王曉嬋，高勝雷

（北京市市政建設(shè)集團有限責任公司，北京 100049）

0 緒論

在城市地下施工時，有時會遇到上覆土較淺、土體結(jié)構(gòu)松散的地層，在這種地層進行暗挖施工極易出現(xiàn)拱頂土脫落、坍塌等問題，對城市安全造成嚴重威脅。為減小砂卵石地層超淺埋暗挖施工對周圍環(huán)境的影響，保證施工安全[1-4]，通常在開挖前采用合理配比的注漿液對土體進行注漿預(yù)加固，使其形成拱部效應(yīng)，來控制地層變形[5]。針對北京某砂卵石地層超淺埋暗挖下穿城市快速道路工程的預(yù)加固漿液進行研究，通過試驗分析選取適合本工程地層的預(yù)加固注漿液，同時總結(jié)該種地層淺埋暗挖預(yù)加固施工工藝，為今后類似條件工程提供借鑒。

1 工程概況

1.1 工程簡介

該暗挖段與道路填方路基段垂直交叉下穿，全長為110 m。暗挖截面尺寸為7400 mm×4300 mm。暗挖結(jié)構(gòu)外頂距離自然地面約為4.65 m，距離穿越道路中埋深約為9.45 m，覆土較淺，同時與暗挖結(jié)構(gòu)相交叉的管線繁多，其中污水距離結(jié)構(gòu)頂部僅為28 cm。

1.2 工程地質(zhì)條件

暗挖區(qū)間隧道圍巖主要為雜填土①1層、黏質(zhì)粉土填土①層、卵石②層、卵石③層、卵石④層。按照ADECO-RS工法原理分類本工程砂卵石地層對應(yīng)為C級，填土及卵石層粘聚力低，圍巖穩(wěn)定性較差，無法形成自然應(yīng)力拱，容易引發(fā)結(jié)構(gòu)變形，導致地面沉降過大或塌陷。根據(jù)場區(qū)區(qū)域水文地質(zhì)資料，本結(jié)構(gòu)施工范圍內(nèi)存在上層滯水。

1.3 暗挖預(yù)加固措施

依托暗挖工程根據(jù)不同的施工位置采用不同的加固工藝。馬頭門門洞位置及下穿現(xiàn)況污水管線區(qū)域設(shè)置超前小導管進行注漿，對土體進行加固；暗挖結(jié)構(gòu)段位于卵石層及表層雜填土層，圍巖穩(wěn)定性較差，不易形成自然應(yīng)力拱，施工過程中容易發(fā)生塌落，同時暗挖結(jié)構(gòu)下穿城市快速路，頂部風險較大，為保證施工安全，開挖前采取深孔注漿進行超前支護。

2 新型改性水泥-水玻璃復合注漿材料試驗研究

2.1 本工況對注漿材料性能要求

選取施工現(xiàn)場5～15 m深處的卵石樣本。通過5組樣本篩分試驗可知：選取的第1、4組砂卵石為相對均勻土體，級配良好，土體密實度較好，卵石質(zhì)量約占到總質(zhì)量的60%；第2、3、5組樣本的平均粒徑較大，卵石質(zhì)量約占總質(zhì)量的80%。詳細結(jié)果如圖1所示。

圖1 卵石土體及大粒徑漂石

暗挖區(qū)間隧道圍巖主要為雜填土①1層、黏質(zhì)粉土填土①層、卵石②層、卵石③層、卵石④層。卵石一般粒徑為30～90 mm，已發(fā)現(xiàn)顆粒物最大直徑250 mm，成分主要為石英砂巖、輝綠巖、安山巖、硅質(zhì)白云巖等硬巖類，顆粒物形狀以亞圓形為主，200 mm以上漂石多為長圓形。

