崔瑩，韓德強，楊帥，趙超，王新

（1.北京東方雨虹防水技術(shù)股份有限公司，北京 100044；2.中科建通工程技術(shù)有限公司，北京 100044）

0 前 言

飽和砂層是北京地區(qū)的特征地層之一，因砂層膠結(jié)程度差、強度低的特點，致使隧道在開挖過程中極易誘發(fā)涌砂、涌水、流砂等地質(zhì)災(zāi)害。飽和砂層中開挖隧道是相當(dāng)困難的，必須采取如地表降水、地層加固等復(fù)雜的措施來保證開挖過程的安全。北京市自2008 年明確提出施工過程中不降水或少降水。因此，在飽和砂層進(jìn)行隧道開挖需采用注漿技術(shù)加固掌子面及周圍的地層，提高周圍地層的力學(xué)性能，使開挖斷面處于無水的條件中，保證地鐵隧道開挖的安全順利進(jìn)行，并減少由于開挖引起的地面沉降。

由于注漿施工存在隱蔽性和復(fù)雜性，注漿時漿液的流動和擴散機理復(fù)雜，影響注漿效果的因素較多，如地層情況、注漿工藝、注漿設(shè)備、注漿材料等[1]。為解決該問題，近年來，采用眾多的模擬模型試驗來對注漿因素與注漿效果之間的規(guī)律進(jìn)行探索，以期通過模擬試驗對注漿工藝及注漿材料進(jìn)行選擇[2-4]。模擬試驗是基于相似性原理，將實際工程問題進(jìn)行等比例縮小，實驗室內(nèi)制作與原型相似的模型，并借助測試儀器，得到所研究的參數(shù)及規(guī)律。采用模型試驗可以系統(tǒng)地研究注漿過程中漿液的擴散規(guī)律與加固效果?，F(xiàn)有的相關(guān)模型試驗研究大多針對黏土地層與巖體裂隙，少有飽和砂層中的注漿模擬實驗[5-7]。因此，針對飽和砂層特性進(jìn)行注漿模擬實驗，研究飽和砂層注漿的規(guī)律，為工程現(xiàn)場注漿施工提供理論依據(jù)具有重要意義。

1 實驗?zāi)Ｐ团c材料

1.1 實驗裝置

實驗裝置設(shè)計原則：（1）尺寸要滿足在試驗限定條件下漿液擴散的最大距離；（2）試驗箱密封性要好，保證注漿前后不會出現(xiàn)漏水、漏漿的現(xiàn)象；（3）試驗系統(tǒng)耐高壓，其抗壓能力不低于1 MPa；（4）方便拆卸組裝，便于觀察注漿結(jié)束后結(jié)石體的擴散情況；（5）可重復(fù)利用，能進(jìn)行多次試驗。

考慮試驗中漿液的擴散距離和邊界效應(yīng)，注漿容器設(shè)置為直徑0.32 m，高0.5 m 的圓柱體，圓柱體上下底面設(shè)置活動可密封蓋板，方便拆裝。容器側(cè)面設(shè)置3 排、每排4 個排水孔，便于實驗時對被注土體飽和以及排水情況進(jìn)行模擬。排水孔內(nèi)外設(shè)置快插插頭，方便連接橡膠排水管。上蓋中央開孔并配相同直徑的注漿管，注漿管兩端開口，外壁設(shè)置凹槽，通過橡膠墊與管箍固定密封于模型頂蓋上。實驗裝置如圖1所示。

圖1 實驗裝置

1.2 注漿設(shè)備

注漿設(shè)備采用小型雙液注漿機，9999 型，電機功率1.1 kW，最大流量1 L/min。該設(shè)備可注雙液漿，雙組份漿液在注漿槍頭處混合，槍頭連接數(shù)顯壓力表，接入注漿模擬實驗容器的注漿管上。

1.3 實驗砂層

砂性地層具有如下物理性質(zhì)：孔隙度30%～50%，滲透系數(shù)6×10-3～6×10-2cm/s，天然密度1.6～2.2 g/cm3，相對密度2.65～2.69。試驗砂樣包括細(xì)砂、中粗砂、標(biāo)準(zhǔn)砂（含一定顆粒集配）以及含黏性土砂，盡量涵蓋注漿工程中可能遇見的地層條件。實驗用砂粒徑特性參數(shù)見表1。

表1 實驗用砂粒徑特性參數(shù)

1.4 注漿材料

目前飽和砂層注漿治理大多采用水泥水玻璃雙液漿、水泥漿等漿液，由于富水砂層滲透系數(shù)低，水泥基的顆粒型漿材注入后難以滲入孔隙中，形成劈裂的漿脈，難以達(dá)到加固止水的效果，且會對原有地層產(chǎn)生擾動。本文立足滲透注漿，選用新型溶液型化學(xué)漿材ES101。

ES101 是一種雙組份硅基溶液型注漿材料，通過化學(xué)反應(yīng)可生成大量納米級硅膠物質(zhì)，通過注漿設(shè)備注入細(xì)砂層或粉細(xì)砂層，可快速滲透，并將砂層顆粒粘結(jié)成具有較高強度的整體，提高砂層的自穩(wěn)能力。ES101 注漿材料黏度低，滲透性極佳，凝膠時間可在0.17～5.0 min 內(nèi)調(diào)整，固砂體強度高，砂層固結(jié)整體性和抗?jié)B性好，可有效降低地層滲透系數(shù)1～2 個數(shù)量級，水性材料，潮濕環(huán)境下無影響，無毒環(huán)保。

