水泥-水玻璃双液浆止水研究

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摘要:隧道的开挖会改变其周围的径流路线，使水向隧道汇聚积累，容易引起突泥、塌方，特别是在软弱围岩中当出现渗水时，处于压缩域围岩被水流侵蚀丧失自承能力，导致初支承受过大的围岩压力，初支出现裂缝，拱架下沉侵限，当渗水出现在单侧时会产生偏压，且渗水在隧道中往往有滞后的现象，待掌子面开挖支护完成一段时间后初支开始出现渗水，所以对渗水围岩一定要及时有效的注浆止水。

传统的单液浆注浆工法由于浆液凝固速度慢，水泥浆凝固速度控制困难，对浆液扩散范围不容易控制，浆液无序扩散，造成水泥浆浪费，而且影响加固、止水效果，目前当围岩渗水，有止水需求时多采用双液注浆工法，在普通水泥浆中掺入一定比例的水玻璃，加快其初凝速度，保证注入浆液能在较快时间内凝结，免受水流的侵析，达到止水和加固围岩的效果，并在工程实践当中得到了广泛使用。

关键词：水泥水玻璃止水隧道施工应用

中图分类号： TQ172 文献标识码： A

1. 工程概况

瑶寨隧道位于广西南丹县八圩乡瑶寨村西南约1.5Km处，为分离式隧道，左线长2701m，右线长2717.13m，下穿黔贵铁路旧线、团结水库。地处典型的喀斯特地貌区，多有溶隙、溶洞发育，空间分布不均，地下水丰富，地表水多顺溶隙涌入隧道，多次发生涌水、渗水现象。施工过程中多次应用水泥――水玻璃双液浆止水，效果良好。

2. 双液浆止水原理

在水泥浆掺入水玻璃后，水玻璃会参与水泥的水化过程，影响水泥的凝结硬化过程，主要反应过程为:

Na2O.nSiO2+Ca(OH)2+mH2O = CaO.nSiO2.mH2O+2NaOH

2NaOH+CaSO4.2H2O = Na2SO4+Ca(OH)2+2H2O

Al2 O3+ 4SiO2+2NaOH+H2O = Na2O.Al2O3.4SiO2.2H2O

以上化学反应将使水泥浆性能发生变化，反应中将水泥中起缓凝作用的石膏分解掉，迅速进入溶液，导致水泥浆在短时间内凝结，另外反应产物中凝胶含量增多，使浆液变得粘稠，在早期能抵抗水流侵析，稳定性高.由于凝胶体含量增多，硬化后的水泥浆密实度高，抗渗性能提高，达到加固止水的效果。

3. 注浆孔布置

3.1超前注浆布孔

在拱顶一定范围内， 采用小导管或注浆锚杆，从拱架腹部开孔穿过，以一定斜插角向掌子面前方打入，环向间距一般等于浆液扩散半径R，通过压浆机向掌子面前方压入浆液，改善围岩条件，导管安装时角度和孔位应控制在误差允许范围之内，应保证注浆时无注浆盲区。

3.2 径向注浆布孔

垂直于岩面径向打入小导管或注浆锚杆，间距一般按1.0m×0.5m梅花型布设，实际施工中可根据现场情况调整。围岩在开挖轮廓线外2.5m-6.0m范围处于压缩状态，这个压密区形成承载圈，对以外的围岩起支撑作用，对以内的张拉域起保护作用，是围岩自承体系最重要的部分，所以径向注浆重点在于防止此区域被渗水侵蚀失稳，丧失自承能力。

4. 配合比的确定

在注浆中要求既要达到一定的扩散半径，又不能让浆液的扩散半径过大造成浪费，过稀的水玻璃浓度达不到加速凝固的目的。由于水泥浆的稀稠对初凝和终凝时间影响不是很大，所以在注浆过程中采用固定的水灰比1：1，只改变水玻璃浆液浓度及水泥浆液与水玻璃浆比例进行试验。

