论改性水玻璃在加固粉-细沙层中的应用

　　内容提要：介绍了改性水玻璃在地层加固中的浆液配制及注浆工艺，对注浆效果进行了总结比较，并对影响加固效果的因素进行了分析。
　　关键词：改性水玻璃，地层，加固，应用
　　1工程概况及地质条件
　　本工程位于沈阳市沈河区，为一、二号线的十字交叉换乘车站，一号线车站沿十一纬路、大西路呈东西向布置(长210m)，二号线车站沿青年大街站南北向布置(长140m)。二号线在上采用侧式站台、一号线在下采用岛式站台，青年大街的附属工程较多，共十九个，设四个出入口通道、四个风道、四个换乘通道、七个疏散通道。布局复杂，车站规模大；青年大街站车站主体均为暗挖施工。拟建场地范围内的地层结构为第四系全新统人工填土层、第四系全新统浑河高漫滩及古河道冲积层、第四系全新统浑河新扇冲洪积层。地层结构组成为：杂填土、粉质粘土、粉-细砂、中-粗砂、砾砂、圆砾，围岩类别为Ⅰ-Ⅱ类。车站的结构顶部位于粉-细砂层，结构穿越粉-细砂、中-粗砂、砾砂、圆砾层，稳定性低，开挖中易发生坍塌，无法形成自然应力拱。为保证施工安全、工程质量和施工工期要求，经理论论证和施工中试验调整，总结出采用改性水玻璃注浆加固地层的一套工艺。
　　2注浆浆液施工配合比选定
　　2.1配合比设计理论依据：
　　水玻璃（Na2SiO３•2H2O）溶液与稀硫酸溶液混合后，生成含有H2SiO3•2H2O和Na2SO4的混合液，化学反应式为：Na2SiO３•2H2O+H2SO4（稀）=H2SiO3•2H2O+Na2SO4。浆液在压力作用下并依靠自身扩散性渗透到超前小导管周围的地层中，水分挥发后形成H2SiO3•2H2O胶体和Na2SO4晶体，将注浆扩散范围内松散的砂土颗粒胶结在一起。对隧道拱部打设的小导管注浆后，在隧道拱顶开挖轮廓外形成具有一定强度的胶结层，保证了隧道开挖的安全和较好的控制了开挖轮廓。
　　2.2原材料选择：
　　硫酸：浓度98％工业硫酸
　　水玻璃：40波美度工业水玻璃
　　水：饮用水
　　施工配合比（体积比）水：硫酸：水玻璃=12：1：1
　　2.3浆液配置：
　　⑴浓硫酸稀释：将浓硫酸按配合比稀释至设计浓度10％；
　　⑵水玻璃稀释：将水玻璃按配合比稀释至设计浓度（20波美度）；
　　⑶混合配置浆液：将稀释好的水玻璃缓缓加入到硫酸中，边加边搅拌，防止因局部水玻璃浓度过大结块。
　　3施工工艺
　　3.1注浆机具设计及应用
　　根据改性水玻璃注浆工艺要求，设计加工了注浆工具--牛角泵（如下图示），经试压检验后投入使用。其他辅助工具还有：500L塑料容器（3个），搅拌棒，高压风管等。

