劈裂注漿技術在軟流塑地層加固中的應用
摘 要:對南京地鐵某區間隧道軟流塑地層的大管棚加超前小導管劈裂注漿加固方案進行了介紹,并對注漿材料及配比進行了試驗研究,根據注漿效果可知,設計的劈裂注漿加固方案可滿足超前加固的要求。
關鍵詞:軟土地層;劈裂注漿;水泥-水玻璃雙液;現場試驗
劈裂注漿是目前應用較廣的一種軟弱土層加固方法,它既可應用于滲透性較好的砂層,又可應用于滲透性差的粘性土層。劈裂注漿采用高壓注漿工藝,將水泥或化學漿液等注入土層,以改善土層性質,在注漿過程中,注漿管出口的漿液對周圍地層施加了附加壓應力,使土體發生剪切裂縫,而漿液則沿著裂縫從土體強度低的地方向強度高的地方劈裂,劈入土體中的漿體便形成了加固土體的網絡或骨架。由于漿液在劈入土層過程中并不是與土顆粒均勻混合,而是呈兩相各自存在,所以從土的微觀結構分析,土除受到部分的壓密作用外,其他物理力學性能的變化并不明顯,故其加固效果應從宏觀上來分析,即應考慮土體的骨架效應。
實踐表明,對于軟—流塑粘土地層,由于地層透水性差,有時滲透注漿或壓密注漿都難以達到理想效果,而劈裂注漿可利用其液壓在地層中產生劈裂孔隙,改善地層的可注性,從而達到注漿加固的要求。
1 工程概況
南京地鐵南北線一期工程珠江路站—鼓樓站和鼓樓站—玄武門站兩區間隧道,設計采用礦山法修建。在珠江路站北端段, 隧道穿過地層為軟—流塑粉質粘土,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;在玄武門站南端段,隧道穿過地層為軟～ 流塑淤泥質粉質粘土,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—流塑粉質粘土、淤泥質粉質粘土,強度低,靈敏度高,易產生蠕動現象,開挖后自穩能力極差,易坍塌,地面沉降難以控制,嚴重時可能發生洞內涌泥現象,使施工無法進行,因此必須對土體進行預加固。
2 施工方案
經工程調研和論證,決定采用臺階分步開挖法施工,同時采用大管棚+ 小導管超前預注漿的輔助工法(如圖1 、圖2 所示) 。長管棚結合小導管注漿和掌子面超前預注漿法,是在隧道拱部打設長管棚和小導管注漿,對拱部進行加固和超前支護,并對隧道掌子面的地層進行注漿改良,然后在管棚和加固拱圈的保護下進行開挖、支護與襯砌。
設計拱部150°范圍設立管棚支護,注漿加固范圍1. 5m , 大管棚采用長40m 的? 108 鋼管,鋼管打孔注漿,大管棚搭接長度3m , 環向間距0. 35m ; 短導管采用3m 長的? 32 普通水煤氣管,搭接長度1. 5m , 環向間距0. 35m ; 長導管采用13m 長的
圖1 圖1 大管棚+ 小導管超前注漿示意圖
Ⅰ—小導管超前注漿; Ⅱ—掌子面封閉注漿; Ⅲ—臺階開挖; Ⅳ 下臺階開挖; Ⅴ—大管棚支護; Ⅵ—下臺階初期支護; Ⅶ— 拱部初期支護
圖2 掌子面注漿孔布置圖
42PVC 劈裂注漿管,搭接長度4m , 間距0. 5m ×0. 5m ; 邊墻采用中空錨管注漿。開挖臺階長度2～3m , 上臺階施工時設置臨時仰拱封閉,臨時仰拱采用16 工字鋼,噴20cm 厚C20 混凝土,兩側各設置2 根32 、長2. 5m 的鎖腳錨桿,鎖腳錨桿置入角度60°; 下臺階開挖時,對上部鋼架拱腳處,應采用跳槽開挖,及時支撐開挖后的拱腳。為進一步控制地表沉降,保護地面環境,在開挖及一次支護完成后,及時在其背后進行回填和固結注漿,充填由于開挖所形成空隙。對軟流塑淤泥質粘土而言,本工法的關鍵是注漿,控制地面沉降和拱頂下沉的關鍵是注漿效果。
