复合式衬砌隧道壁后注浆粘土浆液及其注浆方法

摘要

一种复合式衬砌隧道壁后注浆粘土浆液及其注浆方法，浆液由A组分和B组分混合而成，A组分按质量份配比如下：水80～130份；粘土50～80份；水泥30～50份；粘土促进剂0.5～10份；塑化剂0.05～3份；所述B组分按质量份配比如下：水80～120份；水玻璃80～120份；缓凝剂0.5～10份；所述A组分和B组分混合的质量比为100∶30～60。注浆前对粘土进行预浸泡以提高粘土水化作用，并对A组分采用高速、低速结合二元搅拌法，提高粘土浆液的分散性及制浆速度。本注浆方法可以较低的成本充填衬砌与围岩之间的空洞，提高围岩稳定性，并对衬砌起到保护作用，几乎不需要二次注浆，适用于复合式衬砌隧道的壁后注浆。

说明书

技术领域

本发明涉及一种建筑注浆液，特别是一种隧道施工中壁后注浆用的注浆液及其注浆方法。

背景技术

在隧道施工中,壁后注浆是施工中一项必不可少的工作内容。壁后注浆就是在隧道内将具有适当的早期及最终强度的材料,按规定的注浆压力和注浆量在隧道初支完成后注入衬砌与围岩间的空隙内。其目的在于：

（1）尽早填充衬砌与围岩间的空隙，防止围岩与衬砌硬接触，保证安全；

（2）确保衬砌的早期稳定性和间隙的密封性；

（3）作为衬砌防水的第一道防线，提供长期、均质、稳定的防水功能；

（4）作为隧道衬砌结构加强层，具有耐久性和一定强度。

对地层稳定性差的隧道而言，围岩变形的主要原因在于衬砌壁后注浆的好坏。因为由于初支以后，在不注浆的情况下围岩接近无支撑状态，其变形或局部坍塌随着围岩扰动范围的增大而直接影响地表沉降程度。因此，壁后注浆技术是决定隧道能否稳定的关键性工序之一。

壁后注浆属于充填类注浆，其对注浆材料的要求是：价格低廉、低收缩率、足够的强度、防水性好。目前国内普遍采用的充填型注浆材料主要有单液水泥浆、粉煤灰-水泥浆以及粘土固化注浆材料。普通单液水泥浆注浆，水灰比一般为1：1。纯水泥浆强度较高，但是收缩率也较高，成本高昂。粉煤灰-水泥浆具有收缩率低、价格低、强度合适等优点。但是粉煤灰颗粒粗大，抗渗性能及流动性较差。粘土固化注浆材料已经在帷幕灌浆和堵水注浆中获得广泛应用，但是由于其强度不足使其在充填型注浆中应用较少。

现有的注浆液用在复合式衬砌壁后注浆方面存在以下问题：

（1）浆液用量大，导致材料成本较高。

（2）浆材收缩率较大，需要二次补浆。

（3）充填材料刚度较高，不利于缓冲围岩与衬砌间的压力。

（4）浆液粘度较低，容易跑浆。

发明内容

本发明的目的是提供一种复合式衬砌隧道壁后注浆粘土浆液及其注浆方法，要解决现有的普通注浆液注浆效果不好、成本高的技术问题，并解决现有注浆施工效率低、需要二次补浆的技术问题。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

