高抗渗注浆材料在水下地铁隧道地层加固中的研究与应用

卓 越， 焦 雷

(中铁隧道集团有限公司勘测设计研究院， 广东 广州 511458)

高抗渗注浆材料在水下地铁隧道地层加固中的研究与应用

卓 越， 焦 雷

(中铁隧道集团有限公司勘测设计研究院， 广东 广州 511458)

为探讨高抗渗注浆材料在水下地铁隧道地层加固中的应用，采用普通水泥浆液掺加无碱速凝剂和高效减水剂的形式制备高抗渗注浆材料，通过室内试验分析普通水泥浆液在不同外加剂掺量条件下的浆液性能，以凝结时间、流动度和抗渗性能为主要指标对浆液的配比进行设计。室内试验结果表明，水灰比在0.65～1.0，调整浆液配合比，浆液流动度可达到230～270 mm，初凝时间小于2 h，抗渗等级大于P8，满足施工要求。在厦门地铁3号线五缘湾站—会展中心站区间斜井暗挖隧道现场2个循环注浆试验中，确定了3种注浆配比的应用条件，通过加固体强度和抗渗性2项指标实验分析，验证了高抗渗注浆材料具有良好的抗渗及加固地层效果。

注浆材料； 抗渗性能； 流动度； 凝结时间

0 引言

隧道近海域段、断层破碎带及接触带受构造影响严重，岩体破碎，自稳能力和抗风化能力很差，风化深度大，常在海底形成风化深槽。无论是断层破碎带还是风化深槽，都对隧道施工产生不利影响。加上隧道埋设在海平面几十米以下，围岩承受着巨大的海水压力作用，施工开挖中极易产生坍塌，并可能伴随产生涌水涌泥，危及施工设备和人员安全。为了防止地层的沉降坍塌和突涌水，必须采用全断面帷幕超前预注浆来加固围岩，以确保施工安全。海底隧道在复杂的地质和特殊的水文条件下，使用普通水泥液浆注浆材料往往不能达到理想的效果[1]。王红喜等[2]利用硅灰、羟乙基纤维素和聚丙烯酰胺3种物质进行复配，研制出一种新型抗水分散剂(KSF);张小平等[3]采用最优化方法进行寻优计算，得出满足工程要求的最优配比;李慎刚等[4]进行实时可视的注浆试验以及开发应用软件模拟渗透注浆试验;刘瑾等[5]研究了水溶性高分子土体固化剂对土体室内CBR及回弹模量的影响，同时初步探讨了高分子固化剂的固化机制;阮文军等[6]从注浆材料方面解决注浆施工中出现的一些问题，通过大量试验，研制出3种具有独特性能的新型水泥复合浆液；涂鹏等[7]、周茗如等[8]利用正交试验设计方法，以抗压强度为主要指标，对浆液的配比进行了优化设计，通过腐蚀试验分析了硫酸盐、碳酸盐对强度的影响；陈铁林等[9]、胡安兵等[10]研究了海水对浆液强度的影响，得出了海水可以延长初凝时间、减缓浆液强度上升的速度、稀释浆液并加剧不均匀扩散的结论；赵继增[11]通过现场试验确定了全断面帷幕注浆技术参数，成功地穿越青岛胶州湾海底隧道F4-4断层，注浆效果良好，达到了开挖要求，对类似工程具有一定的借鉴意义；薛翊国等[12]、夏小亮[13]利用统计方法分析了影响因素和注浆效果之间的关系，结合室内试验对所获得的注浆参数进行了实际应用；张民庆等[14]对各种检查方法进行了应用效果的探讨，并提出了各种注浆技术的检查方法和标准；李治国等[15]采用全断面帷幕注浆的方法对风化槽进行堵水和加固取得了较好的效果，并提出了5参数评价方法。但以上文献在浆液的性质、材料等成分对浆液结石体的影响方面涉及较少。

