人工冻结法

9　辅助工法

本章导读：

在饱和含水、松软、破碎等不良地层中修建地下工程时，为保证掘砌施工的安全顺利进行，往往需要采取一些辅助施工技术，如冻结法、注浆法、混凝土帷幕法、降水法等来加固和处理这些不良地层，然后再进行正常的挖掘和砌筑工作。这些方法都有各自的专门技术工艺和要求，故可称之为辅助工法。本章主要介绍冻结法和注浆法。

●主要教学内容：冻结法和注浆法的基本概念与原理、基本工艺和方案、施工设备、技术参数的选择等。

●教学基本要求：了解两种工法的基本原理；熟悉主要施工设备；掌握基本的施工工艺、方案和方法，能够进行主要技术参数的设计计算和合理选择。

●教学重点：冻结法的原理、技术方案和技术参数的选择与计算；注浆法的基本工艺与技术参数。

●教学难点：冻结法的三大循环，尤其是氨循环系统；注浆的工艺与参数确定。

●网络资讯：网站：www.ccmcgc.com，www.zmts.com，www.zmtzc.com；www. tdbmc.com。关键词：冻结法，人工制冷，冻结原理，冻结设计，注浆法，工作面预注浆，地面预注浆，注浆材料，注浆机。

9.1　人工冻结法

9.1.1　基本原理

冻结法是在地下工程开挖之前，先在欲开挖的地下工程周围打一定数量的钻孔，孔内安装冻结器，然后利用人工制冷技术对地层进行冻结，使地层中的水结成冰、天然岩土变成冻结岩土，在地下工程周围形成一个封闭的不透水的帷幕———冻结壁，用以抵抗地压、水压，隔绝地下水与地下工程之间的联系，然后在其保护下进行掘砌施工。

形成冻结壁是冻结法的中心环节。冻结壁的形成依赖于冻结系统的三大循环：盐水循环、氨循环和冷却水循环。完整的冻结系统如图9.1所示。

图9.1　冻结施工原理图
1—盐水泵；2—盐水箱（内置蒸发器）；3—氨液分离器；4—氨压缩机；5—油氨分离器；
6—集油器；7—冷凝器；8—储氨器；9—空气分离器；10—水泵；11—节流阀；12—去路盐水干管；13—配液圈；14—供液管；15—冻结器；16—回液管；17—集液圈；18—回路盐水干管

1）盐水循环

盐水循环在制冷过程中起着冷量传递作用，以泵为动力驱动盐水进行循环。循环系统由盐水箱、盐水泵、去路盐水干管、配液圈、供液管、冻结管、回液管、集液圈及回路盐水干管组成，其中供液管、冻结管、回液管组合称为冻结器。低温盐水（- 25～- 35℃）在冻结器中流动，吸收其周围地层的热量，形成冻结圆柱，冻结圆柱逐渐扩大并连接成封闭的冻结壁，直至达到其设计厚度和强度为止。此后维持其厚度与强度，一直到冻结带掘砌工作完成。通常将冻结壁扩展到设计厚度所需要的时间称为积极冻结期，而将维护冻结壁的时间称为维护冻结期。

工程中使用的盐水（冷媒剂）通常为氯化钙溶液，其浓度为26.6%～28.4%。

2）氨循环

工程中一般用氨作为制冷剂。吸收了地层热量的盐水返回到盐水箱，在盐水箱内将热量传递给蒸发器中的液氨，由于蒸发器中氨的蒸发温度比周围盐水温度低5～7℃，使液氨变为饱和蒸汽氨，再被氨压缩机压缩成高温高压的过热蒸汽氨，进入冷凝器进行等压冷却，将地热和压缩机产生的热量传递给冷却水。冷却后的高压常温液氨，经储氨器、节流阀后变为低压液态氨，进入盐水箱中的蒸发器进行蒸发，吸收周围盐水之热量，又变为饱和蒸汽氨。如此，周而复始，构成氨循环。

3）冷却水循环

冷却水循环在制冷过程中的作用是将压缩机排出的过热蒸汽氨冷却成液态氨。冷却水循环以由水泵为动力，通过冷凝器进行热交换。冷却水把氨蒸汽中的热量释放给大气。冷却水越低，制冷系数就越高。冷却水温度一般较氨的冷凝温度低5～10℃。冷却水由水泵、冷却塔、冷却水池以及管路组成。

三大循环的热量传递过程如图9.2所示。

图9.2　制冷原理图

当需冻结的地层量不是很大时，需要的制冷量比较小，制冷的温度较低，可使用一级压缩制冷系统（图9.1），一级压缩的经济蒸发温度只能达到- 25℃。如果冻结工程量比较大，需要温度更低的盐水时，则需使用两级压缩制冷系统。两级压缩与一级压缩的主要区别是在氨循环中再串联一台压缩机（先低压后高压），并在高压机和低压机之间增加一个中间冷却器，其他与一级压缩基本相同。中间冷却器的作用是用来冷却来自低压级压缩机的排气，同时对来自冷凝器的液态氨进行过冷，以便进入蒸发器进行高效蒸发。

