富水砂层隧道开挖中化学灌浆的运用

富水砂层隧道开挖中化学灌浆的运用

刘忠雨

中国水电建设集团十五工程局有限公司西安710065

摘要：近年来，随着建筑业与化学工业的发展，在建筑工程施工中，各大型企业相继采用较为先进的技术来攻克一些建筑施工难题，使得建筑业施工技术水平走上一个新的台级，尤其是化学材料的加入，使建筑物在堵漏、加固等方面的问题得到了很好的解决。化学灌浆施工技术所采取的有机固化剂以及水玻璃等配置的化学浆液，经过不断进行室内试验，确定了最终适用的化学灌浆比例。将该技术引入到富水砂层隧道开挖施工中来，有效的解决了原有的水泥双液灌浆不能解决的问题，有效保护了周围隧道内的建筑物与管线的施工安全，施工风险明显降低，在各大建筑领域内均有很好的应用前景。

关键词：富水砂层;隧道开挖;化学灌浆

1引言

在现代城市建设中，对于城市中地下富水砂层这一特殊地段，采用传统的矿山法挖掘时，极容易发生涌砂、塌顶等事故，最终导致地面下沉、隧道变形而失去稳定性，造成工程质量无法保证，甚至发生严重安全事故。因此，当隧道开挖穿越富水砂层时，首先要进行详细的考察研究，然后深入分析和论证，制定必要的措施以及科学的施工方案来规避此类问题的发生。其次，要有效的控制地面沉降，目前，控制地面沉降的常用办法主要有冷冻法和小导管水泥注浆法，但是这两种方法前者进行冷冻的时间过长，冷冻费用支出过大，而后者的处理效果较差，很难达到设计要求。

水玻璃化学灌浆克服了上述措施的不足，能有效解决水泥或双液灌浆不能解决的问题，并且其材料来源广、价格低，采用有机溶剂无毒性、操作方便、粘度低、渗透性好、强度高。该技术的研究始发与20世纪60年代后期，国外自开始研究有机溶剂作固化剂水玻璃灌浆技术以来，直至70年代后期才得到了进一步的研发，逐渐进入实用阶段，新世纪以来，在国内得到较多的推广应用。

采取上述灌浆法虽然有很好的效果，但是采取有机化学材料作为水玻璃的固化剂进行制作浆液，其配比并无明确的规定和标准，为了确定在不同工程项目中均可适用的科学配比，研究过程中，除在室内进行了以有机材料作为固化剂的水玻璃化学浆液配置实验以外，还在室内进行了模拟现场化学灌浆试验，最终取得了合适的化学配比，并将其成功应用于富水砂层隧道开挖中来。

1.1选用的材料

浆液的配置需要采用的主要原料及其性能：

1）水玻璃。水玻璃是由碱金属氧化物和二氧化硅结合而成的可溶性强碱弱酸盐，溶于水，遇酸分解。水玻璃溶液可与酸发生置换反应，溶液中存在的游离钠离子及二氧化硅胶粒表面吸附的钠离子与带相反电荷的酸根离子发生作用，从而使胶粒失去电性，使溶胶失去稳定性，二氧化硅溶胶便发生絮凝作用，形成凝胶体。

2）有机固化剂。有机固化剂含有脂基但本身又不含亲水基，自然条件下可进行水解，但又不溶于水，在外界没有催化剂的条件下，水解的速度应该很小，水分子只能使得其自身缓慢溶解。

3）表面活性剂。表面活性剂自身属性易溶于水，性质属于阴离子型表面活性剂，具有很好的乳化性质。

表面活性剂使有机固化剂溶于水，溶于水的有机固化剂发生水解，生成有机酸，水玻璃与有机酸发生置换反应，形成凝胶体。

1.2室内试验

1）本实验采取的原材料包括水玻璃、有机固化剂、表面活性剂、砂子、水等。其中选用的有机固化剂与表面活性剂一般情况下使用化学工厂采购的材料即可。砂可以采用细度模数为2.4的河砂，松散密度应保持在1.34g/cm3，密度需达到1.5g/cm3，表观密度达到2.63g/cm3，孔隙率达到43%，使用水采用自来水即可。

