何應(yīng)媛

摘要：文章以某低穩(wěn)隧道工程中砂土加固為研究背景，模擬了淺埋低穩(wěn)隧道周邊砂土層環(huán)境，選用了水玻璃作為注漿加固材料對其進行改良;主要以磷酸作為水玻璃的摻配材料，為其加固性能提供輔助改進效果;測定了不同磷酸摻配比例下，水玻璃注漿液的凝結(jié)時間及凝結(jié)性能變化規(guī)律;測定了注漿改良后土體的強度變化情況，并對其力學(xué)性能進行測試，得到了注漿液的最佳配合比。本研究為淺埋低穩(wěn)隧道的砂性土改良提供了一定的經(jīng)驗借鑒。

關(guān)鍵詞：淺埋隧道;穩(wěn)定性;注漿加固;水玻璃

中圖分類號：U457.3 文獻標識碼：A DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2019.10.032

文章編號：1673-4874（2019）10-0114-04

0引言

有關(guān)隧道低穩(wěn)定性土體的加固方向，國內(nèi)已有許多相關(guān)的研究成果：周俊磊考慮到隧道周邊圍巖對施工過程可能造成的影響，對其穩(wěn)定性進行了分析，并提供了部分支護加固的方案，但并未考慮到此類支護處理手段并不適用于淺埋隧道的施工建設(shè);連會青等人研究了水玻璃注漿加固技術(shù)的應(yīng)用，在其中摻加粉煤灰和水泥作為增強材料，對加固后土體進行了強度檢測，得出了最佳摻配比例，但在其探究過程中忽略了注漿液的凝結(jié)時間及凝結(jié)性能變化規(guī)律，沒有給施工應(yīng)用的推廣提供足夠的經(jīng)驗;孫曉明等人針對防膨脹問題研究了注漿材料的配合比搭配，但在原材料選擇上仍有著一定的局限。有關(guān)注漿加固低穩(wěn)定性土體的研究還有很多，但能夠應(yīng)用于淺埋隧道周邊砂土加固方面的研究仍存在著一定的空白。

本文著眼于淺埋低穩(wěn)隧道周邊砂土的加固方案進行以下研究：模擬淺埋低穩(wěn)隧道周邊砂土層環(huán)境，選用了水玻璃作為注漿加固材料并對其進行改良;主要以磷酸作為水玻璃的摻配材料，并輔以水泥作為摻配材料，為其加固性能提供輔助改進效果;測定不同磷酸摻配比例下，水玻璃注漿液的凝結(jié)時間及凝結(jié)性能變化規(guī)律;測定注漿改良后土體的強度變化情況，并對其力學(xué)性能進行測試。

1工程概況與加固機理

某隧道埋深僅為7.6m，下穿地層局部為含黏性土砂，Ⅳ級圍巖，具有穩(wěn)定性較差的特點。通道上方及附近設(shè)有各種管線，管線埋深為1.5-3.5m。在隧道的建設(shè)過程中，當(dāng)其穿越低穩(wěn)定性土體時，為保證隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，需對其低穩(wěn)土體進行注漿加固改良，再繼續(xù)施工。

水泥注漿液是低穩(wěn)土體加固過程中經(jīng)常選擇的注漿材料，但以此方案對低穩(wěn)定性土體進行注漿加固的過程中，會引起周邊土體膨脹隆起，并有可能導(dǎo)致周邊其他建筑物或路面的損壞。而以水玻璃為注漿液材料，則能有效地減少隧道低穩(wěn)定性土體加固過程中容易產(chǎn)生的各類不良影響。

2 原材料及其處理

2.1模具及原材料

本文試驗中選用的土體加固測定模具為直徑100mm、高度100mm的圓柱形模具以及邊長為100mm的立方體模具。

選用磷酸溶液（HPO）作為水玻璃溶液的復(fù)摻材料，主要是為了給其提供化學(xué)反應(yīng)所需的H，增強其膠凝作用，從而達到注漿加固低穩(wěn)定性砂土的目的。磷酸溶液選用的是某化工生產(chǎn)有限公司出產(chǎn)的高純度磷酸溶液，其有效成分質(zhì)量分數(shù)為90%。試驗中所用水玻璃溶液的模數(shù)值為2.8，波美度為45°Bé。

