改性水玻璃固化粉细砂地层技术

 改性水玻璃固化粉细砂地层技术

周鸿源,杨坤伟

中国水利水电第七工程局有限公司，成都610081

【摘要】 通过对某盾构施工工程出洞端漏水漏砂的分析，采用该改性水玻璃加固方法，并经过充分的论证，能确保盾构机安全出洞，有效的抑制风险的出现。

【关键词】 粉细砂  改性水玻璃 纯压式注浆法 注浆固结

一、工程概况

雄安新区至北京大兴国际机场快线（简称“京雄快线”），为承接北京非首都功能疏解地铁快线，本项目盾构区间为金融岛站～第五组团站。盾构机为土压平衡盾构机，直径9.1m，管片外径8.8m，内径7.9m。根据工程地质条件、盾构直径、隧道埋深采用可靠的洞口土体加固方案，是确保盾构机进出洞口安全的有效手段。盾构井维护结构采用TRD工法，接收端13米×26米范围采用高压旋喷桩加固工艺，基坑埋深27米。在左线盾构到达风井接收端之前，提前对接收端左线洞门进行水平探孔施工，检测端头加固质量，发现水平探孔渗水量远远大于设计渗漏水标准20L/h，不满足盾构机出洞的设计要求。

二、水文、地质情况

本区间范围内共观测到3层地下水，主要为潜水（二）、承压水（三）、承压水（四），受季节的影响，局部可能会存在上层滞水。

盾构接收端地下水主要为承压水，水位埋深约为14.8m。水头标高-5.80m左右，含水层主要为粉细砂⑧4、粉细砂⑨1层，含水层底板主要为粉质黏土⑩1层。主要接受侧向径流及越流补给，以侧向径流、人工开方式排泄。根据区域水文地质资料，该层承压水的年变幅为1～3m。盾构机接收端隧道断面地层主要为⑤1粉细砂层，部分为⑤4粉质黏土，如图一所示。

图一盾构机接收端地质断面图

三、漏水漏砂原因分析

原因一：由于盾构机接收端围护结构施工时采用TRD结构，且左侧外挂结构，可能存在封闭不严。当型钢拔出后，对型钢空隙进行灌浆填充，由于在灌浆填充时未达到饱满程度，导致形成承压水通道，承压水通过间隙进行汇集。

原因二：盾构机接收端头加固采用高压旋喷加固工艺，由于粉砂夹粉土层较密实,高压旋喷桩射水压力可能存在不能穿透土体,桩径达不到设计要求，出现“缩径”现象；也可能因成桩工艺，根据规范要求，成桩的垂直度控制在1%范围内，桩长超过20米后，随着成桩长度增加，根据施工经验，桩间下部垂直度叠合值增大，桩与桩之间咬合不紧密，导致高压旋喷桩桩间存在缝隙，该接收端埋深27米。正是这些缝隙导致端头加固效果欠佳，也是目前洞门漏水、漏沙的主要通道。

原因三：地层原因，该地层地下水丰富，存在上下含水层，根据地勘揭示两含水层之间的隔水层分布不均，局部地方较薄，局部地方较厚，当上、下两含水层之间的隔水层为弱透水层时，两含水层存在相互补给关系。

原因四：在降水井管埋入粉砂层后，由于砂层中含泥量太大，容易堵管，汇水能力弱，导致降水井无法正常工作，抽排水效果不好。且长时间的抽排水导致地下水位降落，部分细沙被带走，上部土体逐渐开始发生固结沉降，甚至发生坍塌，容易引起一系列安全问题。

四、加固方案的选用

1、排水固结法，该地层抽排水时间较长，土体中的水位可能会降低，对加固区和周围土体会产生一定的影响，如果不处理或处理不当，就会造成地表沉降过大或不均匀沉降。

2、双液浆加固，该加固工艺能有效的在高水压地层形成止水效果，但其颗粒粗，在未扰动的粉细砂层中可注性差，抗压、抗剪强度较低，易被高压水破坏。

3、桩加固（钢板桩、素桩），该种加固工艺在粉细砂层中成桩效果不好，由于含水层压力较大，桩间不能咬合，会成为渗水通道。前期该地层高压旋喷桩加固效果差就是一个例子。

4、改性水玻璃固化粉细砂层，该种加固材料是以常规水玻璃为基础进行改性、环保有机物材料为固化剂的水玻璃注浆材料。对水泥基材料难以灌注的细砂层采用GX改性水玻璃浆材灌注，既能固砂又能有效止水。GX改性水玻璃是一种专用固砂材料，无毒，凝结时间可调，固结体强度可以达到1.5Mpa，能够有效防止开挖过程中涌水、涌砂现象发生。

根据现场的实际施工情况分析，施工工期的要求，以及试验结果显示，采用改性水玻璃固化砂层工艺更能有效的固化粉细砂，填充桩间间歇，并能形成较高的强度，施工工期较短，满足要求。

