超細水泥-水玻璃雙液漿性能及注漿止水效果試驗研究

鄭昊 李兆平 王子元 趙秀海

1.北京市政建設集團有限責任公司， 北京 100089； 2.北京交通大學 土木建筑工程學院， 北京 100044

1 工程概況

北京地鐵14號線高家園站為單層側式站臺車站，站臺層和集散廳分離布置，通過暗挖通道（S1—S3、X1—X3等）連接，見圖1。

圖1 暗挖通道與車站主體結構的位置關系

暗挖通道地表為萬紅西街，并鄰近建筑物，對道路豎向位移的控制要求嚴格。沉降不大于30 mm，隆起不大于10 mm。

該工程S1 暗挖通道長度為30.75 m，穿越地層主要為第四系富水粉細砂層，標準段斷面開挖尺寸為7.80 m × 6.00 m，抬高段斷面開挖尺寸為7.80 m ×8.75 m。通道縱剖面見圖2。通道采用交叉中隔壁（Cross Diaphragm，CRD）法施工，分4 個導洞開挖，上下層各2個導洞，開挖之前須深孔注漿止水加固地層。穿越富水地層時對暗挖隧道注漿止水的漿液主要有普通水泥漿液、普通水泥-水玻璃雙液漿等［1-3］。本工程原設計的注漿漿液為普通水泥-水玻璃雙液漿，采用該漿液對地層進行注漿止水加固，上層的2 個導洞已經開挖15.85 m，下層2個導洞未開挖。由于普通水泥顆粒粒徑一般在10 ～ 20 μm，大于等于粉細砂顆粒間隙（約10 μm），漿液很難滲入，需要將注漿壓力增大至1 MPa左右，迫使漿液通過劈裂方式進入地層，達到止水和加固地層的目的。由于注漿壓力過大，在注漿過程中萬紅西街道路發生大面積隆起，且暗挖通道出現涌水、涌砂現象。

圖2 S1通道縱剖面（單位：cm）

為有效控制注漿造成的地表道路隆起，提出超細水泥-水玻璃雙液漿注漿止水方案。超細水泥粒徑主要在7 ～ 11 μm，最小粒徑在1.15 ～ 1.32 μm，粒徑小于10 μm 的顆粒占比近60%，因此超細水泥能有效滲入粉細砂顆粒間隙。

目前該漿液多用于破碎巖體或裂隙發育巖體的注漿止水［4-6］，在第四紀粉細砂地層的注漿應用并不多見。本文通過試驗方法研究超細水泥-水玻璃雙液漿的主要性能，確定漿液的配合比，并在工程現場進行注漿止水效果試驗。

2 漿液性能試驗

2.1 試樣制備

所采用的超細水泥-水玻璃雙液漿由超細水泥漿液（A 液）、水玻璃溶液（B 液）和緩凝劑配制而成，A 液與B 液的體積比為1∶1。由于磷酸氫二鈉能有效延緩水泥、水玻璃的凝膠時間［7］，選擇磷酸氫二鈉作為緩凝劑。為了研究配合比對漿液性能的影響，共設計0.8、1.0、1.2三組水灰比。

在每組試樣中，磷酸氫二鈉與超細水泥的質量比分別為0、2.5%，水玻璃波美度分別為20、30 °Bé。共組合成12 組試樣，見表1。對每組試樣分別測試凝膠時間、凝結時間和固結體抗壓強度。

表1 試樣配合比

2.2 測試方法

凝膠時間為從A、B 液混合至失去流動性的時間，其測試方法按照JC/ T 2536—2019《水泥-水玻璃灌漿材料》執行。凝膠時間一般控制在數十秒內。對于富水地層，若凝膠時間太短，漿液擴散范圍有限，容易造成注漿管堵塞；若凝膠時間過長，注入到地層中后易被地下水沖刷，所以用此指標衡量漿液的流動性。

漿液凝結時間是指漿液凝結成具有一定強度的固結體所用的時間，分為初凝時間和終凝時間。漿液凝結時間按照GB/ T 1346—2011《水泥標準稠度、凝結時間、安定性檢驗方法》測試。