合适的配方对注浆效果有显著的促进作用。施工进度要求不同，浆液的配方就有所不同，如隧道开挖进度大于20 m/月以上，就要求注浆材料有较高的早期强度、较快的凝胶时间等，故要对浆液的性质、材料各成分对浆液结石体的不同影响进行试验研究。

基于厦门地区水域环境特点，通过室内试验得到高抗渗注浆材料配合比，采用普通水泥单液浆+外加

剂形式，保证浆液较快的胶凝作用、良好的抗压强度及抗渗性能，以满足工程施工及抗渗性要求。为此，在厦门地铁3号线五缘湾站—会展中心站区间斜井暗挖隧道进行了100余m段的注浆加固堵水应用，并对注浆效果进行检验，以满足水下地铁隧道快速施工的新型注浆材料要求。

1 工程概况

厦门市本岛至翔安过海通道工程五缘湾站—会展中心站区间斜井暗挖段地质条件较差，地下水丰富。工程地质勘查资料显示斜井暗挖段地层依次为杂填土、填砂、填石、淤泥、残积砂质黏性土、全—中—微风化花岗岩层。斜井海域段地质纵断面图如图1所示，地质勘察参数如表1所示。为保证结构施工安全，拟对斜井段XDK0+236～+360段采用帷幕注浆加固地层。

图1 斜井海域段地质纵断面图

表1 地质勘察参数

2 注浆材料研究

2.1 原材料

采用福建龙鳞普通硅酸盐水泥(P·O 42.5)，水泥比表面积为360 m2/kg。采用无碱速凝剂SA(setting accelerator)调节浆液凝结时间，速凝剂为液体，固含量在20%以上，pH值为2～3。采用萘系减水剂改善浆液流动性，其固含量在35%以上。以水泥为基材研制高抗渗注浆材料，并进行凝结时间、流动度等相关物理性能的检测。

2.2 浆液主要参数

2.2.1 注浆材料的流动度、凝结时间及结石率

试验选择3种注浆水灰比，通过优选外加剂掺量调节浆液的流动度和凝结时间，得到最终配合比。优化选择的注浆材料的工作性能如表2所示。

表2 优化选择的注浆材料的工作性能

由表2可知： 1)注浆材料流动度大于240 mm，浆液的初凝时间小于2 h、终凝时间小于3 h，可保证浆液的可注性； 2)浆液结石率超过99%，可保证浆液的稳定性，提高抗渗性能。

2.2.2 抗压强度

强度测试试件分为2类： 一类为空白样，即水泥和水配制的浆液结石体； 另一类为注浆材料，即水泥、水及外加剂(无碱速凝剂和减水剂)配制的浆液结石体。图2示出空白样与注浆材料结石体经过淡水养护28 d后再置于人工海水养护各龄期的抗压强度。可以看出： 1)水灰比增大，结石体的强度降低，而随着养护时间的延长，空白样结石体与注浆材料结石体的抗压强度均不断增长，且在同水灰比条件下，注浆材料的抗压强度高于空白样； 2)外加剂的掺入对注浆材料结石体早期强度的提高非常明显； 3)后期(28～90 d)海水养护条件下结石体的抗压强度均有较大增长。

C表示空白试验; Z表示注浆材料; 数字表示水灰比。下同。

图2 不同养护条件下结石体的抗压强度

Fig. 2 Compression strength of reinforced body under different curing conditions

2.2.3 抗渗性

参照GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》中的“抗水渗透试验”方法成型顶面直径175 mm、底面直径185 mm、高度150 mm的浆体试块，每组6个，进行抗水渗透实验，其结果如表3所示。可以看出： 1)水灰比对试件的抗水渗透性能影响较大，随着水灰比增大，试块平均渗水高度增大，端面渗水试块个数变多； 2)注浆材料的抗渗性能优于同水灰比的空白样。