2.2原材料稀釋

（1）HPO溶液的稀釋

本文所選的HPO溶液有效成分質(zhì)量分數(shù)為90%，在試驗前要對其進行稀釋，根據(jù)公式（1）： M·90%=M·D （1）

得到所需摻加的水的體積：

M=M·90%/D-M （2）

將HPO溶液稀釋為質(zhì)量分數(shù)為5%、7%以及9%的稀釋溶液。

（2）水玻璃的稀釋

原材料中所選水玻璃為45°Bé的溶液，為了達到控制變量的目的，需要對其進行稀釋。其具體稀釋步驟與HPO溶液的稀釋步驟類似。

3 復(fù)合磷酸水玻璃注漿液膠凝性能測試

3.1前期測試

試驗擬定不同濃度的HPO溶液、稀釋為不同波美度的水玻璃以及不同HPO溶液摻配比例為控制指標，研究其對復(fù)合磷酸水玻璃注漿液膠凝性能的影響規(guī)律。

將水玻璃溶液波美度稀釋為35°Bé、30Bé、25°Bé以及20°Bé四種;將HPO溶液的有效成分質(zhì)量分數(shù)分為5%、7%以及9%三種;擬定的水玻璃溶液與HPO溶液摻配比例則依據(jù)兩種溶液濃度分別進行調(diào)整。

前期測試數(shù)據(jù)如表1-3所示。

觀察表1-3各數(shù)據(jù)，可以明顯發(fā)現(xiàn)：

當(dāng)水玻璃的波美度為35Bé時，所得的復(fù)合磷酸水玻璃注漿液全部產(chǎn)生瞬間凝結(jié)的狀況，此時無法測量其pH值，并且過快的凝結(jié)速度將會導(dǎo)致此種配比無法應(yīng)用于實際工程的施工。

當(dāng)水玻璃的波美度為30°Bé，HPO溶液質(zhì)量分數(shù)為5%或7%時，同樣產(chǎn)生了瞬間凝結(jié)的狀況。當(dāng)HPO溶液質(zhì)量分數(shù)為9%時，開始出現(xiàn)產(chǎn)生絮狀物的現(xiàn)象，同樣不適用于施工應(yīng)用。

當(dāng)水玻璃的波美度為25Bé時，同樣是在HPO溶液質(zhì)量分數(shù)較高時（達到9%）產(chǎn)生絮狀物的現(xiàn)象。因此判斷HPO溶液質(zhì)量分數(shù)不能過高，應(yīng)控制在5%-7%左右。

同時發(fā)現(xiàn)：隨著水玻璃波美度的下降，復(fù)合磷酸水玻璃注漿液的瞬間凝結(jié)現(xiàn)象有所緩解，因此判定水玻璃溶液的波美度不能過高;水玻璃-HPO溶液體積比較小時，凝結(jié)時間有了很好的改善。

3.2調(diào)整后測試

經(jīng)綜合考量后，將水玻璃溶液的波美度稀釋為20Bé，并適當(dāng)減小水玻璃-HPO溶液體積比，此時出現(xiàn)凝膠現(xiàn)象較為明顯，并且其凝結(jié)時間較為合理?？刂艸PO溶液質(zhì)量分數(shù)和水玻璃-HPO溶液體積比進行測定，測試結(jié)果見表4。

對表4中數(shù)據(jù)加以分析，不難發(fā)現(xiàn)如下一些較為明顯的規(guī)律：

（1）無論HPO溶液質(zhì)量分數(shù)為5%或是7%，隨著水玻璃-HPO溶液體積比的減小，復(fù)合磷酸水玻璃注漿液的凝結(jié)時長都呈現(xiàn)出增長的趨勢，尤其是當(dāng)水玻璃-HPO溶液體積比達到1：1.7時，其凝結(jié)時間已經(jīng)符合合理施工用時。

（2）隨著水玻璃-HPO溶液體積比的減小，復(fù)合磷酸水玻璃注漿液的pH值逐漸下降，這是因為隨著HPO溶液體積占比的增大，其中H的濃度逐漸提升，導(dǎo)致其酸性提升。

（3）對比HPO溶液質(zhì)量分數(shù)的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)HPO溶液質(zhì)量分數(shù)為7%時，相較于HPO溶液質(zhì)量分數(shù)為5%的復(fù)合磷酸水玻璃注漿液，其總體凝結(jié)時間呈現(xiàn)出上升的趨勢，其pH值呈現(xiàn)出下降的趨勢。

