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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：
１、水玻璃：工业品，浓度20波美度以上，模数3.1~3.3。
２、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10~20Be；
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。
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：1.07~1.11；
粘 度：2~5CP；
酸碱度：PH4~6（根据凝胶时间调整）
凝胶时间：空气中 30~240min；
细砂中 5~30min；
固砂体单轴坑压强度：0.3~0.5Mpa
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；
１、注浆终压：0.4~0.5MPa；
２、浆注扩散半径(R)：0.3m；
３、注浆范围：隧道开挖轮廓线外1.0~1.5m；
４、导管长度(L)：3.0~3.5m；
５、导管间距：0.4~0.5m；
６、导管外插角：10~20
７、浆液注入量：按公式Q= R2Ln(m)3估算；式中：R－浆液扩散半径(m)； n－地层孔隙率；
８、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：
１、注浆工序流程图
２、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：
（１）用风钻钻 50mm，深2.5~3.0m的孔。
（２）插入导管，并用带冲击锤的风钻顶入。
（３）用吹管将导管内的砂石吹出或用掏勺掏出。
（４）导管周围用塑料泥封堵或在导管附近喷5~8cm的混凝土封闭。
３、配制浆液：
配制浆液可按下列步骤进行：
（１）将浓水玻璃采用边加水，边搅拌，边用波美计量测的办法稀释成设计浓度为甲液；
（２）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；
（３）将一定量的甲液倒入乙液中，搅拌均匀，并测其PH值。
４、注浆：
注浆工艺流程图如图三：
（１）关闭放气阀13及放浆阀9；
（２）将配制好的浆液通过时浆口4灌入泵体8；
（３）打开进气阀6，使压缩空气进入泵体；
（４）当泵体内压力达到0.4~0.5MPa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；
（５）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；
５、操作注意事项：
（１）导管打入的，要用吹管或掏勺将管内砂石吹（掏）出，以免堵塞；
（２）配制浆液时，要注意加料顺序和速度，防止浆液结块；
（３）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；
（４）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；
（５）浆液应随配随用，用多少配多少。以免造成浪费；
（６）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。
（７）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
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
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
0.64m
1.0m3 风力搅拌
Q11SA-16 Dg-25
25mm

0~1.6MPa
台
个
个
个
米
个
个
支
支
台
1
2
1
3

5
6
2
1
1
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
单 位
发放标准
备 注
1
2
3
4
5
6
7
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。
１、粉细砂层注浆技术研究成功，使第四纪冲洪积层的注浆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。
２、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”。
３、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。
４、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：
１、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。
２、注浆后，减少喷混凝土回弹量，大量节约水泥，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。
３、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