盾構快速掘進下同步注漿材料優(yōu)化配合比設計

游永鋒，梁奎生，譚華靈

(中鐵隧道股份有限公司，鄭州 450003)

0 引言

目前，盾構法施工廣泛地應用于城市地鐵、鐵路、水工隧洞等，盾構法施工具有對地層適應性好、安全性高、施工速度快等特點，但在盾構快速施工過程中也暴露出了一些問題，如管片上浮量大、管片成型質量差等。同步注漿材料的性能對管片成型質量有著重要的影響，相關領域對注漿材料的研究也沒有停止過。J.N.Shirlaw等［1］分析了漿液性能與隧道上浮的關系，指出盾尾漿液要能夠裹緊隧道以抵抗其自身產(chǎn)生的浮力;張海濤［2］、田焜［3］針對注漿材料對漿液性能的影響，求取了不同齡期的強度、流動性、和易性、密度、泌水率等，并對注漿材料配合比進行了優(yōu)化，取得了較好的效果;劉純潔等［4］使用壓底注漿的方法對管片變形進行了調整;在趙天石［5］的研究中，有機纖維、膨脹劑、鋼渣等被作為抗水分散材料使用;李慎剛等［6］建立了漿液在均勻介質中的滲透模型;夏小亮［7］、許茜［8］分別采用硅粉、黏土、工業(yè)廢渣和水玻璃作為抗水分散材料;王紅喜等［9］對適宜于高壓飽和水條件下的同步注漿材料性能進行了研究;陳奕江等［10］使用聚丙烯纖維提高了水泥砂漿的強度和抗?jié)B性。在文獻［5-8］的研究中，合成使用的抗水分散材料較罕見，施工成本較高;文獻［4］和文獻［10］中所配制的砂漿漿液強度和抗?jié)B性較好，但凝結時間與本工程的掘進速度相沖突。結合這方面的研究思路，考慮泥水盾構的施工特點，如何既能有效地減小管片上浮，又可以在配合比的優(yōu)化上不會增加更大的成本，最終滿足管片的成型要求是本文研究的主要出發(fā)點。

本文從同步注漿配合比研究入手，在同步注漿材料中加入減水劑、絮凝劑及聚丙烯纖維等外加劑對砂漿性能進行綜合研究，以提高漿液的抗水分散性、防滲抗裂和早期強度為目的，配制出了適用于高水壓飽和水地質條件下盾構快速施工的同步注漿材料。

1 工程概況

臺山核電站取水隧洞是我國第一條越海盾構隧洞，隧洞外徑8.7 m，內徑7.3 m，采用盾構管片和二次襯砌復合支護結構。其中1號隧洞全長4 061 m，盾構穿越海底地層主要為黏土、粉質黏土及砂層，總計長度為3 800 m左右，占整個隧洞的90%(砂層段占20%左右，黏土段占70%左右)。盾構通過該段地層時，掘進速度控制在25 mm/min，平均掘進指標達到566 m/月，最大掘進進度達到725.7 m/月，6個月實現(xiàn)盾構掘進3 400 m的好成績，創(chuàng)造了國內大直徑泥水盾構掘進的最高紀錄。

2 同步注漿材料性能指標

結合現(xiàn)場施工情況，盾構機在1號隧洞軟土地層快速掘進過程中，由于掘進速度快，造成同步注漿漿液離析、流失、灌注不均勻、不密實等現(xiàn)象，背后襯砌注漿效果差，致使盾尾滲水及管片上浮現(xiàn)象嚴重。經(jīng)過大量試驗研究及相關資料分析，在高水壓軟土地層盾構快速掘進過程中，同步注漿材料應具有能快速充填、保水性強、不離析、傾析率小等性能，性能指標如表1所示。

表1 同步注漿材料性能指標Table 1 Performance requirements of simultaneous grouting materials

3 原材料及配合比試驗設計

3.1 原材料與試驗方法

3.1.1 原材料選用

原材料的選用見表2。

3.1.2 試驗方法

凝結時間、稠度、抗壓強度及抗?jié)B性能依據(jù)JGJ/T 70—2009《建筑砂漿基本性能試驗方法標準》進行檢驗;抗折強度和抗壓強度按GB/T 17671—1999《水泥膠砂強度檢驗方法》進行檢驗;漿液流動度按GB/T 8077—2000《混凝土外加劑勻質性試驗方法》的規(guī)定采用微型塌落度筒進行試驗;砂漿抗水分散性按DL/T 5117—2000《水下不分散混凝土試驗規(guī)程》進行試驗;水陸強度比是將70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm(長×寬×高)的砂漿試模放入水箱中，使水面高出試模30 cm，用下料導管將砂漿注入試模中，砂漿從試模中溢出后即可，成型后標準養(yǎng)護至規(guī)定齡期進行抗壓強度試驗，該強度試驗為砂漿的水中強度;砂漿的陸地強度按JGJ/T 70—2009《建筑砂漿基本性能試驗方法標準》中的抗壓強度方法進行測試;水陸強度比為同一砂漿配合比在2種不同條件下成型后同一齡期的抗壓強度比值，該強度比值可以判斷砂漿的抗水分散性能;固結收縮率采用100 mL量筒，用玻璃片蓋上，靜置24 h后測量量筒上部的清水體積。

