王成乾，胡瑤瑤，孫連勇，張宗鋒，黃永亮，李鵬，董坤，羅威，何靈垚

（1.中國海洋大學(xué) 工程學(xué)院，山東 青島 266100；2.山東省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南 250101；3.濟(jì)南市軌道交通集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南 250000；4.濟(jì)南萬科企業(yè)有限公司，山東 濟(jì)南 250002）

0 引言

富水地區(qū)地鐵車站基坑在高水壓力作用下極易發(fā)生基底突涌水、圍護(hù)結(jié)構(gòu)滲漏水等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響地鐵車站的安全建設(shè)與穩(wěn)定運(yùn)營。通過注漿處理，漿液與地層形成復(fù)合體，可以顯著改善巖土體強(qiáng)度與抗?jié)B性能。由于施工簡單方便，注漿技術(shù)已經(jīng)取得了長足發(fā)展，廣泛應(yīng)用于地鐵車站基坑防滲堵漏中[1-3]。同時(shí)，注漿材料對于注漿防滲效果的影響得到了大量研究。研究表明，水泥-水玻璃漿液具有經(jīng)濟(jì)實(shí)惠、凝結(jié)時(shí)間短等特點(diǎn)[4-5]，在工程實(shí)際中受到青睞。張良輝等[6]基于隧道病害整治工程，開展了水泥-水玻璃雙液注漿的早期研究，調(diào)整注漿參數(shù)和注漿工藝，取得了良好的注漿效果。鄭秀華[7]從水泥-水玻璃的基本性能出發(fā)，對水泥-水玻璃漿液的性能和應(yīng)用進(jìn)行討論。安妮等[8]對水泥-水玻璃漿液凝結(jié)時(shí)間、抗壓強(qiáng)度等特性開展了試驗(yàn)研究，探究了水泥漿量、水玻璃量、水泥-水玻璃比例以及漿液齡期對性能的影響和相關(guān)規(guī)律，并應(yīng)用于實(shí)際工程中。吳昊和楊曉華[9]針對黃土隧道富水軟弱段圍巖強(qiáng)度低、自穩(wěn)能力差的特性，在室內(nèi)測試了水泥-水玻璃漿液不同配比下的凝結(jié)時(shí)間以及注漿加固時(shí)影響土體無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的因素，在此基礎(chǔ)上，通過現(xiàn)場模擬試驗(yàn)，對水泥-水玻璃漿液配比、注漿壓力、漿液擴(kuò)散半徑等技術(shù)參數(shù)和注漿加固后復(fù)合土體的強(qiáng)度進(jìn)行了研究。楊秀竹等[10]研究了巖溶水條件下改性水泥-水玻璃漿液特性，通過正交試驗(yàn)研究了水灰比、粉煤灰摻量、水玻璃濃度、水玻璃摻量等因素對漿液及結(jié)石體力學(xué)性能和凝結(jié)時(shí)間的影響，并得到最佳配比。

水泥-水玻璃漿液以凝結(jié)時(shí)間短、穩(wěn)定性強(qiáng)、易于施工等特性在注漿工程中得到了廣泛應(yīng)用，并取得了較大發(fā)展。本試驗(yàn)研究選擇地鐵車站基坑施工縫、變形縫等滲漏水縫隙、基坑外富水巖溶裂隙與軟弱透水土層為試驗(yàn)背景，研究了水泥-水玻璃結(jié)石體、漿-土結(jié)石體以及漿-巖結(jié)石體的抗?jié)B性能，分析了在水灰比、水玻璃摻量等影響因素下結(jié)石體抗?jié)B性能的變化規(guī)律。并分析得出最優(yōu)漿液配比，可為注漿防滲工作提供參考。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

水泥：P·O42.5R，山東山水水泥集團(tuán)有限公司。水玻璃：SiO2含量為27.3%，Na2O含量為8.54%，模數(shù)為3.30，20℃波美度為38.5 Be，浙江嘉善優(yōu)瑞耐火材料有限公司。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

水泥膠砂攪拌機(jī)：JJ-5型，攪拌鍋容積為5 L，攪拌葉寬度為135 mm。巖石滲透分析儀（見圖1）：HYS-4型，濟(jì)南礦巖試驗(yàn)儀器公司，主要包括壓力室、滲透水壓控制系統(tǒng)、滲透圍壓控制系統(tǒng)和滲透水量測量裝置4部分，滲透壓力工作范圍為0~3.5 MPa。

1.3 滲透分析試件制作

為研究水泥-水玻璃（C-S）漿液在地下混凝土結(jié)構(gòu)裂縫、軟黏土底層以及富水破碎巖層注漿中的抗?jié)B效果，分別測試水泥-水玻璃結(jié)石體、漿-土結(jié)石體與漿-巖結(jié)石體滲透系數(shù)。試件尺寸為直徑5 cm、高5 cm的圓柱體試件。