这种复合式衬砌隧道壁后注浆粘土浆液，由A组分和B组分混合而成， 

所述A组分按质量份配比如下：

水              80～130份；

粘土            50～80份；

水泥            30～50份；

粘土促进剂  0.5～10份；

塑化剂        0.05～3份；

所述B组分按质量份配比如下：

水             80～120份；

水玻璃       80～120份；

缓凝剂       0.5～10份；

所述A组分和B组分混合的质量比为100:30～60。

所述A组分按质量份最佳配比如下：

水               100份；

粘土             60份；

水泥             40份；

粘土促进剂    5份；

塑化剂          1份；

所述B组分按质量份最佳配比如下：

水                100份；

水玻璃        100份；

缓凝剂            5份；

所述A组分和B组分混合的质量比为 100:50。

所述水泥为32.5号以上的普通硅酸盐水泥。

所述粘土促进剂为氯化钙和二氧化铝的混合物，二者的质量比为6:4～9:1。 

所述塑化剂为聚羧酸类塑化剂、萘系塑化剂或木质素磺酸盐塑化剂。

所述水玻璃为钠水玻璃或钾水玻璃。

所述水玻璃的波美度40～45°Bé，模数2.4～2.8。

所述缓凝剂为磷酸氢二钠。

这种复合式衬砌隧道壁后注浆粘土浆液的注浆方法，

步骤一，施工准备，架设注浆作业平台；

步骤二，沿初支面钻注浆孔；

步骤三，在注浆孔内安装注浆管；

步骤四，将注浆管周围封填严密；

步骤五，配制复合式衬砌隧道壁后注浆粘土浆液，

a、先将粘土加入50%～70%的水，预浸泡10～30个小时；

b、配制A组分，按照配比将余量的水、粘土浸泡液、粘土促进剂、塑化剂、水泥依次加入高速搅拌机；

c、搅拌A组分，在高速水泥搅拌机中进行高速搅拌，搅拌速率为300～1500转/分；再将搅拌均匀的浆液转入低速水泥搅拌机中进行低速搅拌，搅拌速率为30～80转/分，保持浆液稳定性；

d、配制B组分，将水、水玻璃、缓凝剂按质量份配比，在搅拌桶中搅拌均匀；

步骤六，用双液注浆设备对复合式衬砌隧道进行壁后注浆，注浆压力为0.6～1Mpa；

步骤七，割去外露注浆管，用水泥浆抹平；

步骤八，关闭注浆孔；

步骤九，注浆效果检测。

所述步骤六，采用低压注浆，压力为0.6～1Mpa。　

与现有技术相比本发明具有以下特点和有益效果：

本发明的浆液主材为粘土，辅材为水泥、水玻璃、粘土固化剂、塑化剂。由于粘土颗粒表面具有一定的活性，可水化后与水泥发生反应的原理，见式1。

 

本发明充分利用土颗粒与水泥之间的反应，并利用粘土促进剂和塑化剂来改善水泥与粘土间的结合，使粘土固化注浆材料的强度和其他性能得到大大提高。

塑化剂：是一种亲水性表面活性物质，与水泥相溶，可以楔入水泥和粘土团粒裂缝，使水泥和粘土颗粒分散更为均匀，颗粒更小，比表面积增加从而提高水泥的水化程度。

粘土促进剂采用氯化钙和二氧化铝，二者属于无机电解质，能溶于水，在水中离解出带正电荷的阳离子[X]ⁿ⁺和带负电荷的阴离子[Y]^n-，阳离子与土壤胶体表面的阳离子[M]ⁿ⁺产生交换作用，将这些原本吸附在土壤颗粒表面、亲水性极高的阳离子赶走，代之以亲水性较低、粘结力较强的铝离子及其水合物。固化机理是通过中和粘土颗粒、表面的离子，将土粒表面吸附的部分水分子置换为自由水，使土粒表面失去对水的静电吸附力，永久地将土的亲水性变为疏水性，同时促进石灰或水泥与土发生化学反应，从而改善土的工程性质。

本发明采用充填型粘土浆液对复合式衬砌隧道壁后注浆，可降低大量的注浆材料成本，并提高注浆效果。

（1）充填型粘土浆液成本为普通水泥浆液的1/2,强度可达4Mpa以上，完全满足衬砌与围岩间充填注浆的需要。

（2）采用高低速二元搅拌工艺，先高速搅拌再低速搅拌。

（3）注浆结石体收缩率低，仅为5%，不用二次注浆，减少注浆工作量。

（4）注浆结石体柔性较好，利于缓冲围岩与衬砌间的压力。

（5）浆液粘度适当，可避免浆液大量流失的同时保障浆液可达到预定的注浆位置。

 

本发明粘土壁后注浆与普通水泥壁后注浆的对比分析如下表：

比较内容钻孔注浆工艺二次注浆结石率强度结石体抗渗性结石体柔性浆液成本（元/吨）粘土壁后注浆风钻二元搅拌加双液注浆不需要＞95%4Mpa优良优良，可起缓冲作用150普通水泥壁后注浆风钻低速搅拌加双液注浆需要85%10Mpa一般较差，不能起缓冲作用300

注浆工艺为高低速二元搅拌工艺与双液注浆工艺结合。即先高速搅拌再低速搅拌，然后进行双液注浆。此方法能够使粘土分散的更加均匀，并保持浆液稳定性，防止原料沉淀。

本发明通过粘土浆液注浆，可充填衬砌与围岩之间的空洞，提高围岩的稳定性，并对衬砌起到了保护作用。在经济效益上，该种浆液价格较低，吨浆价格只是目前普通水泥浆液的的50%左右，每注浆1000吨，节余直接注浆资金约12万元，提高了经济效益。经注浆效果检测表明，一次注浆基本可以消除空洞，几乎不需要二次注浆，注完浆后有效地控制了衬砌变形。本发明适用于复合式衬砌隧道的壁后注浆。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。