五、改性水玻璃固化砂层工艺

1、孔位布置

盾构机接收端头注浆加固在原有加固体内进行，距端头TRD结构边线0.5m开始布置4排注浆孔，每排间隔1m，梅花型布置，共计118个孔位，如图二所示。

图二盾构机收端加固范围示意图

2、成孔

成孔设备采用XY-1A-4型地质钻机，孔径φ89mm，孔深25m，针对软土地层采用合金钻回转钻进方法成孔。钻机安装时，底座水平，机身稳固可靠。调整钻机高度，立轴对正孔位，将钻具放入孔口管内，使孔口管、立轴和钻杆在一条直线上，用罗盘、水平尺和辅助线检测立轴方向和倾斜角度。采用优质稀泥浆护壁。当砂层较厚、孔内塌孔时，用φ89mm套管护孔，待孔内注入套壳料并下入袖阀管后，才将φ89mm套管提出孔外。

3、下管

钻孔至设计深度并采用清水洗孔后，立即将套壳料通过钻杆泵送至孔底，自下而上灌注套壳料至孔口溢出符合浓度要求的原浆液为止。

依次下入按注浆段配备的袖阀花管和芯管,下管时及时向管内加入清水,克服孔内浮力，顺畅下入至孔底。袖阀管上口露出地面20cm，将连接好的袖阀管下口用尖底封好。

4、灌注套壳料

套壳料以膨润土为主，水泥为辅组成。配比范围为水泥：膨润土：水=1:1. 5：1.88，浆液比重约为1.5，漏斗粘度24～26s。凝固时间和强度增长速率应控制在2～5d内可灌浆。套壳料主要用于封闭袖阀管与钻孔孔壁之间的环状空间，防止灌浆时浆液到处流窜，在橡胶套和止浆塞的作用下，迫使在灌浆段范围内挤破套壳料(即开环)而进入地层。套壳料浇注的好坏是保证注浆成功与否的关键，它要求既能在一定的压力下压开填料进行横向注浆，又能在高压注浆时，阻止浆液沿孔壁或管壁流出地表。套壳料要求其脆性较高、收缩性要小、力学强度适宜，即要防止串浆又要兼顾开环。成孔后，将钻杆下到孔底，用泥浆泵将拌好的套壳料经钻杆注入孔内注浆段。

5、固管制浆

在袖阀管外花管与孔壁之间的环状间隙处下入注浆管，在孔口上部2米孔段压入止浆固管料，直至孔口返止浓浆为止。止浆固管料采用速凝水泥浆，水:水泥=1:5。可采用水玻璃或氯化钙作速凝剂。

6、注浆

注浆材料为GX改性水玻璃。GX改性水玻璃是以水玻璃为主剂，加入特定固化剂注浆材料，主要起到固结砂层的目的，固化剂掺量为水玻璃质量的5%～10%，注浆过程中根据实际情况调整固化剂掺量。

表一GX改性水玻璃性能指标

注浆采用纯压式注浆法。采用螺杆灌浆泵（GS80E）进行灌浆，并配备高压注浆管路系统和制浆设备。灌浆过程中应严格控制灌浆压力，尤其是顶部钻孔最后一段的灌浆压力。所有钻孔孔口3m范围内灌浆压力为0.2Mpa～0.5Mpa，顶部钻孔孔底3m范围内的灌浆压力为0.3Mpa～0.8Mpa，其余孔段灌浆压力为1Mpa～1.5MPa。当灌浆压力达到设计值且注入率小于5L/min时可以结束灌浆。

7、加固效果检验

（1）加固体芯样检测

注浆结束后7～8天钻芯取样，并对芯样制作抗压试件，试件直径不宜小于70mm，试件的高径比为1：1，抗压芯样应进行密封，避免晾晒。试件抗压强度试验机采用高精度小型压力机，结果显示单组芯样代表值为7.37Mpa，如图三所示。

图三芯样检测

（2）洞门水平探孔渗水检测

新加固体完成过后，再次对接收洞门施做3个水平探孔，孔径50mm，孔深4m。探孔完成后，对探孔渗水量连续不间断观察，结果显示，连续三天均未发现明水流和滴漏现象，部分存在湿渍，满足设计提供的盾构机接收条件。

六、结论

本案例于2023年4月20日完成加固，洞门没有明显的滴漏现象，封水效果良好，并形成了较高的强度，成功地解决了盾构接收过程中粉细砂地层的漏水涌砂问题。工程实践证明，改性水玻璃浆液作为充填粉细砂孔隙同时又能起到良好胶结作用的灌浆材料，具有良好的可灌性、经济性与实用性,对提高粉细砂地层的防渗能力、改善粉细砂地层的力学性能有着明显的实施效果，值得类似工程借鉴。

参考文献

[1]建筑桩基础技术规范（JGJ94-2008）

[2]江正荣 地基与基础施工手册。