9.1.2　制冷设备

制冷设备包括压缩机、冷凝器、蒸发器、中间冷却器、氨油分离器、贮氨器、集油器、调节阀、氨液分离器等。下面简介一级压缩制冷系统中的一些主要设备。

1）压缩机

氨压缩机是制冷系统中最主要的设备。氨压缩机就其工作原理可分为活塞式、离心式和螺杆式三种。我国冻结法施工中主要用活塞式和螺杆式压缩机。

（1）活塞式氨压缩机

活塞式压缩机，按标准制冷能力分为：小型机（<60 kW）、中型机（60～600 kW）和大型机（600 kW以上）三类；按汽缸中心线的位置分为卧式、立式、斜式，斜式又分为V形、W形和扇形（S形）。我国冻结法施工常用的压缩机有100，125，170，250等系列。

（2）螺杆式压缩机

螺杆式制冷压缩机是一种回转式压缩机，在机体内平衡地配置着一对互相啮合的螺旋形转子，气体的压缩依靠容积的变化来实现，而容积的变化又是借助压缩机的一对转子（主动转子和从动转子）在机壳内做回转运动来达到。它只有旋转运动部件。国外，当要求标准制冷量为580～2 300 kW时，大多使用螺杆压缩机，我国许多厂家生产有这种压缩机，最大标准制冷量为1 400 kW。

螺杆压缩机可靠性高、寿命长、操作维护方便、动力平衡性好（几乎无振动）、体积小、质量轻、占地面积少，适宜作移动式制冷设备。

2）冷凝器

冷凝器用于冷却氨，将氨由气态变为液态，是制冷系统中的主要热交换设备之一。

冷凝器有立式、淋水式、卧式及组合式几种。冷凝器内装有许多支冷却水管，冷却水从冷凝器上端经冷却水管下淌，使管壳内过热蒸汽氨液化。

冷凝器按其冷却介质不同，可分为水冷式、空气冷却式、蒸发式三大类。水冷式以水作为冷却介质，靠水的温升带走冷凝热量。受热后的水由水泵送入冷却塔冷却后循环使用。

3）蒸发器

蒸发器是制冷系统中的热交换设备，被放置在盐水箱内，液氨在其内蒸发变为饱和蒸汽，吸收周围盐水的热量，使盐水温度降低。

4）节流阀

节流阀也称减压阀，主要对高压制冷剂进行节流降压，保证冷凝器和蒸发器之间的压力差，以便使蒸发器中液体制冷剂在要求的低压下蒸发吸热，从而达到制冷降压的目的；同时，使冷凝器中的气态制冷剂在给定的高压下放热、冷凝。其次，调整供入蒸发器的制冷剂的流量，以适应蒸发器热负荷的变化，使制冷装置更加有效的运转。因此，要求它有较好的耐压和密封性。

5）其他辅助设备

辅助设备包括：油氨分离器、贮氨器、氨液分离器、盐水泵及盐水循环系统管网等，它们也是保证冻结工程正常运行不可缺少的辅助设备。

9.1.3　冻结方案

1）一次冻全深方案

一次冻全深方案是集中在一段时间内将冻结孔全深一次冻好，然后掘砌地下工程的方法。这种方案应用广泛、适应性强，能通过多层含水层。其不足之处是当浅部冻结壁达到设计值时，深部冻结壁已进开挖区域，要求制冷能力大。

一次冻全深方案除常用单圈（排）布置冻结管外，还有多圈（排）管冻结方案和异径管冻结方案。如果要求冻结壁厚度较大、冻土平均温度低时，可选取双圈（排）或三圈（排）冻结管方案。为加快冻结壁的形成，改善下部冻结段的施工情况，可采用上部直径大而下部直径小的异径管方案进行冻结。这样可用不同传热面积来调整上下冷量的输出，保证上部及时冻结交圈以便提前开挖，同时又能使下部冻结壁不致于冻得太厚。

2）分段（期）冻结方案

当一次冻结深度很大时，如矿山立井冻结，为了避免使用过多的制冷设备，可将全深分为数段，从上而下依次冻结，称为分段冻结，又叫分期冻结。

分段冻结一般分为上下两段，先冻上段，后冻下段，待上段转入维护冻结时，再冻下段。上段掘砌完毕后下段再转入维护冻结。分段冻结要求在分段处一定要有较厚的隔水层（黏土层）搭接，分段尽量要均匀，使每段供冷均衡。实施分段冻结时，冻结管内需布置长、短两根供液管，冻结上部时，关闭长管阀门，由短管输送低温盐水；冻结深部时则相反，关闭短管阀门，开启长管阀门，由长管输送低温盐水，这样即可实现分段冻结的目的。

3）长短管冻结方案

长短管冻结又称为差异冻结，即冻结管分长、短管间隔布置，长管进入不透水层5～10 m，短管则进入风化带或裂隙岩层5 m以上。由于上部冻结孔间距小，故冻结壁形成快，有利于早日进行上部掘砌工作。待上部掘砌完后，下部恰好冻好，可避免深部冻实，减少冷量消耗，有利于提高掘砌速度，降低成本。在矿山立井中应用较多。

