第 1 章 课题背景
1.1 研究背景
我国北京、上海等城市地铁工程发展迅猛。其中，北京运营首条线路以来，总线路已达 23 条，总里程约为 700 公里，如图 1-1 所示，规划于 2020 年底达到三十条网络。
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1.2 土体改良技术研究
不论是在建设工程中还是隧道工程中，当遇到土体现状无法满足施工要求时，需要采用人工手段对土体进行改良。粗略的可分为表面处理和深层改良两大类。在隧道工程中，一般的震动夯实等工艺难以起到作用。
目前的土质改良技术主要有：冻结法、帷幕法以及注浆法。
1.2.1 冻结法
冻结法是人工的工艺把不良土体的温度降低至地下水结冰，形成的结构不仅能有效的隔断水流，同时也具有一定的承压性质。
于长一[2]（2014）从热力耦合出发，数值模拟冻结施工的过程，分析了冻结法对土体作用的机理以及对周边环境的影响。
胡向东[3]等（2014）通过模型实验在港珠澳大桥隧道工程，利用管幕冻结法在软弱地层中，冻土会把管幕钢管牢牢包围，具有良好的止水效果。
曹军军[4]等（2019）分析了在富水卵石层进行冻结法的合理性，数值分析结果认为冻结施工中的测温与卸压孔能够复合要求，进行冻结法可以实现土体改良目的。
马恒远[5]（2019）针对地铁工程中遇到的联络通道施工，通过参数调节与工艺设计验证了冻结法对联络通道施作的风险控制作用。
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第 2 章 浆液及结石体性能试验
2.1 试验目的
研发应具有以下工程特点的新型浆液：浆液具有抗水流冲刷能力、可挖性好、能够充填卵石层的空隙。
选取的主材具有的工程特点：硅酸盐水泥早期强度低、颗粒粗，但材料易于获得且便宜；硫铝酸盐水泥早期强度高、颗粒细小、具有微膨胀性，但成本较高；膨润土几乎无强度，但颗粒小、具有膨胀性；水玻璃可以促进反应，加速水泥于土体的进程。在浆液形态中，
在实际注浆工程中，需要根据遇到的土层和工况设计具体的注浆方案。在大渗透系数卵石地层中，需要研制性能友好型浆液来辅助精准注浆工艺。本试验以水泥-水玻璃浆液为基础，通过控制材料的种类、外加剂的掺量、水灰比和体积比等进行控制变量试验，分析双液浆的工程性质及规律变化，为实际工程提供借鉴[31]-[33]。
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2.2 试验方案
注浆工艺需要根据实际工程现状调整浆液配比，因地制宜进行施作。本文将水泥、膨润土和水玻璃含量作为控制因素，分析成分变化对其性能的影响，以期获得浆液性能规律，为工程选取合适浆液配比提供参考。
2.2.1 试验所用材料
（1）硅酸盐水泥：具有较长的凝胶时间，一般的小体积的工程经常用到。因为其早期强度不高，耐腐性能较差，且后期强度较低[34]-[36]。如果是具有一定腐蚀性的液体（如流动的但酸性水或硫酸盐等），沿海近百海处也不宜使用，否则其耐腐蚀性差的工程性质会造成一定程度的安全隐患。
（2）硫铝酸盐水泥：该类水泥粒径较小（平均粒径为 3μm）且凝结时间很短。工程性质较普通硅酸盐水泥来说，其早期的强度也处于较高水平。
（3）膨润土：具有与水膨胀的工程性质。在接触到水后，钙基膨润土会发生水化反应，膨胀到原本未接触水状态体积的三到七倍。而钠基膨润土遇水后的体积会变为原来的十二到十八倍。
（4）水玻璃（泡花碱）：属于常见的玻璃状工业品。透明无色。其易于其它物质发生反应而产生不溶于水的物质，可与水泥快速反应通过凝胶作用，帮助达到改善土体的目的。
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3.1 浆液抗冲刷性能预实验................................30
3.1.1 预冲刷实验步骤....................................30
3.1.2 预冲刷试验结果.................................31
第 4 章 研究精准注浆工艺..................................36
4.1 精准注浆方案..............................36
4.2 卵石层注浆机理..................................37
第 5 章 工程应用.............................52
5.1 工程概况.........................................52
5.2 工程难点....................................54
第 5 章 工程应用
5.1 工程概况
北京地铁机场线沿线工程区间自东直门站后安全线起，沿东直门内大街向西敷设，总长约 1733m，线路总体地势较为平坦，区间隧道纵坡为单向坡，区间采用矿山法进行施作。如图 5-1 所示，区间某竖井位于东直门内大街与东直门北小街交叉口东北角，地面高程 42.75m。竖井外轮廓宽 5.2m，长 7.7m，深 30.52m；横通道沿南北方向布设，长45.78m，原拱顶断面宽 4.6m，高 9.17m，覆土 17.71m。
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（1）结论
针对地铁工程所遇不良地质，常用注浆的工艺进行土体改良来达到止水加固的目的。大渗透系数卵石地层工程性质复杂，浆液往往难以流入目标区域，常规注浆工艺效果不佳，并伴随大量的冒浆、涌水、串浆等现象而引发工程事故。本文从室内凝胶实验、结石体抗压试验、电镜扫描与离散元分析出发，研制精准注浆方案与工艺，充分考虑工程实际特点，摈弃常规方案参数唯一、简化粗糙的“一次性设计”问题，延迟适用于大渗透系数卵石层的浆液组合配比，精准控制浆液在卵石地层中的运移，既提高了浆材抗冲刷的能力和止水加固的效果，又保障了开挖的难度适中，在北京地铁机场沿线得到了成功的应用。主要结论如下：
①水泥-水玻璃类浆液黏度与膨润土掺量、水灰比等因素有关，膨润土越多粘度和凝结时间也越大。膨润土的掺入可提高浆液的分散性并降低析水率提高自身工程性质。浆液配比三种组合（a 组：普通硅酸盐水泥+膨润土+水玻璃、b 组：硫铝酸盐水泥+膨润土+水玻璃、c 组：普通硅酸盐水泥+硫铝酸盐水泥+膨润土+水玻璃）的凝胶时间主要与水灰比相关，凝结时间随水灰比增大而增大。同时，水玻璃含量增高，水泥单液的水灰比也会增大所以凝结时间也会增加。在大渗透系数卵石层中，浆液凝胶时间过短会让浆液聚集发生堵塞，过长会使的材料流失，效果也不好，实验得出 b、c 两组凝胶时间适宜，凝结时间的调节区间更合理。
②三种组合的浆液结石体的抗压强度与水灰比成反比。硫铝酸盐水泥组合浆液结石体抗压强度较高。普通硅酸盐水泥浆液组合抗压强度较低。两者混合的组合结石体强度介于两者之间，约为硫铝酸盐水泥组合结石体强度的 40~55%左右。
参考文献（略）