关于矿粉—水玻璃浆液注浆的探讨

关于矿粉-水玻璃浆液注浆的探讨方东明（中铁五局技术中心贵州贵阳550003）摘要本文针对粉细砂、细砂层中的注浆问题，从矿粉-水玻璃浆液的注浆加固原理入手，介绍了矿粉-水玻璃浆液的配制过程、注浆工艺及控制标准，并对浆液试验、试用过程中的相关问题进行了探讨。关键词矿粉-水玻璃浆液配制注浆探讨1前言在地下工程及隧道施工中，我们经常碰到粉细砂、细砂、中粗砂地层。特别是对于粉细砂层，地层致密无胶结，自稳能力差，开挖时极易坍塌，危及到施工安全。由于粉细砂层结构非常致密，渗透系数小，约为10-3~10-4cm/s，普通水泥类浆液因颗粒太大极难注入；超细水泥浆液价格太高；化学浆液料源少，价格高，有毒性污染；改性水玻璃浆液价格较高，加固强度低，施工时浓硫酸的危险大。针对粉细砂、细砂层的注浆问题，我们在北京地铁十号线进行了一系列的研究、试验，总结出了矿粉-水玻璃浆液注浆的一系列参数，同时也对试验过程中出现的一些问题进行探讨。矿粉-水玻璃浆液采用的矿粉系工业废料（粒化高炉矿碴）磨细所成，价格低廉，来源广，水玻璃采用价格低廉、无污染的市售普通水玻璃。在掺入少量外加剂后可配制成粘度低、可靠性好、凝胶时间可控、固结强度可调、稳定性好的浆液。此种浆液能较好的克服上述各种浆液的缺点，若在施工工艺上加以完善，必能成为粉细砂、细砂层注浆加固堵水的又一选择。2注浆加固原理矿粉是在生铁冶炼中排出的高温溶渣经水淬处理后的粒化高炉矿渣，经干燥、粉磨等工艺处理后得到具有规定细度及颗粒级配、并满足相应活性指数要求的粉料，它具有非常稳定的化学成分。矿粉的化学成份主要是硅酸钙与铝酸钙，在一般情况下具有良好的化学稳定性，但在遇到碱金属类激发剂（如低模数的水玻璃）并具备一定的条件时，就能生成可固化的、致密的水化物。由于矿粉比表面积大，化学成份稳定性好，配成浆液后渗透性好，用以代替水泥浆用于渗透系数小的粉细砂等地层注浆，具有良好效果。同时，矿粉水化固结强度高、价格低廉，因此具有良好的技术经济价值。3矿粉-水玻璃浆液的特性3.1强度特性矿粉-水玻璃浆液凝胶体强度主要受水玻璃浓度、浆液混合温度这两个因素控制。安设小导管施工准备连接管路及孔口密封注浆压力、流量达设计要求结束拌浆浆液配合比设计检查维修机具制作小导管封闭工作面钻孔否孔口周围喷射10cm厚条状混凝土止浆墙水玻璃浓度越高，凝胶体强度越高，凝胶体3d强度最高为10.1Mpa，但当水玻璃浓度低于25Be′时，凝胶体基本无强度，长时间不能凝固。浆液混合温度越高，凝胶体强度越低,当浆液混合温度达到80℃时，凝胶体基本无强度，但当温度低于5℃时，浆液基本不发生水化固结。3.2凝结时间的变化规律和范围矿粉-水玻璃浆液凝结时间的控制因素主要为浆液混合温度及工业烧碱掺量，其中浆液混合温度的影响最大。浆液混合温度越高，凝结时间越短；工业烧碱掺量越大，凝结时间越短。其凝结时间在2s~300min范围内可调。3.3浆液水化固结的激发条件矿粉-水玻璃浆液水化固结的激发条件是：通过掺入工业烧碱使水玻璃溶液降低到相应的模数，并保证浆液具有相应的温度。一般工业烧碱掺量为8~14%（相对于水玻璃重量），浆液混合温度为20~80℃。4注浆施工工艺矿粉-水玻璃浆液注浆施工工艺流程见图1。图1矿粉-水玻璃浆液注浆施工工艺流程图矿粉-水玻璃浆液配制流程见图2。