周云定，程坤

（中國(guó)水利水電第七工程局有限公司，成都 611730）

1 砂層物理特性理論分析

1.1 結(jié)構(gòu)物理特性

粉細(xì)砂組成成分為單體礦物顆粒，顆粒結(jié)構(gòu)具有無(wú)黏性、無(wú)塑性、磨圓度較好的特點(diǎn)，顆粒間無(wú)骨架作用，咬合作用小且組成均勻，其性質(zhì)介于砂性土與黏性土之間。草帽山隧道開(kāi)挖揭示，砂層結(jié)構(gòu)稍密，干～稍濕，對(duì)自重作用敏感，在外界荷載作用下容易產(chǎn)生變形。

1.2 力學(xué)性質(zhì)

粉細(xì)砂層土體主要通過(guò)顆粒內(nèi)部法向壓力產(chǎn)生粒間摩擦力，形成整體承載力，抗剪切能力弱，破壞后可使砂土顆粒重組，趨于密實(shí)；粉細(xì)砂驅(qū)散水的固結(jié)能力相對(duì)較強(qiáng)，在一定荷載作用下固結(jié)度變大，抗剪強(qiáng)度也隨之大幅增強(qiáng)。

1.3 破壞形式

粉細(xì)砂接觸到水后變飽和，易崩解，抗沖刷能力弱，如果孔隙比超過(guò)了臨界值，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后結(jié)構(gòu)內(nèi)的整體性會(huì)喪失，內(nèi)聚力會(huì)被破壞，濕化后在很短時(shí)間內(nèi)會(huì)發(fā)生崩解。

2 砂層可注性研究

在全面掌握砂層的顆粒組成、滲透系數(shù)等相關(guān)參數(shù)后，對(duì)其可注性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

2.1 粉細(xì)砂顆粒篩分試驗(yàn)

對(duì)隧道內(nèi)砂層土體現(xiàn)場(chǎng)取樣，通過(guò)篩分試驗(yàn)對(duì)所取土樣的顆粒級(jí)配、粗細(xì)程度、砂層類(lèi)型及液化類(lèi)型進(jìn)行測(cè)定、評(píng)判。試驗(yàn)結(jié)果詳見(jiàn)圖1。

圖1 粒徑特性分布曲線(xiàn)圖

分析圖1可得，粒徑＞0.08mm的顆?？傎|(zhì)量占比、粒徑＜0.32mm的顆?？傎|(zhì)量占比均大于全部顆粒總質(zhì)量的50%。根據(jù)GB 50021—2001《巖土工程勘察規(guī)范》[1]，判定該原樣砂層為粉細(xì)砂層。由圖1可知，有效直徑D10為0.42mm。

2.2 粉細(xì)砂層滲透系數(shù)測(cè)試

由篩分試驗(yàn)得知，所取土樣為透水性較強(qiáng)的非黏性土。采用“常水頭法”進(jìn)行滲透系數(shù)試驗(yàn)，打開(kāi)水閥，使水自上而下自由流經(jīng)試樣，從出水口排出。通過(guò)水閥嚴(yán)格控制水流量大小，使排出水量與進(jìn)入水量一致。待水頭差Δh與排出水量Q穩(wěn)定后，量測(cè)一定時(shí)間t內(nèi)流經(jīng)試樣的水量V，計(jì)算滲透系數(shù)k。根據(jù)達(dá)西定律，得出式（1）：

式中，L為滲流路徑長(zhǎng)度，cm；A為過(guò)水?dāng)嗝娼孛娣e，cm2。

經(jīng)試驗(yàn)，原樣砂體的滲透系數(shù)k為4.2×10-3cm/s。

2.3 粉細(xì)砂層可注性判定

地層的可注性是指漿液可滲透到巖土介質(zhì)的空隙和裂縫中的能力，漿液是否可以被注入地層，取決于地層和漿液的滲透性、粒度及流變性等的相對(duì)性質(zhì)。溶液型化學(xué)漿液理論上可以進(jìn)入任意小孔隙的土層，但實(shí)際工程運(yùn)用時(shí)發(fā)現(xiàn)：粉細(xì)砂地層孔隙小，若漿液黏度大，孔隙中的漿液流動(dòng)和擴(kuò)散距離受限，甚至無(wú)法注入。