水泥-水玻璃漿液由水泥漿液與水玻璃拌合而成。使用攪拌機(jī)首先將設(shè)計(jì)配比的水、水泥拌合得到水泥漿液，水灰比分別為0.8、1.0、1.2、1.5、2.0，然后繼續(xù)加入設(shè)計(jì)配比的水玻璃，水玻璃的體積摻量分別為20%、30%、40%、50%，拌合得到水泥-水玻璃漿液，充分混合后迅速倒入模具中制成水泥-水玻璃結(jié)石體試件。

漿-土結(jié)石體的制作是將水泥-水玻璃漿液與粉質(zhì)黏土進(jìn)行拌合，以模擬土層注漿后的狀態(tài)。漿-土結(jié)石體試件設(shè)計(jì)配比：水泥-水玻璃漿液與土體積比（漿土體積比）分別為0.5、1.0、1.5、2.0，水灰比分別為1.0、1.2、1.5、1.7、2.0，水玻璃的體積摻量分別為30%、35%、40%、45%。粉質(zhì)黏土的基本物理參數(shù)見表1。

表1 粉質(zhì)黏土的基本物理參數(shù)

漿-巖結(jié)石體試件的制作采用向巖體裂隙注漿的方法。使用篩網(wǎng)篩選出粒徑為510 mm的花崗巖礫石，以表面充填密實(shí)為原則，裝填入試件模具中。通過注水的方式測量裝填后的孔隙率為0.478，并控制每個(gè)試件孔隙率差值小于1%[11]。漿-巖結(jié)石體試件設(shè)計(jì)配比為：水灰比分別為1.0、1.2、1.5、1.7、2.0[9，12-13]，水玻璃體積摻量分別為30%、35%、40%、45%、50%[14-16]，將配制好的水泥-水玻璃漿液注入試件中制成漿-巖結(jié)石體試件。

1.4 試件養(yǎng)護(hù)

試件澆筑成型后，待漿液初凝，用抹刀沿著模具口抹平。試件成型抹面后立即用塑料膜覆蓋試件表面，然后放入（20±5）℃、相對濕度大于90%的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室靜置1 d后脫模，繼續(xù)將試件放在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)齡期為3 d。達(dá)到養(yǎng)護(hù)齡期后，將試件放入巖石滲透分析儀中進(jìn)行滲透系數(shù)測試。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 水泥-水玻璃結(jié)石體滲透系數(shù)分析

按照水泥-水玻璃漿液設(shè)定配比，測試結(jié)石體試件滲透系數(shù)，繪制出水泥-水玻璃試件滲透系數(shù)與水玻璃體積摻量、水灰比（W/C）關(guān)系如圖2所示，并進(jìn)行對比分析。

由圖2可見，當(dāng)水灰比為0.8、水玻璃體積摻量為20%時(shí)，漿液結(jié)石體的滲透系數(shù)最小，為4.15×10-9cm/s。當(dāng)水灰比為1.0，水玻璃體積摻量為30%時(shí)，結(jié)石體的滲透系數(shù)為6.54×10-9cm/s。水泥-水玻璃漿液的滲透系數(shù)最大值為6.37×10-8cm/s，此時(shí)漿液水灰比為2.0、水玻璃體積摻量為50%。在一定水灰比條件下，隨著注漿漿液水玻璃體積摻量增加，結(jié)石體滲透系數(shù)呈現(xiàn)出增大的趨勢。這表明，較大的水玻璃摻量降低了漿液結(jié)石體抗?jié)B性能。水玻璃摻量太多使得漿液中水和水玻璃在水泥水化反應(yīng)中處于過量的狀態(tài)，漿液被稀釋，水泥水化后在結(jié)石體內(nèi)未形成足夠的水化產(chǎn)物，如水化硅酸鈣等，水化完成后結(jié)石體內(nèi)部含水量較高，結(jié)石體內(nèi)水化物密實(shí)程度低，從而導(dǎo)致漿液結(jié)石體滲透系數(shù)增大。

水玻璃摻量一定時(shí)，水灰比增大導(dǎo)致漿液結(jié)石體滲透系數(shù)增大，水灰比增大對水泥-水玻璃漿液結(jié)石體的抗?jié)B性能產(chǎn)生不利影響。同樣，較大的水灰比導(dǎo)致漿液中水泥含量相對偏少，無法與漿液中的水玻璃完全反應(yīng)，導(dǎo)致水化反應(yīng)后生成的水化產(chǎn)物不足，不能使得結(jié)石體密實(shí)，且水化產(chǎn)物間存在過多空隙，結(jié)石體內(nèi)含水量較少，因此水灰比增大時(shí)水泥-水玻璃漿液結(jié)石體的滲透系數(shù)增大。

