超细水泥-水玻璃浆液在富水粉细砂地层暗挖隧道中的注浆止水效果研究

郑青

（北京市政建设集团有限责任公司，北京 100089）

北京地铁暗挖隧道穿越的地层主要为第四系冲洪积地层，自上而下以砂层、黏土或卵石地层为主，地铁隧道施工遇到的含水层以潜水为主［1-2］。在含水地层注浆止水施工中，目前采用的注浆浆液主要有普通水泥浆液、水泥-水玻璃浆液，或者在双浆液里面掺入一定量的磷酸氢二钠等外加剂形成改性水玻璃浆液［3-7］。大量工程实践表明：对于富水致密的粉细砂地层或粉质黏土地层，由于颗粒粒径小，颗粒之间的孔隙细微，上述注浆材料止水效果通常并不理想。隧道覆土较浅时，为防止注浆对上方道路及地下管线产生不利影响，须严格控制注浆压力，避免浆液渗入地层中。

针对富水粉细砂地层注浆止水难题，本文依托北京地铁14 号线15 标高家园站S1 联络通道工程，以超细水泥为基料，加入水玻璃、缓凝剂磷酸氢二钠等制备双浆液进行注浆止水试验，研究注浆压力小于0.5 MPa时的止水效果及地表道路沉降的控制措施，为其他暗挖联络通道注浆止水方案的制定提供依据。

1 工程概况

北京地铁14 号线15 标高家园站位于万红西街与芳园西路交口北侧，场区东西两侧为大山子南里住宅小区，砖混结构，天然地基，条形基础。车站主体结构为单层侧式站台车站，站台层和集散厅分离布置。其中站台层为单层结构，由基于车站部位已经贯通的大直径盾构隧道扩挖构成，站台层已施工完毕并投入运营使用；集散厅采用外挂形式，为地下三层结构，盖挖逆作法施工；集散厅与车站主体结构的站台层通过联络通道连接。本车站共设置17条联络通道，联络通道与车站主体结构的位置关系见图1。

图1 联络通道与车站主体结构的位置关系

S1—S3 通道上跨既有14 号线高家园站。L2 通道和F2 通道上跨14 号线高家园站后通过竖向通道下降到车站站台层与车站站台相连，L2 通道和F2 通道各包含2 条下通道。D1—D3 通道分别为S1—S3 通道与车站站台层的下跨线通道，D4—D6 通道均为集散厅站台层与车站站台层的跨线通道，D7通道为电梯井与站台层连接通道。上述联络通道根据断面大小分别采用CRD法或CD法施工。

施工安排上，先施工S 联络通道。S1 联络通道地层自上而下为：人工填土层（以杂填土和粉土填土为主）、第四纪全新世冲洪积层（主要为粉质黏土、粉细砂）。S1 联络通道结构全部位于富水致密粉细砂地层中，联络通道下方地层为粉质黏土和黏质粉土互层，地下水为层间水，具有一定的承压性；联络通道上方为万红西街，道路沉降控制要求高。

2 S1 通道施工情况及前期注浆存在的问题

S1 联络通道长30.75 m，标准段的断面开挖尺寸为7.80 m×6.00 m，抬高段的断面开挖尺寸为7.80 m×8.75 m。采用CRD 法施工，分为4 个导洞开挖，见图2（括号内为标准断面开挖尺寸）。原设计的注浆浆液为普通水泥-水玻璃双液，采用全断面注浆方法，目前已经开挖15.85 m，还剩余14.90 m未进行注浆止水和开挖施工，见图3（a）。其中，爬坡段长4.23 m，抬高段长10.37 m。设计注浆范围为拱部初期支护的外轮廓向外扩1.5 m，侧墙初期支护的外轮廓向外扩3.0 m，见图3（b）。

图2 S1通道抬高段的断面示意（单位：m）

图3 S1通道剖面图（单位：m）

注浆施工期间，万红西街地表沉降出现5 次红色监测预警，道路出现隆起和开裂。为控制地表变形而改变注浆压力后，洞内出现涌水、涌砂。由此造成的恶性循环导致工程难以进行，注浆施工停止。

在富水粉细砂地层中，粉细砂颗粒间缝隙约为10 μm，渗透系数为1.2×10-2cm/s，所用普通P·O 42.5硅酸盐水泥颗粒粒径为20～80 μm，普通水泥-水玻璃浆液无法有效渗透进地层，难以在控制注浆隆起的同时起到加固止水效果，导致道路沉降超标，红色预警频发。若减小注浆压力控制预警，则加固止水效果变差，须补浆再进行开挖，如此即形成恶性循环，造成进度延误且风险未能有效控制。

3 超细水泥-水玻璃浆液注浆止水实施方案

超细水泥浆液主要用于堵漏，用于富水粉细砂地层的止水研究尚不多见［8-11］，因此须对超细水泥浆液的水灰比、水玻璃掺入量、缓凝剂掺入量、注浆孔位布置、注浆工法、注浆量、注浆压力的控制方法等关键技术问题进行研究。

3.1 试验段及注浆范围

选择S1通道剩余的未开挖段作为超细水泥-水玻璃浆液注浆试验段，长14.9 m。为便于对比注浆效果，试验段注浆范围与普通水泥-水玻璃浆液一致，即拱部初期支护的外轮廓向外扩1.5 m，侧墙初期支护的外轮廓向外扩3.0 m。

