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1、改性水玻璃粉细砂层注浆工法隧工法90-04 在隧道和地下工程施工中,特别是在第四纪冲洪积层中修建隧道,经常遇到粉细砂层。该地层致密无胶结,无自稳能力,开挖时易坍塌,危机施工安全。普通水泥胶水玻璃浆液因颗粒太大无法注入,化学浆液料源少,价格高,并有毒性污染,碱性水玻璃浆液注浆工艺复杂,稳定性差,均不能满足地层加固和堵水的要求。采用改性水玻璃注浆,较好地解决了这一技术难题。一、工法特点 改性水玻璃即酸性水玻璃,主要是采用料源广、价格低、无污染的普通水玻璃、硫酸为主要原料,掺入少量外加剂,配制成粘度低、可靠性好、凝胶时间可控、稳定性好的浆液。该浆液通过小导管以单液方式注入粉细砂层中,浆液在地层中扩散
2、凝胶,从而把松散的砂粒固结成一个强度适中的块体。按一定的扩散半径及加固范围设计进行的注浆,在隧道周围将形成一个防坍塌、防涌水的固结圈,从而达到加固和防水的目的。二、应用范围 该工法由于材料本身粘度低、凝胶时间可控,固砂强度适中,价格便宜,特别适用于第四纪冲、洪积粉细砂层的主浆加固。三、注浆材料及其特性 (一)注浆原材料: 、水玻璃:工业品,浓度20波美度以上,模数3.13.3。 、硫 酸:工业品,浓度98%以上。也可以用电镀液(废酸)代替。 (二)浆液配制: 甲液:水玻璃浓度为1020Be; 乙液:硫酸浓度为10%20%,并加入适量的外掺剂。 浆液配比已申报专利,申报号90100275.5。
3、配浆时,将一定量的甲液倒入乙液中,搅拌均匀并测量其PH值。 (三)改性水玻璃浆液的主要性能: 比 重:1.071.11; 粘 度:25CP; 酸碱度:PH46(根据凝胶时间调整) 凝胶时间:空气中 30240min; 细砂中 530min; 固砂体单轴坑压强度:0.30.5Mpa 经试验改性水玻璃固砂体呈中性,不存在酸碱腐蚀问题。四、注浆工艺 (一)注浆设计参数; 、注浆终压:0.40.5MPa; 、浆注扩散半径(R):0.3m; 、注浆范围:隧道开挖轮廓线外1.01.5m; 、导管长度(L):3.03.5m; 、导管间距:0.40.5m; 、导管外插角:1020 、浆液注入量:按公式Q= R
4、2Ln(m)3估算;式中:R浆液扩散半径(m); n地层孔隙率; 、注浆结束标准:采用定量注浆法,每根导管注入规定浆液,每根导管都达到设计注浆结束标准,即可结束注浆。 (二)注浆工序: 、注浆工序流程图 、导管的制作安设: 小导管采用直径 32-40mm的焊接钢管制成,其加工尺寸如图二: 小导管安设采用引孔打入法。其步骤为: ()用风钻钻 50mm,深2.53.0m的孔。 ()插入导管,并用带冲击锤的风钻顶入。 ()用吹管将导管内的砂石吹出或用掏勺掏出。 ()导管周围用塑料泥封堵或在导管附近喷58cm的混凝土封闭。 、配制浆液: 配制浆液可按下列步骤进行: ()将浓水玻璃采用边加水,边搅拌,边
5、用波美计量测的办法稀释成设计浓度为甲液; ()将浓硫酸按设计加水后搅拌均匀,并加入适量的外掺剂为乙液; ()将一定量的甲液倒入乙液中,搅拌均匀,并测其PH值。 、注浆: 注浆工艺流程图如图三: ()关闭放气阀13及放浆阀9; ()将配制好的浆液通过时浆口4灌入泵体8; ()打开进气阀6,使压缩空气进入泵体; ()当泵体内压力达到0.40.5MPa时,打开出浆阀9,浆液通过科路10,孔口密封器11,导管12进入地层; ()泵体内浆液注完后,关闭进气阀6及出浆阀9,打开放气阀13,将泵体内废气放出; 、操作注意事项: ()导管打入的,要用吹管或掏勺将管内砂石吹(掏)出,以免堵塞; ()配制浆液时,
6、要注意加料顺序和速度,防止浆液结块; ()配制好的浆液,需经过滤后方可进入泵体,以防杂物堵塞管路或泵体; ()为节约注浆材料,降低工程成本,保证工程质量,注浆方式采用宣注浆,当每根导管注入量达到设计注浆量时,即可结束注浆; ()浆液应随配随用,用多少配多少。以免造成浪费; ()注浆结束后,应对注浆泵管路进行清洗,以保证下次注浆顺利进行。 ()加强劳动保护,防止浆液沾染人体。 (三)效果检查及质量评定: 注浆效果检查分施工过程中检查,结束时检查和开挖过程中检查。 注浆过程中检查主要是检查浆液凝胶时间,用现场灌砂模的办法,看浆液凝胶时间是否达到设计要求。 注浆结束时,检查注浆记录,看每孔注浆量是否