按照GB/ T 17671—2021《水泥膠砂強度檢驗方法》中的要求制作固結體強度試件，養護至規定齡期，測試其抗壓強度。

2.3 測試結果及分析

2.3.1 凝膠時間

超細水泥-水玻璃雙液漿凝膠時間隨水灰比變化曲線見圖3。其中：P2.5 + B20 代表所配制的漿液中磷酸氫二鈉質量摻量為2.5%，水玻璃波美度為20 °Bé，其他以此類推?？芍孩贊{液凝膠時間隨水灰比增加而增大，摻入磷酸氫二鈉可明顯延長漿液凝膠時間，增加漿液流動性；③磷酸氫二鈉摻量相同，水玻璃波美度為30 °Bé時漿液凝膠時間比波美度為20 °Bé時短，這說明增大水玻璃波美度可以縮短漿液凝膠時間。

圖3 超細水泥-水玻璃雙液漿凝膠時間隨水灰比變化曲線

2.3.2 凝結時間

超細水泥-水玻璃雙液漿凝結時間隨水灰比變化曲線見圖4?？芍孩贊{液的初凝時間及終凝時間均隨水灰比增加而增加；②水玻璃波美度為20 °Bé 時，磷酸氫二鈉的摻入會縮短漿液凝結時間，而水玻璃波美度為30 °Bé 時，磷酸氫二鈉的摻入會延長漿液凝結時間；③不同磷酸氫二鈉摻量下，水玻璃波美度為20 °Bé 時漿液初凝、終凝時間均明顯高于水玻璃波美度為30 °Bé 時，說明提高水玻璃波美度可以明顯縮短漿液凝結時間。

圖4 超細水泥-水玻璃雙液漿凝結時間隨水灰比變化曲線

2.3.3 固結體抗壓強度

固結體抗壓強度隨齡期變化曲線見圖5。其中，W/S0.8 + B20 代表所配制的漿液中水灰比為0.8，水玻璃波美度為20 °Bé，其他以此類推?？芍孩俨徽撌欠駬饺肓姿釟涠c，從總體上看，固結體抗壓強度隨齡期增長而增大。②水灰比增大會降低固結體抗壓強度。水灰比相同時，水玻璃波美度為30 °Bé 時固結體抗壓強度小于波美度為20 °Bé 時，表明水玻璃波美度越大，固結體抗壓強度越低。③磷酸氫二鈉摻量為2.5%時固結體抗壓強度小于不摻磷酸氫二鈉時，說明磷酸氫二鈉的摻入會降低固結體抗壓強度。

圖5 固結體抗壓強度隨齡期變化曲線

2.3.4 超細水泥-水玻璃雙液漿配合比確定

漿液凝膠時間是配合比設計時首先要考慮的指標。根據施工經驗，漿液凝膠時間宜控制在60 ～ 90 s。有3 組配合比滿足要求（參見圖3），分別是：①磷酸氫二鈉摻量2.5%，水玻璃波美度20 °Bé，水灰比1.0；②磷酸氫二鈉摻量2.5%，水玻璃波美度20 °Bé，水灰比1.2；③磷酸氫二鈉摻量2.5%，水玻璃波美度30 °Bé，水灰比1.2。

綜合考慮上述3 組漿液的凝膠時間、終凝時間和固結體抗壓強度，最后確定本工程超細水泥-水玻璃雙液漿配合比為：A 液為超細水泥凈漿，水灰比為1.0；B 液為水玻璃溶液，波美度為20 °Bé；緩凝劑為磷酸氫二鈉，摻量為2.5%。A 液約占總注漿量的80%，B液與緩凝劑各占約10%。

3 超細水泥漿液中顆粒運移規律

顆粒流方法是從微觀角度研究介質的力學特性，因此可以模擬土體等多孔散體介質的力學行為［8］。

為掌握超細水泥漿液在粉細砂地層中的擴散規律，給超細水泥-水玻璃雙液漿注漿壓力設定、注漿孔位布置等提供參考，采用顆粒離散元軟件對超細水泥漿液中顆粒在粉細砂地層中的運移過程進行模擬，不考慮水玻璃和緩凝劑的作用。