（4）復(fù)合磷酸水玻璃注漿液的pH值處于3-6之間，凝結(jié)時間處于0.5-65min之間。

因此可以總結(jié)出：在不考慮其他影響因素的情況下，想要延長復(fù)合磷酸水玻璃注漿液的凝結(jié)時間，可以相對地降低水玻璃-HPO溶液體積比或是增加HPO溶液質(zhì)量分數(shù)。

4 注漿液增強砂土體的力學(xué)參數(shù)測試

除了研究復(fù)合磷酸水玻璃注漿液膠凝性能外，另一需要關(guān)注的指標是注漿加固后的砂土體力學(xué)性能能否滿足要求。

4.1 砂土級配測試

首先要對淺埋低穩(wěn)隧道周邊土體進行采樣，并測定土樣中的顆粒級配分布情況，測定結(jié)果如表5所示。

4.3 力學(xué)參數(shù)測試

將按照上述配合比混合的注漿土體充分攪拌，并在攪拌均勻后迅速將其澆筑至模具中。為了保證均勻澆筑，采用分層澆筑的方法，分3層澆筑，澆筑完每一層后以均勻力度插搗30次，最后抹平。攪拌及澆筑的總時間要控制在10min以內(nèi)，澆筑完成后進行標準養(yǎng)護處理。對注漿加固后土體進行抗壓強度測定，測試結(jié)果如圖1所示。

由圖1可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過復(fù)合磷酸水玻璃注漿液注漿加固的淺埋低穩(wěn)砂土3d后抗壓強度處于0.25-0.3MPa之間;經(jīng)過7d養(yǎng)護后，其抗壓強度處于0.37-0.42MPa之間;再經(jīng)過28d養(yǎng)護后，其抗壓強度處于0.42-0.46MPa之間。其中以第三組復(fù)合磷酸水玻璃注漿液加固后的土體抗壓強度值最高，以該組編號加固砂土體為例，其3d抗壓強度值可達總強度值的66%，7d抗壓強度值可達總強度值的90%。在實際淺埋低穩(wěn)隧道周邊土體加固施7_工程中，使用復(fù)合磷酸水玻璃注漿液可以在7d時間內(nèi)基本達到使用強度的要求，從而增強砂土的穩(wěn)定性，保證施工安全性。有必要的話，可以配合一定的水泥注漿材料進行復(fù)合使用，從而進一步增強其穩(wěn)定性。

4.4最佳配合比

以淺埋低穩(wěn)隧道土體加固力學(xué)參數(shù)測試結(jié)果作為參考指標，可以發(fā)現(xiàn)：編號3配合比方案制備的加固土體試件抗壓強度在各養(yǎng)護齡期中均處于最佳水平。因此選定最佳的復(fù)合磷酸水玻璃注漿液配合比如下：水玻璃波美度為20°Bé，HPO溶液的有效成分質(zhì)量分數(shù)為7%，水玻璃-HPO溶液體積比為1：4. 5。

隨著復(fù)合磷酸水玻璃注漿液配合比改變，注漿加固后的淺埋低穩(wěn)隧道土體總體力學(xué)性能改變量并不大，加固體抗壓強度基本不變，僅在5%范圍內(nèi)。考慮到應(yīng)用于實體工程項目中的復(fù)合磷酸水玻璃注漿液凝結(jié)時間的控制問題，以淺埋低穩(wěn)隧道土體加固力學(xué)參數(shù)測試結(jié)果作為參考指標，最佳的復(fù)合磷酸水玻璃注漿液配合比如下：水玻璃波美度為20°Bé，HPO，溶液的有效成分質(zhì)量分數(shù)為7%，水玻璃-HPO溶液體積比為1：1.7。

5 結(jié)語

（1）隨著水玻璃-HPO溶液體積比的減小，復(fù)合磷酸水玻璃注漿液的凝結(jié)時長都呈現(xiàn)出增長的趨勢。

（2）復(fù)合磷酸水玻璃注漿液的pH值處于3-6之間，凝結(jié)時間處于0.5-65min之間。

（3）以力學(xué)參數(shù)作為參考指標，最佳配合比如下：水玻璃波美度為20°Bé，HPO溶液的有效成分質(zhì)量分數(shù)為7%，水玻璃-HPO溶液體積比為1：1.5。

（4）以凝結(jié)時間作為參考指標，最佳配合比如下：水玻璃波美度為20°Bé，HPO溶液的有效成分質(zhì)量分數(shù)為7%，水玻璃-HPO溶液體積比為1：1.7。