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水玻璃在地铁施工中的应用概况

 引言        水泥—水玻璃双液浆不仅具备水泥浆的特点,而且还兼有某些化学浆液的特点,如浆液胶凝时间可在几秒至几十分钟之间准确控制。这是水泥单液浆不具备的特点,在处理隧道的渗漏水情况时,水泥单液浆由于凝结时间慢,在注浆后会形成泌水通道,堵水效果不是很明显,而这些情况可以通过双液浆来解决。 

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1 工程概况        

北京地铁十号线第三标段位于北京市海淀区,分为苏黄、黄科两个区间和科南路站,区间正线采用浅埋暗挖法施工,在黄科区间竖井以东的 390 m 范围内没有设降水井,苏黄区间 2 号竖井范围内降水井的降水效果不明显,以上两个区域隧道穿越地层主要为粉质粘土层、粉土层、圆砾卵石层,局部夹有中粗砂层、粉细砂层,并且地层中含有丰富的地下水,隧道上方地层中管沟多且复杂,各种管沟中都有流动水和积存水。管线埋置相对较浅,距离结构较近,且部分管线年代久远、渗漏严重,造成地层中水源补给充分,隧道内渗水严重,且有压力水突涌。    

2 堵水方案的选择及确定        

地铁暗挖隧道注浆是在 1986 年修建复兴门折线时,伴随着浅埋暗挖技术的开发而应用的,开始仅为加固地层,以单液水泥浆为主,采用深孔和小导管注浆,为解决粉细砂层水泥浆无法注入的难题,研究出了改性( 酸性) 水玻璃。随着地铁东进,地下水位升高,地下水进入隧道开挖断面乃至整个断面之内,又研究出了 C—S( 水泥—水玻璃) 浆进行堵水,一次支护背后,初衬和二衬间进行填充注浆,主要为单液水泥浆和水泥砂浆,后来一衬之后隧道渗漏水严重,又采用 C—S 浆进行背后注浆,以减少涌水量。根据以往的成功经验,结合本标段的实际情况,经综合分析,并进行论证后,决定在初期支护背后进行填充 C—S 双液浆进行堵水。    

3 双液浆的原材料及反应机理        

1) 注浆原材料。水泥: 普通硅酸盐水泥,强度等级不低于32. 5; 水玻璃: 模度 2. 2 ~ 2. 8,浓度不低于 40 Be'; 缓凝剂: 磷酸氢二钠、工业品。        

2) 水泥和水玻璃的反应机理。水泥的凝结和硬化主要是水泥水化析出凝胶性的胶体物质所引起的。水泥水化生成硅酸二钙、硅酸三钙和氢氧化钙,当加入水玻璃以后,水玻璃马上与新生成的氢氧化钙反应,生成具有一定强度的凝胶体水化硅酸钙,反应过程为:  3CaO· SiO2+ nH2O→2CaOSiO2·( n -1) H2O + Ca( OH)2Ca( OH)2+ Na2O·nSiO2+ mH2O→CaO·nSiO2·mH2O + 2NaOH        

3) 磷酸氢二钠的作用机理。在配制水泥—水玻璃双液浆时,磷酸氢二钠是一种必不可少的化学物质。上面所提到的反应过程是在2 s ~3 s 之内完成的,它的直观反应就是双液浆瞬间凝结,不具备可施工性。加入磷酸氢二钠后它在水泥颗粒表面形成一层“难溶性”的磷酸钙,因而阻止了水泥的正常水化。这样Ca( OH)2析出速度变缓,上述反应过程发生缓慢,从而使双液浆的凝结时间在几秒钟至几十分钟之间任意调节。      

4 双液浆的配合比确定        

双液浆凝胶时间随水玻璃浓度、水泥浆浓度、水玻璃与水泥浆的体积比以及温度等因素的变化而变化。一般情况下,在一定范围内,水玻璃浓度变小,凝胶时间缩短,两者呈直线关系; 水灰比越小,水泥与水玻璃的反应越快,凝胶时间越短。总的来说,水泥浆浓度越高,反应越快,水玻璃越稀则反应越快。在施工中处理不同的渗漏情况时,需要的凝结时间也不同。因此在施工前要通过试验来确定易施工的配合比。       

