地鐵盾構(gòu)高性能同步注漿材料的應(yīng)用研究

王愛華

(南京市公共工程建設(shè)中心，南京 211106)

盾構(gòu)工程作為城市地下公共交通工程，應(yīng)當(dāng)有足夠的耐久性與安全性。然而，目前地鐵盾構(gòu)施工中的傳統(tǒng)注漿材料存在一些問題，如常選用高水膠比、高膠砂比的注漿材料，并大量摻用膨潤(rùn)土，但其強(qiáng)度低、密實(shí)性不高，幾乎無抗水滲、防腐蝕的作用；另外，選材時(shí)未考慮結(jié)構(gòu)的抗?jié)B性能、收縮性能以及耐久性能等需求。注漿材料種類及配合比選擇難度大，且注漿材料的配合比、使用環(huán)境、性能要求及檢測(cè)驗(yàn)證方法等暫無系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范，注漿材料的選擇及使用較為混亂，優(yōu)劣也無法界定，最終可能導(dǎo)致地表沉降、管片偏移及滲水、漏水、噴涌等問題。

盾構(gòu)施工時(shí)，會(huì)對(duì)周圍的土體產(chǎn)生擾動(dòng)，尤其是當(dāng)管片即將脫出尾盾時(shí)，管片隧道與周圍土體之間會(huì)形成90～140 mm的環(huán)狀空隙；隧道同步注漿能夠?qū)⒌貙优c管片襯砌緊密貼合在一起，周圍地層通過注漿層的早期強(qiáng)度對(duì)管片襯砌產(chǎn)生均勻壓力，提高管片襯砌的結(jié)構(gòu)安全性。

同步注漿材料的性能及施工質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響管片襯砌的抗?jié)B性能[1]。水泥基注漿材料是地鐵盾構(gòu)工程中常用的注漿材料，隨著新材料與新技術(shù)的發(fā)展，目前的注漿材料不能滿足需求，市場(chǎng)對(duì)高性能同步注漿材料的需求日益迫切[2]。當(dāng)注漿施工質(zhì)量不佳時(shí)，可能發(fā)生漿液分布不均勻或拱頂部分缺漿等情況，地下水很容易與盾構(gòu)管片接觸，若地下水壓較高，管片接縫處滲水，會(huì)導(dǎo)致地層中地下水流動(dòng)或水位下降。當(dāng)?shù)貙佑行毫υ龃髸r(shí)，土顆粒隨水流移動(dòng)而使土顆?？障蹲兓霈F(xiàn)地層變形，變形較大時(shí)會(huì)導(dǎo)致地表沉降，影響地表周圍的構(gòu)筑物與交通安全[3]。

1 工程背景

本文基于南京地鐵7號(hào)線施工過程中產(chǎn)生的廢棄泥沙礦物組成和流變特性進(jìn)行分析，將最終研究成果應(yīng)用于南京長(zhǎng)江第五大橋的夾江隧道項(xiàng)目中。

夾江隧道總長(zhǎng)1 758 m，盾構(gòu)段長(zhǎng)度1 180 m，敞口段長(zhǎng)170 m，梅子洲明挖暗埋段長(zhǎng)338 m，河西側(cè)明挖暗埋段長(zhǎng)21.6 m，梅子洲及江南大堤外分別設(shè)置工作井一座，其中梅子洲工作井長(zhǎng)22 m，河西側(cè)江南工作井長(zhǎng)26.4 m。隧道段設(shè)計(jì)速度為80 km/h、輔道設(shè)計(jì)速度60 km/h，主路采用雙向六車道橫斷面布置，公路采用一級(jí)公路標(biāo)準(zhǔn)。

地鐵基坑開挖及盾構(gòu)掘削泥沙會(huì)產(chǎn)生大量的廢棄泥沙，對(duì)城市環(huán)境造成巨大的壓力；廢棄泥沙處理費(fèi)用占盾構(gòu)隧道成本的10%左右。在城市地鐵建設(shè)中，廢棄泥沙無疑造成了極大的資源浪費(fèi)，而如能對(duì)廢棄泥沙進(jìn)行改良處理和循環(huán)利用，泥沙處理費(fèi)用可減少一半以上。

本研究在室內(nèi)試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，提出基于廢棄泥沙同步注漿材料的配合比設(shè)計(jì)理論，研制出一種填充性好、凝結(jié)時(shí)間可調(diào)、穩(wěn)定性好、強(qiáng)度適中、抗?jié)B等級(jí)高、抗水分散性強(qiáng)的高性能注漿材料，掌握廢棄泥沙高性能同步注漿材料設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和施工的成套關(guān)鍵技術(shù)，為地鐵建設(shè)工程中的廢棄渣土資源化利用提供理論技術(shù)支撐。

2 試驗(yàn)材料與基本試驗(yàn)

