水泥—水玻璃双液注浆在黄土隧道施工中的应用.doc

第17卷第2期中 国 公 路 学 报Vol. 17 No2文章编号：1001-7372 (2004) 02-0068-05水泥水玻璃双液注浆在黄土隧道施工中的应用杨晓华，俞永华(长安大学桥梁与隧道陕西省重点实验室，陕西西安710064)摘要：针对黄土隧道进出口段的黄土层在与基岩交界附近为饱和黄土，围岩强度低，自稳能力差，施工难度大的现状，在室内测定了水泥水玻璃浆液不同配比和不同温度情况下的胶凝时间及浆液结石体抗压强度的基础上，通过现场注浆试验，对水泥水玻璃浆液配比、注浆压力、浆液扩散半径等技术参数和注浆工艺进行了研究。结果表明：在黄土隧道施工中，水泥水玻璃双液注浆参数为：水玻璃模数M=2. 83.1，水玻璃溶液浓度Be= 3540，水泥浆水灰比W/ C=O. 75：11.0：1（重量比），水泥浆：水玻璃=1：0.51：1.0（体积比），注浆压强为0. 63.5 MPa，浆液扩散半径为0. 51.3 m。工程实践说明：采用水泥水玻璃双液注浆方法加固黄土隧道进出口段的饱和黄土可以取得较好的效果关键词：隧道工程；水泥水玻璃双液注浆；现场试验；注浆参数；注浆工艺第2期 杨晓华，等：水泥水玻璃双液注浆在黄土隧道施工中的应用 0 引 言 黄土地区高等级公路建设中，路线遇到黄土山梁时基本上是采用隧道方案通过，黄土山梁通常是由第三纪泥岩和上覆的第四纪黄土组成，隧道穿越时大多是进出口段位于黄土地层，中间为第三纪泥岩地层，即所谓的“泥岩夹心”地层。由于黄土的垂直渗透性很强，而第三纪泥岩基本上不透水，地下水渗流受阻，黄土与泥岩分界带附近，形成了一层厚约10 m的饱和黄土层，土体呈软塑流塑状，强度较低。同时，由于隧道的开挖，改变了地下水的渗流方向，隧道成为地下水的排泄通道，水分向隧道围岩富集，使围岩的工程性质进一步恶化。在这种“泥岩夹心”的复杂地质条件下，黄土与泥岩交界处的隧道围岩自承能力极差，坍方时有发生，不但施工难以进洞，就是成洞后，隧道洞身的承载力和稳定性严重不足，沉降无法控制，后期病害多且难以处理，是黄土隧道建设中有待解决的技术难题。笔者针对黄土隧道围岩的特点，通过室内和现场试验，并结合工程实例，旨在探讨黄土隧道水泥水玻璃双液注浆的主要技术参数及施工工艺，供广大同行参考。1 水泥水玻璃浆液性能1.1水泥水玻璃浆液固化机理 水玻璃是一种粘稠液体，水解后里碱性。当这种液体压入黄土中，水玻璃便与黄土中的碱土金属发生作用，生成一种碱金属水合硅酸盐和二氧化硅凝胶，这种二氧化硅凝胶和碱金属水合硅酸盐充填了黄土中的孔隙，增加了粒间的胶结力，使土体硬化，强度增加。 水玻璃能加快水泥的水化作用，其主要原理在于：水玻璃能与水泥浆中的氢氧化钙反应，生成具有一定强度的胶凝体水化硅酸钙。 水泥中的硅酸三钙与硅酸二钙水化后生成氢氧化钙，由于氢氧化钙在水中的溶解度不高，很快就达到了饱和，从而限制以后的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，消耗了浆液体系中的氢氧化钙，使溶液中的氢氧化钙含量未达到饱和，从而加快了硅酸二钙与硅酸三钙的水化作用，宏观上表现出水泥浆液初凝时间加快，结石体早期强度增长。1.2水泥水玻璃浆液特点 (1)水泥水玻璃浆液胶凝时间短，且可在几秒钟到几十分钟内准确控制。胶凝时间与水混品种、水泥浆水灰比、水玻璃溶液浓度、水玻璃溶液与水泥浆的体积比和浆液温度有关，如图1和表1所示，其主要规律表现为，在同一条件下，水泥中含硅酸三钙越多，水泥浆水灰比越低，水玻璃溶液浓度越低(Be= 3045时)，水玻璃溶液与水泥浆的比例越小、温度越高，浆液的胶凝时间越短。 (2)水泥水玻璃浆液凝固后的结石率高，达98%以上，且结石体的早期强度增长很快，抗压强度较高。 (3)水玻璃对强度的影响存在一个峰值，即水泥浆与水玻璃溶液有一个合适的配合比，在这种配合比下，结石体强度最高。