磷酸水玻璃是一種工程上常用的注漿材料，其凝膠時間短，成本低廉，通常為現(xiàn)場配制，通過雙液注漿機將雙組份漿液直接注入地層中。

2 實驗設(shè)計

2.1 注漿材料對滲透注漿效果的影響

為研究溶液型化學(xué)注漿材料及材料凝膠時間對滲透注漿效果的影響，按表2 設(shè)計實驗。在被注體孔隙率為0.42，飽和度為0.86 條件下，對比漿液擴散形態(tài)、擴散半徑以及注漿壓力變化。

表2 注漿材料對注漿效果影響實驗設(shè)計

2.2 排水條件對滲透注漿效果的影響

引孔排水是注漿過程中降低地層中孔隙水壓力的有效方式。為研究排水條件對滲透注漿效果的影響，按照表3 設(shè)計實驗。排水孔位置分別設(shè)置于模型一側(cè)3 孔和中間4 孔，在被注體孔隙率為0.42，飽和度為0.86 條件下，對比排水量、漿液擴散形態(tài)、擴散半徑及注漿壓力變化。

表3 排水方式對注漿效果影響實驗設(shè)計

2.3 被注土體對滲透注漿效果的影響

為研究相同注漿工藝參數(shù)條件下，被注土體土顆粒、孔隙率對注漿效果的影響，按照表4 進(jìn)行實驗設(shè)計。

表4 被注土體對注漿效果影響實驗設(shè)計

2.4 實驗流程

實驗流程：（1）將配合好的砂樣分層裝入注漿容器內(nèi)，在裝罐過程中將注漿管埋入砂中；（2）對注漿容器內(nèi)砂樣的滲透系數(shù)、孔隙度、含水率、密度等參數(shù)進(jìn)行測試；（3）向砂層中加水進(jìn)行飽和；（4）封閉模型，固定注漿管，連接注漿機、壓力表以及注漿管；（5）按試驗要求配制漿液，攪拌均勻后通過注漿機進(jìn)行注漿，注漿過程中監(jiān)測注漿壓力、漿液流量與注漿量；（6）注漿結(jié)束后，清洗設(shè)備和管路；（7）檢查注漿擴散半徑，測試固砂體的性能。

3 實驗結(jié)果分析

3.1 注漿材料的影響

當(dāng)被注土體孔隙率為0.42，飽和度為0.86 時，對不同凝膠時間的ES101 注漿材料進(jìn)行實驗，注漿量2 L，注漿時間2 min，結(jié)果如圖2、圖3 所示。

圖2 不同凝膠時間注漿材料固結(jié)體的形態(tài)

圖3 不同凝膠時間注漿材料固結(jié)體的內(nèi)部形態(tài)

由圖2、圖3 可見，以注漿材料凝膠時間作為影響因素進(jìn)行實驗時，當(dāng)凝膠時間大于注漿時間時，可形成較為均勻的球形固結(jié)體，固結(jié)體內(nèi)部漿液滲透擴散。對比相同凝膠時間的磷酸水玻璃與ES101 注漿材料可以發(fā)現(xiàn)，ES101 注漿材料形成的固結(jié)體強度更高。同時，由于2 種材料初始黏度以及黏度隨時間變化程度有差異，磷酸水玻璃固結(jié)體形成了多指向性的擴散形態(tài)。

3.2 排水條件的影響

當(dāng)被注土體孔隙率為0.42，飽和度為0.86 時，使用凝膠時間30 s 的ES101 注漿材料進(jìn)行實驗，注漿量2 L，注漿時間2 min。實驗過程中采取不同的排水方式，結(jié)果如圖4 所示。

由圖4 可以看出，在沒有排水措施時，短凝的漿材在注漿后形成不規(guī)則的固結(jié)體。在排水后，原本不規(guī)則的固結(jié)體形成了相對規(guī)則的球形，且漿液優(yōu)先向排水孔位置擴散。

圖4 不同排水方式注漿固結(jié)體的形態(tài)

3.3 被注土體的影響

改變被注土體條件，采用凝膠時間2 min 的ES101 注漿材料進(jìn)行實驗，注漿量2 L，注漿時間2 min，實驗結(jié)果如圖5、圖6 所示。

由圖5、圖6 可以看出，砂層中注漿均形成了球形擴散體，且砂層顆粒越大，其所形成的孔隙相應(yīng)也越大，更有利于漿液進(jìn)行滲透擴散。而當(dāng)砂層中含有黏性土?xí)r，由于砂層中的黏性土（—般指粒徑＜75 μm）粒徑很小，對于砂層顆粒骨架孔隙的充填減少了漿液滲透空間，注漿后形成了劈裂固結(jié)體。

圖5 不同被注土體注漿固結(jié)體的形態(tài)

圖6 不同被注土體注漿固結(jié)體內(nèi)部的形態(tài)

4 結(jié) 論

（1）對于飽和砂層，材料凝膠時間對注漿效果影響顯著。根據(jù)模型實驗情況，凝膠時間應(yīng)大于注漿時間才能形成較為均勻的滲透擴散。

（2）排水條件對滲透效果作用明顯。排水時形成漿液可滲透擴散，且趨向排水一側(cè)優(yōu)先擴散。在飽和砂層中注漿可適當(dāng)設(shè)置排水措施輔助注漿。

（3）在不含黏性土的砂層中，注漿可形成較為均勻的球形擴散體；當(dāng)砂層中含黏性土?xí)r，漿液滲透困難形成劈裂漿脈。