一种新型袖阀管双液注浆加固工法_陈剑

102铁 道 建 筑ailway EngineeringApril，2016文章编号: 1003-1995( 2016) 04-0102-05一种新型袖阀管双液注浆加固工法陈剑1，2 ，魏义山1，2 ，江红1，2 ，瞿同明3 ，王树英3( 1 中交第三航务工程局有限公司 南京分公司，江苏 南京 210000; 2 中交三航局第三工程有限公司， 江苏 南京 210000; 3 中南大学，湖南 长沙 410075)摘 要 传统的袖阀管双液注浆技术通常将水玻璃与水泥浆在袖阀管内混合，液浆凝固速度快，极易造 成堵管，影响工程质量和工期。为解决注浆堵管问题，在充分阐述袖阀管注浆机理的基础上，提出一种 新型袖阀管注浆技术。新技术的特点在于使用 3 根管分别注入水泥浆、水玻璃及套壳料，水玻璃与水泥 浆在地层内混合。该方法在青岛市地铁 3 线嘉( 年华) 灵( 山卫) 区间得到应用，分别使用钻孔取芯 法和开挖取样法，结合隧道开挖引起的地表沉降曲线对袖阀管注浆加固效果进行评估。结果表明，该注 浆工法有效杜绝了堵管现象，能提高围岩强度，降低地层渗透性。关键词 袖阀管; 注浆机理; 浆液堵管; 新型双液注浆技术; 注浆效果评价中图分类号 U45; U457+ 3 文献标识码 A DOI: 10 3969 / j issn 1003-1995 2016 04 26随着我国基础建设事业的推进，在各类复杂地质、 复杂周边环境条件下进行土体加固的实例越来越多。 注浆工艺能有效地加固各类不良岩土，能及时补救地 表沉降、房屋不均匀沉降等造成的危害，在滑坡防治、 裂缝修复、房屋纠偏、坝基防渗、塌方处理、古建筑保护 等方面发挥重要作用，因此被广泛地应用于基坑、隧 道、机场、地矿、水电等各类土建项目中1-2。其中袖 阀管注浆工艺能较好地控制注浆范围和注浆压力，可 进行重复注浆，且发生冒浆与串浆的可能性小，钻孔和 注浆作业可以分开，是国内外公认的最可靠的注浆工 法之一。袖阀管注浆技术应用广泛，国内许多学者和一线的技术人员对其进行了一系列研究。吴顺川等3、孙 锋等4基于颗粒流数值模拟方法，朱登元等5基于有 限单元法，在理论上对浆液的扩散机理进行了探索; 李 丰果6以深圳地铁车站施工为背景，分析了袖阀管注 浆帷幕在地铁车站暗挖施工中对周边构筑物的保护作 用; 卜祥玉7结合北京地铁 8 号线南锣鼓巷站中国 美术馆站盾构区间的袖阀管加固实例，介绍了袖阀管 注浆工艺，并对注浆造价进行了分析; 王国义8 以成 都地铁 1 号线袖阀管加固盾构周边邻近建( 构) 筑物 为背景，总结了在成都地区富水砂卵石地质条件下袖 阀管的加固工艺; 魏晨亮等9、任国宏10 依托南宁地 铁袖阀管注浆加固实例，总结了在富水圆砾地层条件收稿日期: 2015-12-04; 修回日期: 2016-01-14作者简介: 陈剑( 1979 ) ，男，工程师。下进行袖阀管注浆的技术经验; 张民庆等11对注浆效 果的检查评定方法做了系统总结和归类，并结合工程 对其中几种方法的应用做了示例。在袖阀管施工中，注浆时基本采用常规 T 形三通 管法进行双液注浆或者直接进行单液注浆，但 T 形三 通管法容易堵塞袖阀管道，二次注浆条件较差; 单液浆 在富水地层容易被快速稀释，不能有效形成固结体。 在分析袖阀管机理的基础上，提出一种将双液浆在地 层内混合的新型注浆方法。此方法的特点在于使用 3 根管子分别注入水泥浆、水玻璃与套壳料，水玻璃与水 泥浆在地层内混合。青岛市地铁 3 线嘉( 年华) 灵( 山卫) 区间 1# 斜井地表袖阀管注浆效果评估表明，此 方法有效杜绝了双液浆堵管现象，能有效加固土体。1 袖阀管加固技术袖阀管注浆工作原理是将拌制好的浆液通过注浆 泵加压，从连通管进入注浆管，注浆管管端连接双塞 管; 浆液聚集到袖阀管注浆管段，在内压力作用下浆液 从泄浆孔喷出，将橡皮套涨开，挤碎套壳料; 被加压的 浆液沿着地层结构以充填、渗透、压密、劈裂的形式流 动; 后续的浆液在压力作用下不断注入地层，在地层中 形成固结体，从而达到增加地层强度、降低地层渗透性 的目的。逐次提升或降低注浆芯管，即可实现分层注 浆。