運(yùn)用本文試驗(yàn)研究成果：原樣砂體滲透系數(shù)k=4.2×10-3cm/s，有效直徑D10=0.42mm，細(xì)粒含量小于總質(zhì)量的12%，對(duì)粉細(xì)砂層可注性進(jìn)行評(píng)判[2]：原樣砂體屬易注化學(xué)漿液類(lèi)地層，水泥漿類(lèi)漿材很難注入。

3 注漿材料選取

根據(jù)試驗(yàn)所得粉細(xì)砂層特性，結(jié)合類(lèi)似工程經(jīng)驗(yàn)可知，理論上適用的砂層固結(jié)漿液材料包括：水泥漿液、水玻璃類(lèi)、鉻木素類(lèi)、脲醛樹(shù)脂類(lèi)、丙烯酰胺類(lèi)、聚氨酯類(lèi)等。進(jìn)一步對(duì)注漿材料滲透性、固結(jié)強(qiáng)度、穩(wěn)定性等參數(shù)進(jìn)行綜合對(duì)比，分析如下：

1）高分子材料：如鉻木素類(lèi)、脲醛樹(shù)脂類(lèi)、丙烯酰胺類(lèi)、聚氨酯類(lèi)等，適用于防滲注漿、沖積層注漿以及壁內(nèi)或壁后注漿。其優(yōu)點(diǎn)是可注性好、黏度低、抗?jié)B性好、膠凝時(shí)間可控制；缺點(diǎn)是固結(jié)體強(qiáng)度差、價(jià)格貴、原料來(lái)源少、不耐久、有毒性、有污染。

2）無(wú)機(jī)材料：如水玻璃類(lèi)，適用于沖積層注漿、隧道開(kāi)挖，掌子面封堵、超前支護(hù)，具有來(lái)源廣、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。

由此可見(jiàn)，水玻璃類(lèi)材料為粉細(xì)砂地層隧道超前注漿支護(hù)最佳材料。其中，水玻璃類(lèi)注漿材料分為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應(yīng)劑經(jīng)過(guò)改性而來(lái)，其較普通水玻璃穩(wěn)定性更好、無(wú)污染，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1）酸性漿液易配制，配漿過(guò)程中無(wú)漿料損失；

2）漿液的膠凝時(shí)間可調(diào)，注入地層后能快速生成膠結(jié)體，施工方便，擴(kuò)散距離大；

3）酸性漿液和土體中CaCO3產(chǎn)生反應(yīng)，能將非活性鈣轉(zhuǎn)化成活性鈣，增加固結(jié)體強(qiáng)度；

4）酸能使土體的膠體結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，增加漿液的滲透能力。

綜上所述并參考相似工程實(shí)例得出，使用水玻璃-磷酸雙漿混合液作為粉細(xì)砂層固結(jié)材料，方案最優(yōu)。

4 漿液膠凝時(shí)間研究

漿液膠凝時(shí)間長(zhǎng)短直接決定著漿液在地層中的擴(kuò)散距離，是影響注漿效果和固結(jié)效果的重要參數(shù)。下面進(jìn)一步研究影響水玻璃和磷酸混合液膠凝時(shí)間的因素。

水玻璃水溶液與磷酸反應(yīng)為酸堿反應(yīng)，不同濃度和體積的水玻璃與磷酸反應(yīng)時(shí)間不同，其本質(zhì)為混合溶液的pH不同。因此，以磷酸摻量為定值，通過(guò)調(diào)整水玻璃溶液的濃度和體積，研究其混合液pH的大小對(duì)膠凝時(shí)間的影響是可行的。

