低含水率粉细砂地层隧道化学注浆超前支护技术研究

周云定，程坤

（中国水利水电第七工程局有限公司，成都 611730）

1 砂层物理特性理论分析

1.1 结构物理特性

粉细砂组成成分为单体矿物颗粒，颗粒结构具有无黏性、无塑性、磨圆度较好的特点，颗粒间无骨架作用，咬合作用小且组成均匀，其性质介于砂性土与黏性土之间。草帽山隧道开挖揭示，砂层结构稍密，干～稍湿，对自重作用敏感，在外界荷载作用下容易产生变形。

1.2 力学性质

粉细砂层土体主要通过颗粒内部法向压力产生粒间摩擦力，形成整体承载力，抗剪切能力弱，破坏后可使砂土颗粒重组，趋于密实；粉细砂驱散水的固结能力相对较强，在一定荷载作用下固结度变大，抗剪强度也随之大幅增强。

1.3 破坏形式

粉细砂接触到水后变饱和，易崩解，抗冲刷能力弱，如果孔隙比超过了临界值，经过一段时间后结构内的整体性会丧失，内聚力会被破坏，湿化后在很短时间内会发生崩解。

2 砂层可注性研究

在全面掌握砂层的颗粒组成、渗透系数等相关参数后，对其可注性进行评价。

2.1 粉细砂颗粒筛分试验

对隧道内砂层土体现场取样，通过筛分试验对所取土样的颗粒级配、粗细程度、砂层类型及液化类型进行测定、评判。试验结果详见图1。

图1 粒径特性分布曲线图

分析图1可得，粒径＞0.08mm的颗粒总质量占比、粒径＜0.32mm的颗粒总质量占比均大于全部颗粒总质量的50%。根据GB 50021—2001《岩土工程勘察规范》[1]，判定该原样砂层为粉细砂层。由图1可知，有效直径D10为0.42mm。

2.2 粉细砂层渗透系数测试

由筛分试验得知，所取土样为透水性较强的非黏性土。采用“常水头法”进行渗透系数试验，打开水阀，使水自上而下自由流经试样，从出水口排出。通过水阀严格控制水流量大小，使排出水量与进入水量一致。待水头差Δh与排出水量Q稳定后，量测一定时间t内流经试样的水量V，计算渗透系数k。根据达西定律，得出式（1）：

式中，L为渗流路径长度，cm；A为过水断面截面积，cm2。

经试验，原样砂体的渗透系数k为4.2×10-3cm/s。

2.3 粉细砂层可注性判定

地层的可注性是指浆液可渗透到岩土介质的空隙和裂缝中的能力，浆液是否可以被注入地层，取决于地层和浆液的渗透性、粒度及流变性等的相对性质。溶液型化学浆液理论上可以进入任意小孔隙的土层，但实际工程运用时发现：粉细砂地层孔隙小，若浆液黏度大，孔隙中的浆液流动和扩散距离受限，甚至无法注入。

运用本文试验研究成果：原样砂体渗透系数k=4.2×10-3cm/s，有效直径D10=0.42mm，细粒含量小于总质量的12%，对粉细砂层可注性进行评判[2]：原样砂体属易注化学浆液类地层，水泥浆类浆材很难注入。

3 注浆材料选取

根据试验所得粉细砂层特性，结合类似工程经验可知，理论上适用的砂层固结浆液材料包括：水泥浆液、水玻璃类、铬木素类、脲醛树脂类、丙烯酰胺类、聚氨酯类等。进一步对注浆材料渗透性、固结强度、稳定性等参数进行综合对比，分析如下：

1）高分子材料：如铬木素类、脲醛树脂类、丙烯酰胺类、聚氨酯类等，适用于防渗注浆、冲积层注浆以及壁内或壁后注浆。其优点是可注性好、黏度低、抗渗性好、胶凝时间可控制；缺点是固结体强度差、价格贵、原料来源少、不耐久、有毒性、有污染。

2）无机材料：如水玻璃类，适用于冲积层注浆、隧道开挖，掌子面封堵、超前支护，具有来源广、环保等优点。

由此可见，水玻璃类材料为粉细砂地层隧道超前注浆支护最佳材料。其中，水玻璃类注浆材料分为普通水玻璃和酸性水玻璃。酸性水玻璃是在水玻璃中加入酸性反应剂经过改性而来，其较普通水玻璃稳定性更好、无污染，具有以下优点：