3.1 微觀力學參數的標定

顆粒流方法是通過不斷調整模型材料中顆粒大小、級配特性、顆粒間相互作用本構模型、接觸方式以及相應的微觀力學參數來反映所模擬材料的宏觀物理力學特性［9-10］，因此需要對計算模型的參數進行標定。標定后的地層物理力學參數和漿液微觀參數分別見表2、表3。

表2 標定后地層物理力學參數

表3 超細水泥漿液微觀參數

3.2 計算模型

計算模型見圖6。模型長度和寬度均為6 m，共生成17033 個顆粒。通過程序可以在注漿孔處施加一個恒定的注漿壓力。

圖6 計算模型

3.3 計算結果分析

單個注漿孔直徑為5 cm 時，不同注漿壓力下粉細砂地層中壓力分布見圖7。其中：注漿孔處壓力為設定的注漿壓力；從紅色到藍色壓力逐漸變小。超細水泥漿液中顆粒運移距離見表4。

表4 不同注漿壓力下超細水泥漿液中顆粒運移距離

圖7 不同注漿壓力下粉細砂地層中壓力分布

由圖7 和表4 可知：顆粒運移距離隨注漿壓力增大而逐漸增大；在0.2 ～ 0.5 MPa 的低注漿壓力下，超細水泥漿液中顆粒在粉細砂地層中的運移距離能夠達到23.3 ～ 40.8 cm，表現出滲透注漿的特點。注漿壓力為0.5 MPa 時，運移距離可達40.8 cm，因此注漿孔間距可取50 cm左右。

4 現場注漿試驗

4.1 試驗方案

采用二重管無收縮雙液注漿法，在北京地鐵14號線高家園站S1暗挖通道進行超細水泥-水玻璃雙液漿的注漿試驗。根據表3 的數值模擬計算結果，注漿壓力取0.5 MPa，注漿孔直徑5 cm，注漿孔間距取50 cm，呈梅花形布置。

S1 通道未開挖段斷面形式有標準段和抬高段2 種，注漿范圍見圖8。上層1、2 號導洞采用水平后退式深孔注漿方式，下層3、4 號導洞由上層導洞垂直向下打設注漿管進行注漿。1、2號導洞未開挖段分三個循環注漿開挖，3、4號導洞分五個循環注漿開挖，每個循環留2 m止漿墻。

圖8 注漿范圍（單位：m）

對S1暗挖通道注漿后掌子面滲漏水情況、地表豎向位移進行了觀察和監測。在2號導洞掌子面注漿固結體中取3個芯樣，測試無側限抗壓強度。

4.2 試驗結果分析

注漿第一個循環結束后各導洞掌子面沒有出現滲漏水情況，說明超細水泥-水玻璃雙液漿止水效果良好。

為反映不同漿液注漿對地表變形的影響，在兩種漿液的接合部布置兩個地表變形監測斷面（DB1 和DB2），見圖9。監測結果顯示：采用普通水泥-水玻璃雙液漿注漿施工過程中地表出現較大隆起，兩個監測斷面中間測點DB1?2和DB2?2的最大隆起量分別為40.19、41.16 mm；改用超細水泥-水玻璃雙液漿注漿后，測點DB1?2 和DB2?2 最終隆起量分別降至22.11、20.87 mm，分別降低了44.99%、49.30%。

圖9 地表變形測點布置

2 號導洞3 個芯樣無側限抗壓強度分別為0.483、0.573、0.462 MPa，均滿足不小于0.3 MPa 的設計要求。

5 結論

1）根據對12 組漿液的流動性、凝結時間、固結體強度的測試結果，提出了適用于本工程注漿止水用超細水泥-水玻璃雙液漿的配合比。

2）在0.5 MPa 的注漿壓力下，超細水泥漿液中顆粒在粉細砂地層中的運移距離為40.8 cm，所以注漿壓力為0.5 MPa 時，注漿孔間距取50 cm，可實現漿脈的有效搭接。

3）對于富水粉細砂地層，采用超細水泥-水玻璃雙液漿不但注漿止水效果良好，而且開挖面注漿固結體強度較高，有利于開挖面的穩定。