低含水率粉細砂地層隧道化學注漿超前支護技術研究

周云定，程坤

（中國水利水電第七工程局有限公司，成都 611730）

1 砂層物理特性理論分析

1.1 結構物理特性

粉細砂組成成分為單體礦物顆粒，顆粒結構具有無黏性、無塑性、磨圓度較好的特點，顆粒間無骨架作用，咬合作用小且組成均勻，其性質介于砂性土與黏性土之間。草帽山隧道開挖揭示，砂層結構稍密，干～稍濕，對自重作用敏感，在外界荷載作用下容易產生變形。

1.2 力學性質

粉細砂層土體主要通過顆粒內部法向壓力產生粒間摩擦力，形成整體承載力，抗剪切能力弱，破壞后可使砂土顆粒重組，趨于密實；粉細砂驅散水的固結能力相對較強，在一定荷載作用下固結度變大，抗剪強度也隨之大幅增強。

1.3 破壞形式

粉細砂接觸到水后變飽和，易崩解，抗沖刷能力弱，如果孔隙比超過了臨界值，經過一段時間后結構內的整體性會喪失，內聚力會被破壞，濕化后在很短時間內會發生崩解。

2 砂層可注性研究

在全面掌握砂層的顆粒組成、滲透系數等相關參數后，對其可注性進行評價。

2.1 粉細砂顆粒篩分試驗

對隧道內砂層土體現場取樣，通過篩分試驗對所取土樣的顆粒級配、粗細程度、砂層類型及液化類型進行測定、評判。試驗結果詳見圖1。

圖1 粒徑特性分布曲線圖

分析圖1可得，粒徑＞0.08mm的顆?？傎|量占比、粒徑＜0.32mm的顆?？傎|量占比均大于全部顆?？傎|量的50%。根據GB 50021—2001《巖土工程勘察規范》[1]，判定該原樣砂層為粉細砂層。由圖1可知，有效直徑D10為0.42mm。

2.2 粉細砂層滲透系數測試

由篩分試驗得知，所取土樣為透水性較強的非黏性土。采用“常水頭法”進行滲透系數試驗，打開水閥，使水自上而下自由流經試樣，從出水口排出。通過水閥嚴格控制水流量大小，使排出水量與進入水量一致。待水頭差Δh與排出水量Q穩定后，量測一定時間t內流經試樣的水量V，計算滲透系數k。根據達西定律，得出式（1）：

式中，L為滲流路徑長度，cm；A為過水斷面截面積，cm2。

經試驗，原樣砂體的滲透系數k為4.2×10-3cm/s。

2.3 粉細砂層可注性判定

地層的可注性是指漿液可滲透到巖土介質的空隙和裂縫中的能力，漿液是否可以被注入地層，取決于地層和漿液的滲透性、粒度及流變性等的相對性質。溶液型化學漿液理論上可以進入任意小孔隙的土層，但實際工程運用時發現：粉細砂地層孔隙小，若漿液黏度大，孔隙中的漿液流動和擴散距離受限，甚至無法注入。

運用本文試驗研究成果：原樣砂體滲透系數k=4.2×10-3cm/s，有效直徑D10=0.42mm，細粒含量小于總質量的12%，對粉細砂層可注性進行評判[2]：原樣砂體屬易注化學漿液類地層，水泥漿類漿材很難注入。

3 注漿材料選取

根據試驗所得粉細砂層特性，結合類似工程經驗可知，理論上適用的砂層固結漿液材料包括：水泥漿液、水玻璃類、鉻木素類、脲醛樹脂類、丙烯酰胺類、聚氨酯類等。進一步對注漿材料滲透性、固結強度、穩定性等參數進行綜合對比，分析如下：

1）高分子材料：如鉻木素類、脲醛樹脂類、丙烯酰胺類、聚氨酯類等，適用于防滲注漿、沖積層注漿以及壁內或壁后注漿。其優點是可注性好、黏度低、抗滲性好、膠凝時間可控制；缺點是固結體強度差、價格貴、原料來源少、不耐久、有毒性、有污染。

2）無機材料：如水玻璃類，適用于沖積層注漿、隧道開挖，掌子面封堵、超前支護，具有來源廣、環保等優點。

由此可見，水玻璃類材料為粉細砂地層隧道超前注漿支護最佳材料。其中，水玻璃類注漿材料分為普通水玻璃和酸性水玻璃。酸性水玻璃是在水玻璃中加入酸性反應劑經過改性而來，其較普通水玻璃穩定性更好、無污染，具有以下優點：

