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粉细砂层改性水玻璃注浆工法

在隧道和地下工程施工中, 特别是在第四纪冲洪积层中修建隧道, 经常遇到粉细砂层。这种地层致密无胶结, 无自稳能力, 开挖时易坍塌, 危及施工安全。普通水泥——水玻璃浆液因颗粒太大无法注入这种地层, 而且化学浆液料源少, 价格高, 有毒性污染, 而碱性水玻璃浆液注浆工艺复杂, 稳定性差, 均不能满足加固这种地层和堵水的要求。采用改性水玻璃注浆, 较好地解决了这一技术难题。
改性水玻璃即酸性水玻璃。改性水玻璃浆液是采用料源广、 价格低、 无污染的普通水玻璃和硫酸为主要原料, 掺入少量外加剂配制成的粘度低、 可靠性好、 凝胶时间可控、 稳定性好的浆液。把这种浆液经过小导管按一定的扩散半径及加固范围以单液方式注入粉细砂层中, 扩散凝胶, 把松散的砂粒固结成一个强度适中的块体, 在隧道周围形成一个防坍塌、 防涌水的固结圈, 从而达到加固和防水的目的。
改性水玻璃浆液的主要性能指标如下
比 重 1.07～1.11
粘 度 2～5cp
酸碱度 pH4～6( 根据凝胶时间调整)
凝胶时间 空气中30～240min, 细砂中5～30min
固砂体单轴抗压强度 0.3～0.5MPa
经试验, 改性水玻璃固砂体呈中性, 不存在酸碱腐蚀问题。
一、 工法特点
1、 所用浆液料源广, 价格低, 凝胶时间可控。
2、 注浆设备操作方便, 移动灵活。
二、 适用范围
本工法由于采用的浆液粘度低、 凝胶时间可控, 固砂强度适中, 故特别适宜于第四纪冲积或洪积粉细砂层的注浆加固。
三、 注浆工艺
( 一) 注浆设计参数
1、 注浆终压: 0.4～0.5MPa
2、 浆液扩散半径: 0.3m
3、 注浆范围: 隧道开挖轮廓线外1.0～1.5m
4、 导管长度: 3.0～3.5m
5、 导管间距: 0.4～0.5m
6、 导管外插角: 10°～20°
7、 浆液注入量: 按公式Q=πR2Ln估算, 式中R为浆液扩散半径( m) , L为导管长度( m) , n为地层孔隙率。
8、 注浆结束标准: 采用定量注浆法, 每根导管注入规定浆液, 所有导管都达到设计注浆标准, 即可结束注浆。

( 二) 注浆工艺流程( 见图1)
图1 注浆工艺流程
封闭工作面
连接注浆管路
记录分析
准 备
机具检修
小导管加工
安设小导管
备 料
拌浆
注浆
结束
钻孔
顶入

( 三) 导管的制作和安设
小导管采用Φ32～40 mm的焊接管制成, 尺寸见图2。

图2 小导管
安设小导管采用引孔打入法, 其步骤为:
1、 用风钻钻直径50mm、 深2.5～3.0m的孔;
2、 用带冲击锤的风钻将导管顶入;
3、 用吹管将导管内的砂石吹出或用掏勺掏出;
4、 导管口周围用塑胶泥封堵或喷5～8cm的混凝土。
( 四) 配制浆液
1、 原材料
水玻璃: 工业品, 浓度20Be′以上, 模数3.1～3.3。
硫 酸: 工业品, 浓度98％以上。也能够用电镀液( 废酸) 代替。
2、 配制浆液的步骤
( 1) 将浓水玻璃采用边加水, 边搅拌, 边用波美计测量的办法稀释成设计浓度( 10～20Be′) , 作为甲液;
( 2) 将浓硫酸按设计加水量加水后( 浓度为l0％～20％) 搅拌均匀, 并加入适量的外掺剂作为乙液;
( 3) 将一定量的甲液倒入乙液中( 浆液配比已申请专利, 专利号为90100275.5) , 搅拌均匀, 并测其pH值。
( 五) 注浆
注浆泵与导管的连接见图3。

图3 注浆泵与导管连接
1—水玻璃稀释桶; 2—硫酸稀释桶; 3—配浆桶; 4—进浆口; 5—泵密封器; 6—进气阀; 7—压力表
8—泵体; 9出浆阀; 10输浆管; 11孔口密封器; 12—导管; 13—放气阀
注浆操作步骤是:
1、 关闭放气阀及放浆阀;
2、 将配制好的浆液经过进浆口灌入泵体;
3、 打开进气阀, 使压缩空气进入泵体;
4、 当泵体内压力达到0.4～0.5MPa时, 打开出浆阀, 浆液经过管路、 孔口密封器、 导管进入地层;
5、 泵体内浆液注完后, 关闭进气阀及出浆阀, 打开放气阀, 将泵体内废气放出。
操作注意事项:
1、 导管打入后, 要用吹管或掏勺将管内砂石吹( 掏) 出, 以免堵塞;
2、 配制浆液时, 要注意加料顺序和速度, 防止浆液结块;
3、 配制好的浆液, 需经过滤后方可进入泵体, 以防杂物堵塞管路或泵体;
4、 为节约注浆材料, 降低工程成本, 保证工程质量, 注浆方式采用定量注浆, 当每根导
管注入量达到设计注浆量时, 即可结束注浆;
5、 浆液应随配随用, 用多少配多少, 以免造成浪费;
6、 注浆结束后, 应对注浆泵及管路进行清洗, 以保证下次注浆顺利进行;
7、 加强劳动保护, 防止浆液沾染人体。
四、 注浆设备
北京地铁使用的注浆设备见表1, 其特点是体积小, 重量轻, 操作方便, 移动灵活, 适用大小断面。
表1 注 浆 设 备
序号
名称
规格型号
单位
数量
备注
1
风动注浆泵
牛角泵
台
1
自制
2
储浆桶
0.64m3
个
2
自制, 作防酸处理
3
配浆桶
1.0m3风力搅拌
个
1
自制, 作防酸处理
4
阀门
QllSA-16 Dg—15
个
3

