水玻璃注浆液加固隧道低稳土体应用与分析

何应媛

摘要：文章以某低稳隧道工程中砂土加固为研究背景，模拟了浅埋低稳隧道周边砂土层环境，选用了水玻璃作为注浆加固材料对其进行改良;主要以磷酸作为水玻璃的掺配材料，为其加固性能提供辅助改进效果;测定了不同磷酸掺配比例下，水玻璃注浆液的凝结时间及凝结性能变化规律;测定了注浆改良后土体的强度变化情况，并对其力学性能进行测试，得到了注浆液的最佳配合比。本研究为浅埋低稳隧道的砂性土改良提供了一定的经验借鉴。

关键词：浅埋隧道;稳定性;注浆加固;水玻璃

中图分类号：U457.3 文献标识码：A DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2019.10.032

文章编号：1673-4874（2019）10-0114-04

0引言

有关隧道低稳定性土体的加固方向，国内已有许多相关的研究成果：周俊磊考虑到隧道周边围岩对施工过程可能造成的影响，对其稳定性进行了分析，并提供了部分支护加固的方案，但并未考虑到此类支护处理手段并不适用于浅埋隧道的施工建设;连会青等人研究了水玻璃注浆加固技术的应用，在其中掺加粉煤灰和水泥作为增强材料，对加固后土体进行了强度检测，得出了最佳掺配比例，但在其探究过程中忽略了注漿液的凝结时间及凝结性能变化规律，没有给施工应用的推广提供足够的经验;孙晓明等人针对防膨胀问题研究了注浆材料的配合比搭配，但在原材料选择上仍有着一定的局限。有关注浆加固低稳定性土体的研究还有很多，但能够应用于浅埋隧道周边砂土加固方面的研究仍存在着一定的空白。

本文着眼于浅埋低稳隧道周边砂土的加固方案进行以下研究：模拟浅埋低稳隧道周边砂土层环境，选用了水玻璃作为注浆加固材料并对其进行改良;主要以磷酸作为水玻璃的掺配材料，并辅以水泥作为掺配材料，为其加固性能提供辅助改进效果;测定不同磷酸掺配比例下，水玻璃注浆液的凝结时间及凝结性能变化规律;测定注浆改良后土体的强度变化情况，并对其力学性能进行测试。

1工程概况与加固机理

某隧道埋深仅为7.6m，下穿地层局部为含黏性土砂，Ⅳ级围岩，具有稳定性较差的特点。通道上方及附近设有各种管线，管线埋深为1.5-3.5m。在隧道的建设过程中，当其穿越低稳定性土体时，为保证隧道结构的稳定性，需对其低稳土体进行注浆加固改良，再继续施工。

水泥注浆液是低稳土体加固过程中经常选择的注浆材料，但以此方案对低稳定性土体进行注浆加固的过程中，会引起周边土体膨胀隆起，并有可能导致周边其他建筑物或路面的损坏。而以水玻璃为注浆液材料，则能有效地减少隧道低稳定性土体加固过程中容易产生的各类不良影响。

2 原材料及其处理

2.1模具及原材料

本文试验中选用的土体加固测定模具为直径100mm、高度100mm的圆柱形模具以及边长为100mm的立方体模具。

选用磷酸溶液（HPO）作为水玻璃溶液的复掺材料，主要是为了给其提供化学反应所需的H，增强其胶凝作用，从而达到注浆加固低稳定性砂土的目的。磷酸溶液选用的是某化工生产有限公司出产的高纯度磷酸溶液，其有效成分质量分数为90%。试验中所用水玻璃溶液的模数值为2.8，波美度为45°Bé。

2.2原材料稀释

（1）HPO溶液的稀释

本文所选的HPO溶液有效成分质量分数为90%，在试验前要对其进行稀释，根据公式（1）： M·90%=M·D （1）

得到所需掺加的水的体积：

M=M·90%/D-M （2）

将HPO溶液稀释为质量分数为5%、7%以及9%的稀释溶液。

（2）水玻璃的稀释

原材料中所选水玻璃为45°Bé的溶液，为了达到控制变量的目的，需要对其进行稀释。其具体稀释步骤与HPO溶液的稀释步骤类似。

3 复合磷酸水玻璃注浆液胶凝性能测试

3.1前期测试

试验拟定不同浓度的HPO溶液、稀释为不同波美度的水玻璃以及不同HPO溶液掺配比例为控制指标，研究其对复合磷酸水玻璃注浆液胶凝性能的影响规律。

将水玻璃溶液波美度稀释为35°Bé、30Bé、25°Bé以及20°Bé四种;将HPO溶液的有效成分质量分数分为5%、7%以及9%三种;拟定的水玻璃溶液与HPO溶液掺配比例则依据两种溶液浓度分别进行调整。

前期测试数据如表1-3所示。

观察表1-3各数据，可以明显发现：

当水玻璃的波美度为35Bé时，所得的复合磷酸水玻璃注浆液全部产生瞬间凝结的状况，此时无法测量其pH值，并且过快的凝结速度将会导致此种配比无法应用于实际工程的施工。

当水玻璃的波美度为30°Bé，HPO溶液质量分数为5%或7%时，同样产生了瞬间凝结的状况。当HPO溶液质量分数为9%时，开始出现产生絮状物的现象，同样不适用于施工应用。

