富水砂層盾構高性能同步注漿材料組成設計優(yōu)化

韓旭，朱先發(fā)，王寧寧，宋普濤，盛炎民，宋楊

（1.南通城市軌道交通有限公司，江蘇 南通 226007；2.蘇交科集團股份有限公司，江蘇 南京 211100；3.中國建筑科學研究院有限公司，北京 100044；4.常州工學院，江蘇 常州 213000）

0 引言

在隧道開挖建設過程中，經常會遇到各種不良地質，其中富水砂層是較為常見的一種不良地質，其施工難度大、危害性大，開挖后的圍巖穩(wěn)定性差，常常發(fā)生傾斜、變形量大的情況，甚至會發(fā)生塌方等事故。注漿作為一種常見的治理技術，目前在富水砂層地下隧道施工建設中得到了廣泛應用[1]。

注漿材料的性能直接決定最終注漿的治理效果。以富水砂層為例，隧道上方砂層穩(wěn)定性差，易發(fā)生涌水涌沙等現(xiàn)象，同時砂層具有孔隙率大、含水率高的特點，這就要求注漿材料應具有優(yōu)異的填充性能和一定的抗水分散性能。此外漿液良好的和易性、凝結時間、結石率、泌水率、抗水分散性也是評價漿液性能的標準。國內學者作了諸多研究，沙飛等[2]以普通硅酸鹽水泥熟料和工業(yè)廢渣為原材料，制備出的高效注漿材料EMCG，有效提升了富水砂層與材料之間的整體性及地層的穩(wěn)定性。李召峰等[3]以硫鋁酸鹽水泥和鋼渣為原材料，制備出一種復合注漿材料CGM，相較于普通注漿材料，具有凝結時間和黏度的環(huán)境敏感度低等特點，具有普遍的工程適用性。王健等[4]研制的新型堿激發(fā)劑地聚合物注漿材料，能充分利用工業(yè)廢渣，并且凝結時間可控。楊宇友等[5]研究了不同外加劑對硅酸鹽水泥的基本物理力學性能的影響，并選出適用于北京富水砂層的外加劑及適宜摻量。

對于富水砂層的注漿治理，因其穩(wěn)定性差、變形量大、承載力低，選用的材料須能有效留存并實現(xiàn)富水砂層的加固，以保證砂層的整體性。本研究通過室內試驗研制出適應于南通富水砂層特性的高性能同步注漿材料，并與南通地鐵1號線工地既有漿液進行對比，用于后續(xù)工程中，可為后續(xù)類似富水砂層注漿材料的選用提供參考。

1 試驗

1.1 原材料

（1）水泥：P·O42.5水泥，主要技術性能見表1，符合GB 175—2007《通用硅酸鹽水泥》要求。

表1 水泥的主要技術性能

（2）河砂：來源鎮(zhèn)江，細度模數(shù)約1.5，含泥量小于4.6%，泥塊含量小于0.8%，氯離子含量小于0.001%，符合GB/T 14684—2011《建設用砂》中Ⅱ區(qū)中砂要求。

（3）粉煤灰：Ⅱ級，其主要技術性能如表2所示，符合GB/T 1596—2017《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》的要求。X射線熒光光譜分析（XRF）結果顯示，粉煤灰中的主要成分為Fe2O3、Al2O3和SiO2等。

表2 粉煤灰的主要技術性能

（4）膨潤土：200目，鈉基Ⅰ級膨潤土，其主要技術性能如表3所示，符合GB/T 20973—2007《膨潤土》的要求。

表3 膨潤土的主要技術性能

（5）外加劑：由蘇博特產聚羧酸減水劑和聚丙烯酸鈉組成，減水劑減水率為31%，固含量為40%。

（6）消石灰：施工現(xiàn)場提供，氫氧化鈣含量不小于85%，320目篩余不小于0.5%。

1.2 試驗方法

濕表觀密度、稠度、凝結時間、泌水率、結石率：參照JGJ 70—2009《建筑砂漿基本性能試驗方法》進行測試。

抗壓強度：參照GB/T 17671—1999《水泥膠砂強度檢驗方法（ISO法）》測試高性能注漿材料在不同養(yǎng)護齡期的抗壓強度，鋼模應符合JC/T 726—2005《水泥膠砂試?！?，所用成型模具為三聯(lián)鋼模，規(guī)格為40 mm×40 mm×160 mm；并在養(yǎng)護箱中[溫度（20±2）℃，相對濕度不小于95%]養(yǎng)護至規(guī)定齡期。

抗水分散性：參照T/CECS 563—2018《盾構法隧道同步注漿材料應用技術規(guī)程》進行測試，采用三聯(lián)鋼模40 mm×40 mm×160 mm成型，在水下成型試塊，試模成型3 d后，視情況脫模，室溫養(yǎng)護7、28 d并測其抗壓強度。在水中成型的試塊，全程應放在水中養(yǎng)護。

1.3 試驗設計

根據實際工程調研，并在既往試驗的基礎上，再采用單因素試驗，研究同步注漿體注入盾尾后物理力學性能變化規(guī)律。高性能同步注漿材料配合比設計如表4所示，設計S0為對照組，來自南通地鐵工地既有漿液，配合比中水、消石灰、砂、膨潤土、粉煤灰用量分別為350、100、850、50、350 kg/m3。