表3 抗水渗透实验结果

2.2.4 膨胀特性

海水养护下空白样结石体及注浆材料结石体的膨胀率如图3所示。可以看出： 1)结石体在早期快速膨胀，且注浆材料的膨胀率大于同水灰比的空白样； 2)在后期，空白样体积不断收缩，而注浆材料体积基本保持稳定，具有微膨胀特性。注浆材料结石体的微膨胀有利于地层孔洞空间的密实填充，提高其抗渗性能。

图3 海水养护下结石体的膨胀率

Fig. 3 Expanding rate of reinforced body under curing condition of seawater

3 工程应用

3.1 注浆设计

注浆采用66孔注浆方案，以隧道中心点为圆心，沿6圈同心圆均匀布孔，A—E序每圈12个孔，F序圈6个孔，序圈间距0.45 m，最大半径A圈 2.7 m，最小半径F圈0.45 m，孔底位置沿中心线投影长度依次为10、15、20、25、30 m，加固范围为隧道最大轮廓外5 m。注浆孔位布置图如图4所示。注浆方案示意图如图5所示。注浆设计参数如表4所示。

图4 注浆孔位布置图(单位： m)

图5 注浆方案示意图(单位： m)

名称数值备注纵向加固段长/m30环向加固范围 开挖轮廓线外5m及开挖掌子面浆液扩散半径/m1.5注浆速度/(L/min)5～110注浆终压/MPa静水压力+0.5～1.5 根据试验段调整终孔间距/m2.2注浆方式 前进式分段注浆,结合PVC孔底一次性注浆 根据实际地层调整注浆孔个数66检查孔数量占比/%5～10孔口管/mmϕ108,壁厚5

3.2 注浆施工

现场主要施工方法为前进式结合PVC孔底一次性注浆，施工工艺如下： 1)采用潜孔锤开孔至设计深度，安装孔口管； 2)采用三翼钻头沿孔口管内部钻至设计段长或塌孔出水处，将钻杆取出后，下入PVC套管，沿PVC管将浆液灌至孔底； 3)重复步骤2)至本孔完成。

在注浆施工过程中如遇以下情况则采用表2的3种配比浆材注浆。

1)第1循环XDK0+236～+266、第2循环XDK0+266～+296遇出水、塌孔，即打钻不出渣、不返风，采用配合比1浆材堵水加固地层。

2)在每循环注浆初期遇宽张裂隙，长时间注浆无压力，则采用配比1和配比2浆材交替注浆。

3)在每循环注浆初期遇止浆墙开裂及漏浆现象，采用配比3浆材注浆。

在开挖结束后，经开挖揭示，发现配比1(低水灰比)浆材浆脉较细，配比3(高水灰比)浆材浆脉较宽，证明在相同压力下，该配比3浆材主要以渗透形式扩散，配比1浆材主要以挤密、劈裂形式加固地层； 但在富水段，低配合比浆材凝结时间较快，体现了较好的堵水效果。

4 应用效果与评定

4.1 检查孔法检验与评价

采用钻孔检查法对注浆效果进行了检查，根据注浆状况，选择注浆范围内可能存在薄弱的注浆部位布设检查孔。检查孔钻深为开挖段长度以内并预留3 m段。根据检查孔涌水量来决定是否须补设注浆孔。检查孔的数量一般按总注浆孔的5%～10%布设，本次检查孔数量为7个。

由检查孔钻孔情况可知： 右侧出水量较大，最大出水量为0.15 L/(m·min)；左侧出水量较小，最大出水量为0.1 L/(m·min)。从检查孔来看，7个检查孔单孔出水量均不大于0.2 L/(m·min)的控制标准，注浆效果良好，达到了注浆止水的目的。

4.2 隧道开挖后效果检查

由开挖揭示的情况可知： 1)开挖至注浆前段(0～10 m)比较干燥，无明显水迹，浆脉发育较多，说明注浆效果不错； 2)开挖至注浆中段(10～20 m)掌子面右侧拱腰位置有少量水滴，有湿痕； 3)开挖至注浆后段(20～25 m)掌子面基本能够自稳，右侧拱脚处出现渗水，在进行小导管补充注浆后，开挖顺利完成。注浆后开挖效果如图6所示。可以说明，该注浆材料能够满足厦门地区水域环境下围岩强化和防渗水的要求。