长短管冻结方案适用于岩土层很厚（200 m以上）而需要较长时间冻结的情况；或浅部和深部需要冻结的含水层相隔较远，中间有较厚的隔水层的情况，如图9.3（a）所示；或者表土层下部有较厚且含水丰富的风化基岩或裂隙岩层的情况，这样可避免在表土冻结后再用注浆法处理基岩段的涌水问题，如图9.3（b）所示。

采用长短管冻结方案能缩短冲积层的冻结时间，可以提前开挖，节约钻孔和冻结费用。长、短管一般沿地下工程周围在同一圈径上一隔一交替布置。

4）局部冻结方案

当冻结段上部有较厚的黏土层，而下部需要冻结时；或者上部已掘砌，下部因冻结深度不够或其他原因出现涌水事故时，需要采用局部冻结方案。实施局部冻结主要是改变冻结器的结构，常用的冻结器结构有隔板法、压气隔离法、盐水隔离法等。如图9.4所示为隔板法，可用于下部冻结而上部不冻结的情况。交界面可设隔板，如果不设隔板可在上部充入压缩空气或灌入不流动的盐水。局部冻结器的结构比一次冻结器的结构稍复杂一些，但从综合冻结成本来看，它比较经济合理，因而在上述条件下经常使用。

图9.3　长短管冻结示意图

9.1.4　冻结参数

1）冻结深度

冻结深度应根据地质条件和开挖深度决定，并注意以下几点：

①冲积层下部基岩风化严重，并与冲积层有水力联系，涌水量大，这时应连同风化层一起冻结，且冻结孔还要深入不透水基岩5 m以上。

图9.4　局部冻结方案

②冲积层底部有较厚的隔水层，而基岩风化不严重，冲积层地下水未连通时，冻结孔深入弱风化层10 m以上。

③地下工程深度不大，穿入的基岩层不厚，风化带与冲积层地下水连通，涌水量又比较大时，可选用冻结全深。市政工程（如基坑）应根据围护结构安全要求确定冻结深度。

2）冻结壁厚度

冻结壁在掘砌施工中起临时支护作用，其厚度取决于地压大小、冻土强度及冻结壁变形特征。冻结壁厚度，在矿山立井中一般为2～10 m；在城市地下工程中，由于工程埋藏浅，水土压力不大，冻结壁一般为2～3 m。

冻结壁的理论计算方法较多，计算结果相差较大，工程中多用理论计算作为参考，结合实际经验予以确定。下面简要介绍三种理论的计算方法。

（1）拉麦（G.Lame）计算方法

1852年法国工程师拉麦将冻结壁视为无限长的厚壁圆筒，并简化为平面问题处理。假定冻土介质受均布外力作用，为均匀弹性体小变形；冻土屈服准则符合第三强度理论。据此，采用弹性理论推导出冻结壁厚度计算公式：

R———井筒掘进半径，m；

[σ]———冻土的容许应力，[σ]=σ／k，MPa；

σ———冻土极限抗压强度，可取冻土的长时抗压强度σd代之，MPa；

k———安全系数，一般为2.0～2.5；

P0———地压值，P0=0.013 H，MPa，此处H为最大危险断面所处的井筒深度（单位为m）。

拉麦公式一般适用小于深度100 m左右的立井冻结壁厚度计算。

（2）多姆克（O.Domke）计算方法

德国多姆克教授将冻结壁视为均质的连续介质，并将其简化成外侧受均匀地压作用的无限长厚壁圆筒，按轴对称平面问题来处理。冻结壁厚度按下式计算：

多姆克公式适用于200 m左右的立井冻结深度。

（3）里别尔曼计算方法

1960年，苏联学者里别尔曼提出用极限平衡原理计算立井冻结壁的厚度，假设冻结壁外侧面的地压力为γH；掘进空帮的上下端固定，冻土为理想塑性体。公式如下：

3）钻孔布置

（1）冻结孔

冻结孔一般靠近地下工程的边缘布置。封闭式冻结时，布置在待挖工程的四周；挡墙式冻结时，则在待挖工程的一侧或一端呈线性布置（如盾构隧道的进、出洞洞口）。

冻结孔的布置形式因冻结工程的形式而异。按布置形状分，有圆形、矩形、椭圆形、不规则布形等；按钻孔的钻进方向分，有垂直、倾斜和水平布置；按钻孔的排列方式分，有单圈（排）、多圈（多排）布置；按钻孔的钻进角度分，有平行、放射状和扇形布置等。

①圆形立井冻结时，钻孔方向为竖向且与井筒呈同心圆布置，其圈径大小由井筒直径、冻结深度、钻孔允许偏斜率和冻结壁厚度来确定。冻结孔间距通常取0.9～1.3 m。冻结孔的布置圈径可按下式计算：

冻结孔布置圈径确定后，就可根据冻结孔间距确定出冻结孔的数目。

②斜井冻结时，冻结孔的布置方式有斜孔、垂直孔和立斜孔混合三种。斜孔布置与立井类似，沿斜井周边打斜孔，穿过含水层，进入斜井底板隔水层10 m以上；垂直孔布置是在地面沿斜井掘进方向，在斜井周边打垂直孔，穿过斜井底板隔水层；立斜孔混合布置是在斜井顶板范围内钻垂直孔，侧帮和底板布置斜孔。

