水泥-水玻璃双液浆止水研究

水泥-水玻璃双液浆止水研究

摘要:隧道的开挖会改变其周围的径流路线，使水向隧道汇聚积累，容易引起突泥、塌方，特别是在软弱围岩中当出现渗水时，处于压缩域围岩被水流侵蚀丧失自承能力，导致初支承受过大的围岩压力，初支出现裂缝，拱架下沉侵限，当渗水出现在单侧时会产生偏压，且渗水在隧道中往往有滞后的现象，待掌子面开挖支护完成一段时间后初支开始出现渗水，所以对渗水围岩一定要及时有效的注浆止水。

传统的单液浆注浆工法由于浆液凝固速度慢，水泥浆凝固速度控制困难，对浆液扩散范围不容易控制，浆液无序扩散，造成水泥浆浪费，而且影响加固、止水效果，目前当围岩渗水，有止水需求时多采用双液注浆工法，在普通水泥浆中掺入一定比例的水玻璃，加快其初凝速度，保证注入浆液能在较快时间内凝结，免受水流的侵析，达到止水和加固围岩的效果，并在工程实践当中得到了广泛使用。

关键词：水泥水玻璃止水隧道施工应用

1. 工程概况

瑶寨隧道位于广西南丹县八圩乡瑶寨村西南约1.5Km处，为分离式隧道，左线长2701m，右线长2717.13m，下穿黔贵铁路旧线、团结水库。地处典型的喀斯特地貌区，多有溶隙、溶洞发育，空间分布不均，地下水丰富，地表水多顺溶隙涌入隧道，多次发生涌水、渗水现象。施工过程中多次应用水泥——水玻璃双液浆止水，效果良好。

2. 双液浆止水原理

在水泥浆掺入水玻璃后，水玻璃会参与水泥的水化过程，影响水泥的凝结硬化过程，主要反应过程为:

Na2O.nSiO2+Ca(OH)2+mH2O = CaO.nSiO2.mH2O+2NaOH

2NaOH+CaSO4.2H2O = Na2SO4+Ca(OH)2+2H2O

Al2 O3+ 4SiO2+2NaOH+H2O = Na2O.Al2O3.4SiO2.2H2O

以上化学反应将使水泥浆性能发生变化，反应中将水泥中起缓凝作用的石膏分解掉，迅速进入溶液，导致水泥浆在短时间内凝结，另外反应产物中凝胶含量增多，使浆液变得粘稠，在早期能抵抗水流侵析，稳定性高.由于凝胶体含量增多，硬化后的水泥浆密实度高，抗渗性能提高，达到加固止水的效果。

3. 注浆孔布置

3.1超前注浆布孔

在拱顶一定范围内，采用小导管或注浆锚杆，从拱架腹部开孔穿过，以一定斜插角向掌子面前方打入，环向间距一般等于浆液扩散半径R，通过压浆机向掌子面前方压入浆液，改善围岩条件，导管安装时角度和孔位应控制在误差允许范围之内，应保证注浆时无注浆盲区。

3.2 径向注浆布孔

垂直于岩面径向打入小导管或注浆锚杆，间距一般按1.0m×0.5m梅花型布设，实际施工中可根据现场情况调整。围岩在开挖轮廓线外2.5m-6.0m范围处于压缩状态，这个压密区形成承载圈，对以外的围岩起支撑作用，对以内的张拉域起保护作用，是围岩自承体系最重要的部分，所以径向注浆重点在于防止此区域被渗水侵蚀失稳，丧失自承能力。

4. 配合比的确定

在注浆中要求既要达到一定的扩散半径，又不能让浆液的扩散半径过大造成浪费，过稀的水玻璃浓度达不到加速凝固的目的。由于水泥浆的稀稠对初凝和终凝时间影响不是很大，所以在注浆过程中采用固定的水灰比1：1，只改变水玻璃浆液浓度及水泥浆液与水玻璃浆比例进行试验。

表1：不同配比水泥、水玻璃浆凝结时间

水玻璃浓度/Be 水泥浆：水玻璃（体积比）

1;1 1:0.75 1:0.5 1:0.25

初凝/s 终凝/s 初凝/s 终凝/s 初凝/s 终凝/s 初凝/s 终凝/s

39 64 187 44 77 29 57 12 35

28.5 37 60 21 49 19 34 8 35

25.2 28 55 19 44 5 26 3 27

22.5 26 48 17 37 10 25 4 24

20.4 25 65 18 42 9 21 3 30

18.6 25 72 18 43 11 30 3 73

17.1 27 52 14 38 9 25 4 20

16 25 51 15 33 8 25 3 300

15 24 47 15 31 7 68 4 2158

14 40 98 17 42 14 60 5 1342

13 25 113 12 43 6 62 3 1620

12 26 79 20 114 15 360 10 2640

11 29 81 29 156 25 1067 10 1894

10 23 140 17 760 13 1531 13 3264

9 23 202 23 1241 13 2127 11 5064

8.4 30 833 24 1444 25 2262 91 19500

根据表1 中的数据做出不同水泥浆与水玻璃体积比下的凝胶曲线。

从图1、图2及表1 可以看出，水泥、水玻璃在不同浓度（39～8.4Be′）下的浆体初凝时间变化不是很大，从3s 到91s 变化;终凝时间从21s 变化到19500s 相差4 个数量级，这个变化是非常大的。过长的终凝时间，注浆时跑浆漏浆是非常严重的，并且施工效果也不好，这说明: ①过稀的水玻璃的浓度达不到加速水泥固结的目的; ②水玻璃浓度的变化对水泥的初凝速度影响不大; ③在一定水玻璃浓度范围内，水泥的凝胶时间变化不大; ④水泥凝胶时间的总趋势是随着水玻璃浓度变小而增大。

工程中的注浆是要加固破碎的散体结构，如果终凝时间过长会造成材料浪费，并且达不到注浆的效果。但是注浆又要求一定的扩散半径，又要不能扩散太远，这就要求水泥浆的初凝和终凝之间有一段合适的时间差。在图 1 中表现出不断变稀的水玻璃浓度下，水泥浆终凝的时间拐点后是直线增大的，因此太稀浓度水玻璃不是工程所需要的。

由图中不同水玻璃浓度下的凝胶时间曲线中可以看出，水泥浆与水玻璃体积比为1：1 情况下，水泥浆的终凝曲线在一定范围内变化较小，在浓度为9Be′时出现较大的拐点。同样，在水泥浆与水玻璃体积比分别为1：0.75 和1：0.50情况下，在水玻璃浓度分别为11Be′和13Be′时终凝曲线出现变化较大的拐点，突然急剧上升，而初凝是一条较平直的曲线。

从以上分析可以看出，在不同的水泥浆与水玻璃体积比下，浆液的初凝时间变化不大，呈水平直线，而水泥的终凝时间是变化很大的，在不同体积比下都会出现一个拐点呈直线上升趋势。在满足质量情况下，从经济角度看，在拐点位置附近选择注浆配比对施工是最经济、最有利的。