劈裂注浆是目前应用较广的一种软弱土层加固方法,它既可应用于渗透性较好的砂层,又可应用于渗透性差的粘性土层。劈裂注浆采用高压注浆工艺,将水泥或化学浆液等注入土层,以改善土层性质,在注浆过程中,注浆管出口的浆液对周围地层施加了附加压应力,使土体发生剪切裂缝,而浆液则沿着裂缝从土体强度低的地方向强度高的地方劈裂,劈入土体中的浆体便形成了加固土体的网络或骨架。由于浆液在劈入土层过程中并不是与土颗粒均匀混合,而是呈两相各自存在,所以从土的微观结构分析,土除受到部分的压密作用外,其他物理力学性能的变化并不明显,故其加固效果应从宏观上来分析,即应考虑土体的骨架效应。
实践表明,对于软—流塑粘土地层,由于地层透水性差,有时渗透注浆或压密注浆都难以达到理想效果,而劈裂注浆可利用其液压在地层中产生劈裂孔隙,改善地层的可注性,从而达到注浆加固的要求。
1 工程概况
南京地铁南北线一期工程珠江路站—鼓楼站和鼓楼站—玄武门站两区间隧道,设计采用矿山法修建。在珠江路站北端段, 隧道穿过地层为软—流塑粉质粘土,覆土厚度约9m , 地面有2 栋7 层楼房,1 栋4 层楼房和一条 700 污水管;在玄武门站南端段,隧道穿过地层为软～ 流塑淤泥质粉质粘土,覆土厚度约8m , 地面有2 栋2 层楼房,3 栋5 层楼房和一条900 污水管。
以上两段软—流塑粉质粘土、淤泥质粉质粘土,强度低,灵敏度高,易产生蠕动现象,开挖后自稳能力极差,易坍塌,地面沉降难以控制,严重时可能发生洞内涌泥现象,使施工无法进行,因此必须对土体进行预加固。
2 施工方案
经工程调研和论证,决定采用台阶分步开挖法施工,同时采用大管棚+ 小导管超前预注浆的辅助工法(如图1 、图2 所示) 。长管棚结合小导管注浆和掌子面超前预注浆法,是在隧道拱部打设长管棚和小导管注浆,对拱部进行加固和超前支护,并对隧道掌子面的地层进行注浆改良,然后在管棚和加固拱圈的保护下进行开挖、支护与衬砌。
设计拱部150°范围设立管棚支护,注浆加固范围1. 5m , 大管棚采用长40m 的? 108 钢管,钢管打孔注浆,大管棚搭接长度3m , 环向间距0. 35m ; 短导管采用3m 长的? 32 普通水煤气管,搭接长度1. 5m , 环向间距0. 35m ; 长导管采用13m 长的
图1 图1 大管棚+ 小导管超前注浆示意图
Ⅰ—小导管超前注浆; Ⅱ—掌子面封闭注浆; Ⅲ—台阶开挖; Ⅳ 下台阶开挖; Ⅴ—大管棚支护; Ⅵ—下台阶初期支护; Ⅶ— 拱部初期支护
图2 掌子面注浆孔布置图
42PVC 劈裂注浆管,搭接长度4m , 间距0. 5m ×0. 5m ; 边墙采用中空锚管注浆。开挖台阶长度2～3m , 上台阶施工时设置临时仰拱封闭,临时仰拱采用16 工字钢,喷20cm 厚C20 混凝土,两侧各设置2 根32 、长2. 5m 的锁脚锚杆,锁脚锚杆置入角度60°; 下台阶开挖时,对上部钢架拱脚处,应采用跳槽开挖,及时支撑开挖后的拱脚。为进一步控制地表沉降,保护地面环境,在开挖及一次支护完成后,及时在其背后进行回填和固结注浆,充填由于开挖所形成空隙。对软流塑淤泥质粘土而言,本工法的关键是注浆,控制地面沉降和拱顶下沉的关键是注浆效果。
3 注浆材料隧道所通过的地层为淤泥质粉质粘土,含水量大,透水性差, 在此土层中采用劈裂注浆法加固时,不但存在土体受压后固结问题,还存在浆液本身的固结问题,浆液固结后如有多余的水份, 它在粘土内无法排出,只能靠粘土中被劈开的裂隙排出,因此采用水泥浆液或水泥粘土浆液时会造成到处跑浆现象。水泥-水玻璃双液不仅具备水泥浆的特点,而且还兼有某些化学浆液的特点,如浆液胶凝时间可在几秒至几十分钟之间准确控制,结石体抗压强度高,结石率可达98 %～100 % 等,可注性比纯水泥浆明显提高。采用水泥-水玻璃双液可克服注浆过程中的跑浆现象,有效提高固结土体早期强度,也有利于浆脉周围被挤压土体的再固结和整个地层强度的提高。
