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水玻璃在地鐵施工中的應用概況

 引言        水泥—水玻璃雙液漿不僅具備水泥漿的特點,而且還兼有某些化學漿液的特點,如漿液膠凝時間可在幾秒至幾十分鐘之間準確控制。這是水泥單液漿不具備的特點,在處理隧道的滲漏水情況時,水泥單液漿由于凝結時間慢,在注漿后會形成泌水通道,堵水效果不是很明顯,而這些情況可以通過雙液漿來解決。 

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1 工程概況        

北京地鐵十號線第三標段位于北京市海淀區,分為蘇黃、黃科兩個區間和科南路站,區間正線采用淺埋暗挖法施工,在黃科區間豎井以東的 390 m 范圍內沒有設降水井,蘇黃區間 2 號豎井范圍內降水井的降水效果不明顯,以上兩個區域隧道穿越地層主要為粉質粘土層、粉土層、圓礫卵石層,局部夾有中粗砂層、粉細砂層,并且地層中含有豐富的地下水,隧道上方地層中管溝多且復雜,各種管溝中都有流動水和積存水。管線埋置相對較淺,距離結構較近,且部分管線年代久遠、滲漏嚴重,造成地層中水源補給充分,隧道內滲水嚴重,且有壓力水突涌。    

2 堵水方案的選擇及確定        

地鐵暗挖隧道注漿是在 1986 年修建復興門折線時,伴隨著淺埋暗挖技術的開發而應用的,開始僅為加固地層,以單液水泥漿為主,采用深孔和小導管注漿,為解決粉細砂層水泥漿無法注入的難題,研究出了改性( 酸性) 水玻璃。隨著地鐵東進,地下水位升高,地下水進入隧道開挖斷面乃至整個斷面之內,又研究出了 C—S( 水泥—水玻璃) 漿進行堵水,一次支護背后,初襯和二襯間進行填充注漿,主要為單液水泥漿和水泥砂漿,后來一襯之后隧道滲漏水嚴重,又采用 C—S 漿進行背后注漿,以減少涌水量。根據以往的成功經驗,結合本標段的實際情況,經綜合分析,并進行論證后,決定在初期支護背后進行填充 C—S 雙液漿進行堵水。    

3 雙液漿的原材料及反應機理        

1) 注漿原材料。水泥: 普通硅酸鹽水泥,強度等級不低于32. 5; 水玻璃: 模度 2. 2 ~ 2. 8,濃度不低于 40 Be'; 緩凝劑: 磷酸氫二鈉、工業品。        

2) 水泥和水玻璃的反應機理。水泥的凝結和硬化主要是水泥水化析出凝膠性的膠體物質所引起的。水泥水化生成硅酸二鈣、硅酸三鈣和氫氧化鈣,當加入水玻璃以后,水玻璃馬上與新生成的氫氧化鈣反應,生成具有一定強度的凝膠體水化硅酸鈣,反應過程為:  3CaO· SiO2+ nH2O→2CaOSiO2·( n -1) H2O + Ca( OH)2Ca( OH)2+ Na2O·nSiO2+ mH2O→CaO·nSiO2·mH2O + 2NaOH        

3) 磷酸氫二鈉的作用機理。在配制水泥—水玻璃雙液漿時,磷酸氫二鈉是一種必不可少的化學物質。上面所提到的反應過程是在2 s ~3 s 之內完成的,它的直觀反應就是雙液漿瞬間凝結,不具備可施工性。加入磷酸氫二鈉后它在水泥顆粒表面形成一層“難溶性”的磷酸鈣,因而阻止了水泥的正常水化。這樣Ca( OH)2析出速度變緩,上述反應過程發生緩慢,從而使雙液漿的凝結時間在幾秒鐘至幾十分鐘之間任意調節。      

4 雙液漿的配合比確定        

雙液漿凝膠時間隨水玻璃濃度、水泥漿濃度、水玻璃與水泥漿的體積比以及溫度等因素的變化而變化。一般情況下,在一定范圍內,水玻璃濃度變小,凝膠時間縮短,兩者呈直線關系; 水灰比越小,水泥與水玻璃的反應越快,凝膠時間越短?偟膩碚f,水泥漿濃度越高,反應越快,水玻璃越稀則反應越快。在施工中處理不同的滲漏情況時,需要的凝結時間也不同。因此在施工前要通過試驗來確定易施工的配合比。       

