饱和砂层渗透注浆模拟实验及应用研究

崔莹，韩德强，杨帅，赵超，王新

（1.北京东方雨虹防水技术股份有限公司，北京 100044；2.中科建通工程技术有限公司，北京 100044）

0 前 言

饱和砂层是北京地区的特征地层之一，因砂层胶结程度差、强度低的特点，致使隧道在开挖过程中极易诱发涌砂、涌水、流砂等地质灾害。饱和砂层中开挖隧道是相当困难的，必须采取如地表降水、地层加固等复杂的措施来保证开挖过程的安全。北京市自2008 年明确提出施工过程中不降水或少降水。因此，在饱和砂层进行隧道开挖需采用注浆技术加固掌子面及周围的地层，提高周围地层的力学性能，使开挖断面处于无水的条件中，保证地铁隧道开挖的安全顺利进行，并减少由于开挖引起的地面沉降。

由于注浆施工存在隐蔽性和复杂性，注浆时浆液的流动和扩散机理复杂，影响注浆效果的因素较多，如地层情况、注浆工艺、注浆设备、注浆材料等[1]。为解决该问题，近年来，采用众多的模拟模型试验来对注浆因素与注浆效果之间的规律进行探索，以期通过模拟试验对注浆工艺及注浆材料进行选择[2-4]。模拟试验是基于相似性原理，将实际工程问题进行等比例缩小，实验室内制作与原型相似的模型，并借助测试仪器，得到所研究的参数及规律。采用模型试验可以系统地研究注浆过程中浆液的扩散规律与加固效果。现有的相关模型试验研究大多针对黏土地层与岩体裂隙，少有饱和砂层中的注浆模拟实验[5-7]。因此，针对饱和砂层特性进行注浆模拟实验，研究饱和砂层注浆的规律，为工程现场注浆施工提供理论依据具有重要意义。

1 实验模型与材料

1.1 实验装置

实验装置设计原则：（1）尺寸要满足在试验限定条件下浆液扩散的最大距离；（2）试验箱密封性要好，保证注浆前后不会出现漏水、漏浆的现象；（3）试验系统耐高压，其抗压能力不低于1 MPa；（4）方便拆卸组装，便于观察注浆结束后结石体的扩散情况；（5）可重复利用，能进行多次试验。

考虑试验中浆液的扩散距离和边界效应，注浆容器设置为直径0.32 m，高0.5 m 的圆柱体，圆柱体上下底面设置活动可密封盖板，方便拆装。容器侧面设置3 排、每排4 个排水孔，便于实验时对被注土体饱和以及排水情况进行模拟。排水孔内外设置快插插头，方便连接橡胶排水管。上盖中央开孔并配相同直径的注浆管，注浆管两端开口，外壁设置凹槽，通过橡胶垫与管箍固定密封于模型顶盖上。实验装置如图1所示。

图1 实验装置

1.2 注浆设备

注浆设备采用小型双液注浆机，9999 型，电机功率1.1 kW，最大流量1 L/min。该设备可注双液浆，双组份浆液在注浆枪头处混合，枪头连接数显压力表，接入注浆模拟实验容器的注浆管上。

1.3 实验砂层

砂性地层具有如下物理性质：孔隙度30%～50%，渗透系数6×10-3～6×10-2cm/s，天然密度1.6～2.2 g/cm3，相对密度2.65～2.69。试验砂样包括细砂、中粗砂、标准砂（含一定颗粒集配）以及含黏性土砂，尽量涵盖注浆工程中可能遇见的地层条件。实验用砂粒径特性参数见表1。

表1 实验用砂粒径特性参数

1.4 注浆材料

目前饱和砂层注浆治理大多采用水泥水玻璃双液浆、水泥浆等浆液，由于富水砂层渗透系数低，水泥基的颗粒型浆材注入后难以渗入孔隙中，形成劈裂的浆脉，难以达到加固止水的效果，且会对原有地层产生扰动。本文立足渗透注浆，选用新型溶液型化学浆材ES101。

ES101 是一种双组份硅基溶液型注浆材料，通过化学反应可生成大量纳米级硅胶物质，通过注浆设备注入细砂层或粉细砂层，可快速渗透，并将砂层颗粒粘结成具有较高强度的整体，提高砂层的自稳能力。ES101 注浆材料黏度低，渗透性极佳，凝胶时间可在0.17～5.0 min 内调整，固砂体强度高，砂层固结整体性和抗渗性好，可有效降低地层渗透系数1～2 个数量级，水性材料，潮湿环境下无影响，无毒环保。

