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1、隧道注浆材料的种类与选择 范国忠 (铁道部第五工程局) 【提 要】本文简述了国内外注装材抖的发展概况 , . 并就隧道 施工中如 何选 用注装材料提 出了看法 。 注浆技术在解决隧道工程有关技术难题 中 , 已显示其卓越的效能 。 在隧道施工中 , 对 地质不良段预防与整治坍 方 、 堵水 、 加 固 围 岩 、 防止变形等用常规方法难以奏效的复杂工 程问题 , 注浆发挥着巨大的作用 。 隧道注浆材料是关系到注浆成败的关键之 一 , 它直接影响到注浆成本 、 注浆效果 、 注浆 工艺等一系列问题 。 因此 , 本文就隧道 注浆材 料的种类与选择进行概述与探讨 , 以期有助于 隧道注浆技术进一步
2、开拓与发展 。 一 、 注浆材抖发展简况 1802年法国人萨贝里压注粘土和石灰浆液 加固地层 。 1 8 8 7年德国人提琴斯采用水泥浆防 止岩层裂隙漏水取得成功 。 1887年德国人佐斯 基发明水玻璃 、 氯化钙注浆材料 。 1 9 24年日本 旧丹那铁路隧道施工中 , 为突破断层破碎带 , 采用水泥与水玻璃双液加固地层与堵水 。 近3 0多年来 , 有机高分 子注浆材料迅速发 展 , 相继研制了木质素类 、 脉醛树脂类 、 丙烯 酸盐类 、 聚氨醋类 、 环氧树脂类 、 聚 醋 树 脂 类 、 聚乙烯醇类 、 酚醛树脂类等有机高分子注 浆材料 。 这类浆材特点是有优异的渗透能力 、 固结性
3、能 、 防溶性能及凝胶时间的可调性能 , 使它成为解决水泥悬浮液 、 水玻璃系浆材无法 解决的工程疑难问题必不可少的 主要材料 。 但 是在7 0年代中期发现化学浆液(如丙凝)引起 了环境污染事故后 , 使化学浆材的研制与应用 曾一度跌入低潮 。 此时 , 水玻璃类的无毒化学 浆材得到大力发展 , 对固化剂进行了大量的研 制 。 水玻璃品种多达五六十种 。 近1 0年l虽然 未开发研制出新型高分子化学浆材 , 但是对原 有高分子浆材进行了许多卓有成效的改进 , 推 出了一些低毒 、 无毒 、 高效能的改进型高分子 化学浆材 , 如新的聚丙烯酞胺 、 丙烯酸盐 , 以 及没有酚与甲醛溶 出的腮醛
4、树脂等浆材 。 目前各国均在研制可灌性好 、 固结强度 高 、 胶凝时间易于调控 、 材料来源广泛和毒性 小的化学注浆材料 。 我国注浆材料的使用 , 也只有4 0年的 历 史 。 5 0年代初注浆材料多为纯水泥 , 水玻瑞浆 材也开始使用 。 5 0年代中期注浆材料由单液向 双液 、 由水泥浆材向化学浆材遂步发展 。 我国 煤炭 、 建筑 、 水电 、 冶金等部门 , 对土体化学 注浆加固工作 , 开展较早 , 积累 经验较多 。 1 9 5 9年国家三峡大型水利枢纽工程坝基注浆固 结科研工作 , 对化学注浆材料开始进行了大蛋 研制与开发 。 6 0年代 , 对化学注浆研究应用与 注浆材料的
5、研制才有一个飞跃的发展 。 1965年 以来 , 在铁路 、 水利等工程中应用了多种化学 浆材 , 并取得较好的效果 。 此时 , 注浆材料除 大量采用水泥 和水玻璃浆材外 , 生产并试用了 多种化学注浆材料 , 如甲凝 、 丙凝 、 氛凝 、 木 胺 、 改性环氧 、 弹性环氧 、 弹性聚氨醋等近2 0 余种 。 特别是198 7年中国科学院广州化学研究 所研制的中化一7 9 8浆材 , 为吠喃一环氧 体系 系列 , 填补了高渗透性注浆材料的空白 , 而且 固结强度令人十分满意 , 这种浆材的研究达到 国际先进水平 。 入下 r . r . s e 二 、 隧道注装材朴发展简况 令 我国铁路