图１是本发明注浆的施工步骤图。

具体实施方式

实施例一，这种复合式衬砌隧道壁后注浆粘土浆液，由A组分和B组分混合而成， 

所述A组分按质量份配比如下：

水                100份；

粘土              60份；

水泥               40份；

粘土促进剂     5份；

塑化剂            1份；

所述B组分按质量份配比如下：

水                100份；

水玻璃        100份；

缓凝剂           5份；

所述A组分和B组分混合的质量比为 100:50。

所述水泥可采用32.5号的普通硅酸盐水泥。粘土促进剂为氯化钙和二氧化铝的混合物，二者的质量比为4:1。塑化剂采用聚羧酸类塑化剂，缓凝剂采用磷酸氢二钠。水玻璃采用钠水玻璃，水玻璃的波美度40～45°Bé，模数2.4～2.8。

 

实施例二，这种复合式衬砌隧道壁后注浆粘土浆液，由A组分和B组分混合而成， 

所述A组分按质量份配比如下：

水                80份；

粘土            50份；

水泥            50份；

粘土促进剂    3份；

塑化剂        0.5份；

所述B组分按质量份配比如下：

水               90份；

水玻璃        80份；

缓凝剂         3份；

所述A组分和B组分混合的质量比为100:60。

所述水泥可采用32.5号的普通硅酸盐水泥。粘土促进剂为氯化钙和二氧化铝的混合物，二者的质量比为3:1，塑化剂采用聚羧酸类塑化剂，缓凝剂采用磷酸氢二钠。水玻璃采用钠水玻璃，水玻璃的波美度40～45°Bé，模数2.4～2.8。

 

实施例三，这种复合式衬砌隧道壁后注浆粘土浆液，由A组分和B组分混合而成，

所述A组分按质量份配比如下：

水              130份；

粘土            80份；

水泥            30份；

粘土促进剂    8份；

塑化剂          2份；

所述B组分按质量份配比如下：

水              110份；

水玻璃        120份；

缓凝剂          8份；

所述A组分和B组分混合的质量比为100:40。

所述水泥可采用32.5号的普通硅酸盐水泥。粘土促进剂为氯化钙和二氧化铝的混合物，二者的质量比为6:4。塑化剂采用萘系塑化剂，缓凝剂采用磷酸氢二钠。水玻璃采用钠水玻璃，水玻璃的波美度40～45°Bé，模数2.4～2.8。

 

上述实施例中的复合式衬砌隧道壁后注浆粘土浆液的注浆方法如下：

步骤一，施工准备，架设注浆作业平台；

步骤二，沿衬墙拱面钻注浆孔；注浆孔的间距为2.0m，沿一衬墙拱面梅花形布置； 

每钻完一孔，立即采用人工打入注浆钢管，管外壁与衬砌接触面和注浆管尾部用棉纱堵严，钻孔的方向垂直于一衬面。隧道内每批安装的注浆管不宜过多，每注浆循环段长度为l0m；

步骤三，在注浆孔内安装注浆管；每钻完一孔，立即采用人工打入注浆钢管； 

步骤四，将注浆管周围封填严密；管外壁与衬砌接触面和注浆管尾部用棉纱堵严，钻孔的方向垂直于一衬面，隧道内每批安装的注浆管不宜过多，每注浆循环段长度为l0m；

步骤五，配制复合式衬砌隧道壁后注浆粘土浆液，

a、先将粘土加入60%的水，预浸泡24个小时；

b、配制A组分，按照配比将余量的水、粘土浸泡液、粘土促进剂、塑化剂、水泥依次加入高速搅拌机；

c、搅拌A组分，在高速水泥搅拌机中进行高速搅拌，搅拌速率为300～1500转/分；再将搅拌均匀的浆液转入低速水泥搅拌机中进行低速搅拌，搅拌速率为30～80转/分，保持浆液稳定性；

d、配制B组分，将水、水玻璃、缓凝剂按质量份配比，在搅拌桶中搅拌均匀；

步骤六，用双液注浆设备对复合式衬砌隧道进行壁后注浆，注浆顺序从外开始，逐渐向中间依次注浆；

注浆参数如下：

a、注浆的初始压力为0.6Mpa，注浆终压选用1MPa，单孔浆液扩散半径仅让其扩散到半径0. 8m范围之内，以节约水泥用量；

b、注浆速度选用50L/min；

c、注浆扩散范围：注浆的有效范围为一衬壁后0. 8m范围内；

d、注浆量：单孔的注浆量均达到0.5m³左右，便能达到注浆效果；

步骤七，割去外露注浆管，用水泥浆抹平；

步骤八，关闭注浆孔；

步骤九，注浆效果检测，如衬墙拱面有渗漏现象，对该部位进行二次钻孔并补注液浆，注浆压力应达到0.6～1Mpa。