劈裂注浆在长寿山隧道一二号明洞中的应用

姚建青

1 工程概况

长寿山隧道一、二号明洞起讫里程分别为 HDK 42+906～HDK 42+985,HDK 43+120～HDK 43+260及两段中部为一 35m长的暗挖短隧道。工程位于兰州市城关区罗锅沟、腰子沟内,属低中山区,工点范围内沟谷发育,地势起伏,地形复杂,附近多为荒地及预留开发区,人为开挖及平整回填等活动剧烈,对工程附近地形地貌影响大。

隧道经过范围地层有:第四系全新统人工填土,砂质黄土,细圆砾土,上更新统冲积砂质黄土、粉砂、细圆砾土、粗圆砾土、第三系中新统砂岩、泥岩。工点区未发现对工程有影响的断层及褶皱构造迹象。工点范围内未发现有不良地质现象。

工点范围内特殊岩土为湿陷性黄土。全新统砂质黄土具Ⅰ级非自重湿陷性,湿陷性土层厚度 5m～10m,上更新统砂质黄土具Ⅲ级 ～Ⅳ级(严重 ～很严重)自重湿陷性,湿陷性土层厚 5m～30m。

2 劈裂注浆工艺的机理

劈裂注浆工艺的加固机理[1]是在灌浆压力作用下,浆液克服地层的初始应力的抗拉强度,引起土体结构的破坏和扰动,使地层中原有的孔隙或裂隙扩张,浆液又注入到这些扩张后的孔隙或裂隙中,通过充填、挤密、扩散、离子交换等作用,使原有土体渗透性降低、土层颗粒粘聚力加强,形成新的土体固结。

2.1 充填效应

浆液在压力作用下进入土体后首先充填土体中的孔隙,如果土体中局部有孔穴则浆液就会充填固结起到加固作用。

2.2 挤密效应

由于浆液的充填,在压力作用下浆液扩散对周围的土体必然产生一定的挤密作用,使孔隙比有所减小。

2.3 扩散效应

扩散效应是一个综合的含义,其中包括浆液在压力作用下产生的劈裂以及在主脉理上产生的支脉,劈裂过程中在各条脉理上也会发生局部的渗透。

2.4 离子交换效应

浆液在脉状扩散的过程中,由于脉理较细,扩散层次多,浆液与土体充分接触,这样浆液中多余的钙离子与土体中的钠离子产生离子交换,所以沿着与浆液接触的那部分土体也得到了加固。

2.5 骨架效应

浆液在土体中并不是与土颗粒均匀地混合,两者呈两相状各自存在,所以从土的微观结构分析,除受到部分的挤密作用,孔隙比和含水率稍有变化外,其他物理力学性能的变化不明显,所以加固效果应从宏观上来分析,即应考虑土体的骨架效应。由于浆液的凝固体与土体构成两相体,形成了复合结构,所以其弹性模量高于原来土体的弹性模量,土的稳定性会有较大的提高。

3 劈裂注浆施工工艺

3.1 注浆材料

注浆材料的类型很多,大多是根据加固的目的、施工环境、施工方法等条件来选择浆体的类型。黄土地区施工用材料多以黄土或天然砂砾填筑为主,选择以水泥为主体的无机类浆体材料较为合适。在使用过程中,为了降低工程造价,也可用黄土或粉煤灰代替部分水泥而配制成水泥黄土浆或水泥粉煤灰浆液。在某些情况下为了达到一定的技术要求,如为控制注浆过程中的附加下沉、初凝时间等,需要在浆体中加入一定数量的添加剂,常用的添加剂有水玻璃、三乙醇胺等。

根据施工需要,由于本隧道所通过的地层大都为饱和度较高的黄土,含水率大,在此土层中采用劈裂注浆法加固时,要同时考虑注浆加固土体受压后固结问题,还要考虑浆液自身的固结问题,纯水泥浆在浆液的固化过程中析水较多,硬化需要较长的时间。因此我们选择了水泥—水玻璃双液浆(CS浆液),CS浆液克服了水泥浆凝结时间长且不易控制、析水率高、结石率低的缺点,且浆液胶凝时间可在几秒至几十分钟之间准确控制,结石体抗压强度高,结石率可达 98%～100%,可注性比纯水泥浆明显提高。

3.2 劈裂注浆主要设计参数

1)浆液配比:采用水玻璃 40 Be′,模数 n=3.1;425号普通硅酸盐水泥,水灰比为水泥 1∶0.75,水玻璃用量为水泥用量的 3%～5%,混合成水泥水玻璃浆液。

2)钻孔:钻孔孔径为 80,上台阶开挖注浆孔间距为 1.2 m×1.2m,下台阶开挖隧底注浆孔间距为 1.0m×1.0m。

3)注浆流量和注浆压力:注浆流量和注浆压力与土质种类、透水性、注浆速度、注浆方法等因素有关,一般参考现场实验或据已有的经验来确定。通常情况下注浆流量应配合注浆压力来调整,注浆初期土层吸收浆液能力强,压力可以较小,随着土体吸收量减小可以逐渐增加流量增大压力,使其处于最佳的吸收状态,注浆接近结束时可适当增大注浆压力。注浆压力过小达不到预期的注浆量和扩散半径的要求,但注浆压力超过一定范围时,会引起土体结构的破坏。控制注浆压力不大于 2.5MPa。

3.3 劈裂注浆施工工艺

1)注浆工艺顺序:成孔→下注浆管→孔口密封→注浆→观察溢浆孔→补浆→封闭。

2)套壳料:套壳料又称封闭泥浆,当钻孔到达设计深度后从钻孔内灌入封闭浆液,其作用是封闭单向阀管和钻孔壁之间的孔隙,迫使从灌浆孔内开环,压出的浆液挤破套壳料注入四周土层。

3)封闭泥浆的钻孔中插入单向阀管(劈裂注浆管),采用内径为 60的塑料管,每隔 33cm～50cm钻一组射浆孔(即每米 2组 ～3组),外包橡皮套,插入钻孔时管端封闭,管内充满水。

4)泥浆达到一定强度后,在单向阀管内插入双向密封注浆芯管进行分层注浆,首先加大压力使浆液顶开橡皮套,挤破套壳料,在土体产生劈裂,并沿着裂缝扩散,扩散范围受注浆压力、时间、浆液配比、土层特征等因素的影响。从底部每一米注浆一次,达到一定的压力后,提起 1m再注浆,这样重复进行。注浆完成后,清洗管内残留浆液,以便于第二次重复注浆(单向阀塑料管即留在注浆后的土层中)。

4 结语

1)本工程根据注浆加固的目的,采用不同的断面形式、注浆方式、浆液配比取得了较好的经济与社会效益。2)在黄土地区陷穴注浆施工时,采用“水泥—水玻璃+黄土”注浆方法对陷穴土体进行加固是可行的,效果较好,可有效的降低工程造价。3)采用压力注浆法时,注浆量、注浆压力等设计参数最好通过现场注浆试验来确定,并针对现场情况提出适合的施工工艺,以事半功倍。

[1] 马越勇.劈裂注浆地基处理技术在沉井穿越卵砾石层中的应用[J].建筑施工,1998,5(20):46-48.

[2] 熊厚金,林天健,李 宁.岩土工程化学[M].北京:科学出版社,2001.

[3] 施红政.夯实水泥土桩的应用与体会[J].山西建筑,2006,32(18):91-92.