富水砂土地层地铁隧道注浆止水技术研究.pdf
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1、2023.27 科学技术创新富水砂土地层地铁隧道注浆止水技术研究庄心文(福州地铁集团有限公司,福建 福州)引言地铁是缓解城市交通拥堵有效的基础设施之一,在地铁隧道建设过程中,会遇到各种各样复杂的地质环境,砂土地层自稳能力差、透水性强,颗粒之间黏结性差,是地铁隧道施工中常见的地层之一,尤其是在富水砂土地层,极易发生管涌、塌方等工程事故,因此有必要对富水砂土地层进行注浆止水加固1-2。传统的无机注浆料在富水或者动水地质条件下容易被冲散和稀释,因此需要寻找新的注浆材料来替代转筒的无机注浆材料3。聚氨酯注浆料能够与水发生反应,同时与周围土体胶结在一起,从而同时达到止水和加固的目的,但由于聚氨酯配方问题
2、,很多时候具有较强的毒性,因此无法在城市地铁隧道建设过程中大规模使用,因而需要对聚氨酯配方进行改进,制备适合城市地铁隧道的聚氨酯注浆材料。1注浆材料制备及性能1.1原材料A 组分:多异氰酸酯,棕褐色液体,平均密度为1.23 g/cm3,平均粘度为 170 mPa s。B 组分:包括多元醇、催化剂、扩链交联剂、和泡沫稳定剂。多元醇:聚氧化丙烯二醇,为无色油状液体,平均密度为 1.19 g/cm3,平均粘度为 150 mPa s。催化剂:三乙醇胺和二月桂酸二丁基锡。扩链交联剂:乙二醇。泡沫稳定剂:二甲基硅油。1.2配比方案A 组分与 B 组分按照 1:1 的质量比混合,在 B 组分中,三乙醇胺、二
3、月桂酸二丁基锡、乙二醇以及二甲基硅油占聚氧化丙烯二醇质量的 0.3%、1.6%、0.6%和1%。按照 200 g 聚氨酯注浆材料进行制备计算,各材料配合比方案见表 1。1.3制备和反应流程先称取聚氧化丙烯二醇、三乙醇胺、二月桂酸二丁基锡、乙二醇、二甲基硅油,用玻璃棒搅拌混合均匀,然后加入过量水制成 B 组分,称取同样质量的多异氰酸酯作为 A 组分,然后掺入 B 组分中快速搅拌均匀,使 A、B 组分充分反应并发泡膨胀,最终生成具有一定强度和刚度的固结体,详见图 1。图 1聚氨酯注浆材料制备及反应流程作者简介院庄心文(1987-),男,本科,中级工程师,研究方向:工程管理。摘要:为提高富水砂土地层
4、注浆止水的效果,配制了一种低毒、低污染的聚氨酯注浆材料,并对不同注浆参数下的效果进行了试验研究。本文针对富水砂土地层地铁隧道,制备了一种低毒性(实际无毒)聚氨酯注浆料,并对其各项基本参数进行研究,重点对不同参数下的注浆止水效果进行试验,以期能为富水砂土地铁隧道的止水加固提供借鉴。关键词:富水砂土;注浆止水;聚氨酯浆液;扩散距离;堵水率;止水时间中图分类号院TU441文献标识码院A文章编号院2096-4390渊2023冤27-0133-04多异氰酸酯 聚氧 化丙烯二醇 三乙醇胺 二月桂酸二丁基锡 乙二醇 二甲基硅油 100 96.618 0.290 1.546 0.580 0.966 表 1聚氨
5、酯注浆材料配比方案133-科学技术创新 2023.271.4基本性能参数按照上述方法制备的聚氨酯注浆材料密度为1.205 g/cm3,平均粘度为 160 mPa s,平均凝固时间为121 s,不挥发物含量(固含量)为 97.84%,发泡率为 1265%,平均抗压强度达到 7.45 MPa,标准砂固结体渗透率仅为 1.2伊10-5cm/s,均满足 聚氨酯灌浆材料 中的各项指标要求,见表 2。表 2制备聚氨酯基本性能参数情况虽然部分原材料有毒或者低毒性,但是当经过化学反应后,制备的聚氨酯注浆材料实际为无毒或者接近于实际无毒,由于添加剂的掺量相对很低,因此可以将注浆浆液视为无毒或者低毒材料。对砂浆固
6、结体进行 28 d 浸水试验,结果表明:砂浆固结体的平均质量损失率仅为 0.45%;浸水后水中平均 TDS 含量为202 mg/L,仅较试验前自来水(TDS 含量 192 mg/L)增加 10 mg/L,远低国家规定的1 000 mg/L 要求;浸泡后自来水 PH 值与浸泡前几乎无差别。综上分析可知:制备的聚氨酯注浆材料属于环保性方面的要求。2注浆止水试验概况2.1试验原理试验装置由水头系统、注浆系统、砂土模型系统和检测系统四部分组成,见图 2。试验步骤为:(1)先安装砂土模型系统,并将渗压计、注浆管等埋入指定位置,并对各处进行密封处理;(2)将进水口端朝下放置,然后将试验用砂土分层均匀装入模
7、型筒中,每填筑 10 cm 厚便夯实一次,直至将模型筒填满;(3)将进水口与水头系统相连,注浆管与注浆系统相连,渗压计与监测系统相连;(4)按照表 1 配合比方案配制浆液,并调整各种参数;(5)向水头系统中注水,直至砂土模型中出水口有稳定水流出为止,使砂土层富水;(6)开始注浆,当不能或者难以注入浆液时停止注浆。2.2试验砂土特性试验砂土取自某地铁盾构隧道现场,粒径以 0.120 mm 为主,砂土的颗粒级配见图 3。从图 3 中数据可以计算得到砂土的不均匀系数为 1.92,曲率系数为0.95,属于级配不良土,经测试砂层的平均渗透系数为6.55伊10-3cm/s。图 3试验砂土颗粒级配曲线2.3
8、试验方案试验过程中,通过改变水头高度和注浆压力来探讨聚氨酯注浆材料的注浆效果,水头高度分为 1 m、1.5 m 和 2 m 三种,注浆压力分为 100 kPa、150 kPa和 200 kPa 三种,共进行 3伊3=9 组试验。3注浆止水试验结果3.1浆液扩散距离不同注浆参数下浆液的扩散距离变化规律见图4。从图 4 中可知:相同水头高度下,随着注浆压力的增大,逆水和顺水段的扩散距离均呈逐渐增大的变化特征;当水头高度为 1 m 时,注浆压力由 100 kPa 增大到 200 kPa 后,逆水段和顺水扩散距离分别增加了100%和 59.1%,当水头高度为 1.5 m 时,注浆压力由100 kPa
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