超细水泥-水玻璃双液浆性能及注浆止水效果试验研究

郑昊 李兆平 王子元 赵秀海

1.北京市政建设集团有限责任公司， 北京 100089； 2.北京交通大学 土木建筑工程学院， 北京 100044

1 工程概况

北京地铁14号线高家园站为单层侧式站台车站，站台层和集散厅分离布置，通过暗挖通道（S1—S3、X1—X3等）连接，见图1。

图1 暗挖通道与车站主体结构的位置关系

暗挖通道地表为万红西街，并邻近建筑物，对道路竖向位移的控制要求严格。沉降不大于30 mm，隆起不大于10 mm。

该工程S1 暗挖通道长度为30.75 m，穿越地层主要为第四系富水粉细砂层，标准段断面开挖尺寸为7.80 m × 6.00 m，抬高段断面开挖尺寸为7.80 m ×8.75 m。通道纵剖面见图2。通道采用交叉中隔壁（Cross Diaphragm，CRD）法施工，分4 个导洞开挖，上下层各2个导洞，开挖之前须深孔注浆止水加固地层。穿越富水地层时对暗挖隧道注浆止水的浆液主要有普通水泥浆液、普通水泥-水玻璃双液浆等［1-3］。本工程原设计的注浆浆液为普通水泥-水玻璃双液浆，采用该浆液对地层进行注浆止水加固，上层的2 个导洞已经开挖15.85 m，下层2个导洞未开挖。由于普通水泥颗粒粒径一般在10 ～ 20 μm，大于等于粉细砂颗粒间隙（约10 μm），浆液很难渗入，需要将注浆压力增大至1 MPa左右，迫使浆液通过劈裂方式进入地层，达到止水和加固地层的目的。由于注浆压力过大，在注浆过程中万红西街道路发生大面积隆起，且暗挖通道出现涌水、涌砂现象。

图2 S1通道纵剖面（单位：cm）

为有效控制注浆造成的地表道路隆起，提出超细水泥-水玻璃双液浆注浆止水方案。超细水泥粒径主要在7 ～ 11 μm，最小粒径在1.15 ～ 1.32 μm，粒径小于10 μm 的颗粒占比近60%，因此超细水泥能有效渗入粉细砂颗粒间隙。

目前该浆液多用于破碎岩体或裂隙发育岩体的注浆止水［4-6］，在第四纪粉细砂地层的注浆应用并不多见。本文通过试验方法研究超细水泥-水玻璃双液浆的主要性能，确定浆液的配合比，并在工程现场进行注浆止水效果试验。

2 浆液性能试验

2.1 试样制备

所采用的超细水泥-水玻璃双液浆由超细水泥浆液（A 液）、水玻璃溶液（B 液）和缓凝剂配制而成，A 液与B 液的体积比为1∶1。由于磷酸氢二钠能有效延缓水泥、水玻璃的凝胶时间［7］，选择磷酸氢二钠作为缓凝剂。为了研究配合比对浆液性能的影响，共设计0.8、1.0、1.2三组水灰比。

在每组试样中，磷酸氢二钠与超细水泥的质量比分别为0、2.5%，水玻璃波美度分别为20、30 °Bé。共组合成12 组试样，见表1。对每组试样分别测试凝胶时间、凝结时间和固结体抗压强度。

表1 试样配合比

2.2 测试方法

凝胶时间为从A、B 液混合至失去流动性的时间，其测试方法按照JC/ T 2536—2019《水泥-水玻璃灌浆材料》执行。凝胶时间一般控制在数十秒内。对于富水地层，若凝胶时间太短，浆液扩散范围有限，容易造成注浆管堵塞；若凝胶时间过长，注入到地层中后易被地下水冲刷，所以用此指标衡量浆液的流动性。

浆液凝结时间是指浆液凝结成具有一定强度的固结体所用的时间，分为初凝时间和终凝时间。浆液凝结时间按照GB/ T 1346—2011《水泥标准稠度、凝结时间、安定性检验方法》测试。