7、达到结束标准,孔数是否与设计一致。 开挖时,看开挖边缘是束整齐,浆液固砂情况,浆渗透半径等,以便不下步注浆参数的修改提供依据。 根据各阶段检查情况,评定合格与不合格。注浆过程及结束时,如质量不合格时,应按要求重新返工。开挖时发现质量不好,除在下环改进外,应加强支护措施。五、注浆设备 改性水玻璃注浆设备简单,操作容易。北京地铁使用的注浆设备如1。其特点是体积小,重量轻,操作方便,移动灵活,适用大小断面的简易注浆设备。 小型注浆设备机具表 表1顺号 名 称 规 格 型 号单位数量 备 注12345678910风动注浆泵 储浆桶 杨浆桶 阀门 胶管孔口密封器 压力表 波美计 酸度计 潜水泵 牛角泵
8、0.64m 1.0m3 风力搅拌 Q11SA-16 Dg-25 25mm 01.6MPa台个个个米个个支支台1 21356211 自制 自制,防酸处理 自制,防酸处理 自制 抽浆用六、施工组织 (一)施工人员及分工安排见表2: 注浆施工人员分工安排表 表2 (二)安全组织措施: 改性水玻璃注浆所用原料为强酸和碱性物质,配制的浆液呈酸性,因此,在工作各除执行一般的安全规则外,还必须对施工人员进行防酸碱腐蚀的防护,参照有关规定,提出劳保用品发入标准参考表(见表3)。此外,在施工现场不应准备弱酸(硼酸)、弱碱(碳酸氢钠)水溶液,以便对烧伤人员进行处理。 改性水玻璃注浆劳保用品参考表 表3顺号 品 名
9、 单 位 发放标准 备 注1234567 防酸工作服 口 罩 胶乳手套 防 护 镜 毛 巾 胶 鞋 线胶手套 套 个 付 付 条 双 付 1/年.人 2/月.人 5/班 1/人 1/月.人 1/人 1/月.人 如为劳动布或卡布2套/人.年 长筒 破损更换 破损更换 破损更换七、效益分析 改性水玻璃液浆, 解决了第四纪粉细砂层注浆加固的难题,同时原材料价格便宜,注浆工艺简单,加固效果显著,具有明显的社会效益和经济效益。 (一)社会效益: 粉细砂层注浆技术的推广应用,给科技、管理决策、安全秤、改善劳动条件及公共安全等方面,都带来了显著的社会效益。 、粉细砂层注浆技术研究成功,使第四纪冲洪积层的注浆
10、加固技术均已得到解决,从而保证了浅埋暗挖技术在各种地层中的就任,拓宽了浅埋暗挖技术的应用范围。 、浅埋暗挖技术的成功和发展,为需区内地铁建设奠定了基础,促使各级领导干部下决心采用造价低,少扰民的地铁“北京施工法”。 、由于注浆加固效果好,减少了喷射混凝土的回弹量,降低了粉尘,改善了工人的劳动条件。 、注浆加固后,提高了围岩的稳定性,防止了坍方,控制了隧道拱顶下沉量和地面沉降量,保证了施工安全和地面交通安全。 (二)经济效益: 本工法经济效益可以从以下几个方面体现: 、浆材本身造价低,每方浆液材料费220元,而同样性质的化学浆液,每方单位15000元。 、注浆后,减少喷混凝土回弹量,大量节约水泥
11、,据测算,单线隧道每米可节约水泥1吨,按现价计算,每公里单线隧道可节约费用20万元。 、由于注浆效果好,减少了喷混凝土作业时间,避免了坍方,加快了隧道施工进度,其经济效益也十分可观。八、工程实例 北京地铁复兴门西单站区间隧道采用本工法注浆加固。 北京地铁复兴门西单站区间隧道,埋置于第四纪冲、洪积层中,为亚粘土、砾砂及卵石互层,粉细砂层常呈透镜状出现。隧道埋深14m左右。由于砂及砂砾层松散无胶结,垂直自稳高度仅0.7m,所以开挖时易坍塌,危及施工及地面交通安全。特别是粉细砂层,采用常规水泥水玻璃浆注不进去,直接影响施工进度。1989年3月以后,采用改性水玻璃小导管注浆后,开挖成形好,缩短喷射混凝土时间,减少了混凝土回弹量。据现场测算,与常用注浆方法相比,单线隧道每米可降低成本405元。 改性水玻璃注浆还在北京地铁车站试验段(宽22米)、北京地铁西单东折返线中推广应用。亦收到良好的效果。 编写:隧道局科研所 韩忠存、王军