地層土體顆粒較粗，粒間孔隙較大，滲透系數(shù)也較大，結(jié)合工程實際情況及以往經(jīng)驗，擬采用水泥-水玻璃復合注漿材料。在本工程中，深孔注漿加固區(qū)域大部分為砂卵石，但上部還摻雜著部分雜填土，雜填土堆積時間短，性質(zhì)不均勻，厚度變化大，成分復雜，有機質(zhì)含量高，壓密周期長，壓縮性非常大。針對此情況，注漿材料需滿足以下要求：

（1）同時適用于砂卵石地層和雜填土地層，可注性良好，擴散半徑均勻。

（2）深孔注漿加固區(qū)域內(nèi)雜填土成分復雜，較為松散，要求注漿材料能較大程度上提高加固體強度，且耐久性較高。

（3）凝膠時間可控，凝結(jié)不能過快。

2.2 普通水泥-水玻璃注漿材料的改性思路

2.2.1 試驗材料

水泥：P·O42.5水泥，高效分散劑：聚羧酸鈉鹽分散劑：木質(zhì)素磺酸鈣，無收縮灌漿劑，硫酸銅：化學純，水玻璃：濃度42 Bé°，鋼渣微粉：比表面積450 m2/kg，緩凝劑：FK-6羥基羧酸（鹽），均為市售。

2.2.2 改性方法

由于現(xiàn)有普通水泥-水玻璃雙液注漿材料難以滿足上述要求，需對其進行改進。通過反復測試，最終得到如下改性方法：（1）添加高效分散劑，增加可注性及漿液擴散半徑。水泥漿液中添加適量的高效分散劑和無收縮灌漿劑，吸附于固體顆粒的表面，使其表面易于濕潤，添加無收縮灌漿劑使?jié){液強度提高、凝結(jié)后不收縮不變形。（2）添加硫酸銅提高結(jié)晶體強度，防止崩解。硫酸銅與水玻璃發(fā)生雙水解反應(yīng)，減小水玻璃對水泥的水化作用。（3）添加鋼渣微粉提高結(jié)石體的結(jié)石抗?jié)B性。鋼渣微粉可減小漿液因水分揮發(fā)引起的結(jié)石體干縮，也可生成凝膠充填結(jié)石體內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)，提高結(jié)石體的密度，增強抗?jié)B性能。（4）添加緩凝劑使凝膠時間可控。經(jīng)過多次試驗，最終配比如下：A液為水泥漿液，采用P·O42.5水泥，配合比為：m（水）∶m（水泥）∶m（高效分散劑）∶m（無收縮灌漿劑）∶m（鋼渣微粉）=1∶1.2∶0.055∶0.055∶0.075；B液：水玻璃濃度為42Bé°，配合比為：m（水）∶m（水玻璃）∶m（硫酸銅）=1∶1∶0.03。

2.3 改性水泥-水玻璃注漿材料適用性試驗

為了進一步驗證添加劑對普通水泥-水玻璃注漿液的影響及改良后注漿液的適用性，進行如下添加劑試驗。

2.3.1 凝膠時間試驗

根據(jù)工程實際，改性水泥-水玻璃復合漿液的凝膠時間需要可以在幾秒到幾十分鐘之間調(diào)節(jié)。固定高效分散劑、硫酸銅、鋼渣微粉的含量，分析漿液中水泥、緩凝劑含量對漿液凝膠時間的影響。配制過程如圖2所示。