按照GB/ T 17671—2021《水泥胶砂强度检验方法》中的要求制作固结体强度试件，养护至规定龄期，测试其抗压强度。

2.3 测试结果及分析

2.3.1 凝胶时间

超细水泥-水玻璃双液浆凝胶时间随水灰比变化曲线见图3。其中：P2.5 + B20 代表所配制的浆液中磷酸氢二钠质量掺量为2.5%，水玻璃波美度为20 °Bé，其他以此类推。可知：①浆液凝胶时间随水灰比增加而增大，掺入磷酸氢二钠可明显延长浆液凝胶时间，增加浆液流动性；③磷酸氢二钠掺量相同，水玻璃波美度为30 °Bé时浆液凝胶时间比波美度为20 °Bé时短，这说明增大水玻璃波美度可以缩短浆液凝胶时间。

图3 超细水泥-水玻璃双液浆凝胶时间随水灰比变化曲线

2.3.2 凝结时间

超细水泥-水玻璃双液浆凝结时间随水灰比变化曲线见图4。可知：①浆液的初凝时间及终凝时间均随水灰比增加而增加；②水玻璃波美度为20 °Bé 时，磷酸氢二钠的掺入会缩短浆液凝结时间，而水玻璃波美度为30 °Bé 时，磷酸氢二钠的掺入会延长浆液凝结时间；③不同磷酸氢二钠掺量下，水玻璃波美度为20 °Bé 时浆液初凝、终凝时间均明显高于水玻璃波美度为30 °Bé 时，说明提高水玻璃波美度可以明显缩短浆液凝结时间。

图4 超细水泥-水玻璃双液浆凝结时间随水灰比变化曲线

2.3.3 固结体抗压强度

固结体抗压强度随龄期变化曲线见图5。其中，W/S0.8 + B20 代表所配制的浆液中水灰比为0.8，水玻璃波美度为20 °Bé，其他以此类推。可知：①不论是否掺入磷酸氢二钠，从总体上看，固结体抗压强度随龄期增长而增大。②水灰比增大会降低固结体抗压强度。水灰比相同时，水玻璃波美度为30 °Bé 时固结体抗压强度小于波美度为20 °Bé 时，表明水玻璃波美度越大，固结体抗压强度越低。③磷酸氢二钠掺量为2.5%时固结体抗压强度小于不掺磷酸氢二钠时，说明磷酸氢二钠的掺入会降低固结体抗压强度。

图5 固结体抗压强度随龄期变化曲线

2.3.4 超细水泥-水玻璃双液浆配合比确定

浆液凝胶时间是配合比设计时首先要考虑的指标。根据施工经验，浆液凝胶时间宜控制在60 ～ 90 s。有3 组配合比满足要求（参见图3），分别是：①磷酸氢二钠掺量2.5%，水玻璃波美度20 °Bé，水灰比1.0；②磷酸氢二钠掺量2.5%，水玻璃波美度20 °Bé，水灰比1.2；③磷酸氢二钠掺量2.5%，水玻璃波美度30 °Bé，水灰比1.2。

综合考虑上述3 组浆液的凝胶时间、终凝时间和固结体抗压强度，最后确定本工程超细水泥-水玻璃双液浆配合比为：A 液为超细水泥净浆，水灰比为1.0；B 液为水玻璃溶液，波美度为20 °Bé；缓凝剂为磷酸氢二钠，掺量为2.5%。A 液约占总注浆量的80%，B液与缓凝剂各占约10%。

3 超细水泥浆液中颗粒运移规律

颗粒流方法是从微观角度研究介质的力学特性，因此可以模拟土体等多孔散体介质的力学行为［8］。

为掌握超细水泥浆液在粉细砂地层中的扩散规律，给超细水泥-水玻璃双液浆注浆压力设定、注浆孔位布置等提供参考，采用颗粒离散元软件对超细水泥浆液中颗粒在粉细砂地层中的运移过程进行模拟，不考虑水玻璃和缓凝剂的作用。