3.2 浆液配合比

1）A液：水泥浆液采用超细水泥（密度2.95 g/cm3），水与超细水泥质量比为1∶1。

2）B 液：水玻璃稀释后波美度为20（稀释后密度1.16 g/cm3），水与水玻璃质量比为1∶1。

3）缓凝剂磷酸二氢钠掺量为水泥质量的2.5%。

4）配制单液浆A 液初凝时间不早于2 h，双液浆A液与B液初凝时间30～90 s。

5）双液浆A 液与B 液按体积4∶1 注入。经计算，注入土体中的每方浆液中超细水泥、波美度为20的水玻璃、磷酸二氢钠分别约为600，110，15 kg。

对该配合比下的固结体进行抗渗测试，3 d龄期的抗渗性能已满足标准要求，7 d 龄期的抗渗性能达到0.6 MPa，表明浆液的流动性、固结体强度及抗渗性能均能满足工程要求。

3.3 注浆参数

根据超细水泥浆液止水性能试验研究成果，并结合工程的实际地质条件和地下水状况，设定注浆参数。

1）采用超细水泥-水玻璃双浆液，根据地层条件，添加磷酸氢二钠调节浆液凝结时间。

2）注浆压力控制在0.2～0.5 MPa。

3）注浆孔孔径50 mm，扩散半径0.2 m，孔距350 mm。

4）单孔注浆量Q的计算公式为

式中：R为浆液扩散半径；L为注浆长度；n为地层空隙率（按地质报告取0.36）；α为地层填充系数，取0.8；β为浆液消耗系数，取1.1。

经计算得到第1—第3 循环的单孔注浆量分别为247，279，227 L。

4 超细水泥-水玻璃浆液注浆方法及工艺

4.1 二重管无收缩双液注浆法

选用二重管无收缩双液注浆法。根据工程要求及地层特点，将预先配制好的浆液分别盛于不同容器内。用SH300 钻机将双重钻杆钻至设计深度后，用JP600 注浆机分别将浆液泵送至双壁钻杆内外环状间隙。当经过钻头上方配置的双液混合器后，内外环状间隙的浆液迅速均匀混合，在注浆压力的作用下，浆液扩散、渗透至周围地层，并在可控且可调的时间内与地层发生反应产生凝胶作用，形成一道具有一定厚度的、连续的、具有隔水效果的止水帷幕。

4.2 钻孔及注浆设备选择

采用SH300履带式液压钻机（图4）配合JP600注浆机（图5）进行注浆施工。SH300钻机体积小，长3.7 m，宽1.6 m，高2.3 m。注浆试验段导洞宽2.85 m，高2.5 m，满足作业空间，钻机可以在导洞中自由行走。该钻机360 度全方位成孔，功率大，成孔效率高。JP600 注浆机配置有流量计和加压阀，可以自由控制注浆流量及注浆压力，待达到设计压力后浆液停止注入，自动回流。

图4 SH300钻机

图5 JP600注浆机及配套装置

4.3 注浆孔布置

上通道共分3 个循环，1#，2#导洞每个循环注浆孔参数见表1。第1 循环注浆设计见图6 和图7。其余2个循环注浆孔布置类似。

表1 上通道的1#,2#导洞注浆孔参数

图6 1#，2#导洞第1循环注浆孔布置（单位：m）

图7 1#，2#导洞第1循环深孔注浆纵剖面示意（单位：m）

S1 通道1#，2#导洞开挖完毕后，向下进行竖向注浆，如图8 所示。临近既有线一侧注浆管与其结构边线距离500 mm，严格控制临近既有线一侧的注浆压力，防止串浆。

图8 下导洞注浆示意（单位：m）

4.4 注浆压力控制

由于S1通道注浆试验段覆土深度仅6 m，为确保通道上方的道路沉降不超标，注浆压力控制在0.5 MPa之内。在注浆管路末端添加压力装置，通过调节注浆机泄压回流装置控制注浆压力。开泵前旋转压力调节旋钮将油压调在要求的表刻度上。随注浆阻力的增大，泵压随之升高。当达到调定值时，自动泄压回流，保证注浆终压不高于0.5 MPa。

5 注浆效果检验

第1 循环：施工时间为2020年11月4日—2020年12月3日，注浆长度为6.2 m，开挖4.2 m，打孔380孔。开挖过程中未发生涌水、涌砂现象，掌子面情况如图9所示。

图9 第1循环注浆开挖结束后掌子面情况

第2循环：施工时间为2020年12月31日—2021年1月11日，注浆长度为7 m，开挖5 m，打孔350 孔。开挖过程中未发生涌水、涌砂现象，掌子面情况如图10所示。

图10 第2循环注浆开挖结束后掌子面情况

第1，第2 循环注浆结束后，开挖揭露的掌子面情况表明采用超细水泥-水玻璃浆液注浆加固效果良好。

6 结论

通过对北京地铁14 号线高家园站与外挂站厅之间的S1联络通道前期注浆存在的问题进行原因分析，提出了超细水泥-水玻璃浆液的注浆止水方案，详细给出了注浆参数、单孔注浆量、注浆孔布置、注浆流量和压力的可调可控措施，并应用于该工程。主要结论如下：

1）对于富水粉细砂地层，由于普通硅酸盐水泥颗粒粒径大于粉细砂颗粒间缝隙，普通水泥-水玻璃浆液无法有效渗进地层，难以在控制注浆隆起的同时起到加固止水效果。

2）推荐超细水泥浆液的材料配合比∶水与超细水泥质量比1∶1，水玻璃稀释后波美度为20，缓凝剂磷酸二氢钠掺量为水泥质量的2.5%。

3）注浆后开挖揭露的掌子面特征表明，超细水泥-水玻璃浆液注浆取得了良好的止水效果，可为浅埋富水致密粉细砂地层暗挖隧道工程提供参考。