水泥基注漿材料與惰性消石灰基注漿材料相比，缺點(diǎn)是和易性較差，但同時(shí)具有材料密實(shí)、強(qiáng)度高的優(yōu)點(diǎn)[4]。本研究以水泥基傳統(tǒng)注漿材料為基礎(chǔ)，添加改性添加劑、優(yōu)化配合比，通過比選試驗(yàn)，提出科學(xué)合理的高性能注漿材料關(guān)鍵配合比參數(shù)，制備出可施工性能、填充性能好、強(qiáng)度高并具有良好抗水分散性能、抗?jié)B性能及防腐蝕性能等優(yōu)異性能的高性能同步注漿材料，并應(yīng)用于工程實(shí)際[5]。

試驗(yàn)中的改性添加劑主要包括三部分，分別是改性基礎(chǔ)料(代號(hào)F)、離子固化劑(代號(hào)H)、高性能復(fù)合減水劑(代號(hào)M)。改性基礎(chǔ)料的主要作用是提高注漿材料漿體的流動(dòng)性、和易性、可施工性、材料強(qiáng)度及密實(shí)度；離子固化劑的對(duì)氯離子、硫酸根離子有良好的吸附、固化作用；高性能復(fù)合減水劑能夠減水、增稠、抑制離析及抗水分散，可改善注漿材料的流動(dòng)性、和易性。

2.1 試驗(yàn)配合比參數(shù)初選

在試驗(yàn)開始前確定水泥基同步注漿材料配合比參數(shù)[6]，水泥基同步注漿材料配合比推薦參數(shù)如表1所示。

表1 水泥基同步注漿材料配合比推薦參數(shù)

其中，膠結(jié)材料包括水泥、膨潤(rùn)土和粉煤灰等礦物摻合料，摻量均為該材料占膠結(jié)材料總量的質(zhì)量百分比；外加劑摻量根據(jù)注漿漿液性能要求試驗(yàn)確定；有其他材料可替代膨潤(rùn)土?xí)r，通過試驗(yàn)確定。

關(guān)鍵配合比參數(shù)包括水膠比(W/B)與復(fù)合減水劑的摻量、膨潤(rùn)土的摻量以及膠砂比(B/S)4種參數(shù)。

2.2 不同水膠比對(duì)注漿材料性能影響

隨著水膠比逐漸減小，復(fù)合減水劑的摻量逐漸增加，材料的2 h泌水率不斷減小，注漿材料的抗折強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度不斷增加；表明減小配合比參數(shù)中的水膠比可降低注漿材料的泌水率，提高注漿材料抗折強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度。水膠比對(duì)注漿材料抗折強(qiáng)度的影響如圖1所示，水膠比對(duì)注漿材料抗壓強(qiáng)度的影響如圖2所示。

圖1 水膠比對(duì)注漿材料抗折強(qiáng)度的影響

圖2 水膠比對(duì)注漿材料抗壓強(qiáng)度的影響

2.3 不同膨潤(rùn)土摻量對(duì)注漿材料性能的影響

在水膠比相同時(shí)，隨著膨潤(rùn)土摻量的增加，復(fù)合減水劑的摻量也在增加；在膨潤(rùn)土的摻量提高時(shí)，隨著水膠比的降低，注漿材料的泌水率先降低、后升高，最后趨于相同；在水膠比相同時(shí)，隨著膨潤(rùn)土的摻量的增加，注漿材料的抗折與抗壓強(qiáng)度逐漸降低；表明降低膨潤(rùn)土的摻量可減小M的摻量、降低注漿材料的泌水率、提高注漿材料的抗折強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度。膨潤(rùn)土對(duì)注漿材料抗折強(qiáng)度的影響如圖3所示，膨潤(rùn)土對(duì)注漿材料抗壓強(qiáng)度的影響如圖4所示。

圖3 膨潤(rùn)土對(duì)注漿材料抗折強(qiáng)度的影響

圖4 膨潤(rùn)土對(duì)注漿材料抗壓強(qiáng)度的影響

2.4 不同膠砂比對(duì)注漿材料性能的影響

在相同的水膠比條件下，隨著注漿材料膠砂比減小，復(fù)合減水劑的摻量增加，注漿材料的泌水率降低，注漿材料的抗壓強(qiáng)度及抗折強(qiáng)度降低；表明降低注漿材料的膠砂比雖然降低泌水率，但同時(shí)也降低材料的抗壓強(qiáng)度與抗折強(qiáng)度，影響注漿材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。膠砂比對(duì)注漿材料抗折強(qiáng)度的影響如圖5所示，膠砂比對(duì)注漿材料抗壓強(qiáng)度的影響如圖6所示。