表2 同步注漿原材料的選用Table 2 Selection of simultaneous grouting materials

3.2 砂漿配合比的優(yōu)化

3.2.1 砂漿凝結時間的優(yōu)化試驗

盾構快速施工條件下，砂漿凝結時間既要滿足輸送和漿液在襯砌背后流動充填的時間要求，又不可過長，試驗研究成果如表3和表4所示。

表3 壁后注漿配合比Table 3 Mixing proportions of grout kg/m3

表4 壁后注漿砂漿性能Table 4 Performance of grout

試驗結果表明:只通過改變普通壁后注漿砂漿的水膠比和膠砂比，在盾構快速掘進條件下很難解決砂漿快速凝結以此控制管片上浮的問題，即使通過調整漿液的水膠比和膠砂比后能滿足施工要求，也將會導致膠凝材料用量增大，成本提高;而摻入適量的減水劑后砂漿的拌合物性能得到提高，可滿足施工要求。由于減水劑是一種高分子表面活性劑，減水劑分子能定向吸附于水泥顆粒表面，使水泥顆粒表面帶有同一種負電荷，形成靜電排斥效應，促使水泥顆粒相互分散，破壞絮凝結構，釋放出被包裹的部分水來參與流動，從而有效地提高砂漿拌合物的流動性，且可以減少用水量，增強砂漿強度。摻入減水劑后通過調整膠凝材料的用量，凝結時間會發(fā)生明顯的改變，同時減水劑對砂漿的稠度影響較大，會隨減水劑摻量的增大而增大。當減水劑摻量為0.6%時，砂漿和易性較好，但初凝時間較短，不利于砂漿的泵送性;當減水劑摻量為0.7%時，砂漿和易性較好，且凝結時間滿足施工要求;但當減水劑摻量為0.8%時，砂漿出現(xiàn)離析現(xiàn)象，凝結時間延長，如施工速度較快時，將無法滿足施工要求。因此，減水劑摻量選擇0.7%(占膠凝材料的百分比)為宜。

3.2.2 聚丙烯纖維的優(yōu)化試驗

聚丙烯纖維較大的比表面積能使其與砂漿基體增大接觸面積，使砂漿與纖維能牢固結合，共同承擔荷載，有助于提高砂漿的抗沖擊性，在纖維體積率為0.05%～0.2%時有明顯的抗裂與增韌效果。

為提高砂漿的抗水分散性及其初期強度，改善注漿效果，試驗中通過摻加不同摻量的聚丙烯纖維，研究其對砂漿漿液性能的影響，得出適用于該巖體、施工條件等因素影響下的最佳摻入量，試驗情況如表5和表6所示。

表5 聚丙烯纖維摻量優(yōu)化試驗Table 5 Optimization test on polypropylene fiber quantity kg/m3

表6 聚丙烯纖維摻量優(yōu)化試驗性能結果Table 6 Performance of grout with optimized polypropylene fiber quantity

試驗結果表明:砂漿的坍落度和流動度隨著纖維量的增加而降低，即砂漿的稠度隨纖維量的增加而提高，說明砂漿在摻入聚丙烯纖維后，抑制了砂漿的離析和泌水;同時，隨著纖維摻量的增大，砂漿基體的密實性增大，阻止外界水份侵入的能力增強，即混凝土砂漿的抗?jié)B等級得到了提高。

依據(jù)現(xiàn)場施工情況，分別對摻加纖維前和摻加纖維后砂漿混凝土試塊進行了1 d和28 d的抗折和抗壓強度試驗。

摻加纖維前，試塊1 d抗折、抗壓強度為0.25 MPa和0.86 MPa，28 d抗折、抗壓強度為2.95 MPa和14.2 MPa;摻加0.3 kg/m3纖維后，試塊1 d抗折、抗壓強度為0.32 MPa和1.09 MPa，28 d抗折、抗壓強度為3.78 MPa和18.5 MPa;摻加0.5 kg/m3纖維后，試塊1 d抗折、抗壓強度為0.45 MPa和1.22 MPa，28 d抗折、抗壓強度為3.98 MPa和20.7 MPa。

結果顯示，從實驗室制備試件的情況來看，摻加纖維可以改善砂漿混凝土的抗折、抗壓強度，隨著摻量的增加，砂漿混凝土的抗折、抗壓強度逐漸提高，但當摻量大于0.9 kg/m3時，摻量的變化對混凝土抗折、抗壓強度影響較小。綜合考慮聚丙烯纖維摻量選擇0.16%(占膠凝材料的百分比)為宜。