2.2 漿-土結(jié)石體滲透系數(shù)分析

（1）根據(jù)正交試驗(yàn)法，水灰比選為1，水玻璃體積摻量為50%。漿-土結(jié)石體滲透系數(shù)與漿土體積比的關(guān)系見圖3。

由圖3可見，隨著漿土體積比增大，即漿土拌合時(shí)水泥-水玻璃漿液比例增大，更多的漿液充填了土顆粒之間的孔隙，漿-土結(jié)石體孔隙率與原始土層相比大大減小，水泥-水玻璃漿液與土膠結(jié)為密實(shí)、極難透水的結(jié)石體，使?jié){-土結(jié)石體滲透系數(shù)呈現(xiàn)減小的趨勢，避免了地鐵車站基坑突涌水災(zāi)害發(fā)生。由于土顆粒間存在較大的孔隙，原始土層的水平與豎向滲透系數(shù)分別為0.69×10-6、156.55×10-6cm/s，地鐵車站基坑在施工時(shí)因外力擾動極易發(fā)生突水突泥災(zāi)害。通過注漿，漿液在土層中產(chǎn)生劈裂的同時(shí)也填充了土顆粒之間的孔隙，因此注漿后漿-土結(jié)石體滲透系數(shù)大大減小，土層抗?jié)B性能顯著提高。

（2）根據(jù)正交試驗(yàn)法，水灰比選為1，漿土體積比為1，漿-土結(jié)石體滲透系數(shù)與水泥-水玻璃漿液中水玻璃體積摻量的關(guān)系見圖4。

由圖4可見，水玻璃體積摻量為30%～45%時(shí)，漿-土結(jié)石體滲透系數(shù)與漿液中水玻璃體積摻量整體上呈正相關(guān)；當(dāng)水玻璃體積摻量達(dá)到50%時(shí)，漿-土結(jié)石體滲透系數(shù)比水玻璃體積摻量為45%時(shí)有所減小。當(dāng)水泥-水玻璃漿液中水玻璃體積摻量為30%時(shí)，漿-土結(jié)石體滲透系數(shù)最小，為1.80×10-8cm/s；當(dāng)水玻璃體積摻量為45%時(shí)，漿-土結(jié)石體滲透系數(shù)最大，為3.03×10-8cm/s；當(dāng)水玻璃體積摻量繼續(xù)增大至50%，結(jié)石體滲透系數(shù)出現(xiàn)下降趨勢，為2.51×10-8cm/s，可能的原因?yàn)樗Ａн^量，有部分水玻璃未參加水化反應(yīng)，并在結(jié)石體內(nèi)部形成較難透水的膠狀體所致。

（3）選取水泥-水玻璃漿液中水玻璃體積摻量為50%，漿土體積比為1.0，漿-土結(jié)石體滲透系數(shù)與水灰比的關(guān)系如圖5所示。

由圖5可見，隨著水灰比逐漸增大，漿-土結(jié)石體滲透系數(shù)呈增大的趨勢。在所取的水灰比范圍內(nèi)，當(dāng)水灰比為1.0時(shí)，漿-土結(jié)石體滲透系數(shù)最小，為2.51×10-8cm/s；當(dāng)水灰比為2.0時(shí)，結(jié)石體滲透系數(shù)出現(xiàn)較大增長，為4.72×10-8cm/s，與水灰比為1.0時(shí)相比結(jié)石體滲透系數(shù)增大了88.04%。較大的水灰比無法提供足夠量的水泥來參與水化反應(yīng)，因此沒有充足的水化產(chǎn)物充填結(jié)石體內(nèi)部，導(dǎo)致漿-土結(jié)石體的滲透系數(shù)增大。

2.3 漿-巖結(jié)石體滲透系數(shù)分析

為研究在富水巖溶裂隙中的注漿防滲效果，遴選出關(guān)鍵水灰比與注漿漿液中水玻璃體積摻量，制作水泥-水玻璃漿液與礫石結(jié)石體試件，并測試結(jié)石體的滲透系數(shù)，分析漿-巖結(jié)石體滲透系數(shù)在不同影響因素下的變化規(guī)律。制作漿-巖結(jié)石體試件，注漿漿液水灰比分別選用1.0、1.2、1.5、1.7、2.0，漿液中水玻璃體積摻量為30%~50%，分別研究不同水灰比、不同水玻璃體積摻量對結(jié)石體滲透系數(shù)的影響，結(jié)果如圖6所示。