表4 高性能同步注漿材料的試驗配合比

2 結果與討論

2.1 濕表觀密度

S1～S9的濕表觀密度分別為1984.7、1954.8、1896.6、1898.0、1875.7、1832.1、1801.1、1760.5、1703.1 kg/m3?？梢钥闯觯琒1～S3組，水膠比不變的情況下，濕表觀密度隨著膠砂比的增大而減?。欢鳶1、S4、S7組在膠砂比不變的情況下，水膠比的增大會使?jié)癖碛^密度減小，S3～S8組的濕表觀密度均在1700～1900 kg/m3，符合T/CECS 563—2018要求。

2.2 稠度與稠度經時損失

不同水膠比、膠砂比漿體的初始稠度和經時稠度如表5、表6所示。

表5 不同水膠比、膠砂比漿體的初始稠度mm

表6 不同水膠比、膠砂比漿體的經時稠度mm

由表5可知，隨著水膠比的增大，漿體稠度逐漸增大；膠砂比的增大對提高漿體的稠度有一定貢獻，但不如水膠比明顯。S1～S9組稠度為108.8～123.2 mm，均能滿足泵送的稠度要求。

由表6可知，隨水膠比、膠砂比的增大，前6 h漿體經時損失顯著，S1、S2、S3組前6 h平均稠度損失分別為3.42、3.50、3.72 mm，S1、S4、S7組前6 h平均稠度損失分別為3.42、3.95、3.88 mm，而后4 h逐漸趨于平穩(wěn)，S1、S2、S3組的平均稠度損失分別為0.80、1.02、1.02 mm，S1、S4、S7組的平均稠度損失分別為0.80、0.75、0.90 mm，稠度損失主要發(fā)生在前6 h。因此，增大水膠比雖能增大漿體的稠度，但其稠度值更容易損失。相較于增大水膠比而言，增大膠砂比的各組稠度經時損失較小。

2.3 泌水率與結石率

不同水膠比、膠砂比下漿體的結石率與泌水率如表7所示。

表7 不同水膠比、膠砂比漿體的結石率與泌水率

由表7可知，S1、S2、S3組在水膠比不變的情況下，隨著膠砂比的增大泌水率逐漸降低，結石率逐漸升高。膠凝材料用量的增加，會使拌合物水化反應加速、凝結時間縮短，強度增長加快。而S1、S4、S7組，膠砂比不變時，增大水膠比，注漿材料的泌水率逐漸增大，結石率逐漸減少，用水量增加，泌水增大。其中，S3組性能表現(xiàn)最優(yōu)異，泌水率為0.50%，結石率為99.10%。

2.4 凝結時間

不同水膠比、膠砂比下漿體的凝結時間如表8所示。

表8 不同水膠比、膠砂比漿體的凝結時間 h

由表8可知，隨水膠比的增大，高性能同步注漿漿體的凝結時間逐步延長；而隨膠砂比的增大，漿體凝結時間先延長后縮短。當膠砂比在0.5左右時凝結時間較長。凝結時間是注漿材料性能優(yōu)劣的主要決定因素之一，決定了漿液的流動性能和泵送性能[6]。

2.5 抗壓強度與水陸強度比

不同水膠比、膠砂比下漿體的抗壓強度與水陸強度比如表9所示。

表9 不同水膠比、膠砂比下漿體的抗壓強度與水陸強度比

由表9可知：（1）S1～S3組、S4～S6組、S7～S9組的水膠比分別為0.45、0.50、0.55，水膠比不變增大膠砂比，硬化后漿體的抗壓強度提高；隨著水膠比增大，抗壓強度顯著降低，而膠砂比與之相反。其中，S3組在抗壓強度方面表現(xiàn)較為優(yōu)異，3、14 d標準養(yǎng)護抗壓強度分別達2.0、6.9 MPa。（2）S1～S3組的水陸強度比大于90%，S4～S6組大于87%，S7～S9組大于80%，隨著水膠比的增大，水陸強度比下降；隨著膠砂比增大，水陸強度比變化較小，尤其是水膠比為0.55時。

3 工程應用

綜上可知，S3組的濕表觀密度1890 kg/m3，6 h平均稠度損失3.5 mm，泌水率為0.50%，結石率為99.10%，3、14 d標準養(yǎng)護抗壓強度分別達2.0、6.9 MPa，水陸強度比為91%，性能較優(yōu)。因此，確定將S3組用于南通地鐵1號線某區(qū)間左線試驗段，與工地既有漿液的隧道右線進行對比分析。取SD425、SD446、SD467三個監(jiān)測斷面地表隧道中軸線處累計沉降值作為主要對比依據。對比結果如圖1所示。

圖1 同一監(jiān)測斷面不同注漿材料的沉降值

由圖1可知，左線的累計沉降值比使用工地既有漿液的右線減小了10 mm以上。其中SD467斷面沉降差值達到了14.1 mm。表明高性能同步注漿材料與富水砂層穩(wěn)固結合較好，能有效穩(wěn)固地層，顯著減小地層沉降量。

4 結論

（1）優(yōu)選出水膠比為0.45，膠砂比為0.6的配比作為高性能同步注漿材料的配比，這一配比具有強度高、易泵送、泌水率小、結石率高、抗水分散性較好等特點，在南通地鐵上使用這一配比漿液的施工段相比普通施工段路面沉降減小了10 mm以上。

（2）隨著水膠比和膠砂比的增大，漿體的濕表觀密度呈逐漸減小的趨勢；而隨著水膠比的增大，漿體的稠度也隨之增大，但平均稠度損失也相應增大。

（3）漿體的凝結時間隨水膠比的增大呈逐漸延長，而隨著膠砂比的增大先延長后縮短，當膠砂比為0.5時，漿體的凝結時間最長。

（4）漿體的抗壓強度隨膠砂比的增大而提高。