富水砂土地层地铁隧道注浆止水技术研究

庄心文

（福州地铁集团有限公司，福建 福州）

引言

地铁是缓解城市交通拥堵有效的基础设施之一，在地铁隧道建设过程中，会遇到各种各样复杂的地质环境，砂土地层自稳能力差、透水性强，颗粒之间黏结性差，是地铁隧道施工中常见的地层之一，尤其是在富水砂土地层，极易发生管涌、塌方等工程事故，因此有必要对富水砂土地层进行注浆止水加固[1-2]。

传统的无机注浆料在富水或者动水地质条件下容易被冲散和稀释，因此需要寻找新的注浆材料来替代转筒的无机注浆材料[3]。聚氨酯注浆料能够与水发生反应，同时与周围土体胶结在一起，从而同时达到止水和加固的目的，但由于聚氨酯配方问题，很多时候具有较强的毒性，因此无法在城市地铁隧道建设过程中大规模使用，因而需要对聚氨酯配方进行改进，制备适合城市地铁隧道的聚氨酯注浆材料。

1 注浆材料制备及性能

1.1 原材料

A 组分：多异氰酸酯，棕褐色液体，平均密度为1.23 g/cm3，平均粘度为170 mPa·s。

B 组分：包括多元醇、催化剂、扩链交联剂、和泡沫稳定剂。多元醇：聚氧化丙烯二醇，为无色油状液体，平均密度为1.19 g/cm3，平均粘度为150 mPa·s。催化剂：三乙醇胺和二月桂酸二丁基锡。扩链交联剂：乙二醇。泡沫稳定剂：二甲基硅油。

1.2 配比方案

A 组分与B 组分按照1:1 的质量比混合，在B 组分中，三乙醇胺、二月桂酸二丁基锡、乙二醇以及二甲基硅油占聚氧化丙烯二醇质量的0.3%、1.6%、0.6%和1%。按照200 g 聚氨酯注浆材料进行制备计算，各材料配合比方案见表1。

1.3 制备和反应流程

先称取聚氧化丙烯二醇、三乙醇胺、二月桂酸二丁基锡、乙二醇、二甲基硅油，用玻璃棒搅拌混合均匀，然后加入过量水制成B 组分，称取同样质量的多异氰酸酯作为A 组分，然后掺入B 组分中快速搅拌均匀，使A、B 组分充分反应并发泡膨胀，最终生成具有一定强度和刚度的固结体，详见图1。

图1 聚氨酯注浆材料制备及反应流程

1.4 基本性能参数

按照上述方法制备的聚氨酯注浆材料密度为1.205 g/cm3，平均粘度为160 mPa·s，平均凝固时间为121 s，不挥发物含量（固含量）为97.84%，发泡率为1 265%，平均抗压强度达到7.45 MPa，标准砂固结体渗透率仅为1.2×10-5cm/s，均满足《聚氨酯灌浆材料》中的各项指标要求，见表2。

表2 制备聚氨酯基本性能参数情况

虽然部分原材料有毒或者低毒性，但是当经过化学反应后，制备的聚氨酯注浆材料实际为无毒或者接近于实际无毒，由于添加剂的掺量相对很低，因此可以将注浆浆液视为无毒或者低毒材料。对砂浆固结体进行28 d 浸水试验，结果表明：砂浆固结体的平均质量损失率仅为0.45%；浸水后水中平均TDS 含量为202 mg/L，仅较试验前自来水（TDS 含量192 mg/L）增加10 mg/L，远低国家规定的<1 000 mg/L 要求；浸泡后自来水PH 值与浸泡前几乎无差别。综上分析可知：制备的聚氨酯注浆材料属于环保性方面的要求。

2 注浆止水试验概况

2.1 试验原理

试验装置由水头系统、注浆系统、砂土模型系统和检测系统四部分组成，见图2。试验步骤为：（1） 先安装砂土模型系统，并将渗压计、注浆管等埋入指定位置，并对各处进行密封处理；（2） 将进水口端朝下放置，然后将试验用砂土分层均匀装入模型筒中，每填筑10 cm 厚便夯实一次，直至将模型筒填满；（3）将进水口与水头系统相连，注浆管与注浆系统相连，渗压计与监测系统相连；（4） 按照表1 配合比方案配制浆液，并调整各种参数；（5） 向水头系统中注水，直至砂土模型中出水口有稳定水流出为止，使砂土层富水；（6） 开始注浆，当不能或者难以注入浆液时停止注浆。

图2 试验装置原理示意

2.2 试验砂土特性

试验砂土取自某地铁盾构隧道现场，粒径以0.1～20 mm 为主，砂土的颗粒级配见图3。从图3 中数据可以计算得到砂土的不均匀系数为1.92，曲率系数为0.95，属于级配不良土，经测试砂层的平均渗透系数为6.55×10-3cm/s。