袖阀管注浆工作原理如图 1 所示。其中，橡皮套的作用是当注浆管段浆液压力较大 时，皮套撑开，浆液从泄浆孔流入地层; 当停止注浆时，2016 年第 4 期陈 剑等: 一种新型袖阀管双液注浆加固工法103图 1 袖阀管注浆工作原理皮套缩回，封闭泄浆孔，防止浆液、泥土或地下水回流 到袖阀管中，为二次注浆预留条件。双塞管和橡皮帽 的作用是控制浆液在袖阀管内的空间，并起到增压作 用。套壳料主要由水泥、膨润土制成，能在袖阀管周围 形成具有一定强度的保护层。此保护层的竖向强度 大，水平向强度小，能有效防止浆液沿袖阀管管壁上下 流动，又能被压力浆液沿水平向击碎，因此浆液仅在水 平向流动，增加了地层的加固半径。射浆孔起增压作 用，高压下能避免浆液在注浆管内凝固。浆液在地层中主要通过充填、渗透、压密和劈裂的复合效应来达到土体改性的目的，但 4 种浆液扩散状 态并非单独存在。当注浆压力较小，地层存在空洞或 较大缝隙时，以充填效应为主; 地层疏松，渗透系数较 大时，以渗透效应为主。当注浆压力较大，浆液较浓稠 时，以压密效应为主，否则以劈裂效应为主。2 富水复合地层条件下袖阀管加固技术2. 1 工程概况青岛市地铁 3 线嘉灵区间 1# 斜井进洞处为 级围岩，地层 松软，进 洞处覆土仅 6 m，施 工风险大。 斜井位于滨海大道一侧的绿化带内，总长 226 m，明挖 段长 83 m，暗挖段长 143 m。为确保 1# 斜井安全进洞， 在地表处采用袖阀管对斜井隧道上方及周边软弱围岩 进行加固，袖阀管加固位置按梅花形布置，间距为 1 m。加固区地表为 3 m 厚素填土，往下依次是 2. 2 m 厚含淤泥的中粗砂，1. 5 m 厚粉质黏土层，2. 2 m 厚含 黏土的砾砂层，为典型的黏土与砂土复合地层。袖阀 管加固范围包括部分素填土、全部含淤泥的中粗砂层， 粉质黏土层和含黏土的砾砂层、地下水位约在地表以 下 3. 3 m。其中粉质黏土层为不透水层，含黏土的砾 砂层有低承压水。2. 2 新型袖阀管双液注浆方法富水地层加固通常要求浆液有较好的泌水性能和抗分散性能，因此通常选取凝固速度快、抗分散性能好 的水泥-水玻璃双液浆进行注浆。传统注浆方法是采 用 T 形三通管将双液浆混合后注入袖阀管。此种方 法虽然浆液配比容易控制，但由于双液浆凝固迅速，每 根袖阀管一个注浆步距花费时间较多，且容易塞管。 在一些砂砾石与黏土的复合地层中，施工人员难以把 握注浆管内每一节段的注浆时间，更加剧了堵管的风 险。一旦堵塞，轻则浪费时间人力，重则堵管塞泵，导 致工程工期延迟和造价提高。因此，提出了一种将双 液浆在地层内混合的新型注浆方法。注浆管示意如 图 2。图 2 注浆管示意由图 2 可见，此种方法将注浆管分为 A，B，C 三根 管，其中 A 管为普通的 PVC 袖阀管，用于注入水泥浆， B 管和 C 管为橡胶皮管，B 管用于注入水玻璃，C 管用 于注入套壳料。A 管与 B 管上泄浆孔的布置根据地层 条件有所不同，C 管不论在何种地层，均不留泄浆孔。 在砂砾层，A 管每隔 33 cm 预留 2 个泄浆孔，2 个泄浆 孔径向对称布置，在 A 管泄浆孔上、下 3 5 cm 位置的 B 管上均设置 1 对泄浆孔，即 A 管每对孔周围的 B 管 上对应布置 2 对孔; 在黏土层，B 管上不留泄浆孔; 泄 浆孔均用橡皮套包裹。为避免管子在下放钻孔过程中 有杂物填充堵塞，A，B 管底端用管帽和胶水密封，C 管 底端用胶带密封，但注意密封不得过于严实。具体实 施过程如下。1) 桩位放样袖阀管平面布置间距为 1. 0 m 1. 0 m，呈梅花状 布置。用全站仪测定袖阀管施工标记点，埋桩标记。2) 修建排污和灰浆拌制系统 袖阀管施工过程中，不可避免会产生少量( 10% )的返浆，将废液收集至沉淀池，处理达标后进行无公害 排放。3) 钻孔土层成孔直径为 150 mm，采用套管护壁水冲法 成孔。104铁 道 建 筑April，20164) 下管将 A 管和 B 管用胶带绑紧，A 管每对孔周围的 B 管上对应布置 2 对孔; C 管和 A，B 管做简单绑扎即 可，3 根管子一起放入钻孔中。应确保 3 根管子下放 到孔底，上部要高出地面 50 cm 以上。