注浆机具设计及应用
　　3.2工艺流程
　　⑴地层加固的注浆工艺流程为：

地层加固的注浆工艺流程
　　注浆工艺中的几个重要环节：
　　①稀硫酸溶液配制过程中，注意佩带防护用具，严禁将水加入到浓硫酸中。
　　②将水玻璃加入稀硫酸中应缓慢加入并不断搅拌，防止局部H2SiO3•2H2O浓度过大产生絮状沉淀。
　　③加入注浆液前应先送风，检验机具气密性，同时将超前小导管中的砂土排除。
　　④打开风压阀门实施注浆时，最好采用二次送风（间隔3-5min），可以将浆液压入导管中排出管中气体，并让浆液有一定的扩散时间。
　　⑵采用改性水玻璃对地层进行加固，能收到以下较好效果（与水泥-水玻璃双液浆相比较）：
　　①工艺简单，可操作性强：采用水泥水玻璃双液浆作为注浆材料，是选用持续压力注浆，注浆过程需要持续稳定压力才能保证浆液扩散效果，达到预期加固目的，因此需要用喷射混凝土对掌子面进行封闭处理，并且下一循环施工时需对喷射混凝土层进行破除，浪费了工时，降低了作业效率。而改性水玻璃浆液注入到超前小导管后，依靠浆液自身的渗透性扩散到超前小导管周围的砂层中，从而达到地层加固的效果，施工不需要长时间持续压力，也不需要大面积封闭掌子面，操作简单。
　　②浆液扩散范围大，加固效果好。改性水玻璃是均一稳定的溶液，除浆液配制过程中产生的极少量絮状H2SiO3•2H2O外，其他成分为Na2SO4和H2SiO3的溶液，同时大量的SO42-减短了硅氧四面体（-SiO32--）的链状结构，降低了水玻璃的黏度，比含有水泥颗粒的悬浊液性质的水泥-水玻璃双液浆具有更强的渗透性，因而扩散范围更大，在中粗砂层中的扩散半径可达20厘米，较好的控制了拱顶砂层的滑落、坍塌。
　　③省时节料，经济效果明显：采用改性水玻璃注浆工艺从打设超前小导管到注浆结束的正常耗时30-40min，而水泥--水玻璃注浆工序则需要90-110min，每个工作循环可节省工时1个小时。同时，经计算分析，在该工程隧道施工中采用改性水玻璃注浆工艺，仅从提高注浆效果控制超挖超喷和节省封闭掌子面两方面就可以节约C20喷射混凝土600多立方，节约成本55万余元。
　　3.3注浆顺序
　　注浆顺序采取间隔注单号孔，然后注双号孔，这样有效地形成挤压、密实作用，达到注浆目的。
　　3.3人员配置
　　钻孔人员必须作好现场钻孔记录，取得第一手地质资料，以便注浆技术人员根据地质资料及时调整注浆参数。注浆记录人员必须把当班的记录及时整理。劳动力具体分工如表4所示。在施工中应各司其职，认真负责，相互协作，互相监督。
　　

劳动力组织表

　　3.4注浆效果检查
　　注浆结束后，必须进行注浆效果检查。其方法主要有以下几种方法。
　　3.4.1分析法
　　注浆过程中P-q-t曲线，通过对钻孔、注浆记录进行整理，分析每个孔段的注浆压力和注浆速度，以及串浆情况，找出可能出现的薄弱部位。
　　3.4.2钻检查孔法
　　根据注浆记录，在注浆最薄弱的部位确定检查孔。对检查孔进行钻孔检查，检查孔无涌水、涌砂。对检查孔进行注水试验，通过测试其渗透系数综合评价。
　　3.4.3开挖后取样
　　开挖后对揭露的注浆固结体取样，观察其注浆效果，必要时测试其力学指标。
　　4注浆加固效果影响因素分析
　　应用改性水玻璃注浆加固地层在沈阳地铁工程中的应用取得了较好的效果，基本达到了工艺简单、省时省力、节约降造的效果。同时，采用改性水玻璃注浆加固地层的工艺有一些不完善之处，一是注浆胶结体的强度低，该工艺原理是依靠H2SO4和Na2SiO3反应产生的H2SiO3•2H2O胶体和Na2SO4晶体填充在砂层空隙中，形成胶结体，其强度远远低于水泥水化产生的水化硅酸钙和氢氧化钙胶结体的强度，因此该浆液的胶结体在外力作用下易被破坏。二是适用范围小，采用改性水玻璃加固地层只适合细度模数不大于3.2的干燥砂层。为保证注浆加固效果，砂粒越粗空隙率越大，对注浆材料的填充和胶结能力要求也越高，但对胶结强度一定的改性水玻璃而言，胶结体中的空隙和缺陷会因砂层孔隙率增加而变大，导致强度降低，以至不能满足施工中的加固要求。同时砂层中含水过高时，浆液中的游离水不能挥发而形成Na2SO4晶体和H2SiO3•2H2O胶体，达不到加固目的。这些缺点在今后的施工中将通过试验逐步解决，使得该工艺更成熟，更能为工程施工发挥作用。
　　5结束语
　　随着地下工程技术日新月异的进展，越来越多的工程实践证明：注浆工法的应用，在工程地质和水文地质较复杂的地下工程中，已经成为保证工程质量和安全的经济而有效的新型技术。注浆技术的积极应用在沈阳地铁一号线11标青年大街车站施工的顺利完成过程中起到了关键性的作用，通过施工过程中改性水玻璃的应用，使我们更充分的认识到注浆是地下工程施工中不可缺少的环节，在进行注浆施工前，需要认真分析在不同地质条件下浆液的作用和扩散范围，注浆量及注浆压力，采取针对性的措施，注意施工细节，这样才能取得理想的效果。
　　参考文献：
　　[1]草野一人，地基加固和防水药液注浆设计施工手册，中国铁道出版社，1983年
　　[2]沈阳地铁一号线11标施工设计
　　