6、工程1953年就使用水玻瑞浆材加 一15一 固地墓 。 5 0年代以来一直使用水泥砂浆与纯水 泥浆进行隧道衬砌与围岩间的充填加固 。 1 9 65 年 6 月国家科委组织专家对铁河隧道进行丙烯 酞胺注浆的科学试验 , 并获得成功 。 1966年2 月 编印了梅花山隧道化学注浆堵水技术小结 。 6 0 年代建成昆线隧道化学注浆有较大的发展 。 如 塔足古隧道 , 在衬砌施工前压注丙烯酞胺化学 浆液堵水,沙木拉打 、 塔足古 、 鸭子池 等 隧 道 , 在衬砌后的部分漏水严重地段 , 进行了压 注丙烯酞胺浆液堵水 。 7 0年代在整治隧道水害 方面 , 采用了多种浆材 , 如秦岭隧道 、 梅福线
7、26号隧道 、 宝成线2 2号隧道 、 马河口隧道 、 3 5 号隧道等均采用 “氛凝” 化学浆液堵水,沙木 拉打隧道采用水泥一水玻璃双液注浆成功地将 原拱部 “水帘洞” 漏水全部封堵 。 8 0年代在修 建大瑶山 、 南岭 、 军都山 、 花果山等双线长大 隧道施工中 , 注浆技术得到充分运用和发展 , 如加固断层破碎带 、 整治隧道突泥 涌水与地下 泥石流 、 防止地表水泄漏与沉陷等 , 均取得较 好的效果 , 所采用的均为水泥一水玻璃浆材 。 在修建北京地铁复兴门折返线时也采用水泥一 水玻璃浆液劈裂注浆固结砂土层 , 同时用丙烯 酸盐砂浆 (ATM)对11 00余米长的6 0余条裂 缝成
8、功地注浆封堵 , 防水效果良好 。 在修建北 京地铁复八线时 , 洞顶粉砂层 的注浆加固 , 首 次采用改性硅酸系浆材一酸性水玻璃单液注浆 获得成功 , 该法工艺简单 、 效果好 、 造价低 , 加快了工程进度 。 三 、 注浆材抖的分类 注浆浆材目前种类数以百计 , 大致可分三 大类 : 1 . 水玻璃类 这是注浆中较早使用的一种材料 , 其来源 丰富 , 价格低廉 , 目前仍然是使用最广的注浆 材料 。 一般又可分三种类别 : (1)悬浊型水 玻璐系 , 如水泥与水玻璃双 液 , 也 称 “C S, 双液 , (2)水玻璃与无机物(抓化钙 、 铝酸 钠 、 磷酸 、 硫酸 、 膨胀土等)组
9、合的溶液型桨 液 , 其价格低 、 材料易得 、 胶凝体强度较高 , 胶凝时间可控 , (3)水 玻璃与有机物组合的 溶液型浆材 , 有机物为乙二醛 、 醋酸 、 碳酸乙 烯 、 二甲基乙二酸等 。 利用有机物作固化剂 , 其特点是浆液胶凝体稳定 , 胶凝时间与强度容 昌控制 。 水泥一水玻璃浆材具有速凝 、 强度较高 、 成本低 、 工艺简单等优点 , 并随着劈裂注浆机 理的研究 , 仍然 是处理软弱地层与细颗粒土层 注浆材料的支柱 。 2 . 有机高分子化学注浆材料 有机高分子化学注浆材料有 : 木质素类 、 J 腺醛树脂类 、 丙烯酸盐类 、 聚氨醋类 、 环氧树 脂类 、 聚酷树脂类
10、、 聚乙烯醉 类 、 酚醛 树脂 类 , 以及对原有高分子浆材的改进性系列浆 材 。 在研究发展中 , 除注浆浆材的可灌性 、 防 溶性及胶凝强度外 , 重点注意耐久性与毒性的 研究 。 耐久性从微观结构上研究胶凝体的化学 链是否稳定; 从宏观上研究胶凝体在各种环境 条件中的变化 ; 至于毒性的研究应对浆材与胶 凝体进行文献考证 、 基因分析与实测试验 , 从 施工工艺上研究预防环境污染和操作人员中毒 的措施 。 3 . 有机高分子复合化学注浆材料 为了获得单一有机高分子浆材不能实现的 性能与降低造价 , 需研究开发下列二种有机高 分子复合化学注浆材料 。 聚合物一水玻璃浆材 , 复合后浆材粘
11、度增 加 , 可灌性有所下降 , 但凝胶时间能精 确控 制 , 成本可降低 。 聚合物 水泥浆材 , 是国内外注意研究 开发的复合浆材 , 其研究与应用在迅速发展 。 四 、 隧道工程注浆材料的选用 注浆技术在隧道施工中 , 已经发挥其重要 作用 , 并且是一种很有潜力的施工方法 , 对隧 道软弱围岩加固 、 防渗堵漏具有独特的效能 。 该技术工期短 、 效果好 、 费用低 、 施工时不受 一飞6一 f 场地限制 , 洞内外均可进行 , 并基本上做到了 对环境无污染 。 对于注浆 , 重要的在于设备 、浆液 及工艺参 数等方面开展研究 , 并根据不同条件形成体系 。 在隧道施工中如何选用注浆材