在注浆之前，将 3 根管子的管口用管帽封住，防止落入杂物。5) 配置套壳料套壳料质量配比为水泥 膨润土 水 = 1 1. 6 2，每 100 kg 套壳料泥浆中掺入 1 kg 的粉煤灰。6) 拔出套管，下套壳料使用注浆机，通过 C 管将套壳料溶液自下而上注 入钻孔中，每节套管长 4 m，注一节套管的深度，拔一 节套管，直至拔出套管。注意: 在灌注套壳料过程 中，应使袖阀管立在钻孔中心，管身保持直立，且不能 将套壳料灌入袖阀管中。在地质情况良好、钻孔后 直立性良好的地层，可一次性拔出套管、一次性灌注套 壳料，节省时间和工序。7) 配置双液浆水泥浆水灰比为 1 1，水泥为 P O 42. 5 普通硅酸 盐水泥，水玻璃浓度为 30 40Be，水泥浆与水玻璃浆 的体积比为 1 0. 8。8) 注浆待套壳料养护 3 5 d，强度达到 0. 3 0. 4 MPa 后，进行注浆。注浆时，宜根据成孔先后顺序，跳孔注 浆。具体过程: 将 12. 7 mm 带双塞的注浆芯管从 A 管中下放到注浆段位置，自下而上分段注浆; B 管中注 水玻璃浆液，B 管与水玻璃注浆管连接处用防水胶带 密封、扎紧。当浆液从 A 管注入到砂砾地层时，水泥 浆管与 B 管采用同样的注浆压力，每一个注浆步距内 注浆 3 5 min，注浆压力为 0. 4 0. 6 MPa。当水泥浆 从 A 管中注入到黏土地层时，B 管不注浆，水泥浆管注 浆时压力控制在 1. 5 1. 8 MPa。9) 终注标准用量标准: 在地面不发生隆起变形的情况下，单 孔每延米水泥用量为 240 350 kg。压力标准: 当每 个注浆步距内稍有注浆量时，压 力即飙升( 超过 2. 0 MPa) ，注浆持续 1 min 可终注。注浆过程中，满足，其中一个标准，即停止注浆。2. 3袖阀管注浆施作要点青岛地铁 3 线嘉灵区间 1# 斜井地表袖阀管双 液注浆实施过程中，注浆过程顺利，冒浆和窜浆的几率 较小，未发生过液浆堵管现象，提出以下 3 个施工要点:1) 袖阀管外套管应具有一定强度，否则容易被高 压浆液挤碎，无法控制注浆，也失去了袖阀管二次注浆 的条件。2) 套壳料的施作是袖阀管注浆成功与否的关键。 施工时套壳料必须按要求配置，注入套壳料溶液时需 缓慢、匀速提升橡皮管，并且等套壳料硬化 3 d 以上方 可进行注浆。3) 注浆完成后，必须立即清洗袖阀管，预留二次 注浆条件。第一次注浆效果有限，一般都应进行二次 补浆。3袖阀管加固效果评价注浆效果的检查方法有分析法、检查孔法、开挖取 样法、变位推测法和物探法共 5 类 14 种方法9。理论 上，加固效果最准确的评价方法是通过钻孔取芯做抗 压强度测试和抗渗测试，然而在许多地层条件下，取出 试验所用的芯样十分困难，且受施工进度和环境条件 要求。本文以钻孔取芯法、开挖取样法并结合隧道开 挖引起的地表沉降曲线对注浆加固效果做出评价。 3. 1钻孔取芯法注浆完成后，在袖阀管注浆区域注浆薄弱地带钻 孔取芯。取芯过程顺利，孔壁稳定性较好，不存在返砂 或卡钻现象，钻孔取芯结果如图 3 所示。取芯土体能 形成块状，且有较高强度。自然干燥后，随机取一块体 凿开，芯块内的土颗粒周围包满了混凝土，浆液填充饱 满。可判断该段地层为砂砾层，在砂砾层袖阀管注浆 效果较好。图 3 钻孔取芯结果3. 2开挖取样法开挖取样法是指在隧道开挖过程中，通过观察注 浆地层掌子面的加固效果，分析注浆机制，从而对注浆 效果进行评定的方法。注浆前本处地层为软塑状黏 土，不能自稳，掌子面浆脉如图 4 所示。注浆后，隧道2016 年第 4 期陈 剑等: 一种新型袖阀管双液注浆加固工法105掌子面湿润但无流动水，地层自稳性较好，开挖过程无 坍塌; 浆液在粉质黏土地层中明显形成了劈裂浆脉。 图 5 为掌子面取样，浆脉在粉质黏土薄弱地层撑开，形 成板层状，并向外扩散; 浆脉中无泥土杂质，强度很高。图 4 掌子面浆脉图 5 掌子面取样3. 3隧道开挖引起加固地层地表沉降地层加固的目的是为了隧道安全顺利进洞。在隧 道进洞 15 m 位置布置地表沉降测点，测点布置示意如 图 6 ，测试断面地表沉降曲线见图7 。