③水平巷道或隧道工程冻结时，钻孔可根据需要在掘进工作面布置，钻孔布置在待掘工程周围，钻孔方向与地下坑道轴线平行或呈放射状钻进。这种冻结又称为水平冻结。水平冻结已在上海、广州、深圳等城市的地铁区间隧道及旁通道中得到应用。如图9.5所示为广州地铁2号线某区间隧道的冻结孔布置方式，开孔间距886 mm，冻结孔长62 m，钻孔方向呈放射状，终孔间距不超过2 m。

（2）水位观测孔

为了掌握冻结壁交圈情况，合理确定开挖时间，需要在冻结区域内布置一定数量的水位观测孔。立井冻结时，一般在距井筒中心1 m远的位置，以不影响掘进时井筒测量为宜。孔数为1或2个，其深度应穿过所有含水层，但不应大于冻结深度或超出井筒。利用水位孔判断冻结壁交圈的原理是：当冻结圆柱交圈后，井筒周围便形成一个封闭的冻结圆筒，由于水结冰后体积膨胀，使水位上升并溢出地面，故将水位孔溢水作为冻结圆柱交圈的重要标志。

图9.5　地铁区间隧道钻孔布置（放射状钻进）

（3）测温孔

为确定冻结壁的厚度和开挖时间，在冻结壁内必须打一定数量的测温孔，根据测温结果（冻结壁温度与时间的关系）分析判断冻结壁峰面即零度等温线的位置。测温孔一般布置在冻结壁外缘界面上，冻结孔数目根据需要而定，立井井筒一般为3或4个。

4）冻结站制冷能力计算

冻结站应用于一个地下工程项目时，冻结站实际制冷能力按下式计算：

N d———冻结管数目；

q———冻结管的吸热率，一般q= 0.26～0.29 kW／m2；

H

d———冻结管长度。

一个冻结站服务于两个相近的、需同时冻结的工程时，如盾构隧道并列的进（或出）口、矿山的主副井等，一般将两个工程安排为先后开工，以错开积极冻结期，即第二个工程在先开工工程进入维护冻结期后才开始冻结。此时，总制冷能力按先开工工程所需制冷能力的25%～50%与后开工工程所需制冷能力之和计算。

5）冻结时间计算

立井井筒或隧道呈封闭形冻结时，冻结时间经验计算公式为：

该法简单可靠，施工现场广为采用。

开始冻结后，必须经常观察水位观测孔的水位变化。只有在水位孔冒水7 d、水量正常、确认冻结壁已交圈后，方可进行试挖。冻结和开凿过程中，要经常检查盐水温度和流量、岩壁温度和位移，以及岩壁和工作面渗漏盐水等情况。检查应有详细记录，发现异常，必须及时处理。掘进施工过程中，必须有防止冻结壁变形、片帮、掉石、断管等安全措施。只有在永久支护施工全部完成后，方可停止冻结。

9.2　注浆法

9.2.1　注浆基本工艺

1）概述

注浆主要用于地下工程中的地层加固或防水堵漏工程。它是将具有充填、胶结性能的材料配制成浆液，用注浆设备注入到地层的孔隙、裂隙或空洞中，浆液经扩散、凝固和硬化后，减小岩土的渗透性，增加其强度和稳定性，从而达到封水或加固地层的目的。

注浆法的分类方法有很多，按注浆材料种类分为水泥注浆、黏土注浆和化学注浆；按注浆施工时间不同分为预注浆和后注浆；按注浆对象不同分为岩层注浆和土层注浆；按注浆工艺流程分为单液注浆和双液注浆；按注浆目的分为堵水注浆和加固注浆；按作用机理分为渗透注浆、压密注浆、劈裂注浆、充填注浆、喷射注浆等。

注浆法的主要优点是：设备少、工艺简单、方法可靠、造价低。因而，目前在水利水电、交通隧道、矿山、建筑基础、边坡等土木工程的各个领域得到了广泛应用。

2）地面注浆

地面注浆是在地下工程开挖之前或开挖过程中，用钻机沿拟开挖工程的周围垂直向下钻孔，将配好的浆液用注浆泵通过注浆孔注入到地层的裂隙（或孔隙）中充填固结，形成不透水的注浆帷幕，然后进行地下工程的开凿工作，其工艺如图9.6所示。

图9.6　地面注浆工艺流程
1—注浆材料；2—搅拌筒；3—供水管；4—贮浆池；5—吸水龙头；6—回浆管；7—压力表；8—注浆泵；9—输浆管；10—过滤筛；11—止浆塞；12—加压螺母；13—加压丝扣；14—套管；15—外套；16—注浆管；17—阀门；18—闸板阀