3.2.3 絮凝劑的優(yōu)化試驗

同步注漿要求漿液具有能快速充填、保水性強、不離析、傾析率小、抗水分散性好等性能，因此，制漿過程中需考慮添加抗水分散劑，摻量過高或過低可能導致漿液早期不凝結或抗水分散性能差。試驗依據(jù)多組配合比砂漿性能綜合分析，在選取聚丙烯纖維優(yōu)選配合比(纖維摻量為0.9 kg/m3)的基礎上進行抗水分散劑聚丙烯酰胺(PAM)的優(yōu)化，控制單一變量的方法研究其工作性能。砂漿配合比參數(shù)及基本性能如表7和表8所示。

表7 抗水分散劑摻量優(yōu)化試驗Table 7 Optimization test on water-resistant dispersant quantity kg/m3

表8 抗水分散劑摻量優(yōu)化試驗性能結果Table 8 Performance of grout with optimized water-resistant dispersant quantity

試驗結果表明:砂漿的稠度隨PAM的減小而降低。PAM聚合物與水形成乳膠液，生成許多微小潤滑膜，減小了砂子之間的摩擦力，起到表面分散作用，改善砂漿的流動性。當PAM摻量達到膠凝材料質量的0.1%后，吸濕作用超過其潤滑作用，砂漿的流動性大大降低。

從水陸強度比數(shù)據(jù)可以看出，PAM的摻入不僅可以提高砂漿的抗水分散性能，而且使砂漿的強度得到保障。實際施工對抗水分散性PAM摻量要求固結體強度1 d≥0.2 MPa，28 d≥2.5 MPa。依據(jù)試塊力學性能試驗，由于水泥、粉煤灰配比量及纖維的影響，其砂漿1 d和28 d抗壓強度均能達到施工要求。因此，抗水分散劑PAM的摻量主要依據(jù)其物理性能決定。從成本及砂漿性能指標考慮，絮凝劑的摻量選擇0.2%(占膠凝材料的百分比)較適宜。

3.2.4 優(yōu)化配合比

盾構隧道同步注漿材料的性能受巖體條件、盾構施工形式、施工條件等因素的影響，通過大量的試驗，對不同添加劑的作用進行分析，得出優(yōu)化配合比如表9所示。該配合比能有效地控制盾構快速施工引起的質量問題，滿足注漿需要并達到良好的填充效果。

表9 優(yōu)化配合比Table 9 Optimized mixing proportion kg/m3

4 現(xiàn)場施工使用情況

1#隧洞軟土層起始段盾構快速掘進時，盾尾曾出現(xiàn)漏漿現(xiàn)象，對管片姿態(tài)的測量頻率為1次/d，上浮嚴重的地段測量頻率為2次/d。隧洞管片相對上浮曲線如圖1所示，盾構快速穿越軟土地層段前100環(huán)，管片上浮較為明顯，最大上浮量達到18 cm，平均上浮量高達13.8 cm左右，嚴重超標，個別管片錯臺達到40～50 mm。

圖1 優(yōu)化前隧洞管片相對上浮曲線Fig.1 Curve of relative uplifting of segment lining before mixing proportion optimization

為確保盾構快速掘進施工質量，通過添加減水劑、絮凝劑及聚酯纖維對同步注漿材料性能進行有針對性的優(yōu)化。根據(jù)試驗所得的配合比及選取的材料進行現(xiàn)場配制砂漿，并與實際施工相結合，注漿過程順利完成，注漿后的盾尾、管片環(huán)接縫處未出現(xiàn)滲水現(xiàn)象，管片上浮得到了有效控制，如圖2所示，最大上浮量為4.2 cm，達到了較好的注漿效果。

圖2 優(yōu)化后隧洞管片相對上浮曲線Fig.2 Curve of relative uplifting of segment lining after mixing proportion optimization

5 結論與討論

在本工程中，試驗得出的優(yōu)化配合比能較好地滿足盾構快速施工下同步注漿的工藝要求。按其所配制的砂漿具有良好的泵送性、抗水分散性和抗?jié)B性，能避免注漿堵管現(xiàn)象，注漿后的盾尾、管片環(huán)未出現(xiàn)滲水現(xiàn)象，管片上浮得到了有效控制，達到了較好的注漿效果，具有很好的經(jīng)濟效益和社會效益。

本文提到的配合比設計與原材料的性能有很大關系，類似工程可在參考經(jīng)驗的基礎上，通過試驗制定有針對性的配合比。

同步注漿材料配合比的調整只能減小管片的上浮量，無法徹底解決管片的上浮問題，但在管片上浮量較小的情況下，管片的成型質量、滲漏水情況可以得到有效控制。

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