由 图7 可知 ，注图 6 测点布置示意( 单位: m)图 7 测试断面地表沉降曲线浆后，隧道开挖引起的地层损失得到补偿，地表发生少 量隆起，最大隆起量约 10 mm。由于隧道开挖和浆土 混合体自身固结原因，地表发生缓慢沉降，最大沉降速 率 1 mm / d，最终沉降变化值在 8 mm 左右，地表隆沉 范围在 5 mm 以内。注浆加固使得土体在隧道开挖过 程中沉降控制较好。4结论为了克服传统 T 形三通管袖阀管双液注浆工艺 容易堵塞管道的问题，提出了一种在地层内注混合双 液浆的新型袖阀管注浆方法，并成功运用于现场实践， 得出主要结论如下:1) 袖阀管加固洞口段地层不仅提高了围岩强度， 降低了地层渗透性，而且补偿了隧道开挖引起的地层 损失，使地层抬升; 通过袖阀管注浆方法对软弱围岩地 层条件下隧道进洞的加固和补偿，有效控制了隧道开 挖引起的地层变形。2) 新型注浆方法的特点在于水泥浆、水玻璃溶液 在地层中混合，避免了双液浆在注浆管内凝固而堵管; 水泥浆和水玻璃在高压下都往土体的缝隙中流动，二 者会快速接触并凝固。参考文献1 张长生，陶连金，强小俊，等 注浆加固处理软土地基的试 验研究J 铁道建筑，2012( 1) : 89-922 王俊 旋喷桩与袖阀管注浆在桥梁桩基加固中的应用J 铁道建筑，2013( 9) : 24-263 吴顺川，金爱兵，高永涛 袖阀管注浆技术改性土体研究及 效果评价J 岩土力学，2007，28( 7) : 1353-13584 孙锋，张顶立，陈铁林，等 土体劈裂注浆过程的细观模拟 研究J 岩土工程学报，2010，32( 3) : 474-4805 朱登元，张庆涛 袖阀管劈裂注浆加固技术数值模拟研究J 铁道建筑，2012( 11) : 73-756 李丰果 袖阀管注浆帷幕在地铁周边建筑物保护中的应用J 现代隧道技术，2010，47( 6) : 87-907 卜祥玉 袖阀管双浆液注浆技术的应用与造价分析J 岩 土工程，2013( 7) : 102-1068 王国义 成都砂卵石地层注浆加固技术应用J 隧道建 设，2012，32( 5) : 696-6999 魏晨亮，王玉卿，唐高洪 南宁地区富水圆砾层袖阀管注浆 加固技术J 隧道建设，2014，34( 5) : 409-50210任国宏 富水圆砾卵石层袖阀管注浆加固技术研究J 隧 道建设，2014，34( 12) : 1183-119011张民庆，张文强，孙国庆 注浆效果检查评定技术与应用实 例J 岩土力学与工程学报，2006，25( 增 2) : 3909-3918106铁 道 建 筑April，2016New Soil einforcing Method Using Sleeve Valve Pipe with Double Liquid Grouting MaterialsCHEN Jian1，2 ，WEI Yishan1，2 ，JIANG Hong1，2 ，QU Tongming3 ，WANG Shuying3( 1 Nanjing Branch Company of CCCc Third Harbor Engineering Co，Ltd，Nanjing Jiangsu 210000，China; 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Grouting mechanism; Grouting blockage; New double liquid grouting method; T he evaluation of grouting effect( 责任审编郑 冰)( 上接第 101 页)Calculation Method of Active Earth Pressure of ailway igid etaining Wall Considering Soil Arch EffectLU Wei，SUN Wenjun，WANG Xuemin，YANG Pengzhi，CUI Ligong( Hebei Engineering and Technical College，Cangzhou Hebei 061001，China)AbstractT h