1) 水玻璃的稀釋。水玻璃的稀釋采用邊加水邊攪拌邊用波美比重計測量的方法,也可以采用計算方法,先算出加水量然后加水攪拌均勻。        V原= ( d配- 1) × V配/ ( d原- 1) ; V水= V配- V原。     其中,d原,d配分別為原水玻璃和預配水玻璃的比重,水玻璃比重與波美度的關系為 d =145/( 145 Be') ; V水,V配,V原分別為加水、原水玻璃和預配水玻璃的體積。        

2) 水泥漿的配制。在水泥漿配制之前要確定緩凝劑磷酸氫二鈉的摻量,磷酸氫二鈉如有結塊現象要碾碎,在放水的同時,將磷酸氫二鈉一并加入并攪拌,待水加至設計容量后,繼續攪拌1 min,使磷酸氫二鈉完全溶解,然后投入水泥,再攪拌 3 min。        

3) 漿液配合比的確定。在處理隧道的滲漏水時,一般不需要漿液結石體抗壓強度,當有強度要求時,要通過正交設計的方法安排試驗程序,用多指標綜合平衡法分析試驗結果,來確定水灰比、水玻璃的濃度及磷酸氫二鈉的摻量。從理論上講水泥漿越濃,其抗壓強度越高; 當水泥漿濃度較大時,隨水玻璃濃度的增大,抗壓強度增高; 水泥漿濃度較小時,隨水玻璃濃度的增加,抗壓強度降低; 但當水泥漿濃度處于中間狀態時,水玻璃濃度對其抗壓強度影響不大。對于處理隧道的滲漏水關鍵的是凝結時間,最常見的配比是:  水泥漿∶ 水灰比 = ( 1 ~1. 5) ∶ 1( 重量比) ; 磷酸氫二鈉( 1 ~3) %( 根據凝膠時間而定) ; 水玻璃漿 35 Be'; 水泥漿∶ 水玻璃漿 =1∶ 1( 雙液注漿機的兩根進漿管進漿速度相同) 。在施工中要根據現場情況來估算一下注漿時間,來確定施工配合比,以保證雙液漿在注滿后凝結,避免因為凝結時間問題造成注漿通路堵塞,影響注漿效果,達不到堵水的目的。    

5 施工中的注意事項        

1) 配制漿液時要注意嚴格按照配合比配制,加入磷酸氫二鈉后一定要攪拌至完全溶解。當人工攪拌時水泥漿和水玻璃的配漿桶至少要各準備兩組,以保證注漿時注漿機的連續送漿。水玻璃漿液攪拌均勻后要用波美比重計檢測其波美度。        

2) 注漿過程中雙液注漿機的進漿管在倒換注漿桶時不可混淆,混合閥上的壓力表要有專人讀數,當發現有異常時( 壓力突然迅速增大并超過注漿結束的臨界值) 要馬上停機,并及時泵水沖洗注漿機及輸漿管,  以防漿液凝結,造成注漿機及輸漿管的報廢。當拆卸輸漿管和注漿小導管的接頭所耗時間臨近漿液的凝結時間時,要采取果斷措施鋸斷接頭處,以保證在漿液凝結前泵水沖洗注漿機及輸漿管。        

3) 注漿時每隔 5 min 或變更配合比時或采用間歇注漿前,要在孔口測量漿液凝膠時間,并根據情況進行調整。注漿過程中,不得無故停電,如需停電,必須通知注漿班,及時沖洗注漿機及輸漿管。       

4) 一次支護施作時,應按設計要求預埋充填注漿管,注漿管外露100 mm,以便接管注漿,并用棉紗塞緊孔口,然后再噴射混凝土。待孔口封堵材料達到一定強度后開始注漿。注漿順序是從兩邊墻底部向拱頂交叉進行,從少水孔向有水孔( 大水孔) 進行。   

6 結語        

注雙液漿堵水是目前隧道施工中比較成熟的技術,它的堵水效果可以說是“立竿見影”,同時造價又比較理想,它克服了注水泥單液漿由于凝結時間過長,從而易形成泌水通道的缺點。但是它的施工難度比較大,在施工中需要操作工人之間很好的配合,要求工人要有較強的責任心和較高的熟練程度?傮w來說要把握住兩點,首先要嚴格通過試驗的方法來確定配合比并在配制漿液過程中隨時檢查,其次要保證在漿液凝結前沖洗注漿機及輸漿管。在做到以上兩點后這項技術將會解決我們施工中的很多難題。


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