1) 水玻璃的稀释。水玻璃的稀释采用边加水边搅拌边用波美比重计测量的方法,也可以采用计算方法,先算出加水量然后加水搅拌均匀。        V原= ( d配- 1) × V配/ ( d原- 1) ; V水= V配- V原。     其中,d原,d配分别为原水玻璃和预配水玻璃的比重,水玻璃比重与波美度的关系为 d =145/( 145 Be') ; V水,V配,V原分别为加水、原水玻璃和预配水玻璃的体积。        

2) 水泥浆的配制。在水泥浆配制之前要确定缓凝剂磷酸氢二钠的掺量,磷酸氢二钠如有结块现象要碾碎,在放水的同时,将磷酸氢二钠一并加入并搅拌,待水加至设计容量后,继续搅拌1 min,使磷酸氢二钠完全溶解,然后投入水泥,再搅拌 3 min。        

3) 浆液配合比的确定。在处理隧道的渗漏水时,一般不需要浆液结石体抗压强度,当有强度要求时,要通过正交设计的方法安排试验程序,用多指标综合平衡法分析试验结果,来确定水灰比、水玻璃的浓度及磷酸氢二钠的掺量。从理论上讲水泥浆越浓,其抗压强度越高; 当水泥浆浓度较大时,随水玻璃浓度的增大,抗压强度增高; 水泥浆浓度较小时,随水玻璃浓度的增加,抗压强度降低; 但当水泥浆浓度处于中间状态时,水玻璃浓度对其抗压强度影响不大。对于处理隧道的渗漏水关键的是凝结时间,最常见的配比是:  水泥浆∶ 水灰比 = ( 1 ~1. 5) ∶ 1( 重量比) ; 磷酸氢二钠( 1 ~3) %( 根据凝胶时间而定) ; 水玻璃浆 35 Be'; 水泥浆∶ 水玻璃浆 =1∶ 1( 双液注浆机的两根进浆管进浆速度相同) 。在施工中要根据现场情况来估算一下注浆时间,来确定施工配合比,以保证双液浆在注满后凝结,避免因为凝结时间问题造成注浆通路堵塞,影响注浆效果,达不到堵水的目的。    

5 施工中的注意事项        

1) 配制浆液时要注意严格按照配合比配制,加入磷酸氢二钠后一定要搅拌至完全溶解。当人工搅拌时水泥浆和水玻璃的配浆桶至少要各准备两组,以保证注浆时注浆机的连续送浆。水玻璃浆液搅拌均匀后要用波美比重计检测其波美度。        

2) 注浆过程中双液注浆机的进浆管在倒换注浆桶时不可混淆,混合阀上的压力表要有专人读数,当发现有异常时( 压力突然迅速增大并超过注浆结束的临界值) 要马上停机,并及时泵水冲洗注浆机及输浆管,  以防浆液凝结,造成注浆机及输浆管的报废。当拆卸输浆管和注浆小导管的接头所耗时间临近浆液的凝结时间时,要采取果断措施锯断接头处,以保证在浆液凝结前泵水冲洗注浆机及输浆管。        

3) 注浆时每隔 5 min 或变更配合比时或采用间歇注浆前,要在孔口测量浆液凝胶时间,并根据情况进行调整。注浆过程中,不得无故停电,如需停电,必须通知注浆班,及时冲洗注浆机及输浆管。       

4) 一次支护施作时,应按设计要求预埋充填注浆管,注浆管外露100 mm,以便接管注浆,并用棉纱塞紧孔口,然后再喷射混凝土。待孔口封堵材料达到一定强度后开始注浆。注浆顺序是从两边墙底部向拱顶交叉进行,从少水孔向有水孔( 大水孔) 进行。   

6 结语        

注双液浆堵水是目前隧道施工中比较成熟的技术,它的堵水效果可以说是“立竿见影”,同时造价又比较理想,它克服了注水泥单液浆由于凝结时间过长,从而易形成泌水通道的缺点。但是它的施工难度比较大,在施工中需要操作工人之间很好的配合,要求工人要有较强的责任心和较高的熟练程度。总体来说要把握住两点,首先要严格通过试验的方法来确定配合比并在配制浆液过程中随时检查,其次要保证在浆液凝结前冲洗注浆机及输浆管。在做到以上两点后这项技术将会解决我们施工中的很多难题。


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