液的凝胶时间。BH-M75型固砂剂与水泥颗粒大小相匹配，同属颗粒型注浆材料，直径一般在40~100微米，中小区间地层以中粗砂为主（渗透系数达1×10-2cm/s以上），浆液系统中颗粒很容易进入高渗透介质，水泥与水玻璃在砂体空隙中反应连续发生，胶质体的强度不断提高，从而将地层的空隙结构为改良为镶嵌结构。3．2预注浆地层加固实验2007年1月15日，在试验室作水泥浆+固砂剂试验，当1：1.2水泥浆与固砂剂配比控制在约2：1（体积比）左右时，凝胶时间可控制在3min左右。2007年1月16日19:30分在右洞DK18+670拱部用水泥浆+固砂剂作地层预加固实验。1、浆液：水泥+固砂剂双液浆浆液配比C:W:S=1：1.2：1，水泥浆密度1.38kg/l，固砂剂1.25kg/l。2、单根导管理论注浆量按公式V=3.14R2Lnab。式中R为浆液扩散半径取0.15m（取相邻小导管间距的1/2）；L为注浆管有效长度取1.5m，n为地层孔隙率取0.3（干砂实测孔隙率0.42，考虑施工降水砂体自密、地层扰动等取0.3计算）；a为浆液填充系数取0.7；b为浆液消耗系数取1.1，单根导管理论注浆量24L。3、注浆机械、配套设施、人员安排自制牛角泵，容量50L左右，空压机1台，取浆桶2个，容量均为18L,备浆容器1个（110×65×50cm）。工作面2人，取浆2人，操作牛角泵1人，共5人。4、注浆压力：0.4MPa~0.5MPa。5、注浆过程单根导管注浆时先将一桶水泥浆（约16L，）倒入牛角泵，马上将预备好的8L固砂剂倒入泵内混合，加压至规定压力，一次性将混合液压入导管，拔管并用绵纱堵塞导管口，完成一根导管注浆，试验过程中未见堵管，每注完一根导管均将胶皮管内残余物冲洗干净。20:50分注浆结束，共用水泥4包（200Kg）,固砂剂4桶（200Kg），共注导管30根，（单长2m）。6、注浆效果最后一根导管注浆后30分钟开挖，明显可见浆液渗入导管之间的砂体，结石率较好，结石体强度不高，但加固后围岩有较强自稳性，导管外裹15~25cm固结体，有手抠固结体较硬，导管内有固结体，导管孔空隙中无结固体（系注液全部进入岩体孔隙），本循环中未见局部坍塌。3．3渗透性能实验为合理确定导管间距，2007年1月22日、23日在左线DK18+644、DK18+641上导核心土作单管注浆地层渗透性实验，按水泥浆+固砂剂地层预加固注浆实验中注浆参数操作，挖开土体后，导管周围有20~30cm包裹体，在导管口30cm左右距离包裹体外径较大，系高压风造孔时对该范围内土体干扰较大，围岩松散程度高，浆液渗透力强。4砂卵地层中的预注浆加固应用4．1注浆工艺导管安装导管安装封闭工作面堵孔注浆封口浆液配制导管加工造孔1、成孔与安装注浆导管：因隧道处于砂卵地层，用高压风造孔，然后将超前小导管打入孔内。导管安设好后，再用高压风冲出管内砂土，保证出浆畅通。超前小导管采用Φ25钢管，壁厚2.5mm，环间距0.3m。2、堵孔：超前小导管和定向钢管之间空隙应封堵，以防浆液从空隙溢出。3、浆液备制：采用水泥+固砂剂浆液。水泥强度等级为32.5及以上的硅酸盐水泥。水泥浆水灰比为1:1，水泥浆:固砂剂为2：1（可按体积调配）4、注浆：注浆时相邻孔位应错开交叉进行，注浆顺序由下而上间隔对称注浆。注浆压力控制在0.4~0.5MPa。5、注浆机械：牛角泵（自制）。4.2在地层预加固过程中需要注意的问题地层预加固是关系到隧洞施工安全与施工进度的关键工序，如何在施工中防塌是预加固的根本目的，因此加强注浆效果十分重要，在施工中还需重视如下问题：1、增加喷射混凝土的密实度。掌子面与格栅交界处和外露导管四周是喷浆薄弱环节，交界处喷宽为20cm的混凝土3~5cm封闭，外露导管四周的喷浆应变换喷浆角度。2、每根导管注浆完毕拔出注浆管应立即用绵纱堵塞，防止导管内浆液外跑，以加强导管刚度。3、导管间距与角度需严格控制，角度和间距过大岩体中存在浆液渗透盲区，间距过小存在交叉注浆，效果不好。4、浆液配比严格控制，各种材料称量偏差控制在5%以内。5经济效益中小区间采用水泥浆+固砂剂进行拱部超前小导管预注浆加固，工程进度与施工安全得到了保证，单洞日进尺由原来的1.5m左右提高至2.5m~3m左右，有效防止拱部局部坍穴的形成，有利于控制地表沉降与周边既有管网、既有建筑物的安全。采用HSC特种水泥双液浆，平均每循环（0.5m~0.75m/循环）需400Kg（1400元/吨），采用水泥+固砂剂双液浆，平均每循环需200Kg普硅水泥（330元/吨），250Kg固砂剂（1100元/吨），单循环可省220元左右。HSC特种水泥双液浆需双液注浆泵，水泥+固砂剂注浆可用自制牛角泵（双液单系统）即可满足施工要求，省机械费3万元左右。6小结采用牛角泵作注浆压力机械，操作简单，施工工序不算复杂，一般在50min内可进行一个循环的注浆作业，而且凝胶时间满足操作需要，能达到隧道快速掘进的要求。注浆完后马上开挖，能明显看到浆材渗入砂体，导管周围有一定大小