圖2 改性水泥-水玻璃配制過程

水灰比對改性水泥-水玻璃復合漿液凝膠時間的影響如表1所示。

表1 水灰比對改性水泥-水玻璃復合漿液凝膠時間的影響

由表1可見，隨著水灰比的增大，凝膠時間逐漸縮短。復合漿液凝膠時間在19～110 s范圍內(nèi)波動，時間較短，可適用于雙液注漿，能夠滿足注漿快凝的要求。

還可以通過改變緩凝劑來控制凝膠時間，固定漿液水灰比為1.0，緩凝劑對改性水泥-水玻璃復合漿液凝膠時間的影響如表2所示。

表2 緩凝劑對改性水泥-水玻璃復合漿液凝膠時間的影響

由表2可見，凝膠時間隨緩凝劑用量的增加而延長。改性水泥-水玻璃復合漿液的凝膠時間可以從幾十秒至幾十分鐘進行調(diào)控。

2.3.2 抗壓強度試驗

對改性水泥-水玻璃復合漿液結(jié)石體的無側(cè)限抗壓強度進行測試，根據(jù)DL/T 5126—2001《聚合物改性水泥砂漿試驗規(guī)程》試驗操作方法進行試件制備與養(yǎng)護，制作徑高比1∶1的圓柱形試件。試模的直徑和高度均為100 mm。將制備的樣品浸入水中并進行3、7、14、28 d的標準養(yǎng)護。為保證試驗結(jié)果的可靠性和準確性，每組試件不少于6個。水灰比與硫酸銅含量對改性水泥-水玻璃復合漿液結(jié)石體無側(cè)限抗壓強度影響如表3所示。

由表3可以看出，在相同水灰比條件下，隨著硫酸銅含量增加，改性水泥-水玻璃復合漿液結(jié)石體3 d抗壓強度呈提高趨勢。在硫酸銅含量小于7%時，強度提高幅度較??；超過7%時，強度提高明顯。隨著水灰比的增大，結(jié)石體的抗壓強度不斷降低，說明水灰比對結(jié)石體的抗壓強度影響顯著，水灰比增大，會直接導致結(jié)石體內(nèi)部孔隙率增大，從而降低結(jié)石體強度。同時漿液中用水量增大，漿液的pH值顯著降低，不利于改性水泥-水玻璃復合漿液的水化，特別會對早期強度產(chǎn)生顯著影響。因此，在普通水泥-水玻璃復合漿液中加入硫酸銅能顯著提高復合漿液結(jié)石體的強度。

表3 改性水泥-水玻璃復合漿液結(jié)石體的無側(cè)限抗壓強度

2.3.3 漿液結(jié)石體抗?jié)B性試驗

析水性是水泥漿液的重要特性，主要是由于水泥顆粒粒徑大且不溶于水，在重力的作用下，因顆粒沉淀造成漿水分離[6]。隨著水分的析出，漿液黏度不斷改變，注漿擴散范圍受到影響。同時析水性也會導致水泥漿液結(jié)石率較低，影響地層加固效果。在普通水泥漿液中摻入鋼渣微粉可以提高結(jié)石體致密度，降低因水分揮發(fā)引起的結(jié)石體干縮，極大提高漿液的抗?jié)B性。為了驗證，分別測試普通漿液和改性漿液在不同水灰比下的析水性。

在試驗開始前，篩除粒徑0.075 mm以上水泥顆粒，確保無結(jié)塊，漿液配制好后倒入10 mL玻璃量筒進行混合漿液靜置析水實驗，每隔一段時間記錄1次漿液液面高度，直至液面的高度停止變化。為確保試驗取得可靠數(shù)據(jù)，每組試驗至少重復3次，取其平均值。利用漿液初始密度、漿液的析水量計算出各時刻漿液的析水率。普通水泥漿液與改性水泥-水玻璃復合漿液的析水率如表4所示。

表4 普通水泥漿液及改性水泥漿液的析水率

從表4可以看出：當水灰比小于1.0時，改性漿液基本無析水現(xiàn)象，普通漿液出現(xiàn)析水。當水灰比增大到2.5，靜置40 min時，改性漿液的析水率僅為1.5%；而此時普通漿液的析水率是改性漿液的53倍。說明在普通水泥-水玻璃雙液漿中摻入鋼渣微粉能顯著改善水泥漿液的析水性，同時結(jié)石率也會隨著水灰比的增大而減小。

3 新型改性水泥-水玻璃復合注漿材料在砂卵石地層暗挖中的應(yīng)用

本工程采取兩端對向環(huán)形開挖土體，預(yù)留核心土法，每次開挖長度為0.5 m。隧道暗挖段開挖斷面分3個開挖導洞。馬頭門門洞位置及下穿現(xiàn)況污水管線區(qū)域采用超前小導管進行注漿加固；暗挖結(jié)構(gòu)段開挖前采取深孔注漿進行超前支護加固。