图3 试验砂土颗粒级配曲线

2.3 试验方案

试验过程中，通过改变水头高度和注浆压力来探讨聚氨酯注浆材料的注浆效果，水头高度分为1 m、1.5 m 和2 m 三种，注浆压力分为100 kPa、150 kPa和200 kPa 三种，共进行3×3=9 组试验。

3 注浆止水试验结果

3.1 浆液扩散距离

不同注浆参数下浆液的扩散距离变化规律见图4。从图4 中可知：相同水头高度下，随着注浆压力的增大，逆水和顺水段的扩散距离均呈逐渐增大的变化特征；当水头高度为1 m 时，注浆压力由100 kPa 增大到200 kPa 后，逆水段和顺水扩散距离分别增加了100%和59.1%，当水头高度为1.5 m 时，注浆压力由100 kPa 增大到200 kPa 后，逆水段和顺水扩散距离分别增加了69.2%和42.3%，水头高度为2 m 时，注浆压力由100 kPa 增大到200 kPa 后，逆水段和顺水扩散距离分别增加了100%和37.9%。相同注浆压力下，逆水段扩散距离并没有随水头高度表现出规律性变化特征，而顺水段扩散距离则随水头高度的增大而逐渐增大，但是变化的幅度均不是很大，这是因为动水压力越大，浆液沿水流方向的扩散动力也就越大，可以扩散更远的距离，但是对于逆水段而言，按理会出现水头高度越大扩散距离越小的变化特征，但由于聚氨酯注浆料的特殊性，水是反应物之一，注浆料并不会因为水存在而被大量稀释和冲散，同时由于聚氨酯浆液的“二次渗透”作用，导致逆水段扩散距离随水头高度仍有增大趋势。

图4 浆液扩散距离变化规律

相同注浆参数下，顺水段扩散距离较逆水段扩散距离高出约10 cm；当注浆压力较小时，逆水段扩散距离基本相等，这是因为浆液均是先扩散到某一位置后再进行反应；而当注浆压力较大时，逆水段扩散距离有明显差异，这主要是因为浆液的扩散和反应是同时进行的，过程相对更加复杂，当浆液反应完成后，才会基本停止持续的扩散。

3.2 堵水率

不同注浆参数下浆液的堵水率变化规律见图5。从图5 中可知：相同水头高度下，随着注浆压力的升高，堵水率逐渐增大，相同注浆压力下，水头高度越高，堵水率越大，这说明随着浆液扩散距离的增大，动水更难从结石体中渗流通过，起到的堵水效果越好；当固定水头分别为1 m、1.5 m 和2.0 m 时，注浆压力从100 kPa 增大至200 kPa 后，堵水率分别增大了6.46%、5.83%、6.16%，而当固定注浆压力为100 kPa、150 kPa 和200 kPa 时，水头高度从1 m 增大至2 m后，堵水率分别增大了1.62%、1.61%和1.32%。由此可见：注浆压力对堵水率的影响程度高于水头高度。

图5 堵水率变化规律

3.3 止水时间

不同注浆参数下浆液的止水时间变化规律见图6。从图6 中可知：相同水头高度下，随着注浆压力增大，止水时间注浆缩短，相同注浆压力下，随着水头高度的增大，止水时间也逐渐缩短，即注浆压力越大、水头越高，浆液的凝固时间越短；从试验结果来讲，不同注浆参数下的凝固时间在180 s～221 s，比制备得到的聚氨酯注浆材料平均凝固时间（121 s）要长很多，这主要是因为在实际注浆过程中，A、B 组分需要在注浆泵混合室才开始混合，而且当注入砂土地层中时，由于双组分的接触面积较小，会导致浆液混合不充分，反应的输浆相对滞后，因此，砂土固结体的凝固时间也会相应延后。在实际注浆过程中，可以合理增大注浆压力，使浆液在动水作用下的运动速度加快，保证浆液与水的充分接触，从而缩短凝固时间，提高堵水止水效果。

图6 止水时间变化规律

4 结论

利用多种材料配制了一种实际无毒/低毒的聚氨酯注浆材料，并在该材料基础上，进行注浆止水试验，得出如下结论：

（1） 随着注浆压力的增大，浆液的扩散距离和堵水率注浆增大，止水时间逐渐减小；随着水头高度的增加，顺水段的扩散距离注浆增大，堵水率注浆增大，止水时间逐渐减小，由于浆液的“二次渗透”作用，逆水段的扩散距离也有增大的趋势，注浆压力对注浆效果的影响程度高于水头高度对注浆效果的影响程度。

（2） 浆液的实际注浆凝固时间要远长于实验室制备所得的平均凝固时间，在实际注浆过程中，应该适当增大注浆压力来缩短浆液凝固时间，提升注浆效果。

（3） 通过对浆液扩散距离、堵水率和止水时间等参数的监测分析可知，自配的聚氨酯浆液具备良好的堵水止水性能，能够快速对富水砂土地层进行有效封堵。