(1) 为确定合适的注浆材料及配比,对6 个不同品种的水泥-水玻璃浆液进行了室内试验,考察了浆液初凝时间、净浆立方抗压强度与水泥品种、水灰比及水玻璃加量范围的关系。室验分两个步骤进行:第一步通过对浆液凝结时间、净浆立方体抗压强度(40 ×40 ×40mm3) 与水泥品种关系的研究,选出两种合适的浆材;第二步对选出的两种浆材,通过对其与水玻璃反应特性的比较,从中选出最合适的水泥品种、水灰比及水玻璃加量范围。试验采用正交设计方法安排,用多指标综合平衡法分析试验结果。由浆材及配化实验结果可知:抗压强度的主要影响因素是水灰比,初凝时间的主要影响因素为水泥品种。试验所用材料中Hc —T(高) 、Hc —T(可) 及425 号普通水泥后期强度较高,但425 号普通水泥凝结时间较长,初期强度也低,故决定选取Hc —T 凝结时间可调超细灌浆材料和Hc —T 高强无收缩超细灌浆材料继续做进一步试验,研究水灰比及水玻璃加量对凝结时间及流动度的影响。
(2) Hc —T 高强无收缩超细灌浆材料试验结果可知:两种试验材料,随水灰比的增大,凝结时间增长,浆液流动度增大,且在试验范围内呈现线性变化;随水玻璃加量的增多,浆液初凝时间缩短,流动度减小;在水灰比相等的情况下, Hc —T 凝结时间可调超细灌浆材料与水玻璃的反应更快,且水灰比变化对凝结时间和流动性的影响更小,浆液更稳定。
经过技术经济论证,决定对不同注浆管采用不同注浆材料进行现场试验。大管棚:42. 5 级普通硅酸盐水泥-水玻璃双液, 水玻璃浓度25～35Be°,模数2. 6 , 水灰比0. 8～1. 0 , 水泥浆与水玻璃体积比1∶0. 5 。小导管和PVC 劈裂注浆管: Hc —T 凝结时间可调超细灌浆材料,水泥标号42. 5 级,水灰比0. 6～0. 8 , 水玻璃浓度25Be°左右,水玻璃加量1 %～3 % 。注浆加固压力1. 0～
1. 5MPa 。
4 注浆效果
注浆是隐蔽性工程,为保证注浆质量,应对注浆效果进行检查。通过对掌子面加固土体进行开挖,目测注浆加固范围,发现加固土体中浆脉分布明显,注浆孔周围也有明显的挤密土体。采用设计方案,顺利地通过了科研试验段的软弱土层,施工时未发生洞内涌泥现象,地面沉降和隧道周边变形也得到了有效地控制。经现场监控量测,除交叉口段地面沉降较大( > 30mm) 外,其余地段地表沉降及拱顶下沉值均≤30mm 。
通过对比试验,发现普通硅酸盐水泥-水玻璃双液凝固时间长,有时甚至出现不凝固现象,加固效果不很理想; HC —T 凝结时间可调超细注浆材料注浆效果则明显优于普通水泥-水玻璃双液,可注性好,浆液能快速凝结。
5 结束语
(1) 采用“大管棚+ 小导管超前预注浆+ 掌子面封闭注浆”劈裂注浆工法,能有效地加固软流塑地层,防止隧道开挖时发生坍塌和洞内涌泥等现象,有效控制地面沉降和隧道周边变形。
(2) 采用劈裂注浆法加固软—流塑淤泥质粘土地层,要求浆液粘稠,能快速凝固,固结体早后期强度高。通过大量的室内及现场试验,证明HC —T 凝结时间可调超细灌浆材料,当其水灰比为0. 6～0. 8 、水玻璃浓度25°Be 左右、水玻璃加量1 %～3 % 时, 符合该地层注浆加固的要求,但其造价较高。普通水泥-水玻璃浆液加固效果不及Hc —T 凝结时间可调超细灌浆材料,但造价较低,可在注浆难度相对较小时采用。
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