地面注浆通常用水泥浆液、黏土浆液以及水泥-水玻璃浆液，注浆深度在矿山可达500 m以上。在浅表土（厚度小于50 m）的流砂层中通常注化学浆液。

注浆时，首先钻孔，同时安装注浆设备。注浆作业前，要对钻孔进行压水试验，其目的是检查止浆塞的止浆效果及孔口装置的渗漏情况，冲洗孔内的岩粉和岩层裂隙中的黏土等充填物，测定注浆段岩层的吸水率。压水试验的注入压力一般比注浆终压高0.5 MPa左右；压水时间一般为10～20 min。注浆作业过程中要随时掌握压力和进浆量的变化情况，做好有关记录，以便分析注浆效果。一般情况下，注浆浆液应先稀后浓，先粗后细。当注浆量与设计量大致相等或达到注浆终压时，应结束注浆。

注浆方式有以下三种：

（1）分段下行式（自上而下）

注浆孔从地面钻至需注浆的地段开始，钻一段孔注一段浆，反复交替直至注浆全深，最后再自下而上分段复注。其优点是能有效地控制浆液上窜，确保下行分段有足够的注浆量，同时使上段获得复注，能提高注浆效果；缺点是反复扫孔，钻孔工作量大，交替作业工期长。在岩层破碎，裂隙很发育，涌水量大的厚含水层（大于40 m）及含水砂层的粒度和渗透系数大致相间时，宜采取这种方式。

（2）分段上行式（自下而上）

注浆孔一次钻到注浆终深，使用止浆塞进行自下而上的分段注浆。这种方式的优点是无重复钻孔，能加快注浆施工速度；缺点是易沿注浆管外壁及其附近向上跑浆，影响下层注浆效果。因此，对止浆垫的止浆效果要求较高，同时，对地层的条件要求较严格。在岩层比较稳定，垂直裂隙不发育的条件下或含水砂层的渗透系数随深度明显增大时，可采用这种方式。

（3）一次注全深式

注浆孔一次钻至终深，然后对全深一次注浆。这种方式的优点是不需多次安装和拔起止浆塞，工艺简单、施工期短；缺点是：段高大时，在相同注浆条件下浆液扩散不均匀，要求供浆能力大。当含水层离地表较近，被注岩层裂隙比较均匀时，可采取这种方式。

3）工作面注浆

工作面注浆是在地下工程掘至含水层之前，停止掘进，利用掘进工作面与含水层间不透水岩帽为保护层或专门构筑止浆垫（在立井中称止浆垫，在平洞中称止浆墙），从工作面钻孔注浆，然后再进行掘砌工作。与地面预注浆的主要差别在于将注浆作业的主要程序移到地下工作面，为了保证注浆效果需预留止浆岩帽或增设止浆垫（墙）。

工作面注浆分立井工作面注浆和平洞工作面注浆，如图9.7所示。这里主要介绍立井工作面注浆。

图9.7　工作面注浆工艺流程

（1）预留止浆岩帽

当含水层上部有致密的不透水层时，在井筒掘进到注浆段以上一定距离即可停止施工，为注浆作业预留一段岩帽，从而保证浆液在压力作用下沿裂隙有效扩散，并防止从工作面跑出。岩帽的厚度应根掘岩石的性质及强度确定，按经验选取时一般为2～7 m。

（2）构筑止浆垫

在不具备预留止浆岩帽的情况下，应构筑人工止浆垫。止浆垫的结构形式分为单级球面型（图9.8）和平底型（图9.9）。止浆垫内锥角的一半α，一般取30°～33°，球面内半径R a约为1.8 r（r为井筒掘进半径）。止浆垫的厚度主要根据注浆终压和止浆垫材料的允许抗压（抗剪）强度确定。

图9.8　单级球面型止浆垫

图9.9　平底型止浆垫

止浆垫的厚度计算公式为：

止水垫用混凝土构筑。构筑前，要处理工作面中的水，并将工作面清底成型，制备好孔口管和安装件等，然后进行止浆垫施工。施工时要安装并固定注浆导向管，经校正后便可浇筑混凝土。当工作面涌水量较大时，需采取滤水层和排水措施。

（3）布孔与注浆段高

注浆孔一般与井筒呈同心圆布置。布孔方式分为直孔或径向斜孔。当裂隙连通性好，裂隙近于水平或孔壁稳定性较差时，宜采用直孔方式，这时可采用较大型钻机钻孔，注浆段高可适当加大，一般根据钻机能力所能达到的有效钻进深度确定；当裂隙连通性一般，径向垂直裂隙发育较差时，宜采用径向斜孔，这时一般用轻型钻机钻孔。注浆段高一般为30～50 m。

注浆孔至外帮距离一般取0.3～0.6 m，以便于钻机操作为准；注浆孔间距，在大裂隙中为2～3 m，在小裂隙中为1～1.5 m。

（4）钻孔与注浆作业

工作面注浆常用2或3台轻型钻机或多台凿岩用的重型凿岩机钻注浆孔。为了防止钻孔突然涌水，需在导向管上安装防突水装置。

工作面注浆的工艺设备与地面预注浆基本相同。注浆站通常设在地面，注浆管悬吊或敷设在井筒内。如果井筒直径较大，也可将注浆泵放在井内凿井吊盘上，浆液在井口制作并通过供水管或混凝土输送管输送到吊盘上的盛浆容器内。双液注浆时，混合器多设在工作面，采用下行式分段压入式注浆。