圖5 膠砂比對(duì)注漿材料抗折強(qiáng)度的影響

圖6 膠砂比對(duì)注漿材料抗壓強(qiáng)度的影響

3 基于添加劑的注漿材料試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在上述試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，膠砂比選定為0.5，水膠比≤0.6，水泥摻量為20%。對(duì)比分析添加劑組分M及F、H的摻入比例對(duì)注漿材料各項(xiàng)性能的影響，提出合理的M及F、H摻入比例，研究F、H的摻入對(duì)注漿材料性能耐久性、填充性能和抗水分散性能等影響[7]，基于添加劑的試驗(yàn)配合比如表2所示。

表2 基于添加劑的試驗(yàn)配合比

表2中，Z1為傳統(tǒng)注漿材料，Z2、Z3、Z5為只摻高性能復(fù)合減水劑而不摻功能性復(fù)合摻合料的普通粉煤灰改性注漿材料對(duì)比組，Z4和Z6為既摻高性能復(fù)合減水劑又摻功能性復(fù)合摻合料的普通粉煤灰改性注漿材料對(duì)比組。各配合比流動(dòng)度及流動(dòng)度經(jīng)時(shí)損失如圖7所示，各配合比稠度測(cè)試結(jié)果如圖8所示，各配合比凝結(jié)時(shí)間測(cè)試結(jié)果如圖9所示，各配合比的強(qiáng)度值對(duì)比如圖10所示。

圖7 各配合比流動(dòng)度及流動(dòng)度經(jīng)時(shí)損失

圖8 各配合比稠度測(cè)試結(jié)果

圖9 各配合比凝結(jié)時(shí)間測(cè)試結(jié)果

圖10 各配合比的強(qiáng)度值對(duì)比

對(duì)比Z1、Z2、Z3與Z5四組試驗(yàn)，隨著高性能復(fù)合減水劑的增加，各配合比注漿材料流動(dòng)度增加不明顯，而材料的流動(dòng)度經(jīng)時(shí)損失、稠度、泌水率逐漸減小，凝結(jié)時(shí)間逐漸縮短，各配合比的抗折強(qiáng)度及抗壓強(qiáng)度逐漸提高。

對(duì)比Z3、Z4與Z5、Z6四組試驗(yàn)，隨著改性基礎(chǔ)料與離子固化劑含量的增加，流動(dòng)度及流動(dòng)度經(jīng)時(shí)損失減小，稠度增加，泌水率減小，凝結(jié)時(shí)間縮短，抗折強(qiáng)度及抗壓強(qiáng)度增加。

相比于傳統(tǒng)材料，改性注漿材料流動(dòng)度降低了7.14%～19.6%，稠度降低了4.17%～16.7%，泌水率降低了36.43%～80.96%，凝結(jié)時(shí)間縮短了20.77%～44.97%，抗壓強(qiáng)度由0.9 MPa提高到8.1 MPa，抗折強(qiáng)度由4.5 MPa提高到37.2 MPa，抗壓強(qiáng)度及抗折強(qiáng)度大幅度提高。

改性注漿材料比傳統(tǒng)注漿材料的水陸強(qiáng)度比提高16%～30%，綜合量筒法3 d結(jié)石率提高15.13%～23.75%，游標(biāo)卡尺法3 d結(jié)石率提高17.05%～26.34%，自然干燥法28 d結(jié)石率提高0.24%。試驗(yàn)結(jié)果表明，改性注漿材料較傳統(tǒng)注漿材料的水陸強(qiáng)度比與結(jié)石率大幅度提升。注漿材料水陸強(qiáng)度比試驗(yàn)結(jié)果如圖11所示。

圖11 注漿材料水陸強(qiáng)度比試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)比Z1、Z2、Z3與Z5四組試驗(yàn)，隨著高性能復(fù)合減水劑的增加，材料的抗水滲透性能逐漸提高，氯離子的滲透深度降低，材料的電通量減小，單位質(zhì)量水溶性CI-含量減少，硫酸鹽的耐侵蝕系數(shù)提高。

對(duì)比Z3、Z4與Z5、Z6四組試驗(yàn)，隨著改性基礎(chǔ)料與離子固化劑含量的增加，材料的抗?jié)B性能大幅度提高，硫酸鹽的耐侵蝕系數(shù)提高，氯離子的滲透深度、材料的電通量及單位質(zhì)量水溶性CI-含量減少。

將復(fù)合減水劑以及超細(xì)粉煤灰基功能性粉體材料中的改性基礎(chǔ)材料、離子固化劑以0.57/100～0.77/100的質(zhì)量比例混合，可制備出能顯著提升注漿基本性能、抗水分散性能、填充性能及耐久性能的高性能注漿材料添加劑。按此比例制備的高性能注漿材料添加劑可綜合改善注漿材料的流動(dòng)性，和易性，強(qiáng)度，抗水分散性能，抗?jié)B性能，抗氯鹽、硫酸鹽侵蝕性能以及有害環(huán)境離子的固化性能[8]。