采用20°Be′和25°Be′2種濃度的水玻璃溶液分別與質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的磷酸溶液進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)試驗(yàn)。2種濃度的水玻璃與磷酸的化學(xué)反應(yīng)試驗(yàn)均為6組，共12組。每組水玻璃摻量分別為 20mL、28mL、36mL、44mL、50mL、58mL，磷酸摻量始終為100mL定值，通過(guò)試驗(yàn)分別測(cè)出不同體積比水玻璃-磷酸混合液與膠凝時(shí)間的相關(guān)性，即：當(dāng)磷酸摻量一定時(shí)，隨著水玻璃摻量增加，混合液pH增大，其膠凝時(shí)間隨之縮短，pH與膠凝時(shí)間呈負(fù)相關(guān)。根據(jù)隧道施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，漿液膠凝時(shí)間需控制在60min以?xún)?nèi)，方能保證各開(kāi)挖、支護(hù)工序正常銜接。篩選出滿(mǎn)足條件的漿液配比，詳見(jiàn)表1。

表1 水玻璃-磷酸混合液配比表

5 固結(jié)體強(qiáng)度試驗(yàn)

為保證隧道開(kāi)挖后圍巖的穩(wěn)定性，進(jìn)一步對(duì)化學(xué)漿液固結(jié)體進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)。采用表1中篩選出的配比分別配制漿液，對(duì)不同組別的土樣進(jìn)行注漿固結(jié)。固結(jié)完成后，對(duì)固結(jié)土體取芯進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。各配比漿液固結(jié)砂體強(qiáng)度詳見(jiàn)表2。

表2 固結(jié)砂體無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度記錄表

根據(jù)表2可知，水玻璃-磷酸混合液中磷酸濃度和摻量一定，水玻璃濃度越高，固結(jié)砂體強(qiáng)度越高；同濃度水玻璃和磷酸（同濃度、同摻量）混合液，水玻璃摻量越高，固結(jié)砂體強(qiáng)度越高。根據(jù)隧道施工特點(diǎn)，水玻璃 20°Beˊ∶10%濃度磷酸=1∶2 的漿液配比為最優(yōu)配比。

6 現(xiàn)場(chǎng)施工驗(yàn)證

采用試驗(yàn)所得最優(yōu)漿液配比進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)注漿固結(jié)試驗(yàn)，驗(yàn)證結(jié)論的準(zhǔn)確性，進(jìn)一步修正施工參數(shù)。洞內(nèi)管棚安裝完畢后，采用鋼板對(duì)管口進(jìn)行封閉，并焊接止回閥門(mén)及注漿導(dǎo)管。

注漿設(shè)備采用90/100雙液注漿機(jī)，雙漿液混合后一次注漿。注漿前進(jìn)行清水注漿調(diào)試，注漿壓力調(diào)到0.8～1.5MPa，試注時(shí)間≥5min，設(shè)備調(diào)試正常后進(jìn)行正式注漿。

1）在漿液桶里按試驗(yàn)確定的漿液配合比進(jìn)行水玻璃、磷酸注漿液調(diào)制。

2）啟動(dòng)注漿機(jī)，調(diào)整吸漿閥吸漿速率，使注入漿液按配合比例進(jìn)行混合，待注漿液在混合器里混合充分后，調(diào)整注漿壓力，通過(guò)管棚向砂體進(jìn)行注漿。

經(jīng)過(guò)多次現(xiàn)場(chǎng)注漿試驗(yàn)，反復(fù)調(diào)整注漿壓力與注漿量，得到最優(yōu)施工參數(shù)：（1）注漿壓力：1MPa；（2）注漿量：89kg/m（管棚）。

開(kāi)挖驗(yàn)證化學(xué)注漿固結(jié)砂層效果：漿液在砂層中擴(kuò)散半徑＞1m，砂層固結(jié)密實(shí)，有較低強(qiáng)度，采用小型機(jī)械開(kāi)挖固結(jié)后的砂層，成塊狀脫落，開(kāi)挖后不再出現(xiàn)拱頂漏砂、掌子面流砂現(xiàn)象。

7 結(jié)語(yǔ)

實(shí)踐表明，低含水率粉細(xì)砂地層采用化學(xué)注漿超前支護(hù)，具有安全、環(huán)保、高效、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)以及良好的工程效果。然而，不同地域、區(qū)段，砂層的物理特性也不盡相同，因此，化學(xué)注漿材料選擇、漿液配比確定、注漿工藝采用，需根據(jù)工程實(shí)際情況，將理論研究和施工經(jīng)驗(yàn)緊密結(jié)合，確定最佳參數(shù)。