12、料 , 有如下 几点看法 , 1 . 评价与选用浆材总的原则是需要从工 程要求 、 地质条件 、 浆材性能 、 注浆工艺及成 本等因素综合考虑 , 根据需要与可能 , 选择适 宜浆材 , 使之达到理想的技术经济指标 。 2 . 大力开发水泥浆材 。 水泥浆材具有结 石体强度高 、 价廉 、 、 料源广 、 注浆设备及工艺 简单等优点 , 因而水泥浆应是隧道注浆的基本 浆材 。 尤其是劈裂注浆技术开发后 , 不仅适用 于地层岩溶裂隙 、 粗砂砾石层 中预注浆 , 也适 用于细顺粒粘土劈裂加固注浆 。 为了提高普通水泥浆渗透注浆功效 , 水电 部门研制出 “CZ” 型超细水泥 、 灌浆水泥 、 改
13、性水泥等新的注浆水泥品种 。 它是以普通水 泥为主 , 添加少量调节剂 、 膨胀剂 、 塑化刑 、 固化剂等 , 并进一步将水泥磨细而成 , 是渗透 注浆的较好浆材 。 如系较大溶裂或空洞 , 则应根据实际情况 掺入不同粒径的填充料 。 3 . 水泥 水玻璃浆材 。 除结石体具有 较高强度外 , 胶凝时间容易调控 , 适用于隧道 涌水突泥封堵及岩溶流塑粒土 的劈裂固结 。 另 有料源广 、 价格低 、 毒性小的特点 , 是隧道施 工中主要注浆浆材 。 目前市售水玻璃均呈强碱性 , 水泥一水 淤昭喇昭叼喇昭喇叼回叼 喇、 矍轻便式测铁探伤器纂 j 民 户 、碑离离离内风八离 科阔离尹 使用磁力探
14、伤车在线路上二次 检 查钢轨 时 发 生的信号往往不准 。 目前 多使用移动式超声 波探伤器 。 在探刚内部缺陷方面 , 己共 有较 高 的灵教度 , 但在冬季气温下降时使 用困难 。 文中 介绍全苏铁路运愉 研完院乌拉尔分院 研制的二 次检查用 的 移动式轻便型刚铁探伤器 。 它利用 玻璃浆液凝胶体的耐久性是共同关注的问题 。 根据大量试验资料证明 , 试件在静水与动水养 生条件下 , 半年之内强度是增加的 , 一年之内 其强度略有降低 , 因此 , 做为隧道施工的临时 支护是能满足要求的 。 酸性水玻璃是将水玻瑞除去碱性 , 使其在 酸性或中性介质中凝胶 , 生成的硅酸胶体不溶 于水 ,
15、固砂率高 。 因此 , 有较高的耐水稳定性 能 。 在潮湿地层中可看作是一种永久性的浆 材 。 北京地铁施工中就采用了酸性水玻璃浆材 。 酸性水玻璃可在现场配制 , 即市售核性水 玻璃稀释与稀硫酸风动搅拌 , 配制而成PH = 3 、 4 的酸性水玻璃 。 注浆时可渗透至粉砂地 层 , 若单液直接注入地层 , 借助地层中的碳酸 钙(1、2%含量)作固化剂可使浆液固化 。 徽 性水玻璃浆材的开发与应用 , 在隧道软弱围岩 和细颗粒粘土层注浆施工中有广阔的前景 。 4 . 在地质条件极其复杂地段 , 用上述浆 材不能奏效时 , 可采用有机高分子浆材 。 应结 合隧道特点 , 选用低毒或无毒 、 胶
16、凝 时间可 控 、 强度能满足施工要求 、 造价低的浆材 。 应 首先选用有机高分子复合浆材 , 如铁道部科学 研究院研制的 “A T M ” 浆材和国内地下工 程 成功应用的其它种类的有机高分子复合浆材 。 5 . 加强注浆材料的科技情报交流 , 广泛 了解收集国内外注浆材料的发展动态 , “它 山 之石 , 可以攻玉 ” 。 组织与加强注浆技术 、 注 浆材料的科研活动 , 并紧密地与隧道注浆施工 配合 , 在生产实践中不断总结与提高 。 (责任审编 余存齐) 二= = = 留写= = = = = = = = = 刹余磁化原理 , 用于检查货车转 向架的铸件 。探 伤器连同电 源共重1 . 7kg , 电源 电压为6V , 工 作温度为1 0”4 0 , 所需电流不超过2 5mA 。 探 伤器本身系MP八一66型探伤器的浏铁转 换器 。 探测 器构造便于从上面 、 侧面和轨腆检查钢 执 , 容易查明第21号缺陷 。 它体积小 , 便于防 护 , 不受大气影响 。 卜砚珍 摘译自11y f、。;,y丁 e a o exo3, 益- 。ra o 1 9 91