1）酸性浆液易配制，配浆过程中无浆料损失；

2）浆液的胶凝时间可调，注入地层后能快速生成胶结体，施工方便，扩散距离大；

3）酸性浆液和土体中CaCO3产生反应，能将非活性钙转化成活性钙，增加固结体强度；

4）酸能使土体的胶体结构发生破坏，增加浆液的渗透能力。

综上所述并参考相似工程实例得出，使用水玻璃-磷酸双浆混合液作为粉细砂层固结材料，方案最优。

4 浆液胶凝时间研究

浆液胶凝时间长短直接决定着浆液在地层中的扩散距离，是影响注浆效果和固结效果的重要参数。下面进一步研究影响水玻璃和磷酸混合液胶凝时间的因素。

水玻璃水溶液与磷酸反应为酸碱反应，不同浓度和体积的水玻璃与磷酸反应时间不同，其本质为混合溶液的pH不同。因此，以磷酸掺量为定值，通过调整水玻璃溶液的浓度和体积，研究其混合液pH的大小对胶凝时间的影响是可行的。

采用20°Be′和25°Be′2种浓度的水玻璃溶液分别与质量分数为10%的磷酸溶液进行化学反应试验。2种浓度的水玻璃与磷酸的化学反应试验均为6组，共12组。每组水玻璃掺量分别为 20mL、28mL、36mL、44mL、50mL、58mL，磷酸掺量始终为100mL定值，通过试验分别测出不同体积比水玻璃-磷酸混合液与胶凝时间的相关性，即：当磷酸掺量一定时，随着水玻璃掺量增加，混合液pH增大，其胶凝时间随之缩短，pH与胶凝时间呈负相关。根据隧道施工现场实际情况，浆液胶凝时间需控制在60min以内，方能保证各开挖、支护工序正常衔接。筛选出满足条件的浆液配比，详见表1。

表1 水玻璃-磷酸混合液配比表

5 固结体强度试验

为保证隧道开挖后围岩的稳定性，进一步对化学浆液固结体进行强度试验。采用表1中筛选出的配比分别配制浆液，对不同组别的土样进行注浆固结。固结完成后，对固结土体取芯进行无侧限抗压强度试验。各配比浆液固结砂体强度详见表2。

表2 固结砂体无侧限抗压强度记录表

根据表2可知，水玻璃-磷酸混合液中磷酸浓度和掺量一定，水玻璃浓度越高，固结砂体强度越高；同浓度水玻璃和磷酸（同浓度、同掺量）混合液，水玻璃掺量越高，固结砂体强度越高。根据隧道施工特点，水玻璃 20°Beˊ∶10%浓度磷酸=1∶2 的浆液配比为最优配比。

6 现场施工验证

采用试验所得最优浆液配比进行现场注浆固结试验，验证结论的准确性，进一步修正施工参数。洞内管棚安装完毕后，采用钢板对管口进行封闭，并焊接止回阀门及注浆导管。

注浆设备采用90/100双液注浆机，双浆液混合后一次注浆。注浆前进行清水注浆调试，注浆压力调到0.8～1.5MPa，试注时间≥5min，设备调试正常后进行正式注浆。

1）在浆液桶里按试验确定的浆液配合比进行水玻璃、磷酸注浆液调制。

2）启动注浆机，调整吸浆阀吸浆速率，使注入浆液按配合比例进行混合，待注浆液在混合器里混合充分后，调整注浆压力，通过管棚向砂体进行注浆。

经过多次现场注浆试验，反复调整注浆压力与注浆量，得到最优施工参数：（1）注浆压力：1MPa；（2）注浆量：89kg/m（管棚）。

开挖验证化学注浆固结砂层效果：浆液在砂层中扩散半径＞1m，砂层固结密实，有较低强度，采用小型机械开挖固结后的砂层，成块状脱落，开挖后不再出现拱顶漏砂、掌子面流砂现象。

7 结语

实践表明，低含水率粉细砂地层采用化学注浆超前支护，具有安全、环保、高效、经济等优点以及良好的工程效果。然而，不同地域、区段，砂层的物理特性也不尽相同，因此，化学注浆材料选择、浆液配比确定、注浆工艺采用，需根据工程实际情况，将理论研究和施工经验紧密结合，确定最佳参数。