试验表明：水泥浆与水玻璃溶液(Be= 3045)的合适体积比为1:0.5。2.1注浆目的 根据黄土隧道的特点，按照劈裂灌浆原理，采用水泥水玻璃双液注浆方法，利用该种浆液速凝且凝固时间可控、浆液结石率高、结石体早期强度大等特性，在相对较高的灌浆压力下，使浆液克服地层的初始应力和抗拉强度，引起土体结构的破坏和扰动，使黄土层中原有子L隙或裂隙扩张，或形成新的裂缝和子L隙，从而使饱和黄土层的可濯性和浆液扩散距离增大，使水泥和水玻璃两种浆液在孑L隙或裂隙中混合并迅速凝结，在土体中形成网状的浆脉，一是通过浆液强制地挤出一部分水分，二是通过水化热吸收一部分水分，以降低土体的含水量。同时，使土体形成网状加筋复合体，从而提高饱和黄土的强度，改 根据现场试验统计结果，在保证浆液可灌性和有效扩散距离前提下，饱和黄土地层浆液配比为：水玻璃模数M =2.83.1，水玻璃溶液浓度Be= 3540。 水泥浆水灰比=0.75 j11.0 jl r重量E幼，水泥为42.5“普通硅酸盐水泥。 浆液配比为j水泥浆j水玻璃=1 j0.51 j10(体积比j。2.2.3浆液扩散半径 所谓浆液扩散半径并非是浆液扩散的最远距离，而是能符合工程要求的扩散距离。因此，在设计确定扩散半径时，要选取多数条件下可以达到的数值，而不取平均值，由于黄土在竖直向和水平向渗透系数的不均一性和区域差异，采用理论计算求得的扩散半径与实际情况出入很大。因此，扩散半径宜根据现场试验确定。表4给出了黄土地区的一些现场试验值，可供参考。4工程实例4.1工程概况 土家湾隧道位于定西至兰州高速公路定西县与榆中县交汇处，为上、下行分离的双线黄土隧道，上行线长1289. 25 m，下行线长1 210 m，隧道净宽9.75 m，建筑限界高度5.0 m，二次复合衬砌。其中下行线进口段K29+144K29+267为饱和黄土层，含水量高达32.5%33.7%，隧道埋深3135 m，当开挖至K29+198. 6K29+199.8段时，洞顶出现大塌方，黄土泥流涌入隧道，使开挖掌子面后退近10 m，同时，洞顶塌方延伸至地表，在地表K29+190K29+205处发现地表下陷，形成长15 m、宽10m、深1.5 m的椭圆形陷坑，在陷坑周围出现数条环向裂缝，影响范围达55.2 m(K29+144. 6K29+199.8)，致使施工被迫中断。4.2处治工程设计4.2.1 注浆参数 采用隧道开挖掌子面超前分段注浆方式，每段长度6m;加固范围沿隧道周边呈半环形，厚度46m，处理长度66 m(K29+146K29+210)；浆液扩散半径0. 80 m;注浆速度3040 11 min：注浆正常压强0. 62.5 MPa，最大终压3.5 MPa：每段单子L注浆量1. 21.8 m3；水泥浆的水灰比0. 75：11.0：1（重量比），水玻璃浓度Be= 3540，模数2.83.1;水泥浆与水玻璃溶液体积比1:1.0。5结语 (1)黄土隧道大多处于“泥岩夹心”的地质条件下，致使黄土层在与基岩交界附近的较长范围内成为饱和黄土，施工难度极大。根据室内、现场试验结果和工程实践验证，在黄土隧道施工中，采用水泥一水玻璃双液注浆加固饱和黄土围岩是可行的，施工便利，加固效果良好，是一种适用的加固方法，可在今后的黄土隧道设计与施工中推广应用。 (2)通过室内和现场试验，给出了水泥水玻璃双液注浆的技术参数和施工工艺，可作为黄土隧道设计与施工的参考。参考文献1王星华，粘土固化浆液在地下工程中的应用.北京：中国铁道出版社，1998.2龚晓南，地基处理手册（第二版）北京：中国建筑工业出版社，2000. 3程鉴基，水泥水玻璃在珠江三角洲软土灌浆中的应用岩土工程学报，1996 .14(4)：80 -83.4 BAD ER T A,KRlZEK R J.Irjection and d