(a) XDK0+245(第1循环)

(b) XDK0+260(第2循环)

5 结论与体会

1)通过室内试验研究，根据施工情况调整水灰比为0.65、0.8和1.0 3种浆液外加剂掺量，控制注浆液体的流动性和初凝时间，可满足隧道内不同注浆部位的需求。注浆材料浆液结石率高，早期强度快速增长，后期强度稳定。注浆材料气孔孔径减小、封闭孔的形成及结石体的微膨胀特性有利于注浆材料抗渗性能的提高。

2)在厦门地铁3号线100余m的注浆施工试验和应用中，根据不同地质和水文条件选用一种或多种配比浆材交替注浆达到了快速加固堵水的目的，开挖后加固体强度和单孔涌水量验证了高抗渗注浆材料能够满足厦门地区水域环境下的施工要求。

3)由于受现场注浆设备条件限制，暂未进行水灰比低于0.65浆材的现场注浆试验，后续工作应对此展开研究，以满足较大涌水量时现场注浆需求。

[1] 杨米加, 陈明雄, 贺永年. 注浆理论的研究现状及发展方向[J]．岩石力学与工程学报，2001, 20(6): 839． YANG Mijia, CHEN Mingxiong, HE Yongnian. Current research state of grouting technology and its development direction in future[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2001, 20(6): 839.

[2] 王红喜，田焜，丁庆军，等. 适宜于高压饱水条件下的同步注浆材料性能研究[J]．施工技术，2007, 36(5): 97. WANG Hongxi, TIAN Kun, DING Qingjun, et al. Research on the performance of synchronous grouting material under rich and high water pressure[J]. Construction Technology,2007， 36(5): 97.

[3] 张小平， 刘艳华， 张小蒙，等. 泡沫轻质材料试验研究的均匀设计方法及配方优化[J]. 岩土力学，2004， 25(8)： 1323． ZHANG Xiaoping, LIU Yanhua, ZHANG Xiaomeng, et al. Uniform design method and mix proportion optimization for experimental research on foam lightweight material[J]. Rock and Soil Mechanics, 2004， 25(8): 1323.

[4] 李慎刚，赵文，杜嘉鸿. 渗透注浆试验研究现状及展望[J]．路基工程， 2010(3): 41． LI Shengang, ZHAO Wen, DU Jiahong. Research situation and prospect on osmotic grouting test[J]. Subgrade Engineering, 2010(3): 41．

[5] 刘瑾，张峰君，陈晓明，等．新型水溶性高分子土体固化剂的性能及机理研究[J]．材料科学与工程，2001， 19(4)： 62． LIU Jin, ZHANG Fengjun, CHEN Xiaoming, et al. Study of the soil hardening properties and mechanism of a new water soluble polymeric soil hardening agent[J]. Materials Science and Engineering, 2001, 19(4): 62.

[6] 阮文军，王文臣，胡安兵. 新型水泥复合浆液的研制及其应用[J]. 岩土工程学报，2001， 23(2): 212. RUAN Wenjun, WANG Wenchen, HU Anbing. Development and application of new kind of cement composite grout[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2001, 23(2): 212.

[7] 涂鹏，王星华．海底隧道注浆材料试验研究及工程应用[J]．铁道工程学报，2010，9(9): 51． TU Peng, WANG Xinghua. Experimental study of grouting materials for submarine tunnel and their application[J]. Journal of Railway Engineering Society, 2010, 9(9): 51.

[8] 周茗如，苏波涛，彭新新，等．复合水泥基速凝注浆材料的试验研究[J]．建筑科学， 2017， 33(1): 52． ZHOU Mingru, SU Botao, PENG Xinxin, et al. Experimental study of composite cementitious fast-gelling grouting material[J]. Building Science, 2017, 33(1): 52.