由圖6可見：

（1）在一定水灰比條件下，隨著漿液中水玻璃體積摻量的增大，漿-巖結(jié)石體滲透系數(shù)呈現(xiàn)出增大的趨勢。在漿液中水玻璃體積摻量增大的條件下，當(dāng)水灰比為1.5時(shí)，漿-巖結(jié)石體滲透系數(shù)增長幅度最大，水玻璃體積摻量從30%增加到50%時(shí)，結(jié)石體滲透系數(shù)增大了5.02倍。這說明，相較于其他水泥-水玻璃漿液水灰比，漿液水灰比為1.5時(shí)，結(jié)石體滲透系數(shù)受水玻璃體積摻量影響最大。漿液中水灰比過大或過小時(shí)，漿液中水玻璃體積摻量變化對漿-巖結(jié)石體滲透系數(shù)的影響會減弱。當(dāng)水玻璃體積摻量為30%時(shí)，水灰比為1.0、1.2、1.7的結(jié)石體滲透系數(shù)相差不大。此時(shí)水泥在反應(yīng)中為過量狀態(tài)，不同水灰比所含的水泥與水玻璃生成的膠凝產(chǎn)物含量大致相當(dāng)，使得結(jié)石體滲透系數(shù)差別較小。

（2）當(dāng)注漿漿液中水玻璃體積摻量一定時(shí)，水灰比增大導(dǎo)致了漿-巖結(jié)石體滲透系數(shù)增長。水灰比由1.0增長至2.0，水玻璃體積摻量為30%、35%、40%、45%、50%的漿-巖結(jié)石體滲透系數(shù)分別增長了5.71、5.51、10.64、8.26、6.34倍。這說明，當(dāng)水玻璃體積摻量為40%時(shí)，結(jié)石體滲透系數(shù)受水灰比變化影響最大。無論增大或減小水玻璃體積摻量，漿-巖結(jié)石體滲透系數(shù)受到水灰比影響都會變?nèi)酢．?dāng)水灰比為1.0時(shí)，不同水玻璃體積摻量的漿-巖結(jié)石體滲透系數(shù)大致相同，水玻璃體積摻量為30%時(shí)，滲透系數(shù)為5.56×10-9cm/s?？赡艿脑?yàn)?，漿液中沒有足夠的水泥，即使水玻璃體積摻量增大也無法與水泥完全反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)物的量由水泥量決定，即由水灰比決定，因此不同水玻璃體積摻量的結(jié)石體滲透系數(shù)差別較小。

3 對實(shí)際工程的建議

（1）無論水泥-水玻璃結(jié)石體、漿-土結(jié)石體、漿-巖結(jié)石體，較小的水灰比和水玻璃體積摻量都會提高結(jié)石體的抗?jié)B性能。因此，在實(shí)際工程中，若要提高注漿的防滲堵漏效果，可適當(dāng)減小水灰比及水泥-水玻璃漿液中水玻璃體積摻量。

（2）在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，盲目減小水灰比與水玻璃體積摻量會大大減弱漿液的流動性，縮短漿液凝結(jié)時(shí)間，不利于實(shí)際施工。為達(dá)到滿意的防滲堵漏效果，同時(shí)考慮到施工方便，基于本試驗(yàn)設(shè)計(jì)配比，建議水泥-水玻璃結(jié)石體采用水灰比為1.0，水玻璃體積摻量為20%；漿-土結(jié)石體與漿-巖結(jié)石體采用水灰比為1.0，水玻璃體積摻量為30%。

4 結(jié)論

（1）水泥-水玻璃漿液結(jié)石體呈現(xiàn)出良好的抗?jié)B性能，水灰比和漿液中水玻璃體積摻量為影響結(jié)石體抗?jié)B系數(shù)的主要因素。

（2）隨著水灰比、漿液中水玻璃體積摻量的增大，水泥-水玻璃結(jié)石體、漿-土結(jié)石體與漿-巖結(jié)石體滲透系數(shù)都呈現(xiàn)出增大的趨勢。另外，漿-土結(jié)石體滲透系數(shù)還受到結(jié)石體中摻入土的比例影響，隨著摻入土的比例增加，漿-土結(jié)石體滲透系數(shù)也呈現(xiàn)出增大的趨勢。

（3）水泥-水玻璃漿液中水灰比增大、水玻璃體積摻量增加，都使得注漿漿液中含水量增大，水泥量相對減少，因此漿液無法提供足夠量的水泥來參與水化反應(yīng)，則沒有充足的水化產(chǎn)物充填結(jié)石體內(nèi)部，導(dǎo)致結(jié)石體滲透系數(shù)增大。