超前注浆加固讲义

隧道与地下工程注浆技术简介目录一、注浆的功能与用途二、注浆材料三、注浆机理四、注浆工艺五、注浆机械设备六、注浆技术参数七、注浆常见问题八、注浆设备及现场图片九、本工程方案十、工程实例地下工程注浆技术概述注浆法的概念注浆法的实质是用气压、液压或电化学原理，把某些能固化的浆液注入各种介质的裂隙和空隙，以改善地基的物理学性质，也即注浆法系将具有凝结能力的浆液注入地层或隧道围岩中以填充、渗透、压密等方式挤走土颗粒间或岩石裂隙中的水分，待浆液凝结后，使隧道围岩或土形成一个抗渗性能良好、强度较高的整体，以达到堵水加固围岩或土体的目的。1.1、注浆功能（1）防渗堵水：主要是指防止水在微细裂隙中的渗透。（2）加固补修：通过注浆对地基进行加固，防止地表下沉和建筑物变形，并且通过注浆对边坡的加固防止滑坡。1.2、注浆用途（主要介绍在隧道工程中的应用）（1）矿山法隧道在掘进中，对富水地段、软弱地层、破碎岩层注浆，进行堵水和加固。（2）防止地表沉降的隧道拱顶的回填注浆。（3）隧道的地层结合技术中形成止水保护套。（4）盾构法隧道施工中控制沉降的同步注浆及二次补偿注浆。可以说，在现在隧道和地下工程施工中，注浆是修建隧道与地下工程的一项必备辅助工法。一、注浆的功能与用途2.1、注浆材料的要求（1）浆液黏度低、流动性好，能注入岩层细小裂隙或粉细砂层。（2）浆液稳定性好，能在预定时间内凝固，结石体透水性低，具有一定的抗压、抗拉强度，尤其希望结石体早期抗压、抗拉强度高，有较好的抗老化性能。（3）材料来源广，价格适中，配置及操作简便。（4）不污染环境及对操作人员无损害。2.2、注浆材料的分类注浆工程中使用的浆液由主剂（主要原材料）、溶剂（水或其他溶剂）及各种外加剂（固化剂、凝胶剂及缓凝剂、速凝剂等）按一定比例混合配置而成的液体。二、注浆材料2.2.1、非化学浆液（1）普通水泥浆液（2）水泥黏土浆液和水泥膨润土浆液（3）超细水泥（4）特种水泥-硫铝酸盐（TGRM)水泥注浆材料2.2.2、化学浆液（1）水玻璃类浆液（2）水泥-水玻璃浆液（2者皆可）（3）溶液型水玻璃浆液等等由于本工程涉及的浆液主要为水泥-水玻璃浆液（C-S)及超细水泥-水玻璃浆液（MC-S），故重点介绍这两种浆液。2.3、水泥-水玻璃浆液水泥-水玻璃浆液在胶凝时间的控制、对较细砂层的可注性及结石率方面，比水泥浆有所改善。（1）水泥-水玻璃浆液的固结原理水泥的主要成分为硅酸三钙3CaO·Sio2、硅酸二钙2CaO·Sio2、铝酸三钙3Cao·Al2O3和铝酸铁钙4CaO·Al2O3·Fe2O3。浆液胶凝反应式为：Ca(OH)2+Na2O·mH2o+nH2O→CaO·mH2O·nH2O↓+2NaOH（2）水泥-水玻璃浆液的配比水泥-水玻璃浆液的配合比要根据岩层裂隙大小、渗透系数大小、钻孔涌水量或吸水量确定。（3）水泥-水玻璃浆液性能水泥-水玻璃浆液的黏度、凝胶时间和结石强度关系到注浆的质量。水泥浆的水灰比、水泥浆液浓度和水玻璃浆液浓度、水泥-水玻璃浆液的体积比以及水泥的质量、龄期和浆液的温度等，对浆液的黏度、凝胶时间和结石体的强度有影响。1)水泥-水玻璃浆液的凝固时间可以从几秒钟到几十分钟，掌握控制凝胶时间，是施工中的一个重要环节。2)水泥-水玻璃的凝胶时间主要取决于水泥的用量，与水玻璃的用量关系不大。在其他条件相同时，水泥浆与水玻璃浆的体积比越大，浆液凝胶时间越短。3)注浆时，改变水泥浆与水玻璃浆的配合比可以调整凝胶时间。但是，水玻璃浆的用量不得小于水泥浆的0.3倍，否则混合浆液早期强度低，易被地下水冲走；同时由于浆液凝胶时间过短，易造成堵孔事故。冬施期间，需将水玻璃浆加温以及用热水拌合水泥浆，来提高浆液的温度（温度对CS浆液凝胶时间有较明显的影响）。本工程主要应用注浆材料为超细水泥，超细水泥分为MC超细干磨水泥和WMC超细湿磨水泥，他们具有超细的颗粒直径，平均粒径3~4μm，最大约为10μm。