瞬结性双液注浆工艺开发与试验

胡炜 汤武

上海建工（浙江）水利水电建设有限公司 上海 200082

注浆法已成为地基加固中的一种广泛使用的方法，对于大面积提高地基土承载力，减少地基的沉降和不均匀沉降，具有明显的作用，在道路工程、地下公路有着广泛应用。但传统注浆法存在浆液凝结时间长、填充欠均匀等缺点，制约了其土体加固效果[1-2]。

瞬结性双液注浆法则能较好地满足这一要求，浆液主剂（A液）与促凝剂（B液）分两路同时注入，经过特殊设计的先端装置将两路浆液汇合在注浆管外部，注入地基土壤中，达到瞬结的目的，钻机旋转能较好地将液体均匀地注入土的间隙中。

1 注浆材料选择

从原材料来源，材料对人体、环境的安全性方面考虑，采用水泥—水玻璃类浆材较为合适，它不仅具有水泥浆的全部优点，而且兼有化学浆液的一些特点，例如胶凝时间可以从几十秒到几十分钟内任意调节，灌注后结石率可达100%，可灌性比纯水泥浆有明显提高[3]。它除在基岩裂隙的较大含水层中使用外，还能在中、粗砂层中渗透灌注[4]。

经过瞬结性双液注浆专题试验，其成果如下：水泥浆液水灰比为(0.6～0.75):1，水玻璃浓度37～40°Be′，水玻璃体积比水泥浆体积=0.32:1，在常温下，胶凝时间在30～60秒之间，且结石体有一定的强度。

水泥浆制作时发现水泥浆静置时易离析沉淀，克服的办法是加入占水泥重量10～20%的膨润土或CMC(羧甲基纤维素)＜5%，可以降低水泥颗粒表面的吸附力，阻止沉淀。

针对水玻璃与水泥浆反应而生成NaOH的碱性问题，在水泥浆中加入一定量的硼砂，一方面可以中和碱性，另一方面也可以增加结石体的交联程度，提高强度，因为硼砂中硼酸能交联成网状结构。

2 注浆设备研制

设备系统如图1所示，由制浆设备、泵源、钻机成孔设备、管路系统、特殊先端装置组成。

图1 瞬结性双液注浆工艺设备系统图

（1）制浆设备

制浆设备由搅拌机和贮浆筒组成，制取符合材料试验要求的浆液。

（2）泵源

泵源由二台SYB50/50型注浆泵、双泵联动机构、流量压力监测系统组成。

①双泵联动机构：为保证A液(主剂)、B液(助剂)同时注入管路系统，始终保持按规定配比混合，须设计双泵同步联动机构，由A泵反馈夹板带动A泵换向阀阀芯杆切换的同时，经过联动机构，带动B泵换向阀阀芯杆切换，保持两液同步注出；联动机构设计成四连杆机构，保证双泵阀芯杆轴线平行，运动自如。

②流量压力监测系统：目前，关于建材浆液的流量精确监测缺少必要的设备，即使有，性能也很不稳定，因此，考虑间接监测浆体流量，就SYB50/50型液压注浆泵而言，液压油流量Q1与浆液流量Q2关系为：

图2 液压油流量与浆液流量转换关图

柱塞移动速度V=Q1/πd12/4= Q2/πD2/4，其中，Q2= D2Q1/d12=ψQ1。

当d1=40mm，当D=75mm时，ψ=3.516；当D=95mm时，ψ=5.641；

因此，通过液压油流量Q1的监测，即可推算出浆液流量Q2；两液配比可经过Q1读数控制调节；关于压力监测，可在出浆口直接监测浆液压力值。

（3）钻机

钻机采用SGZ--ⅡA型钻机，最低转速约20转每分钟，回转扭矩约2KN.m，用立轴油缸上下提升钻孔。

（4）管路系统

（5）先端装置

对该装置的要求：

①在注浆管埋设时，先端装置底部冲水，切削齿切削土壤钻孔下沉；

②在B腔冲水有压力时，自动关闭A腔钻头底部冲水通道，打开侧向注水通道；

③注浆管达到设计深度后，将A、B两液同步注入，确保两液按规定配比充分混合于侧向合流部，注入土中，回转提升；

根据这三点要求，先端装置的结构设计成如图3所示。

图3 先端装置结构图

结构原理说明：在注浆管下沉埋设时，A腔通压力水，B腔空，切换阀芯在压力水作用下上抬，切断侧向出浆口位置，推开逆止阀芯，底部冲水钻孔；钻孔完毕注浆管埋设到位后，停止供水，切换阀芯在自重作用下，自动接通两个出浆口，通过钻杆旋转，将A、B两液按供浆配比充分混合于注浆管外部合流部注入土中，为防止在注浆过程中，浆液从底部注回管内，重新抬起切换阀芯，因此必须设置逆止阀芯。