[9] 陈铁林，滕红军，张顶立．厦门翔安海底隧道富水砂层注浆试验[J]．岩石力学与工程学报，2007(增刊2)： 3711． CHEN Tielin, TENG Hongjun, ZHANG Dingli. Grouting test on water-enriched sand layer of Xiamen Xiang′an Subsea Tunnel[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2007(S2): 3711.

[10] 胡安兵，徐会文，杨敏.新型注浆材料试验研究[J]．岩土工程学报，2005，27(2)： 210． HU Anbing, XU Huiwen, YANG Min. Experiments on a new type of grout[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2005, 27(2): 210.

[11] 赵继增．青岛胶州湾海底隧道涌水断层全断面帷幕注浆技术研究[J]．山东大学学报(工学版)，2009， 39(6)： 116． ZHAO Jizeng. Study of full-face curtain grouting on water-burst fault in subsea tunnel[J]. Journal of Shandong University (Engineering Science), 2009, 39(6): 116.

[12] 薛翊国， 李术才, 苏茂鑫， 等．青岛胶州湾海底隧道涌水断层注浆效果综合检验方法研究[J]．岩石力学与工程学报，2011， 30(7): 1383． XUE Yiguo, LI Shucai, SU Maoxin, et al. Stduy of comprehensive test method for grouting effect of water filling fault in Qingdao Kiaochow Subsea Tunnel[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2011, 30(7): 1383.

[13] 夏小亮.注浆材料优化配比与注浆试验研究[D]．淮南: 安徽理工大学，2011． XIA Xiaoliang. Study of the optimization ratio of grouting materials and grouting experiment[D]．Huainan: Anhui University of Science and Technology，2011.

[14] 张民庆，张文强，孙国庆．注浆效果检查评定技术与应用实例[J]．岩石力学与工程学报，2006，25(增刊2): 3909． ZHANG Minqing, ZHANG Wenqiang, SUN Guoqing. Evaluation technique grouting effect and its application to engineering[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2006, 25(S2): 3909.

[15] 李治国，孙振川，王小军，等. 厦门翔安海底服务隧道F1风化槽注浆堵水技术[J]. 岩石力学与工程学报，2007，26(增刊2): 3841． LI Zhiguo, SUN Zhenchuan, WANG Xiaojun, et al. Grouting technology for water blockage of weathered slot F1 in Xiamen Xiang′an subsea service tunnel[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2007, 26(S2): 3841.

Study and Application of High-impervious Grouting Material to Ground Reinforcement of Underwater Metro Tunnel

ZHUO Yue, JIAO Lei

(Survey,DesignandResearchInstituteofChinaRailwayTunnelGroupCo.,Ltd.,Guangzhou511458,Guangdong,China)

The high-impervious grouting material prepared by Portland cement, alkali free additive and high-efficient water reducer is used in ground reinforcement of underwater metro tunnel. The performances of Portland cement grout, i. e. setting time, fluidity and impermeability, under different mixing proportions of additives are analyzed by indoor test. The test results show that the fluidity of the grout can reach 230-270 mm; the setting time of the grout is less than 2 h and the impermeable grade is higher than P8 when the water-cement ratio reaches 0.65-1.0. Finally, the applicable conditions of grout under 3 proportions are determined by grouting test of prepared grout in mined tunnel of inclined shaft of Wuyuan Bay Station-Convention Center Station Section on Line No. 3 of Xiamen metro; the ground reinforcement effect of the high-impervious grouting material is testified by strength and impermeability of the ground reinforced.

grouting material; impermeability; fluidity; setting time

2017-05-01;

2017-06-10

卓越(1965—)，男，安徽灵璧人，2013年毕业于北京交通大学，岩土工程专业，博士，教授级高级工程师，主要从事隧道与地下工程科研和施工管理工作。E-mail: fxyzz@sohu.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.08.003

U 45

A

1672-741X(2017)08-0933-06