MC主要性能：（1）稳定性好，具有较强的分散性，能抗离析和沉淀。（2）凝结时间随水灰比的增大而变长，在浆液中加入水玻璃时，凝结时间缩短。（3）可注性远高于普通水泥。（4）固结体的强度高。WMC主要性能：（1）现场湿磨，虽然它不能达到超细水泥灌注细砂土的非凡能力，但阻水性能良好。（2）流动性好，稳定性好。（3）无毒，不污染环境。（4）固化速度快，结石体强度高。7d可达45Mpa。（5）价格比超细水泥便宜。改性水玻璃浆液：将水玻璃与硫酸混合，使水玻璃改性，形成酸性浆液，称改性水玻璃浆。简称SS浆。1、浆液胶凝机理：水玻璃与硫酸起化学反应，生成凝胶化nSi（OH)2SO4,浆液在粉细砂层中凝胶固化，达到注浆加固效果。（浓硫酸稀释计算式如下）V浓：稀释前浓硫酸体积；Ρ浓：稀释前浓硫酸密度；C稀：稀释后硫酸质量百分比浓度；C浓：浓硫酸中硫酸质量百分比浓度；V稀：稀释后硫酸溶液体积；2、注意事项：稀释浓硫酸时，将浓硫酸缓慢注入水中，并均匀搅拌，防止浓硫酸飞溅伤人；在配置浆液时，当PH值到达2时，加入水玻璃应缓慢，认真观察浆液中是否有凝胶团出现，一旦出现应停止加入，浆液配制完成。地下工程注浆材料的渗透性用表注浆材料名称砾石砂砾粉砂粘性土大中小粗中细普通水泥单液浆√√√√超细水泥单液浆√√√√√√普通水泥水玻璃双液浆√√√√√超细水泥水玻璃双液浆√√√√√√改性水玻璃单液浆√√√√√√√TGRM单液浆√√√√√三、注浆机理在隧道及地下工程的注浆工程中，注浆机理主要有三种：渗透注浆、劈裂注浆和压密注浆。三种注浆大致的形态如下图所示。渗透注浆是指在压力作用下使浆液充填土的空隙和岩石的裂隙，排挤出空隙中存在的自由水和气体，通过物理化学反应，浆液在空隙中形成具有一定强度和低透水性的结石体，堵塞或充填空隙，起到加固和防渗作用，此方法一般只适用于中砂以上的砂性土和有裂隙的岩石。3.1、渗透注浆浆液在较高压力（相对渗透、填充注浆）的作用下，似利斧劈入土层（通常土颗粒的粒径小于0.01mm），产生劈裂面，浆液的劈裂路线呈纵横交叉的脉状网络，故此又称脉状注浆，但劈裂注浆会破坏被注对象的原始结构而渗透注浆不会。3.2、劈裂注浆压密注浆是指通过钻孔将不易流动的极浓的惰性注浆材料压入地层中，在形成匀凝固结浆泡的同时，压密周围土体的方法。3.3、压密注浆3.2.1、劈裂注浆的加固效应3.2.1、填充效应浆液在压力的作用下，进入岩土孔隙，首先会在岩土空隙中填充固结起到加固作用。浆液结石体排挤岩土孔隙中的空气和水，这种效应所形成的符合体显然对岩土层原始状态的强度有增强租用。3.2.2、挤密效应由于浆液的填充，在压力作用下扩散，对周围的岩土必然会产生一定的挤密作用，使空隙比有所减少。3.2.3、扩散效应包括浆液在压力作用下产生的劈裂，以及在主脉理再产生支脉，各条脉理上也可能发生局部的渗透。3.2.4、骨架效应浆液进入岩土层后，并不是与土颗粒或岩石均匀混合，而是呈两相各自存在，所以应该考虑浆液结石体与土体构成两相复合体的骨架效应。四、注浆工艺在常见的浅埋暗挖法隧道注浆施工中．按照开挖施工的先后顺序主要分为2大类，即：第1类为在隧道开挖施工之前对即将开挖的土(岩)体进行注浆加固称为超前预注浆；第2类为在隧道开挖施工之后对隧道周围土(岩)体进行环向打孔注浆加固称为径向补偿注浆。对于开挖断面较大的双线隧道或跨度较大的渡线隧道，因注浆小导管加固范围有限，故一般采用开挖面深孔注浆。本工程为全断面深孔注浆，孔位环形布设，且数量多达52个，所以建议孔位改为三角形梅花布设，中洞与侧洞间孔位方便布设，钻机移动方便，加快施工效率。深孔注浆注浆工艺注浆材料双重管注浆水平旋喷注浆TGRM注浆袖阀管注浆特种浆液水泥水玻璃双液水泥单液浆改性水玻璃控制注浆范围；注入效果好；土体扰动不明显；适用地层广泛。