水泥-水玻璃雙液漿止水研究

楊洪蛟

摘要:隧道的開挖會改變其周圍的徑流路線，使水向隧道匯聚積累，容易引起突泥、塌方，特別是在軟弱圍巖中當出現滲水時，處于壓縮域圍巖被水流侵蝕喪失自承能力，導致初支承受過大的圍巖壓力，初支出現裂縫，拱架下沉侵限，當滲水出現在單側時會產生偏壓，且滲水在隧道中往往有滯后的現象，待掌子面開挖支護完成一段時間后初支開始出現滲水，所以對滲水圍巖一定要及時有效的注漿止水。

傳統的單液漿注漿工法由于漿液凝固速度慢，水泥漿凝固速度控制困難，對漿液擴散范圍不容易控制，漿液無序擴散，造成水泥漿浪費，而且影響加固、止水效果，目前當圍巖滲水，有止水需求時多采用雙液注漿工法，在普通水泥漿中摻入一定比例的水玻璃，加快其初凝速度，保證注入漿液能在較快時間內凝結，免受水流的侵析，達到止水和加固圍巖的效果，并在工程實踐當中得到了廣泛使用。

關鍵詞：水泥水玻璃止水隧道施工應用

中圖分類號： TQ172 文獻標識碼： A

1. 工程概況

瑤寨隧道位于廣西南丹縣八圩鄉瑤寨村西南約1.5Km處，為分離式隧道，左線長2701m，右線長2717.13m，下穿黔貴鐵路舊線、團結水庫。地處典型的喀斯特地貌區，多有溶隙、溶洞發育，空間分布不均，地下水豐富，地表水多順溶隙涌入隧道，多次發生涌水、滲水現象。施工過程中多次應用水泥——水玻璃雙液漿止水，效果良好。

2. 雙液漿止水原理

在水泥漿摻入水玻璃后，水玻璃會參與水泥的水化過程，影響水泥的凝結硬化過程，主要反應過程為:

Na2O.nSiO2+Ca(OH)2+mH2O = CaO.nSiO2.mH2O+2NaOH

2NaOH+CaSO4.2H2O = Na2SO4+Ca(OH)2+2H2O

Al2 O3+ 4SiO2+2NaOH+H2O = Na2O.Al2O3.4SiO2.2H2O

以上化學反應將使水泥漿性能發生變化，反應中將水泥中起緩凝作用的石膏分解掉，迅速進入溶液，導致水泥漿在短時間內凝結，另外反應產物中凝膠含量增多，使漿液變得粘稠，在早期能抵抗水流侵析，穩定性高.由于凝膠體含量增多，硬化后的水泥漿密實度高，抗滲性能提高，達到加固止水的效果。

3. 注漿孔布置

3.1超前注漿布孔

在拱頂一定范圍內， 采用小導管或注漿錨桿，從拱架腹部開孔穿過，以一定斜插角向掌子面前方打入，環向間距一般等于漿液擴散半徑R，通過壓漿機向掌子面前方壓入漿液，改善圍巖條件，導管安裝時角度和孔位應控制在誤差允許范圍之內，應保證注漿時無注漿盲區。

3.2 徑向注漿布孔

垂直于巖面徑向打入小導管或注漿錨桿，間距一般按1.0m×0.5m梅花型布設，實際施工中可根據現場情況調整。圍巖在開挖輪廓線外2.5m-6.0m范圍處于壓縮狀態，這個壓密區形成承載圈，對以外的圍巖起支撐作用，對以內的張拉域起保護作用，是圍巖自承體系最重要的部分，所以徑向注漿重點在于防止此區域被滲水侵蝕失穩，喪失自承能力。

4. 配合比的確定

在注漿中要求既要達到一定的擴散半徑，又不能讓漿液的擴散半徑過大造成浪費，過稀的水玻璃濃度達不到加速凝固的目的。由于水泥漿的稀稠對初凝和終凝時間影響不是很大，所以在注漿過程中采用固定的水灰比1：1，只改變水玻璃漿液濃度及水泥漿液與水玻璃漿比例進行試驗。