9.2.2　注浆材料

1）常用注浆材料

注浆材料的种类繁多，按其颗粒分有颗粒类（如水泥、黏土、粉煤灰等）和溶液类（各种化学浆液），按其主剂可分为有机系和无机系两大类。无机系主要包括：水泥、水泥-水玻璃、黏土、水玻璃类等；有机系主要包括：丙烯酰胺类、铬木素类、脲醛树脂类、聚氨酯类等。

（1）水泥浆

水泥浆是指用水泥与水拌制而成的浆液，为改变浆液的性能，也可以水泥为主剂，添加一定量的外加剂。注浆用的水泥品种有普通硅酸盐水泥和矿渣硅酸盐水泥。

水泥浆的浓度通常用水灰比表示，水灰比变化范围一般为0.8∶1～2∶1。

水泥浆液应用最为广泛，其主要优点是货广价廉，结石体强度高，抗渗性能好，注浆工艺简单，易于操作、无污染；其缺点是水泥颗粒较粗，可注性差，在细裂隙及粗砂以下地层中很难注入，凝胶时间长且难以准确控制，初期强度低，浆液易沉淀析水，易被水稀释，稳定性差。因此，纯水泥浆在注浆工程中的应用受到了一定限制。为改善水泥浆液的性能，通常在水泥浆液中加入添加剂，如水玻璃、氯化钙等速凝剂；三乙醇氨等速凝早强剂；硅粉等早强剂和黏土等悬浮剂。水玻璃、氯化钙的添加量一般为水泥质量的3%～5%，三乙醇氨的最佳用量为水泥质量的0.05%，硅粉、黏土用量可占水泥质量的10%～30%。

（2）水泥-水玻璃浆液

水泥-水玻璃浆液又称为C-S浆液。当水玻璃掺量增加到一定比例时，水泥浆的性能就发生了质的变化，这种浆液兼有水泥浆和化学浆的一些优点。凝胶时间可以从几秒至数十分钟任意调节，强度可为5～20 MPa。早期强度比水泥浆有较大的提高，可注性好，材料来源丰富，价格低廉，在地面预注浆、工作面预注浆和处理淹井事故等方面得到了广泛应用，效果较好。注浆作业时需采用双液注浆系统。

水玻璃又称泡花碱。模数和浓度是水玻璃的两个重要参数，水玻璃的模数要求为2.6～3.0，浓度一般为30～40°Bé（波美度）。模数越小，凝胶时间越长，结石体强度越低。

C-S浆液中，水泥一般用强度等级为42.5以上的普通硅酸盐水泥，水泥浆的水灰比为0.5～2.0（质量比），水泥浆与水玻璃的体积比为1∶0.5～1∶1。

（3）水玻璃类浆液

水玻璃是化学注浆中最早使用的一种材料，其性能良好、来源丰富、价格低廉、对环境无污染，可注性好。固砂强度一般为0.2～0.3 MPa，适用于松软地层加固或细裂隙岩层堵水，应用前景好。水玻璃一般不单独使用，常与铝酸钠、氯化钙等混合使用。水玻璃与氯化钙在相遇瞬间就会发生反应，故其凝胶时间难以控制，通常采用双管注入的方式，让两种材料在地层中发生反应。

（4）丙烯酰胺类浆液

丙烯酰胺类浆液是以有机化合物丙烯酰胺为主剂、添加其他药剂配制而成的化学浆材，如美国的AM-9、日本的日东SS、我国的MG-646等均属于这一类浆液，国内通常称为丙凝。这种浆液常为双液浆，分甲液和乙液，注入地层发生聚合反应，形成不溶于水的弹性聚合体，起到阻水作用，故可应用于各个工程领域的防渗堵水。丙烯酰胺类浆液及凝胶体性能特点是：

①浆液黏度小，且在凝胶前始终保持不变，因此可注性好。

②凝胶时间可在几十秒至几十分钟内准确控制，凝胶是在瞬间发生并完成。

③凝胶体抗渗性能好，其化学性能稳定，耐久性能好。

④凝胶体本身是弹性的，抗压强度低。固砂体的抗压强度一般为0.4～0.6 MPa。

⑤浆液的材料来源较困难，价格较贵，配制浆材较复杂，因此，一般只用于其他浆材难以注入的极细裂隙或粉土的堵水注浆。

化学浆液还有聚氨酯类、铬木素类、环氧树脂类、脲醛树脂类等多种，不再一一介绍。

2）浆液的主要性能

注浆材料的品种繁多，其浆液性能的变化也很大，不同的浆材有不同的性能，同种浆材也可以根据需要而改变其性能。浆液的主要性能有黏度、凝胶时间、抗渗性和抗压强度等。

（1）黏度

黏度是表示浆液流动时，因分子间相互作用而产生的阻碍运动的内摩擦力。通常所说的浆液黏度系指浆材所有组分混合后的初始黏度。黏度是浆液的一个重要性能指标，其大小影响着浆液的可注性及扩散半径。黏度的单位用帕秒（Pa·s）表示。现场有时用简单的漏斗黏度计测定浆液的黏度，用秒（s）作单位。