1）酸性漿液易配制，配漿過程中無漿料損失；

2）漿液的膠凝時間可調，注入地層后能快速生成膠結體，施工方便，擴散距離大；

3）酸性漿液和土體中CaCO3產生反應，能將非活性鈣轉化成活性鈣，增加固結體強度；

4）酸能使土體的膠體結構發生破壞，增加漿液的滲透能力。

綜上所述并參考相似工程實例得出，使用水玻璃-磷酸雙漿混合液作為粉細砂層固結材料，方案最優。

4 漿液膠凝時間研究

漿液膠凝時間長短直接決定著漿液在地層中的擴散距離，是影響注漿效果和固結效果的重要參數。下面進一步研究影響水玻璃和磷酸混合液膠凝時間的因素。

水玻璃水溶液與磷酸反應為酸堿反應，不同濃度和體積的水玻璃與磷酸反應時間不同，其本質為混合溶液的pH不同。因此，以磷酸摻量為定值，通過調整水玻璃溶液的濃度和體積，研究其混合液pH的大小對膠凝時間的影響是可行的。

采用20°Be′和25°Be′2種濃度的水玻璃溶液分別與質量分數為10%的磷酸溶液進行化學反應試驗。2種濃度的水玻璃與磷酸的化學反應試驗均為6組，共12組。每組水玻璃摻量分別為 20mL、28mL、36mL、44mL、50mL、58mL，磷酸摻量始終為100mL定值，通過試驗分別測出不同體積比水玻璃-磷酸混合液與膠凝時間的相關性，即：當磷酸摻量一定時，隨著水玻璃摻量增加，混合液pH增大，其膠凝時間隨之縮短，pH與膠凝時間呈負相關。根據隧道施工現場實際情況，漿液膠凝時間需控制在60min以內，方能保證各開挖、支護工序正常銜接。篩選出滿足條件的漿液配比，詳見表1。

表1 水玻璃-磷酸混合液配比表

5 固結體強度試驗

為保證隧道開挖后圍巖的穩定性，進一步對化學漿液固結體進行強度試驗。采用表1中篩選出的配比分別配制漿液，對不同組別的土樣進行注漿固結。固結完成后，對固結土體取芯進行無側限抗壓強度試驗。各配比漿液固結砂體強度詳見表2。

表2 固結砂體無側限抗壓強度記錄表

根據表2可知，水玻璃-磷酸混合液中磷酸濃度和摻量一定，水玻璃濃度越高，固結砂體強度越高；同濃度水玻璃和磷酸（同濃度、同摻量）混合液，水玻璃摻量越高，固結砂體強度越高。根據隧道施工特點，水玻璃 20°Beˊ∶10%濃度磷酸=1∶2 的漿液配比為最優配比。

6 現場施工驗證

采用試驗所得最優漿液配比進行現場注漿固結試驗，驗證結論的準確性，進一步修正施工參數。洞內管棚安裝完畢后，采用鋼板對管口進行封閉，并焊接止回閥門及注漿導管。

注漿設備采用90/100雙液注漿機，雙漿液混合后一次注漿。注漿前進行清水注漿調試，注漿壓力調到0.8～1.5MPa，試注時間≥5min，設備調試正常后進行正式注漿。

1）在漿液桶里按試驗確定的漿液配合比進行水玻璃、磷酸注漿液調制。

2）啟動注漿機，調整吸漿閥吸漿速率，使注入漿液按配合比例進行混合，待注漿液在混合器里混合充分后，調整注漿壓力，通過管棚向砂體進行注漿。

經過多次現場注漿試驗，反復調整注漿壓力與注漿量，得到最優施工參數：（1）注漿壓力：1MPa；（2）注漿量：89kg/m（管棚）。

開挖驗證化學注漿固結砂層效果：漿液在砂層中擴散半徑＞1m，砂層固結密實，有較低強度，采用小型機械開挖固結后的砂層，成塊狀脫落，開挖后不再出現拱頂漏砂、掌子面流砂現象。

7 結語

實踐表明，低含水率粉細砂地層采用化學注漿超前支護，具有安全、環保、高效、經濟等優點以及良好的工程效果。然而，不同地域、區段，砂層的物理特性也不盡相同，因此，化學注漿材料選擇、漿液配比確定、注漿工藝采用，需根據工程實際情況，將理論研究和施工經驗緊密結合，確定最佳參數。