3 注漿材料隧道所通過的地層為淤泥質粉質粘土,含水量大,透水性差, 在此土層中采用劈裂注漿法加固時,不但存在土體受壓后固結問題,還存在漿液本身的固結問題,漿液固結后如有多余的水份, 它在粘土內無法排出,只能靠粘土中被劈開的裂隙排出,因此采用水泥漿液或水泥粘土漿液時會造成到處跑漿現象。水泥-水玻璃雙液不僅具備水泥漿的特點,而且還兼有某些化學漿液的特點,如漿液膠凝時間可在幾秒至幾十分鐘之間準確控制,結石體抗壓強度高,結石率可達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程中的跑漿現象,有效提高固結土體早期強度,也有利于漿脈周圍被擠壓土體的再固結和整個地層強度的提高。
(1) 為確定合適的注漿材料及配比,對6 個不同品種的水泥-水玻璃漿液進行了室內試驗,考察了漿液初凝時間、凈漿立方抗壓強度與水泥品種、水灰比及水玻璃加量范圍的關系。室驗分兩個步驟進行:第一步通過對漿液凝結時間、凈漿立方體抗壓強度(40 ×40 ×40mm3) 與水泥品種關系的研究,選出兩種合適的漿材;第二步對選出的兩種漿材,通過對其與水玻璃反應特性的比較,從中選出最合適的水泥品種、水灰比及水玻璃加量范圍。試驗采用正交設計方法安排,用多指標綜合平衡法分析試驗結果。由漿材及配化實驗結果可知:抗壓強度的主要影響因素是水灰比,初凝時間的主要影響因素為水泥品種。試驗所用材料中Hc —T(高) 、Hc —T(可) 及425 號普通水泥后期強度較高,但425 號普通水泥凝結時間較長,初期強度也低,故決定選取Hc —T 凝結時間可調超細灌漿材料和Hc —T 高強無收縮超細灌漿材料繼續做進一步試驗,研究水灰比及水玻璃加量對凝結時間及流動度的影響。
(2) Hc —T 高強無收縮超細灌漿材料試驗結果可知:兩種試驗材料,隨水灰比的增大,凝結時間增長,漿液流動度增大,且在試驗范圍內呈現線性變化;隨水玻璃加量的增多,漿液初凝時間縮短,流動度減小;在水灰比相等的情況下, Hc —T 凝結時間可調超細灌漿材料與水玻璃的反應更快,且水灰比變化對凝結時間和流動性的影響更小,漿液更穩定。
經過技術經濟論證,決定對不同注漿管采用不同注漿材料進行現場試驗。大管棚:42. 5 級普通硅酸鹽水泥-水玻璃雙液, 水玻璃濃度25～35Be°,模數2. 6 , 水灰比0. 8～1. 0 , 水泥漿與水玻璃體積比1∶0. 5 。小導管和PVC 劈裂注漿管: Hc —T 凝結時間可調超細灌漿材料,水泥標號42. 5 級,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,為保證注漿質量,應對注漿效果進行檢查。通過對掌子面加固土體進行開挖,目測注漿加固范圍,發現加固土體中漿脈分布明顯,注漿孔周圍也有明顯的擠密土體。采用設計方案,順利地通過了科研試驗段的軟弱土層,施工時未發生洞內涌泥現象,地面沉降和隧道周邊變形也得到了有效地控制。經現場監控量測,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 。
通過對比試驗,發現普通硅酸鹽水泥-水玻璃雙液凝固時間長,有時甚至出現不凝固現象,加固效果不很理想; HC —T 凝結時間可調超細注漿材料注漿效果則明顯優于普通水泥-水玻璃雙液,可注性好,漿液能快速凝結。
5 結束語
(1) 采用“大管棚+ 小導管超前預注漿+ 掌子面封閉注漿”劈裂注漿工法,能有效地加固軟流塑地層,防止隧道開挖時發生坍塌和洞內涌泥等現象,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—流塑淤泥質粘土地層,要求漿液粘稠,能快速凝固,固結體早后期強度高。通過大量的室內及現場試驗,證明HC —T 凝結時間可調超細灌漿材料,當其水灰比為0. 6～0. 8 、水玻璃濃度25°Be 左右、水玻璃加量1 %～3 % 時, 符合該地層注漿加固的要求,但其造價較高。普通水泥-水玻璃漿液加固效果不及Hc —T 凝結時間可調超細灌漿材料,但造價較低,可在注漿難度相對較小時采用。
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