3 注浆工艺设计

3.1 工艺流程

瞬结性双液注浆工艺流程步骤如图4所示。

图4 瞬结性双液注浆工艺流程图

第一步：钻机冲水钻孔下沉，注浆管埋设作业；

第二步：钻头到达设计深度，送液开始，浆液填充注浆管与土壤间微小间隙，节流间隙形成；

第三步：双液注入作业，压力上升，浆液注入土中，钻杆缓慢提升；

第四步：钻头达到桩顶标高，注浆作业终了，注浆管回收清洗，孔埋作业，移机到下一个孔位。

3.2 工艺特点分析

（1）双液注浆送液开始，浆液先沿着注浆管与土壤间小间隙流动，由于浆液的瞬结性，流动一小段距离后，生成凝胶，与回转的注浆管外壁形成细小的节流间隙，能有效地防止浆液继续往上冒出，促使浆液向土壤中渗透；

（2）注浆作业过程中，先注出的浆液在注浆口形成球状体，后注出浆体压力升高，促使球体破碎分裂产生缝隙，浆液沿如图5所示渗透途径曲线方向流动，更多的小球体生成，形成链式反应。

图5 瞬结性浆液渗透状态模式图

3 现场试验

以某道路加固工程为例，组织现场工艺试验。

3.1 试验孔布置与土层分布

现场试验孔布置4孔K1～4，离XC13地质勘探孔5m，孔深自地面下20m。

3.2 施工步骤与控制参数

（1）浆液拌制：按材料试验参数，拌制浆液与调制水玻璃溶液，测浆液比重与水玻璃玻美度；

（2）钻头调试：连接供浆管，安装钻杆钻头，钻机就位；调试钻头切换阀芯动作，A腔打水，钻头底部出水，A腔、B腔同时打水，钻头侧向合流部出水，底部截流，若达不到这一要求，须清理钻头阀芯与阀腔；

（3）下钻成孔：A腔供水，打开钻头切换阀芯，观察钻头底部出水，钻机下钻成孔；

（4）钻头深度达到试验深度，A腔、B腔按试验配比同时供浆，施工参数控制如下：

钻杆回转速度25rpm，A液供浆流量40L/min，钻杆提升速度400mm/min；

（5）拔出钻杆，清理钻头，移机到下一个孔位。

3.3 试验数据整理

每根桩材料使用量：水泥浆液1.8m3，水玻璃576L；

注浆压力最高达到1.2MPa，钻杆扭矩较大。

4 施工时间及劳动力安排

按照上述的施工步骤与控制参数，进行现场试验，钻杆回转提升至离地面2m开始冒浆，停止注浆，拔出钻杆，施工时间统计如表1所示。

表1 K1孔施工时间统计表

劳动力安排：班长1人，拌浆3人，开泵工1人，司钻工1人，电工1人，机修工1人，共计8人，不包括管理人员。

5 试验效果检测分析

四个试验孔注浆加固后，经过一周养护，在加固体中间取2个孔进行静力触探检测，中间孔JL1和离K2孔300mm的JL2孔，通过比贯入阻力Ps值的变化，验证加固效果[1]，Ps值变化如表2所示。

表2 比贯入阻力Ps对比表

从比贯入阻力Ps值变化可知：JL1孔比原状土略有增加，可理解为土体中土压力未及时释放和浆液的局部渗透；JL2孔比贯入阻力增加明显，不同土层中差值缩小，加固效果显著，说明加固范围直径在600mm以上。

6 结论

瞬结性双液注浆工艺开发，经现场试验和效果检测，土体改良效果明显，总结如下：

（1）钻头—先端装置关键是切换阀芯的设计与制造，要按工艺要求启闭；

（2）双泵联动机构使A、B两液同步注出，双液配比须调节双泵液压油流量；