（2）凝胶时间

凝胶时间是指从浆液各组合成分混合时起，直至浆液凝胶不再流动的时间间隔。凝胶时间对注浆作业、浆液扩散半径和浆液注入量等都有明显的影响。能否正确确定和准确控制浆液的凝胶时间，是注浆成败的关键之一。因此，要求浆液的凝胶时间能随意调节和准确控制，以满足不同的需要。凝胶时间的确定，水泥浆可用试锥稠度仪，其他浆液可用凝胶时间测定仪。在没有测定仪器的情况下，通常用倒杯法测定。

（3）抗渗性

抗渗性指浆液固化后结石体透水性的强弱，通常用m／d或cm／s表示。

（4）抗压强度

抗压强度指浆液结石体的无侧限抗压强度。以加固为主要目的时，应选择结石体强度较高的浆材；以堵水为注浆主要目的时，浆材结石体的强度可低些。

3）注浆材料的选择

一种理想的注浆材料，不但应满足工程上的性能要求，而且应货广价廉、无毒性、对环境无污染。因此，注浆时应结合地层地质与水文地质条件、工程要求、原材料供应及施工成本等因素合理选择注浆材料，使施工既经济又有效。

①在基岩裂隙含水层中注浆，需浆量大，往往又要求有足够的固结体强度。因此，当裂隙开度较大时，可选择水泥浆、黏土浆或水泥-水玻璃浆液；当裂隙开度较小、普通水泥浆液难以注入时，可采用超细水泥浆液、脲醛树脂浆液或者水玻璃类浆液。

②在含水砂砾层中，粗砂以上可采用水泥-水玻璃浆液；中砂以下可采用化学浆液，如丙烯酰胺类、聚氨酯类和水玻璃类等。开凿地下工程穿过流砂层时，应选用强度高的化学浆材。在动水条件下，可采用非水溶性聚氨酯浆材。

③对于特殊地质条件（如破碎带、断层、岩溶等），应先注惰性材料，如砾石、砂子、岩粉和炉渣等，然后注单液水泥浆或C-S浆液。

④化学浆液是松散含水层注浆不可缺少的浆材，但价格较贵，有的还有毒性。因此，只有在必须用化学浆液的条件下才使用。毒性较小、价格较低的化学浆液有改性脲醛树脂等。

9.2.3　注浆参数

1）注浆压力

注浆压力系指克服浆液流动阻力进行渗透扩散的压强，通常指注浆终了时受注点的压力或注浆泵的表压。地面注浆时，主要观察和控制注浆泵上的表压；工作面注浆时，主要观察和检查工作面上孔口（受注点）的表压。立井工作面注浆、注浆泵在地面时，受注点的表压包括泵压和浆液液柱的压力。

提高注浆压力，可增加浆液的扩散距离，减少注浆孔数，从而加快注浆速度。此外，由于注浆压力的提高，细小裂隙亦易被浆液充填，提高了结石体的强度和密实性，改善注浆质量。但是，压力过高，会使浆液扩散太远，造成材料浪费，也会增加冒浆次数，甚至引起上覆地层的变形和移动；若压力太小则难以保证注浆效果。

注浆压力通常根据静水压力或经验确定。根据有关规定，注浆终压应为静水压力的2～4倍，国内部分矿区的经验是取静水压力的2～2.5倍。

在流砂层中进行化学注浆时，注浆压力一般比静水压力大0.3～0.5 MPa。在粗砂以上地层中可以用低压注可注性好的浆液；在细砂层中，为了保证扩散的范围和质量，可采取先低压后高压的方式注浆。

在地基加固、埋深50 m以内的地下工程中注浆时，注浆压力一般为0.5～1.0 MPa。

2）浆液注入量

浆液注入量是指一个注浆孔的受注段注入的浆液量，其计算以浆液扩散范围为依据。但是，由于地质情况复杂，很难精确计算，只能估算。浆液的注入量常按下式确定：

在计算浆液的总需求量时，还应考虑一定的损耗量，浆液损失系数为1.2～1.5。

3）浆液有效扩散半径

浆液在岩层裂隙或砂层孔隙间扩散流动的范围称为扩散半径，浆液充塞胶结后起堵水或加固作用的有效范围称为有效扩散半径。在裂隙岩层或其他不均匀地层中，由于渗透性和裂隙的各向异性，扩散半径和有效扩散半径的数据相差很大。有效扩散半径的大小与被注地层裂隙或孔隙的大小、浆液的凝胶时间、注浆压力、注浆时间等成正比，与浆液的黏度及浓度成反比。

由于被注地层的各向异性，用理论公式计算扩散半径的结果往往与实际相差甚远。在实际工作中，通常按经验值选取。在岩层中用颗粒类浆液时，工程设计中一般取4～6 m。砂层中的化学注浆有效扩散半径较小，一般为200～1 000 mm。

实际工程中，有效扩散半径太小，注浆钻孔数目就要增加，否则就难以达到注浆堵水和加固的目的；若注浆的扩散半径太大，就会造成浆液的流失和浪费，对此，可通过控制浆液的黏度和浓度，调整注浆压力和注浆时间等途径解决。

