Handledning för injektering med silica sol - för tätning i hårt berg, A guide for grouting with silica sol - sealing in hard rock

Rapportnummer
106
Författare
Johan Funehag
Rapportkategori
BeFo-rapporter
Utgivningsår
2011

Sammanfattning 
Föreliggande rapport är en redogörelse av kunskapsläget vid dags datum i hur man bör injektera med silica sol i hårt berg. Den innefattar både resultatet av flera teoretiska studier samt erfarenheter från ett antal genomförda projekt där silica sol använts som injekteringsmedel. Rapporten kan ses som en handledning ämnad för beställare, konsulter och entreprenörer i hur man utför en silica sol injektering. Den beskriver projekteringstegen, utförandet samt hur styrning på plats görs. En del som tidigare inte rapporterats så ofta är de problem som kan uppstå vid en injektering och är i denna rapport framlyfta för att åskådliggöra vilka val entreprenören måste göra. På senare tid har kraven på täthet vid tunnelbyggande skärpts väsentligt. De täthetskrav som ställs, ibland mindre än någon liter per minut och 100 meter tunnel, samt beställarens egna funktionskrav på dropp och dylikt har medfört att konventionell förinjektering med cementbaserade injekteringsmedel kan bli otillräcklig. Om en hydraulisk sprickvidd ner till ex 30 µm måste tätas innebär detta att ett annat injekteringsmedel än cement behöver användas alternativt kompletteras. 
Ett miljömässigt bra alternativt injekteringsmedel som klarar de högre täthetskraven jämfört med de traditionella cementbaserade injekteringsmedlen är kolloidalt kisel, dvs. silica sol. Silica sol är en kolloidal lösning av silikapartiklar i vatten. När silica sol blandas med exempelvis vanligt koksalt startar en reaktion och partiklarna bildar bindningar mellan sig. Silica sol har ett helt annat beteende jämfört med cement. Forskningen har, liksom för konventionell cementinjektering, visat att sprickvidden, injekteringstrycket och tiden har stor inverkan på injekteringsresultatet men för silica solen har dessutom geltiden stor betydelse för utförandet och resultatet. De praktiska fördelarna med silica sol, förutom inträngningsförmågan, är uppenbara när det kommer till att styra injekteringsmedlets geltid. Med silica sol kan geltiden styras och därmed injekteringstiden per hål från några minuter till flera timmar, om så är önskvärt. 
Den styrbara och snabba viskositetstillväxten kopplas till inträngningslängden via den hydrauliska sprickvidden, injekteringsövertryck och geltid på silica solen. Med vetskap om vilken minsta sprickvidd som behöver tätas för att klara inläckagekravet kan en härledbar injekteringsdesign upprättas där den använda injekteringstiden kan förutsägas. 
För att injekteringen skall bli så effektiv som möjligt bör utrustning och genomförande anpassas. I de hittills genomförda projekten har en traditionell cementinjekteringsutrustning använts med framgång. De problem som observerats under en silica sol injektering beror på stora injekteringsvolymer, återslag eller ytläckage. När sådana problem uppstår måste designen uppdateras. Denna handledning ger förslag till sådana uppdateringar, i huvudsak bestående av förändringar i tryck eller geltid. 
Nyckelord: Design, handledning, berg, tunnel, injektering, silica sol 

Summary 
This report is a summary of today’s knowledge of how a grouting with silica sol should be done. It includes both results several theoretical studies and experiences from different tunnel projects where silica sol has been used. The report can be seen as a guide for clients, consultants and contractors of what a silica sol grouting means. It describes the design stages, execution and how the work can be directed and controlled at site. One part that has not earlier been so well reported is problems encountered during grouting. The problems are in this report highlighted to illustrate all the choices that the contractor has to do. During the past decades the stipulations on the ingress of water to tunnels have been stricter. The stipulations set, sometimes less than a liter per minute and hundred meter of tunnel, together with the clients own demands on functionality for the allowed number of drips have made traditional cement grouting sometimes not adequate. For instance, if a hydraulic aperture of a fracture down to 30 µm needs to be sealed to cope with stipulations, another grout than cement based needs to be used or complemented with. 
An environmental sounding alternative that copes with the strict stipulations on water ingress is colloidal silica, i.e. silica sol. Silica sol is a colloidal mixture of silica particles in water. When silica sol is mixed with for instance ordinary table salt (NaCl) a reaction starts and bonding between the particles starts to develop. Silica sol behaves different from normal cement grouts. Research have shown, as well as for cement grouting, that the fracture aperture, the grouting pressure and grouting time play a certain role on the grouting result. Besides these factors, the gel time for silica sol have effect on both the execution and result. The practical advantages with silica sol, besides the superb penetrability, are obvious when it comes to controllable gel times, steerable penetration lengths and the time spent on grouting. The controllable gel time and the rapid viscosity increase are directly linked to the penetration lengths via hydraulic aperture, grouting pressure and gel time. Knowledge of the minimum fracture aperture that needs to be sealed, a derivable grouting design can be computed where the grouting time used is predictable. 
To achieve an efficient grouting, the equipment and execution needs to be adopted. In the performed projects so far, traditional grouting equipment for cement based grouts have been used with success. The problem encountered consists of large grouted volumes, backflows or surface leakages. De fundamentals of these ”problems” is that the proposed design cannot be kept and updates needs to be done. In this guide suggestions on how to update the design are proposed which basically consists of change of pressure and gel times. 
Keywords: Design, handbook, tunnel, hard rock, grouting, silica sol 

« Tillbaka