土体扰动大，地面易隆起；浆液损失大工艺复杂；施工难度大；注入效果较好适用于涌水涌沙地层；材料造价高、来源少化学浆液；成本高；强度低；可注性好可灌性差；胶凝时间长；强度增长缓慢可灌性较高；胶凝时间可控；结实体强度高；防渗性能好；造价高；来源少；污染环境WSS无收缩注浆工程成本较高；固结体强度高等五、注浆机械设备注浆设备主要包括钻机、钻具、注浆设备、搅拌机、注浆管路总成、止浆塞和混合器等，除钻机与钻具是成孔设备，其他设备是制备、输送浆液，并将浆液注入岩层裂隙或软土地层中的机具。一、按钻杆前进方式不同，钻孔机械主要有以下几种分类（1）回转式、（2）冲击式（3）回转-冲击式（4）振动式四种，根据东延线地质情况，区间主要穿越粉质粘土层、粘土层、粗砂层及全风化泥岩等，故选用回转式钻机。由于注浆钻孔呈伞形辐射状，钻机可钻孔角度要满足+90°~-90°范围；隧道内场地狭窄，为便于施工，钻机应体积小、重量轻；为避免污染隧道内空气，应选用电动机带动钻机，故本区间选用TXU-150型钻机（石家庄产）。二、注浆泵是压注浆液的机械，是注浆施工中重要的机械。理想的注浆泵应具有如下性能：（1）它应该有足够的排量和一定的压力，并且易于随时间调整注浆量和注浆压力，排浆量从零到最大额定值范围内都应能适应。（2）注浆泵应能进行双液化注浆；甲、乙两液的比例能够在机械运行过程中调节。（3）拆卸、清洗和组装方便和体积小、重量轻、搬运方便。根据东延线地质及设计情况，注浆采用MC-S及C-S双液浆注入粉土层，故选用YSB-60/5型液力调速注浆泵。三、搅拌机是把注浆材料混合在一起并在短时间内搅拌均匀的机械，其生产能力应与注浆泵单位注浆量相适应。目前工程中常用的搅拌机（组）有以下几种：（1）立式水泥搅拌机一般搅拌机主轴转速为40~60r/min；搅拌能力为10~15m³/h，满足东延线施工需求；缺点：体积过大。（2）水力喷射式水泥搅拌机其优点是效率高，棵连续制浆，混合能力大。缺点是不易控制浆液的水灰比，需采用计量装置来调节浆液；（3）水力旋流式搅拌机拌桶有效容积为0.6m³，一次造浆需2~3min，缺点：单次搅拌量较小。故：东延线宜选用立式水泥搅拌机或水力喷射式搅拌机，单次搅拌量充足，设备结构简单。六、注浆技术参数注浆设计（1）确定注浆目的和注浆标准；（2）注浆材料的确定；（3）浆液浓度的确定；（4）注入方式的确定；（5）胶凝时间与扩散半径的确定；（6）注浆段长与注浆孔、检验孔的布设；（7）注浆压力注浆速度的确定；（8）注浆量的确定；浆液浓度对于注浆浓度，在每段每次压浆时先稀后浓，同一分段多次压浆时则先浓后稀。一般水泥浆液起始浓度较高，特别在初期压浆阶段，因稀释浆液使结石率低，并增大扩散半径,延长压浆时间。常用的水泥浆液浓度为1.5:1～0.5:1。水泥浆液压浆过程中，某一种浓度级的吸浆率约为吸水率的80%～85%时,可以认为浓度适宜。在某一种浓度压力保持不变、吸浆率随压浆时间延长而逐渐减少,或吸浆率不变而压力却逐渐升高时,不需改变浆液浓度。遇有冒浆或岩层破碎带、大裂隙、裂隙发育地层时,应越级加浓,或采用间歇注浆、水泥一水玻璃双液注浆等措施。注浆顺序在注浆时：应遵循”先外圈后内圈，同一圈先上部孔后下部孔、间隔跳孔，逐渐加密，先注无水区，后注有水区”的原则，在注浆管路上安装注浆压力表，静水压力1.0～1.5MPa，采用纯压式灌浆，压力表安装在孔口进浆管路上，压力表指针摆动范围应小于灌浆压力的20%，压力读数读压力表指针摆动的中值。第一序孔按注浆量达到或接近预估注浆量可结束注浆；第二序孔按注浆压力达到设计压力，注浆量逐渐减少至小于1L/min.m并维持10min以上，可结束本次注浆。注浆压力注浆压力影响注浆效果,其大小决定于涌水压力(开挖工作面静水压力、突水的动压力)、裂隙大小和粗糙度、浆液的性质和浓度、要求的扩散半径等。合理的注浆压力既能避免压力过高造成的不利影响,又能保证浆液的结石强度和不透水性,有利于形成良好的隔水帷幕。对注浆压力的确定,通常采用以静水压力为依据的经验公式,即只考虑静水压力,而对影响注浆的其他因素均不考虑。通常有下述两个公式可供选择:P=3～5倍静水压力；P=P静+(0.5～