2）为满足施工现场要求，配制的混合浆液必须符合两个条件，首先混合浆液能在lh内保持可灌性，不凝结；其次混合浆液灌入砂层后，砂层能在0.5h左右凝结，时间太短，会影响浆液扩散范围，时间太长，会影响施工进度。为获得适合于工程现场灌注的化学浆液，在室内对11种配比的混合浆液的可灌时间及注浆后砂体凝结情况进行了试验。

3）实验过程中，根据实验用量，按照事先制定好的配比称量水玻璃，随后称取固化剂、表面活性剂及拌和用水等。实验第一步将水倒入容器内，随后加入表面活性剂搅拌均匀，然后倒入水玻璃再次搅拌均匀，最后一步加入固化剂后搅拌均匀。搅拌之后采用晃动、肉眼观察等物理办法，根据实际情况判断浆液的性能。从配置完成一直到溶液失去可灌性的间隔时间就是浆液实际灌注的时间，当浆液开始出现絮状或者是容器内流动性变差时，就可以断定浆液已经失去可灌性。

鉴于配制化学灌浆浆液所用的水玻璃、表面活性剂、有机固化剂均为化工用品，市场上产品质量良秀不齐，目前检测及施工单位尚无较好手段进行检测和评估，因此，每次使用前进行试验予以验证是非常必要的，能够保证混合液灌入砂层后能达到预期效果，确保施工安全。

2化学灌浆在实际工程中的应用

2.1灌浆施工的流程

砂层灌浆一般工艺流程为：设备安装一灌浆孔孔位放线一灌浆孔钻孔一灌浆管埋设一浆液配制一灌浆作业一灌浆结束（终止压力=初始压力＋0.3MPa）一移至下一孔一待全部孔灌浆完毕再重新开始下一个循环。

采用zlC-NG-52手持冲击钻（钻杆长1.5In）钻孔、BW一150型注浆机灌浆，灌浆操作要点如下。

1）灌浆采用的钢管可以利用二寸钢管，沿着开挖隧道的侧面、顶边线进行，间距保持在30cm左右为佳，外插角度保持在450，同时需要穿过原本的双层大管道棚，使得孔隙内部有流沙流出。

2）配置浆液时首先将表面活性剂与水在容器内搅拌均匀备用，再将水玻璃加入到搅拌容器内，然后将表面活性剂与水的混合溶液加入，搅拌均匀，最后加入固化剂，搅拌均匀后开始灌浆。

3）灌浆施工当灌注压力达到初始的压力值并超过0.3Mpa后，该孔位化学灌浆结束，再开始下一个空隙的化学灌浆作业，待空隙达到同样的压力值时，结束灌浆，继续循环，直至单元孔位全部灌注结束。

2.2化学灌浆效果

经室内对有机固化剂与水玻璃化学浆液进行模拟灌注浆液试验，确定了适合富水砂层灌注的浆液配比，并成功应用于该地层隧道的开挖中，解决了富水砂层隧道开挖施工中涌砂、塌顶等难题，避免了可能导致的地面下沉、隧道变形，使得隧道开挖施工稳定性增强，既保证了施工安全，又保证了工程质量。

结论

采用试验确定的有机固化剂与水玻璃化学浆液来处理富水砂层隧道开挖施工中的涌砂、塌顶等难题，避免了可能导致的地面下沉、隧道变形，增强了隧道开挖施工的稳定性，保证了施工的安全进行，将该技术应用于市政、公路等暗挖隧道工程中，能够加固砂层、保护周围构筑物和管线，有效降低暗挖隧道施工的风险，具有良好借鉴作用和良好的应用前景，值得广泛推广。

参考文献

[1]汪永剑,丁仕辉.化学灌浆在富水砂层隧道开挖中的应用.广东水利水电，2016（04）：26-27.

[2]陈荣.化学灌浆技术在工程中的应用.山西建筑，2006（11）：96-97.

[3]邹晓燕.浅谈化学灌浆施工应用.西部探矿工程，2006（128）：28-29.