4.1浆液配制4.1.1浆液主要性能指标（见表1）表1主要性能指标表项目主要性能指标比重1.1g/cm3左右粘度2~5cp凝胶时间2s~300min，时间可调凝胶体强度单轴抗压强度0.3~10MPa，强度可调图2矿粉-水玻璃浆液配制流程图4.1.2配合比针对工程注浆加固、堵水目的的不同，浆液凝胶时间、凝胶体强度可在以下浆液配合比范围内调整所得：甲液：矿粉:水=1:1（重量比）；乙液：水玻璃浓度为30~40Be′、工业烧碱掺量为8~14%（相对于水玻璃重量比）；混合浆液：甲液:乙液=1:1、混合温度为20~80℃。4.1.3浆液配制过程（1）取一定量的水，然后投入与水等重的矿粉，搅拌2~3min，制成甲液。（2）取一定量的40Be′的水玻璃，加入配合比要求的水并充分搅拌，制成相应浓度的水玻璃溶液，然后投入一定掺量的工业烧碱（固体片状），搅拌并让其充分溶解，制成乙液。（3）注浆前，将甲、乙液加热到相应温度，确保浆液混合温度达到设计要求，甲、乙液进入注浆泵的量为1:1。4.2施工准备4.2.1施工中所用的材料必须经检验合格后方能进场。其主要工程材料见表2。表2主要工程材料表材料名称规格型号小导管Ф32水煤气管，壁厚3.25mm，长3.0m，一端作成尖锥形，在距离头部10cm和距端部1.0m段每隔10cm交叉钻8~10mm的孔，梅花形布置，端部车丝。矿粉比表面积350~600m2/kg，密度不小于2.8g/cm3，28d活性指数不小于95%。水玻璃模数3.0~3.4，浓度不小于40Be′。工业烧碱固体片状或粒状，纯度大于95%。4.2.2调查地质、水文情况，根据砂层的空隙率、水流量确定注浆孔布设、浆液的单孔注浆量、浆液凝结时间及所要达到的固结强度，做好注浆施工设计（如表3）及浆液配合比设计。表3注浆设计参数设计参数具体指标注浆终压（P）0.5~0.8MPa浆液扩散半径（R）0.3m导管长度（L）3.0m导管间距（b）0.3m导管外插角（Ф）10~15°循环进尺1.0~1.5m，留下1.5m作为下一循环重叠段，小导管外露20cm以利于安设注浆管路。浆液注入量按公式Q=πR2Ln（1+β）估算。注浆结束标准采用双控指标，当注浆压力达到终压或注浆量达到设计注浆量即停止注浆。矿粉水工业烧碱水玻璃水乙液双液注浆泵注浆甲液加热到相应温度4.2.3检查注浆设备，确保注浆管路畅通，并对设备操作人员进行上岗培训。4.3注浆设备注浆施工中所用设备见表4。表4主要机具设备序号设备名称规格型号单位数量备注1双液注浆泵KBY-50/70，11kw台12配浆桶1.0m3个2甲、乙液各用一个3混合器个14管路Ф40m若干长度根据实际情况适当选取5压力表0~1.6MPa个26流量计LM型涡轮，32个17波美计支18阀门Q11SA-16，32个若干根据实际情况确定数量4.4注浆过程控制及结束标准4.4.1小导管制作图3小导管制作示意图小导管采用Ф32水煤气管制作，先将水煤气管截成3.0m长，一端作成尖锥形，在距离头部10cm和距端部1.0m段每隔10cm交叉钻8~10mm的孔，采用梅花形布置。端部套丝扣与压浆管路连接，详见图3。4.4.2钻孔可采用电煤钻开孔，开孔孔径50mm，开孔前准确定出孔位，偏差应小于50mm，开孔过程中严格控制钻杆角度，钻孔深度比小导管长度小0.5m，钻孔后用吹管将孔内砂土吹出（风压0.5~0.6MPa）。4.4.3安设小导管用带冲击锤的风钻将小导管顶入孔中或直接锤击入孔，小导管外露20cm，入孔后检查导管内有无填充物，如有可用吹管吹出或掏勺勾出。为堵塞孔壁与导管之间的空隙，防止浆液外溢，可在孔隙口处用塑胶泥（40Be′水玻璃拌合P32.5水泥）封闭，封闭2h后，再进行注浆。