3.1 微观力学参数的标定

颗粒流方法是通过不断调整模型材料中颗粒大小、级配特性、颗粒间相互作用本构模型、接触方式以及相应的微观力学参数来反映所模拟材料的宏观物理力学特性［9-10］，因此需要对计算模型的参数进行标定。标定后的地层物理力学参数和浆液微观参数分别见表2、表3。

表2 标定后地层物理力学参数

表3 超细水泥浆液微观参数

3.2 计算模型

计算模型见图6。模型长度和宽度均为6 m，共生成17033 个颗粒。通过程序可以在注浆孔处施加一个恒定的注浆压力。

图6 计算模型

3.3 计算结果分析

单个注浆孔直径为5 cm 时，不同注浆压力下粉细砂地层中压力分布见图7。其中：注浆孔处压力为设定的注浆压力；从红色到蓝色压力逐渐变小。超细水泥浆液中颗粒运移距离见表4。

表4 不同注浆压力下超细水泥浆液中颗粒运移距离

图7 不同注浆压力下粉细砂地层中压力分布

由图7 和表4 可知：颗粒运移距离随注浆压力增大而逐渐增大；在0.2 ～ 0.5 MPa 的低注浆压力下，超细水泥浆液中颗粒在粉细砂地层中的运移距离能够达到23.3 ～ 40.8 cm，表现出渗透注浆的特点。注浆压力为0.5 MPa 时，运移距离可达40.8 cm，因此注浆孔间距可取50 cm左右。

4 现场注浆试验

4.1 试验方案

采用二重管无收缩双液注浆法，在北京地铁14号线高家园站S1暗挖通道进行超细水泥-水玻璃双液浆的注浆试验。根据表3 的数值模拟计算结果，注浆压力取0.5 MPa，注浆孔直径5 cm，注浆孔间距取50 cm，呈梅花形布置。

S1 通道未开挖段断面形式有标准段和抬高段2 种，注浆范围见图8。上层1、2 号导洞采用水平后退式深孔注浆方式，下层3、4 号导洞由上层导洞垂直向下打设注浆管进行注浆。1、2号导洞未开挖段分三个循环注浆开挖，3、4号导洞分五个循环注浆开挖，每个循环留2 m止浆墙。

图8 注浆范围（单位：m）

对S1暗挖通道注浆后掌子面渗漏水情况、地表竖向位移进行了观察和监测。在2号导洞掌子面注浆固结体中取3个芯样，测试无侧限抗压强度。

4.2 试验结果分析

注浆第一个循环结束后各导洞掌子面没有出现渗漏水情况，说明超细水泥-水玻璃双液浆止水效果良好。

为反映不同浆液注浆对地表变形的影响，在两种浆液的接合部布置两个地表变形监测断面（DB1 和DB2），见图9。监测结果显示：采用普通水泥-水玻璃双液浆注浆施工过程中地表出现较大隆起，两个监测断面中间测点DB1‑2和DB2‑2的最大隆起量分别为40.19、41.16 mm；改用超细水泥-水玻璃双液浆注浆后，测点DB1‑2 和DB2‑2 最终隆起量分别降至22.11、20.87 mm，分别降低了44.99%、49.30%。

图9 地表变形测点布置

2 号导洞3 个芯样无侧限抗压强度分别为0.483、0.573、0.462 MPa，均满足不小于0.3 MPa 的设计要求。

5 结论

1）根据对12 组浆液的流动性、凝结时间、固结体强度的测试结果，提出了适用于本工程注浆止水用超细水泥-水玻璃双液浆的配合比。

2）在0.5 MPa 的注浆压力下，超细水泥浆液中颗粒在粉细砂地层中的运移距离为40.8 cm，所以注浆压力为0.5 MPa 时，注浆孔间距取50 cm，可实现浆脉的有效搭接。

3）对于富水粉细砂地层，采用超细水泥-水玻璃双液浆不但注浆止水效果良好，而且开挖面注浆固结体强度较高，有利于开挖面的稳定。