地铁超前小导管注浆材料试验及注浆工艺
摘 要:北京地铁十号线呼家楼站，主体结构开挖其拱部地层为粉细砂、圆砾、高含水量粘土，其自稳性差。通过水泥—水玻璃浆液、改性水玻璃浆液不同配比在不同地层止水、加固的试验应用及优化注浆工艺，提高了工效，确保了地面沉降的控制范围和施工安全。
关键词: 地铁车站; 注浆; 材料试验; 工艺
1 前言
呼家楼站是北京地铁十号线的中间站，与规划M6 线呈十字换乘关系。受京广桥桩的影响，站台分开设置在东三环北路东西辅路下，埋深 10m，车站长179． 5m。车站设 5 个出入口，两组风亭、风道。
车站为分离岛式暗挖车站。主体为双线双洞，双层结构，单拱单跨断面。主线标准断面开挖宽度12． 6m，高 15． 15m。主体结构为洞桩法施工。
车站周边环境: 该车站设在繁华商业地区。地面建筑物居民楼、朝阳剧场地基距主体结构最近处2． 2m; 地下管线有 Φ700mm、Φ1250mm 污水管、Φ1400mm 自来水管、Φ1050mm 雨水管，管线距主体结构最近处 0． 9m。热力管沟、电力、电信管沟密布。暗河( 雨水方沟 3． 2m × 4． 5m) 横跨主体结构上方，距主体结构 2． 4m，桥桩距主体结构 2． 4m。
根据本工程的特点，整个工程的重点是开挖初支施工的安全。由于本工程开挖拱部地处含水粘土层、粉细砂层、圆砾层，其自稳性差。如果开挖初支施工不当，将引起地层较大的变形，危及地面交通、管线及房屋安全。因此，将车站的开挖初支防坍塌、控制沉降，作为施工的首要重点。将超前小导管注浆止水、加固地层作为施工的关键工艺和环节。
2 注浆材料、浆液配比
2． 1 注浆材料
注浆材料见表 1。
2． 2 浆液配比
通过 20 多组不同组合的配比试验，优选出两类4 个浆液配比，见表 2。
2． 3 水泥—水玻璃( CS 浆液) 浆液堵水加固原理
硅酸盐水泥的成分硅酸三钙( 3CaO·SiO2) 、硅酸二钙( 2CaO·SiO2) 占水泥重量的 70% ～80%，当水泥配水泥浆后，其主要成分硅酸三钙发生水化作用，生成含水硅酸二钙和活性很强的氢氧化钙，即
3CaO·SiO2+ nH2O = 2CaO·SiO2( n － 1) + Ca( OH2)
其中另一主要成分硅酸二钙也发生水化作用，生成含水硅酸二钙，即
2CaO·SiO2+ mH2O = 2CaO·SiO2·mH2O
以上反应生成的含水硅酸二钙呈胶质状态，不溶于水，生成的氢氧化钙与水玻璃( Na2O·mSiO2)很快发生反应，生成凝胶性硅酸钙，即
Ca( OH2) + Na2O ·mSiO2+ nH2O = Cao ·mSiO2·mH2O + 2NaOH
由于水泥浆液和水玻璃浆液发生化学反应，其混合浆液很快形成一定强度的胶质体。随着反应连续进行，胶质体强度不断提高，变为稳定的凝固体，从而起到堵水与加固地层的作用。胶质体的前期强度是水玻璃起主要作用，后期强度是水泥起主要作用。
2． 4 改性水玻璃浆液堵水加固原理
改性水玻璃就是将水玻璃进行酸化，使其在弱酸性条件消耗体系中的 NaOH，是平衡右移产生硅酸。硅酸成胶凝体，其反应如下:
Na2O·nSiO2+ ( n － 1) H2SO4→nSi( OH2) SO4+ Na2SO4+ H2O
2． 5 试验结果分析
影响水泥—水玻璃( CS 浆液) 浆液初凝时间的主要因素:
( 1) 当 C—S 比例和波美度一定时，水泥浆中w / c 越大初凝时间越长; 当 C—S 比例一定时，水玻璃波美度越高初凝时间越长。
( 2) 当水泥浆 w/c 和水玻璃波美度一定时，C—S 浆液水玻璃体积大初凝时间长，水玻璃体积小，浆液初凝时间短。
( 3) 新鲜水泥活性高，浆液初凝时间短，水泥存放时间长活性降低，浆液初凝时间则延长。
( 4) 温度低浆液初凝时间则延长，温度高浆液初凝时间则缩短。
3 超前小导管注浆工艺
超前注浆是用带孔的钢花管，在工作面周边按一定的角度打入地层进行注浆，在工作面周围形成承载薄壳，达到加固地层的目的。超前小导管既作为注浆导管注浆加固地层，又可起到超前小管棚支护的作用。
小导管布置在起拱线以上隧道周边上，导管间距为 0． 3m，外插角 10 ～ 30°，该站标准断面布导管23 根，每隔一榀隔栅钢架打设一环( 如图 1) ，导管长 3． 5m，外露 20cm 以便安设注浆管路。经现场检验有效注浆范围达开挖轮廓线外 3m。
( 1) 超前小导管的制作。导管采用 Φ32mm 焊接水煤气管制成。先将钢管结成 3． 5m，一端做成尖锥形，另一端焊上 Φ6mm 钢筋制成的箍; 在距头部 1． 0～ 1． 5m 以下每隔 10cm 交叉钻 Φ8 ～ Φ10mm 的孔。
( 2) 注浆。进浆速度一般每根管控制在 30L / min以内，每根管内注入 100 ～ 150 L 浆液后结束注浆; 注浆压力 0． 3 ～0． 5MPa。
( 3) 单管注浆结束标准。注浆过程中，压力逐渐上升，流量逐渐减小，当压力达到注浆终压，注浆量达到设计注浆量的 85% 以上，可结束该孔注浆;注浆压力未能达到设计终压，而注浆量已达到设计注浆量，也可结束该孔注浆。
4 结语
通过近一年的现场试验、实践，不同地层选择不同的浆液超前小导管注浆，其效果有:
( 1) 超前小导管注浆后在开挖面周围地层形成硬壳保护拱，在拱的保护下掌子面很少坍塌，并且开挖轮廓规整、稳定。
( 2) 喷射混凝土时间由过去 8h 左右减少到 2h左右，提高工效 3 倍。喷射混凝土回弹减少 50% 以上。
( 3) 根据监控量测结果，拱顶下沉及地表总沉降量最大值 23mm，小于设计风险值( 总沉降量不超过 30mm) 。保证了施工安全，管线、建筑物及路面交通安全。
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