4.4.4设置止浆墙小导管安设完毕后，沿小导管周围或整个开挖面喷射一道10cm后的混凝土止浆墙，防止注浆时浆液从孔口周围流出。喷射的混凝土应该与上一环的初支相连接，防止止浆墙在注浆压力下整体滑落或跑浆。4.4.5注浆结束标准注浆采用双液注浆。注浆时相邻孔位应错开，交叉进行。单孔注浆量可按下式计算：Q=πR2Lnα(1+β)式中R——浆液扩散半径(m)；L——导管长度(m)；N——地层空隙率；1.9丝扣1.0α——间隙填充率，取值70~100%；β——损失系数，取值0.2~0.5。注浆结束标准：进浆速度每根导管控制在30L/min以内，每根导管内注入量达到设计值后即可结束注浆，如果注浆压力逐渐上升到设计终压，流量逐渐减少，但注浆量已达到设计注浆量的80%，也可以停止注浆。浆液注入2~4h后，方可进行下一循环开挖。注浆过程中，要对每根管的注浆量、注浆压力做好记录。4.5施工注意事项4.5.1浆液配制注意事项（1）水玻璃与工业烧碱溶液对身体皮肤均有一定程度的轻微灼伤，施工中应注意防护。掌子面接拆管人员应有雨衣、眼镜防护，防止浆液接触皮肤。一旦接触应立即用清水冲洗。（2）矿粉溶液（甲液）在注浆时应不时搅拌，防止沉淀。（3）浆液混合前需对甲、乙液进行加热，确保浆液混合温度满足设计要求。4.5.2注浆过程注意事项（1）注浆过程中若停机15min以上时，应对管路用水冲洗，防止堵管。（2）工作面漏浆：注浆过程中，当压力稍升高，浆液便从孔口及工作面漏出，其原因可能是初喷混凝土不严或混凝土未达到强度要求，可用棉纱或塑胶泥填塞裂缝，在喷射混凝土后2~4h方可注浆。（3）注浆时，压力上升过快，在未达到设计注浆量80%时已达到设计压力。处理办法：开始升压时，延长浆液凝胶时间，尽量多进浆，无法进浆后，可在该孔周围再补打一孔，重新注浆或减少邻近两孔的距离。5试用情况劲松站为北京地铁十号线一期工程终点站，位于东三环劲松桥东侧跨大郊亭路路口的地下。主要通过地层为粉细砂④3层、中粗砂⑤1层、粉土⑥2层、粉质粘土⑥层，基底位于粉质粘土层。勘察表明，施工地段有四层地下水，分别为上层滞水、潜水、层间潜水、承压水。车站为地下三跨二层岛式车站，车站总长191.6m，总宽21.45m，站台宽为12m，有效站台长为120m。车站主体结构采用双柱三跨联拱结构，均采用暗挖法施工，车站有效站台中心线处轨顶距地面为22.36m，覆土厚度9～10m。工程自开工后，竖井及风道部位就遇有粉细砂、细砂、中粗砂等地层，开挖过程中极易坍塌。针对这种情况，我们根据矿粉、水玻璃的反应原理，通过正交试验确定满足凝胶时间和固结强度要求的配合比，在现场采用KBY-50/70双液注浆泵进行试注。从开挖出来的效果来看，在小导管四周形成了劈裂带，无法形成完好的浆液扩散圈。6问题探讨根据此种浆液的配合比试验及现场试注的过程来看，可以从值得肯定的方面和有待完善的方面来探讨：6.1值得肯定的方面（1）从理论上分析，矿粉具有超细、稳定的特性，所配成的浆液粘度低，针对于粉细砂、细砂层的可注性好；（2）通过正交试验确定的浆液配合比范围，使得浆液凝胶时间、固结强度可调，能满足不同注浆目的的需要；（3）浆液的原材料价格低廉、来源广，经济方面较其他浆液有优势。6.2有待完善的方面（1）矿粉颗粒小，但是与水玻璃反应后，形成悬浊液的颗粒粒径是否会变化，这将有可能直接影响浆液能否在粉细砂层中有效扩散；（2）从现场注浆效果来分析，注浆泵压力无法控制在渗透注浆的压力要求范围，这可能是导致形成劈裂注浆的直接原因。同时，在小导管的安设及孔口封堵工艺上还有待于完善。