5
胶管
Φ25mm
m

6
孔口密封器

个
5
自制
7
压力表
0～1.6MPa
个
6

8
波美计

支
2

9
酸度计

支
1

10
潜水泵

台
1
抽浆用
五、 劳动组织
注浆施工劳动组织见表2。
表2 注 浆 施 工 劳 动 组 织
序号
工 种
人数
备 注
1
班长
1
负责全面指挥工作
2
拌浆
4
包括稀释原料、 配浆管
3
司泵
2

4
管路及孔口
2
负责管路连接及孔口观察
5
记录
1

合 计
10

六、 效果检查及质量评定
注浆效果检查分施工过程中检查、 结束时检查和开挖过程中检查。
注浆过程中检查主要是检查浆液凝胶时间, 用现场灌砂模的办法看浆液凝胶时间是否达到设计要求。
注浆结束时, 检查注浆记录, 看每孔注浆量是否达到结束标准, 孔数是否与设计一致。
开挖时, 看开挖边缘是否整齐、 浆液固砂情况、 浆液渗透半径等, 以便为下一步修改注浆参数提供依据。
根据各阶段检查情况, 评定合格与不合格。注浆过程中及结束时, 如质量不合格时, 应返工。开挖时发现质量不好, 除在下一循环改进外, 应加强支护措施。
七、 安全措施
改性水玻璃注浆所用原材料为强酸和碱性物质, 配制的浆液呈酸性。因此, 在工作中除执行一般的安全规则外, 还必须对施工人员进行防酸碱腐蚀的防护。这里, 参照有关规定, 提出劳保用品发放标准( 见表3) 。另外, 在施工现场还应准备弱酸( 硼酸) 、 弱碱( 碳酸氢钠) 水溶液, 以便对烧伤人员进行处理。
表3 改性水琉璃注浆劳保用品发放标准
序号
品名
单位
发放标准
备 注
1
防酸工作服
套
1／年·人
如为劳动布或的卡布则为2套／人·年
2
口罩
个
2／月·人

3
胶乳手套
副
5／班
长筒, 破损更换
4
防护镜
副
1／人
破损更换
5
毛巾
条
l／月·人

6
胶鞋
双
1／人
破损更换
7
线胶手套
副
1／月·人

八、 效益分析
( 一) 社会效益
1、 粉细砂层注浆技术研究成功, 使第四纪冲、 洪积层的注浆加固技术得到解决, 从而保证了浅埋暗挖技术在各种地层中的应用, 拓宽了浅埋暗挖技术的应用范围, 也为城区内地铁建设奠定了基础, 促使各级领导干部下决心采用造价低、 少扰民的地铁”北京施工法”。
2、 由于注浆加固效果好, 减少了喷射混凝土的回弹量, 降低了粉尘, 改进了工人的劳动条件。
3、 注浆加固后, 提高了围岩的稳定性, 防止坍方, 控制隧道拱顶下沉量和地面沉降量, 保证施工安全和地面交通安全。
( 二) 经济效益
1、 每m3 浆液材料费220元, 而同样性质的化学浆液, 每m3单价15000元。
2、 注浆后, 减少喷混凝土回弹量, 大量节约水泥, 据测算, 单线隧道每m可节约水泥1t, 按现价计算, 每km单线隧道可节约费用20万元。
3、 由于注浆效果好, 减少了喷混凝土作业时间, 避免了坍方, 加快了隧道施工进度, 其经济效益也十分可观。
九、 工程实例

北京地铁复兴门～西单站区间隧道, 埋置于第四纪冲、 洪积层中, 为亚粘土、 砾砂及卵石互层, 粉细砂层常呈透镜状出现。隧道埋深14m左右。由于砂及砂砾层松散无胶结, 垂直自稳高度仅o.7m, 因此开挖时易坍塌, 危及施工及地面交通安全。特别是粉细砂层, 采用常规水泥——水玻璃浆注不进去, 直接影响施工进度。1989年3月以后, 采用改性水玻璃小导管注浆加固, 开挖后成形好, 缩短喷射混凝土时间, 减少了混凝土回弹量。据现场测算, 与常见注浆方法相比, 单线隧道每m可降低成本405元。
改性水玻璃注浆还在北京地铁车站试验段( 宽22m) 、 北京地铁西单东折返线中推广应用, 亦收到了良好的效果。