4 高性能注漿材料的配合比設(shè)計(jì)

在以上基于添加劑注漿材料的基本性能試驗(yàn)、填充性能試驗(yàn)以及耐久性能試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，確定復(fù)合減水劑[9]及粉煤灰基功能性粉體材料(F、H)的質(zhì)量比例，對(duì)高性能注漿材料的配合比設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，選出符合設(shè)計(jì)的最佳配合比[10]。

傳統(tǒng)與高性能的注漿材料配合比參數(shù)如表3所示，不同注漿材料的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如表4所示，不同注漿材料的水陸強(qiáng)度比試驗(yàn)結(jié)果如表5所示，不同注漿材料的28 d結(jié)石率試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

表3 傳統(tǒng)與高性能組成的注漿材料配合比參數(shù)

表4 不同注漿材料的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果 (單位：MPa)

表5 不同注漿材料的水陸強(qiáng)度比試驗(yàn)結(jié)果 (單位：%)

表6 不同注漿材料的28 d結(jié)石率試驗(yàn)結(jié)果 (單位：%)

隨著添加劑的加入，高性能注漿材料與傳統(tǒng)注漿材料相比，其流動(dòng)度經(jīng)時(shí)損失、稠度經(jīng)時(shí)損失、泌水率、電通量及氯離子遷移系數(shù)大幅度降低，凝結(jié)時(shí)間大幅度縮短，抗壓強(qiáng)度、水陸強(qiáng)度比、結(jié)石率、抗水滲透性能及抗硫酸鹽侵蝕性能均大幅度提高；其流動(dòng)度經(jīng)時(shí)損失降低40%～50%，稠度經(jīng)時(shí)損失降低33%～67%，泌水率降低78%～87%，凝結(jié)時(shí)間縮短25%～41%，抗壓強(qiáng)度可提高38%～81%，水陸強(qiáng)度比提高23%～32%，結(jié)石率提高14%～19%。

高性能注漿材料添加劑中的功能性復(fù)合減水劑具有增稠、抗水滲性能，由此配制的高性能注漿材料在水流中成型后強(qiáng)度發(fā)展好，水陸強(qiáng)度比更高。其具備的補(bǔ)償收縮效用，可進(jìn)一步提升高性能注漿材料的填充性能，且添加劑的使用顯著提升了注漿材料的抗?jié)B性能，能夠有效地阻止盾構(gòu)隧道內(nèi)地下水中有害礦物質(zhì)的入侵[11]。

試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析表明，高性能注漿材料的綜合性能遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)注漿材料，且高性能2注漿材料配合比效果優(yōu)于高性能1的注漿材料，在選擇注漿材料的配合比時(shí)可使用高性能2材料的配合比。

5 結(jié)論

本文在室內(nèi)試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，利用改性基礎(chǔ)料、離子固化劑及高性能復(fù)合減水劑等材料配制高性能同步注漿材料，開展一系列的試驗(yàn)研究，得出以下結(jié)論。

(1)注漿材料膠砂比選定為0.5，水膠比≤0.6，水泥摻量為20%時(shí)，注漿材料的流動(dòng)性、稠度、材料的抗壓強(qiáng)度及抗折強(qiáng)度顯著提高，注漿材料的強(qiáng)度達(dá)到最佳效果。

(2)加入改性添加劑且將復(fù)合減水劑以及超細(xì)粉煤灰基功能性粉體材料(F、H)以0.57/100～0.77/100的質(zhì)量比例混合，注漿材料的各項(xiàng)性能均大幅度提高，其中流動(dòng)度經(jīng)時(shí)損失降低45%左右，凝結(jié)時(shí)間縮短33%左右，注漿材料抗壓強(qiáng)度提高38%～81%，水陸強(qiáng)度比提高26%，結(jié)石率提高16%左右，在配合比優(yōu)化之后，注漿材料各種指標(biāo)達(dá)到最優(yōu)化。

(3)在改性添加劑的基礎(chǔ)上，對(duì)高性能注漿材料進(jìn)行配合比優(yōu)化，選出注漿材料的最佳配合比，注漿材料的抗壓強(qiáng)度及抗折強(qiáng)度等性能顯著提高。本研究材料在夾江隧道中得到了實(shí)際的運(yùn)用，效果良好，為夾江隧道項(xiàng)目大大節(jié)約了經(jīng)濟(jì)成本，提高了質(zhì)量，保障了安全。

高性能同步注漿材料作為一種新型節(jié)能材料，一方面能夠降低隧道施工中廢棄泥沙的處理成本，另一方面能夠提高隧道結(jié)構(gòu)整體安全性，應(yīng)用前景比較廣泛；本文中提出的注漿材料的最優(yōu)配合比為實(shí)際工程施工提供了理論支撐及借鑒意義。