预注浆技术在隧道工程中的应用

一、 前言

随着公路、铁路、水利、水电建设的高速发展，穿山隧道、都市隧道（地铁等）、水底隧道（穿江、穿海等）愈来愈多，当隧道在浅埋地段、砂土层、砂卵（砾）石层、断层破碎带以及大面积淋水或涌水地段施工时，常会出现因开挖面围岩失稳，导致坍塌、冒顶或衬砌后混凝土结构体仍然渗、漏水甚至开裂等现象，这不仅影响施工安全，延误工期，费工费料，而且影响工程质量和隧道使用年限。为了避免上述情况，施工中人们一直在尝试着用注浆技术来处理这些问题。随着注浆材料、设备和注浆理论的发展，注浆技术也有了长足的发展，越来越多的工程实践证明：注浆技术的应用已成为保证隧道工程质量和安全的经济而有效的一门新型技术。

注浆技术具有设备和工艺简便灵活、耗资少、工期短、见效快、施工占用场地小、施工对环境污染小等特点，故在隧道工程中应用愈来愈广泛。但不少工程在应用注浆技术处理工程问题时，因缺乏理论依据和实际操作经验，在对注浆材料、注浆设备、注浆方法的选择；在对注浆范围、注浆性能指标的确定以及注浆加固效果的检验等工作中往往带有随意性、盲目性，以致有些注浆工作花了较大的代价却未能达到预期效果！

本文在介绍注浆材料、注浆设备、注浆方法以及如何根据实际地质情况进行注浆前调查、设计、试验和注浆效果检验的基础上，具体阐述如何运用这些理论知识来处理隧道工程中的各种问题。

二、 注浆材料

注浆浆液按其主要构成材料的不同，可分为如下几类：

1、水玻璃类（酸性和中性水玻璃类、复合性水玻璃类、水玻璃+水泥类）

a、酸性和中性水玻璃类又分为

水玻璃本身并不能充当注浆材料，只有在其中加入酸或酸性盐及一些有机化合物后，才能产生大量可用于注浆用的胶体状态的硅酸即硅溶胶。目前用的较多的是水玻璃+氯化钙和水玻璃+铝酸钠两种浆液。

其中当采用硅溶胶+碱性反应剂作业时，往往是在现场先配制pH=3～4的酸性水玻璃浆液（硅溶胶），然后以单液的方式注入地层，借助地层中的天然碳酸钙作固化剂使酸性水玻璃固化，这样省事又降低了造价。

b、复合性水玻璃类是由悬浊浆液（瞬结）+溶液型水玻璃（中性~弱酸性）浆液（缓结）的复合浆液。

c、水玻璃+水泥类一般可通过调整两者间的质量比来控制凝胶时间,水玻璃浓度一般为30～40oBe。

水玻璃类浆液因价格便宜、无毒性、材料来源易得，渗透能力较强、胶凝时间可以由硅溶胶的浓度、水泥用量及反应剂控制等特点，在实际施工中使用率极高，居第一位。但这种浆液固结强度和耐久性均较差，而且会出现因水玻璃残余引起的阻碍长期稳定性提高的离浆现象，因此不适于要求强加固和长耐久的工程。

2、水泥类（水泥砂浆、普通水泥、超细水泥、湿磨水泥、硅粉）

水泥砂浆由于砂粒粒径大，一般用于填充空隙大的孔隙或空洞。

普通水泥由于粒径较大，只能渗入渗透系数大于5×10-2 cm/s的粗砂层及宽度大于0.2mm的裂隙，对渗透系数为10-3～10-4cm/s的中砂、细砂土层及宽度小于0.2mm的裂隙而言，就无能为力了。

为此人们开始研究超细水泥，以提高其可注性，其中有日本的MC-500号水泥和中国的CX型超细水泥，并且在防渗、堵漏中取得了很好的效果。后者在性能上完全接近前者，价格较前者便宜。

此后日本电力公司又研制出了另一种细粒水泥：湿磨水泥（WMC），这种湿磨水泥极类似粘土浆液的性能，甚至胜过粘土浆，被人们称为“微溶胶”。它是把普通水泥在注浆现场磨细到要求的细度，价格比工厂生产的同样细度的干水泥配制的浆液要便宜得多。其水泥颗粒的比表面积已提高到12700cm2/g，平均粒径达3μm且浆液稳定性好、析水率低、流动性好、无毒不污染环境。目前我国的国家建材研究院也研制出了类似产品。

随后人们又开发出渗透性好、耐久性长的硅粉浆液，其浆液由硅粉、氢氧化钙、氢氧化钠组成。

在实际施工中因工程需要，往往在水泥浆中加入适量外加剂，以改善其性能。如在水泥浆中加入5%氯化钙（CaCL）或3%水玻璃（Na2O.SiO2）可缩短浆液凝胶时间；在水泥浆中加入0.05%的三乙醇胺或0.5%的氯化钠，可使浆液高效速凝、早强；在水泥浆中加入3%～10%的膨润土或高塑粘土，可提高浆液的稳定性；在水泥浆液中加入硫化钠可提高浆液的可注性。

水泥类浆液因其固结强度高、耐久性较长、价格便宜、操作简便而使用情况也较为普遍。

3、高分子类（如铬木素类、脲醛树脂类、丙烯酰胺类、环氧类、聚氨酯类等）

铬木素类是以亚硫酸盐纸浆废液为主剂、以重铬酸盐为硬化剂，配以少量促凝剂组成，该类浆液粘度低，可注入性好，凝胶时间可控，凝胶体稳定，抗渗性强、源广价廉。其若能去掉其毒性，很有发展前途。

脲醛树脂类料来源广，固结体强度较高。缺点是粘度大，而且在酸性条件下固化，对设备有腐蚀性。

高分子类浆液虽然渗透性极好、凝胶时间易于控制、注后土层的抗压强度、抗渗性均较理想，但因其含剧毒物质、污染环境而被大多数国家禁用，仅在注入水泥浆液、水玻璃浆液无法解决问题时才使用。

以上三大类注浆材料的相对价格比如下表：（以水泥浆为1）

面对如此众多的浆液，我们如何去选择呢?

我们应根据具体地质条件、环境条件、注入目的来进行选择。其中地质条件是选定浆液的首要因素。

选择的浆液必须与砂土层为渗透注入，粘土层为脉状劈裂注入的机理相吻合。渗透注入的机理是用溶液型浆液取代土颗粒间隙中的水，故要求浆液的粘性必须近于水，且低于水，同时不含颗粒，因此可选择溶液型浆液、超细粒状浆液来对砂土层进行渗透注入，可望提高砂土层的防渗能力和土体的内聚力。而劈裂注入的机理是浆液在土层中形成纯浆液的固结脉，同时一些脉压密周围土层。为了提高脉体的固结强度，故应选择固结强度高的悬浊型浆液。这些浆液适用于粘土层注浆，以增加其内聚力。对于砂土和粘土混合层，可按下图所示土质与注入形态的关系，选定对应的浆液。但是当注入的目的是为了防渗的情况下，也可注溶液型浆液。