表1：不同配比水泥、水玻璃漿凝結時間

水玻璃濃度/Be 水泥漿：水玻璃（體積比）

1;1 1:0.75 1:0.5 1:0.25

初凝/s 終凝/s 初凝/s 終凝/s 初凝/s 終凝/s 初凝/s 終凝/s

39 64 187 44 77 29 57 12 35

28.5 37 60 21 49 19 34 8 35

25.2 28 55 19 44 5 26 3 27

22.5 26 48 17 37 10 25 4 24

20.4 25 65 18 42 9 21 3 30

18.6 25 72 18 43 11 30 3 73

17.1 27 52 14 38 9 25 4 20

16 25 51 15 33 8 25 3 300

15 24 47 15 31 7 68 4 2158

14 40 98 17 42 14 60 5 1342

13 25 113 12 43 6 62 3 1620

12 26 79 20 114 15 360 10 2640

11 29 81 29 156 25 1067 10 1894

10 23 140 17 760 13 1531 13 3264

9 23 202 23 1241 13 2127 11 5064

8.4 30 833 24 1444 25 2262 91 19500

根據表1 中的數據做出不同水泥漿與水玻璃體積比下的凝膠曲線。

從圖1、圖2及表1 可以看出，水泥、水玻璃在不同濃度（39～8.4Be′）下的漿體初凝時間變化不是很大，從3s 到91s 變化;終凝時間從21s 變化到19500s 相差4 個數量級，這個變化是非常大的。過長的終凝時間，注漿時跑漿漏漿是非常嚴重的，并且施工效果也不好，這說明: ①過稀的水玻璃的濃度達不到加速水泥固結的目的; ②水玻璃濃度的變化對水泥的初凝速度影響不大; ③在一定水玻璃濃度范圍內，水泥的凝膠時間變化不大; ④水泥凝膠時間的總趨勢是隨著水玻璃濃度變小而增大。

工程中的注漿是要加固破碎的散體結構，如果終凝時間過長會造成材料浪費，并且達不到注漿的效果。但是注漿又要求一定的擴散半徑，又要不能擴散太遠，這就要求水泥漿的初凝和終凝之間有一段合適的時間差。在圖1 中表現出不斷變稀的水玻璃濃度下，水泥漿終凝的時間拐點后是直線增大的，因此太稀濃度水玻璃不是工程所需要的。

由圖中不同水玻璃濃度下的凝膠時間曲線中可以看出，水泥漿與水玻璃體積比為1：1 情況下，水泥漿的終凝曲線在一定范圍內變化較小，在濃度為9Be′時出現較大的拐點。同樣，在水泥漿與水玻璃體積比分別為1：0.75 和1：0.50情況下，在水玻璃濃度分別為11Be′和13Be′時終凝曲線出現變化較大的拐點，突然急劇上升，而初凝是一條較平直的曲線。

從以上分析可以看出，在不同的水泥漿與水玻璃體積比下，漿液的初凝時間變化不大，呈水平直線，而水泥的終凝時間是變化很大的，在不同體積比下都會出現一個拐點呈直線上升趨勢。在滿足質量情況下，從經濟角度看，在拐點位置附近選擇注漿配比對施工是最經濟、最有利的。

瑤寨隧道施工中，通過試驗最終采取水灰比為1：1 ，水玻璃濃度16Be′，水泥漿與水玻璃體積比為1：0.5 ，止水效果是最佳的。

5. 注漿施工

采用雙液注漿時，由于加入水玻璃后初凝時間較短，若采用滲透注漿，達不到擴散半徑時，漿液已經凝固，固多采用劈裂注漿，當液體壓力超過滲透注漿的極限壓力時，土體產生水力劈裂，形成裂縫，進漿量突然增大，劈裂面發生在軸力最小主應力面，劈裂注漿在鉆孔附近形成網狀脈絡，通過漿液擠壓土體形成漿液骨架作用，在注漿壓力作用下，漿液克服地層的初始應力和抗拉強度，引起土體結構的局部擾動，使地層中原有的裂隙和空隙張開，漿液的可注性和擴散距離增大，使松散飽和土形成具有一定強度，滲透系數小的粘性土層，達到加固止水的效果。雙液漿注漿時應采用雙液高壓注漿機，水泥漿與水玻璃的混合位置應靠近小導管一端，當注漿相鄰兩孔出現串漿時，這說明兩個注漿孔已串通，此時應降低注漿壓力，采用間歇注漿，

注漿壓力與地下水的靜水壓力、覆蓋巖層的地質條件和厚度、注漿深度注漿巖層的地質條件、注漿方式、雙液漿的初凝、終凝時間、擴散半徑有關。在施工中要通過計算確定注漿壓力是比較困難的，通過經驗工程類比，選用注漿壓力在3MP左右時效果較為理想，能夠保證注漿量，同時也沒有爆管的現場，注漿速度變小后持壓2分鐘后方可停止注漿，并迅速塞堵注漿孔，淺孔注漿時可用孔口封閉法，用錨固劑塞堵即可，深孔注漿時應采用孔內封閉法。

注漿量與土體的密實度、空隙率有關，一般為加固土體體積的10%-20%，鉆孔送導管時應該做好相應的記錄，前方有小溶穴時應注漿填滿。

6. 總結

目前關于雙液注漿止水的研究較多，從注漿孔的布置，擴散半徑，雙液漿的配合比，注漿壓力，注漿量等都有定量的公式，但是在施工中這些公式里面的參數是比較難確定的，所以重要的還是通過現場具體實驗判斷注漿效果好壞，然后動態調整，直到達到理想效果未止?？偟膩碚f通過在水泥漿中摻入水玻璃，改變水泥漿的凝結時間，使水泥漿在短時間內凝固免受水流侵蝕影響是能夠達到止水的效果的，在滲水地段通過雙液注漿改變圍巖土質，增加土體抗滲能力，達到理想的止水效果，并在實際工程中得到了廣泛的應用，取得了預期的效果。但是當涌水量較大時，注雙液注漿仍然不能到到預期的止水效果，應采用堵排相結合的止水措施。

參考資料

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