4）注浆段高

注浆段高指一次注浆的高（长）度。注浆段高的划分应以保证注浆质量、降低材料消耗及加快施工速度为原则。在含水砂层中注浆时，每层注浆厚度一般为0.4～1.0 m；在岩层中注浆时，中小裂隙（裂隙宽度小于6mm）中段高为20～40m，大裂隙中段高为10～20 m，破碎带中可取5～10 m。

9.2.4　注浆设备

注浆设备是指配制、压送浆液的机具和钻孔机具。这些设备的合理选择与配置是完成注浆施工的重要保证。常规注浆设备主要包括：钻孔机、注浆泵、搅拌机、混合器、止浆塞、流量计和输浆管路等。当注浆量较大时，通常在地面设注浆站。

1）钻孔机械

钻进注浆孔主要使用钻探机械（图9.10）、潜孔钻机（图9.11）、潜风锤、气腿式凿岩机和钻架式钻机等，主要依据钻孔深度、钻孔直径、钻孔的角度等因素选择。凿岩机主要用于壁后注浆等浅孔（深度小于5 m）的钻进，钻架式多为立井钻凿炮眼用的伞形钻架（可达10～15 m）。

2）注浆泵

注浆泵是注浆施工的关键设备。注浆泵要依据设计的最大注浆压力和供浆量来选择。泵压应大于或等于注浆终压的1.2～1.3倍。在注浆过程中能及时调量调压，并保证均匀供液；双液注浆时，注浆泵应能使双液吸浆量保持一定的比例。

图9.10　ZLJ系列钻机

图9.11　DZ／MZ型潜孔钻机

注浆泵的种类有很多，按动力分，有电动泵、风动泵、液压泵和手动泵；按压力大小分，有高压泵（15 MPa以上）、中压泵（5～15 MPa）和低压泵（5 MPa以下）；按输送的介质分，有水泥注浆泵和化学注浆泵；按同时可输送的浆液的种类分，有单液注浆泵和双液注浆泵（见图9.12和图9.13）。

图9.12　2TGZ—60／120型电动双液注浆泵

图9.13　KBY—50／70型液压双液注浆泵

3）搅拌机

搅拌机是使浆液拌和均匀的机器。它的能力应与注浆泵的最大排浆量相适应，搅拌机多由施工单位自制或与注浆泵配套供应。搅拌机（桶或池）的有效容积一般为0.8～2 m3。

4）止浆塞

止浆塞主要用于划分注浆段高，以使浆液能够注入本段高内的岩石裂隙。它应安设在孔壁稳定、无纵向裂隙和孔形规则的地方。止浆塞应结构简单、操作方便和止浆可靠。

目前使用的止浆塞多为机械式，它主要是利用机械压力使橡胶塞产生横向膨胀，与孔壁挤紧，从而实现分段注浆。橡胶塞的外径为42～130 mm，高度为150～200 mm，可根据实际情况选2～4个。机械式止浆塞有孔内双管止浆塞、单管三爪止浆塞和小型双管止浆塞等形式，目前，三爪止浆塞应用范围较广，矿山地面预注浆多采用这种形式。

本章小结

（1）辅助工法较多，本章介绍了两种较为重要的方法———冻结法和注浆法。冻结法的实质是利用人工制冷临时改变岩土性质以固结地层。注浆法的作用与冻结法基本类似，但注浆法实施后，注入的材料将滞留于地层中，起到永久加固的作用。冻结法施工结束后，冻结地层将被融化，地层恢复到原始状态。冻结法施工的成本相对较高，但比较可靠。注浆法较为经济，但效果难以准确把握。

（2）冻结法虽然广泛应用于矿山立井施工，但其基本原理同样适用于其他地下工程的不稳定地层或含水极丰富的裂隙岩层施工。近十几年来，该工法已从矿山逐步推广到城市地铁、污水排放、深基坑、水利工程、河底隧道等工程中。

（3）冻结法制冷系统的三大循环是理解冻结法基本原理的关键，必须深刻理解和掌握。冻结方案及技术参数对冻结工程成败影响较大，施工前应充分论证，合理选择。

（4）冻结法施工时必须等待冻结壁完全形成后才能开挖，必须等地下工程结构完成后才能停冻。

（5）注浆作为岩土与地下工程加固与堵水的方法已在各个行业领域得到广泛应用。注浆材料的选择及浆液的性能参数对注浆效果影响很大。裂隙或孔隙较大时一般采用常规的颗粒型材料即可达到预期效果，但在微隙地层，则需采用化学浆液或超细水泥等微细材料。化学浆液价格较贵且有毒性危害，选用上应从技术、环保和经济方面综合考虑。

（6）不论冻结法或是注浆法，施工前必须编制相应的施工组织设计。对施工设备、施工方案、施工工艺、技术参数等做出详尽的规划设计。

习　题

9.1　什么是冻结法?

9.2　冻结法的三大循环是什么?试详述热量的传递过程。

9.3　冻结壁厚度如何计算?各公式的适用条件是什么?

9.4　立井、基坑、斜洞、平洞冻结时，冻结钻孔应如何布置?请画出布置简图。

9.5　什么是地面注浆?简述其施工工艺。

9.6　注浆材料的性能参数有哪些?应如何确定?

9.7　常用注浆浆液有哪些?说明其基本性能。