当水玻璃的波美度为25Bé时，同样是在HPO溶液质量分数较高时（达到9%）产生絮状物的现象。因此判断HPO溶液质量分数不能过高，应控制在5%-7%左右。

同时发现：随着水玻璃波美度的下降，复合磷酸水玻璃注浆液的瞬间凝结现象有所缓解，因此判定水玻璃溶液的波美度不能过高;水玻璃-HPO溶液体积比较小时，凝结时间有了很好的改善。

3.2调整后测试

经综合考量后，将水玻璃溶液的波美度稀释为20Bé，并适当减小水玻璃-HPO溶液体积比，此时出现凝胶现象较为明显，并且其凝结时间较为合理。控制HPO溶液质量分数和水玻璃-HPO溶液体积比进行测定，测试结果见表4。

对表4中数据加以分析，不难发现如下一些较为明显的规律：

（1）无论HPO溶液质量分数为5%或是7%，随着水玻璃-HPO溶液体积比的减小，复合磷酸水玻璃注浆液的凝結时长都呈现出增长的趋势，尤其是当水玻璃-HPO溶液体积比达到1：1.7时，其凝结时间已经符合合理施工用时。

（2）随着水玻璃-HPO溶液体积比的减小，复合磷酸水玻璃注浆液的pH值逐渐下降，这是因为随着HPO溶液体积占比的增大，其中H的浓度逐渐提升，导致其酸性提升。

（3）对比HPO溶液质量分数的影响，发现当HPO溶液质量分数为7%时，相较于HPO溶液质量分数为5%的复合磷酸水玻璃注浆液，其总体凝结时间呈现出上升的趋势，其pH值呈现出下降的趋势。

（4）复合磷酸水玻璃注浆液的pH值处于3-6之间，凝结时间处于0.5-65min之间。

因此可以总结出：在不考虑其他影响因素的情况下，想要延长复合磷酸水玻璃注浆液的凝结时间，可以相对地降低水玻璃-HPO溶液体积比或是增加HPO溶液质量分数。

4 注浆液增强砂土体的力学参数测试

除了研究复合磷酸水玻璃注浆液胶凝性能外，另一需要关注的指标是注浆加固后的砂土体力学性能能否满足要求。

4.1 砂土级配测试

首先要对浅埋低稳隧道周边土体进行采样，并测定土样中的颗粒级配分布情况，测定结果如表5所示。

4.3 力学参数测试

将按照上述配合比混合的注浆土体充分搅拌，并在搅拌均匀后迅速将其浇筑至模具中。为了保证均匀浇筑，采用分层浇筑的方法，分3层浇筑，浇筑完每一层后以均匀力度插捣30次，最后抹平。搅拌及浇筑的总时间要控制在10min以内，浇筑完成后进行标准养护处理。对注浆加固后土体进行抗压强度测定，测试结果如图1所示。

由图1可以发现，经过复合磷酸水玻璃注浆液注浆加固的浅埋低稳砂土3d后抗压强度处于0.25-0.3MPa之间;经过7d养护后，其抗压强度处于0.37-0.42MPa之间;再经过28d养护后，其抗压强度处于0.42-0.46MPa之间。其中以第三组复合磷酸水玻璃注浆液加固后的土体抗压强度值最高，以该组编号加固砂土体为例，其3d抗压强度值可达总强度值的66%，7d抗压强度值可达总强度值的90%。在实际浅埋低稳隧道周边土体加固施7_工程中，使用复合磷酸水玻璃注浆液可以在7d时间内基本达到使用强度的要求，从而增强砂土的稳定性，保证施工安全性。有必要的话，可以配合一定的水泥注浆材料进行复合使用，从而进一步增强其稳定性。

4.4最佳配合比

以浅埋低稳隧道土体加固力学参数测试结果作为参考指标，可以发现：编号3配合比方案制备的加固土体试件抗压强度在各养护龄期中均处于最佳水平。因此选定最佳的复合磷酸水玻璃注浆液配合比如下：水玻璃波美度为20°Bé，HPO溶液的有效成分质量分数为7%，水玻璃-HPO溶液体积比为1：4. 5。

随着复合磷酸水玻璃注浆液配合比改变，注浆加固后的浅埋低稳隧道土体总体力学性能改变量并不大，加固体抗压强度基本不变，仅在5%范围内。考虑到应用于实体工程项目中的复合磷酸水玻璃注浆液凝结时间的控制问题，以浅埋低稳隧道土体加固力学参数测试结果作为参考指标，最佳的复合磷酸水玻璃注浆液配合比如下：水玻璃波美度为20°Bé，HPO，溶液的有效成分质量分数为7%，水玻璃-HPO溶液体积比为1：1.7。

5 结语

（1）随着水玻璃-HPO溶液体积比的减小，复合磷酸水玻璃注浆液的凝结时长都呈现出增长的趋势。

（2）复合磷酸水玻璃注浆液的pH值处于3-6之间，凝结时间处于0.5-65min之间。

（3）以力学参数作为参考指标，最佳配合比如下：水玻璃波美度为20°Bé，HPO溶液的有效成分质量分数为7%，水玻璃-HPO溶液体积比为1：1.5。

（4）以凝结时间作为参考指标，最佳配合比如下：水玻璃波美度为20°Bé，HPO溶液的有效成分质量分数为7%，水玻璃-HPO溶液体积比为1：1.7。