表1：不同配比水泥、水玻璃浆凝结时间

水玻璃浓度/Be 水泥浆：水玻璃（体积比）

1;1 1:0.75 1:0.5 1:0.25

初凝/s 终凝/s 初凝/s 终凝/s 初凝/s 终凝/s 初凝/s 终凝/s

39 64 187 44 77 29 57 12 35

28.5 37 60 21 49 19 34 8 35

25.2 28 55 19 44 5 26 3 27

22.5 26 48 17 37 10 25 4 24

20.4 25 65 18 42 9 21 3 30

18.6 25 72 18 43 11 30 3 73

17.1 27 52 14 38 9 25 4 20

16 25 51 15 33 8 25 3 300

15 24 47 15 31 7 68 4 2158

14 40 98 17 42 14 60 5 1342

13 25 113 12 43 6 62 3 1620

12 26 79 20 114 15 360 10 2640

11 29 81 29 156 25 1067 10 1894

10 23 140 17 760 13 1531 13 3264

9 23 202 23 1241 13 2127 11 5064

8.4 30 833 24 1444 25 2262 91 19500

根据表1 中的数据做出不同水泥浆与水玻璃体积比下的凝胶曲线。

从图1、图2及表1 可以看出，水泥、水玻璃在不同浓度（39～8.4Be′）下的浆体初凝时间变化不是很大，从3s 到91s 变化;终凝时间从21s 变化到19500s 相差4 个数量级，这个变化是非常大的。过长的终凝时间，注浆时跑浆漏浆是非常严重的，并且施工效果也不好，这说明: ①过稀的水玻璃的浓度达不到加速水泥固结的目的; ②水玻璃浓度的变化对水泥的初凝速度影响不大; ③在一定水玻璃浓度范围内，水泥的凝胶时间变化不大; ④水泥凝胶时间的总趋势是随着水玻璃浓度变小而增大。

工程中的注浆是要加固破碎的散体结构，如果终凝时间过长会造成材料浪费，并且达不到注浆的效果。但是注浆又要求一定的扩散半径，又要不能扩散太远，这就要求水泥浆的初凝和终凝之间有一段合适的时间差。在图1 中表现出不断变稀的水玻璃浓度下，水泥浆终凝的时间拐点后是直线增大的，因此太稀浓度水玻璃不是工程所需要的。

由图中不同水玻璃浓度下的凝胶时间曲线中可以看出，水泥浆与水玻璃体积比为1：1 情况下，水泥浆的终凝曲线在一定范围内变化较小，在浓度为9Be′时出现较大的拐点。同样，在水泥浆与水玻璃体积比分别为1：0.75 和1：0.50情况下，在水玻璃浓度分别为11Be′和13Be′时终凝曲线出现变化较大的拐点，突然急剧上升，而初凝是一条较平直的曲线。

从以上分析可以看出，在不同的水泥浆与水玻璃体积比下，浆液的初凝时间变化不大，呈水平直线，而水泥的终凝时间是变化很大的，在不同体积比下都会出现一个拐点呈直线上升趋势。在满足质量情况下，从经济角度看，在拐点位置附近选择注浆配比对施工是最经济、最有利的。

瑶寨隧道施工中，通过试验最终采取水灰比为1：1 ，水玻璃浓度16Be′，水泥浆与水玻璃体积比为1：0.5 ，止水效果是最佳的。

5. 注浆施工

采用双液注浆时，由于加入水玻璃后初凝时间较短，若采用渗透注浆，达不到扩散半径时，浆液已经凝固，固多采用劈裂注浆，当液体压力超过渗透注浆的极限压力时，土体产生水力劈裂，形成裂缝，进浆量突然增大，劈裂面发生在轴力最小主应力面，劈裂注浆在钻孔附近形成网状脉络，通过浆液挤压土体形成浆液骨架作用，在注浆压力作用下，浆液克服地层的初始应力和抗拉强度，引起土体结构的局部扰动，使地层中原有的裂隙和空隙张开，浆液的可注性和扩散距离增大，使松散饱和土形成具有一定强度，渗透系数小的粘性土层，达到加固止水的效果。双液浆注浆时应采用双液高压注浆机，水泥浆与水玻璃的混合位置应靠近小导管一端，当注浆相邻两孔出现串浆时，这说明两个注浆孔已串通，此时应降低注浆压力，采用间歇注浆，

注浆压力与地下水的静水压力、覆盖岩层的地质条件和厚度、注浆深度注浆岩层的地质条件、注浆方式、双液浆的初凝、终凝时间、扩散半径有关。在施工中要通过计算确定注浆压力是比较困难的，通过经验工程类比，选用注浆压力在3MP左右时效果较为理想，能够保证注浆量，同时也没有爆管的现场，注浆速度变小后持压2分钟后方可停止注浆，并迅速塞堵注浆孔，浅孔注浆时可用孔口封闭法，用锚固剂塞堵即可，深孔注浆时应采用孔内封闭法。

注浆量与土体的密实度、空隙率有关，一般为加固土体体积的10%-20%，钻孔送导管时应该做好相应的记录，前方有小溶穴时应注浆填满。

6. 总结

目前关于双液注浆止水的研究较多，从注浆孔的布置，扩散半径，双液浆的配合比，注浆压力，注浆量等都有定量的公式，但是在施工中这些公式里面的参数是比较难确定的，所以重要的还是通过现场具体实验判断注浆效果好坏，然后动态调整，直到达到理想效果未止。总的来说通过在水泥浆中掺入水玻璃，改变水泥浆的凝结时间，使水泥浆在短时间内凝固免受水流侵蚀影响是能够达到止水的效果的，在渗水地段通过双液注浆改变围岩土质，增加土体抗渗能力，达到理想的止水效果，并在实际工程中得到了广泛的应用，取得了预期的效果。但是当涌水量较大时，注双液注浆仍然不能到到预期的止水效果，应采用堵排相结合的止水措施。

参考资料

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