3.1 超前小導管注漿漿液配制及參數(shù)

3.1.1 超前小導管注漿漿液配制

超前注漿采用改性水泥-水玻璃復合漿液，總的原則是漿液要滿足固結(jié)地層，防止涌水的產(chǎn)生。根據(jù)試驗及現(xiàn)場施工需要水泥-水玻璃復合漿液配制如下：普通水泥漿的水灰比為1.0～1.5，在施工中可依據(jù)現(xiàn)場情況適量調(diào)整；水泥水玻璃復合漿液的水灰比為1.25～2.5，施工中可適當調(diào)整。

3.1.2 超前小導管注漿參數(shù)

豎井向下開挖至馬頭門位置時，根據(jù)測量放線打入拱部雙排超前小導管，小導管沿109°范圍的輪廓線布置，采用φ42 mm，L=4 m和L=5 m鋼管，環(huán)向間距為0.5 m，外插角10°～20°。

3.2 深孔注漿漿液配置及施工參數(shù)

3.2.1 深孔注漿漿液配制

本工程深孔注漿采用雙重管無收縮注漿工法，即WSS注漿工藝，對區(qū)間拱部進行深孔注漿，以達到穩(wěn)固土體的預(yù)期目的。WSS漿液為新型改性水泥-水玻璃復合注漿材料，分為A、B液。

A液配制流程：水、高效分散劑、鋼渣微粉、緩凝劑、水泥。漿液配制前按攪拌機的容量和注漿材料的配比參數(shù)計算出配制一桶漿液所需的水泥和水的用量，先在攪拌機中加入一定量的水，再加入規(guī)定量的緩凝劑，強力攪拌3 min，然后加入定量的水泥和鋼渣微粉，強力攪拌，最后加入高效分散劑，攪拌均勻，即完成A液配制待用。

B液配制流程：在濃水玻璃中加入硫酸銅，并稀釋至設(shè)計濃度，攪拌均勻后待用，量取水玻璃桶的體積，標定設(shè)計單段注漿量所需的高度，一次控制設(shè)計注漿量。圖3為現(xiàn)場注漿施工情況。

圖3 現(xiàn)場注漿施工情況

3.2.2 深孔注漿參數(shù)

采用改性水泥-水玻璃復合漿液，注漿壓力控制在0.8～1.0 MPa，擴散半徑≥0.5 m，單根注漿管每延米注漿量≥0.76 m3，注漿后的滲透系數(shù)≤1.0×10-7cm/s。

3.3 現(xiàn)場施工驗證

應(yīng)用改性水泥-水玻璃復合注漿材料進行現(xiàn)場施工，現(xiàn)場開挖揭示效果如圖4所示，注漿效果良好。施工過程中監(jiān)測數(shù)據(jù)可控，保證了施工的安全。

圖4 現(xiàn)場開挖揭示效果

4 結(jié)語

（1）針砂卵石地層的加固要求，對常見的注漿材料現(xiàn)存問題進行分析，通過摻加添加劑的方式對普通水泥-水玻璃復合注漿材料進行改性，通過添加劑試驗發(fā)現(xiàn)：緩凝劑的添加使得凝膠時間可控；硫酸銅的添加改善了結(jié)石體與混凝土或巖體界面的狀況，增大了粘結(jié)力，使得抗壓強度顯著提高；鋼渣微粉的添加提高結(jié)石體的致密性，抗?jié)B性能提高。

（2）根據(jù)試驗發(fā)現(xiàn)的規(guī)律，改良了普通水泥-水玻璃復合注漿液，配制出滿足該工況超前小導管注漿加固和深孔注漿超前支護的復合注漿液，同時給出了改良注漿液的施工參數(shù)。根據(jù)施工情況來看，改性水泥-水玻璃復合注漿液可在砂卵石地層中均勻擴散，加固效果良好，提高了超前注漿加固地層的工效，實現(xiàn)了下穿隧道暗挖的安全、快速施工。