磷酸水玻璃是一种工程上常用的注浆材料，其凝胶时间短，成本低廉，通常为现场配制，通过双液注浆机将双组份浆液直接注入地层中。

2 实验设计

2.1 注浆材料对渗透注浆效果的影响

为研究溶液型化学注浆材料及材料凝胶时间对渗透注浆效果的影响，按表2 设计实验。在被注体孔隙率为0.42，饱和度为0.86 条件下，对比浆液扩散形态、扩散半径以及注浆压力变化。

表2 注浆材料对注浆效果影响实验设计

2.2 排水条件对渗透注浆效果的影响

引孔排水是注浆过程中降低地层中孔隙水压力的有效方式。为研究排水条件对渗透注浆效果的影响，按照表3 设计实验。排水孔位置分别设置于模型一侧3 孔和中间4 孔，在被注体孔隙率为0.42，饱和度为0.86 条件下，对比排水量、浆液扩散形态、扩散半径及注浆压力变化。

表3 排水方式对注浆效果影响实验设计

2.3 被注土体对渗透注浆效果的影响

为研究相同注浆工艺参数条件下，被注土体土颗粒、孔隙率对注浆效果的影响，按照表4 进行实验设计。

表4 被注土体对注浆效果影响实验设计

2.4 实验流程

实验流程：（1）将配合好的砂样分层装入注浆容器内，在装罐过程中将注浆管埋入砂中；（2）对注浆容器内砂样的渗透系数、孔隙度、含水率、密度等参数进行测试；（3）向砂层中加水进行饱和；（4）封闭模型，固定注浆管，连接注浆机、压力表以及注浆管；（5）按试验要求配制浆液，搅拌均匀后通过注浆机进行注浆，注浆过程中监测注浆压力、浆液流量与注浆量；（6）注浆结束后，清洗设备和管路；（7）检查注浆扩散半径，测试固砂体的性能。

3 实验结果分析

3.1 注浆材料的影响

当被注土体孔隙率为0.42，饱和度为0.86 时，对不同凝胶时间的ES101 注浆材料进行实验，注浆量2 L，注浆时间2 min，结果如图2、图3 所示。

图2 不同凝胶时间注浆材料固结体的形态

图3 不同凝胶时间注浆材料固结体的内部形态

由图2、图3 可见，以注浆材料凝胶时间作为影响因素进行实验时，当凝胶时间大于注浆时间时，可形成较为均匀的球形固结体，固结体内部浆液渗透扩散。对比相同凝胶时间的磷酸水玻璃与ES101 注浆材料可以发现，ES101 注浆材料形成的固结体强度更高。同时，由于2 种材料初始黏度以及黏度随时间变化程度有差异，磷酸水玻璃固结体形成了多指向性的扩散形态。

3.2 排水条件的影响

当被注土体孔隙率为0.42，饱和度为0.86 时，使用凝胶时间30 s 的ES101 注浆材料进行实验，注浆量2 L，注浆时间2 min。实验过程中采取不同的排水方式，结果如图4 所示。

由图4 可以看出，在没有排水措施时，短凝的浆材在注浆后形成不规则的固结体。在排水后，原本不规则的固结体形成了相对规则的球形，且浆液优先向排水孔位置扩散。

图4 不同排水方式注浆固结体的形态

3.3 被注土体的影响

改变被注土体条件，采用凝胶时间2 min 的ES101 注浆材料进行实验，注浆量2 L，注浆时间2 min，实验结果如图5、图6 所示。

由图5、图6 可以看出，砂层中注浆均形成了球形扩散体，且砂层颗粒越大，其所形成的孔隙相应也越大，更有利于浆液进行渗透扩散。而当砂层中含有黏性土时，由于砂层中的黏性土（—般指粒径＜75 μm）粒径很小，对于砂层颗粒骨架孔隙的充填减少了浆液渗透空间，注浆后形成了劈裂固结体。

图5 不同被注土体注浆固结体的形态

图6 不同被注土体注浆固结体内部的形态

4 结 论

（1）对于饱和砂层，材料凝胶时间对注浆效果影响显著。根据模型实验情况，凝胶时间应大于注浆时间才能形成较为均匀的渗透扩散。

（2）排水条件对渗透效果作用明显。排水时形成浆液可渗透扩散，且趋向排水一侧优先扩散。在饱和砂层中注浆可适当设置排水措施辅助注浆。

（3）在不含黏性土的砂层中，注浆可形成较为均匀的球形扩散体；当砂层中含黏性土时，浆液渗透困难形成劈裂浆脉。