粉煤灰摻量對盾構(gòu)隧道同步注漿漿液性能的影響試驗研究

黃德楷，王小剛，夏正茂，阮 雷，魯茜茜，王士民

(1.西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，四川 成都 610031；2.中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 610213；3.中國電力建設(shè)股份有限公司 洛陽分公司，河南 洛陽 471000)

1 概 述

隨著國家經(jīng)濟的發(fā)展，地區(qū)經(jīng)濟文化交流更加頻繁，交通與發(fā)展的矛盾日益突出，迫切需要大力發(fā)展交通基礎(chǔ)工程，而城市地鐵的修建是解決該問題的有效方法。其中，盾構(gòu)法憑借施工安全、掘進速度快、適應(yīng)性強成為目前城市地下隧道和水下隧道施工的主要工法。盾構(gòu)法施工過程中利用同步注漿技術(shù)來填補盾尾間隙、控制地表沉降，而同步注漿漿液的配合比需根據(jù)地質(zhì)條件進行配置。強透水砂卵石地層，由于地層含水量大，同步注漿過程中極易出現(xiàn)漿液稀釋或跑漿現(xiàn)象，導(dǎo)致地層坍塌，所以選用合適的漿液配合比對該地層盾構(gòu)施工尤為重要。粉煤灰作為注漿漿液重要的摻入料，在發(fā)揮減少水泥用量，改善漿液和易性作用的同時可使凝結(jié)混凝土均勻密實，進而提高混凝土的耐久性，故盾構(gòu)注漿漿液摻入粉煤灰更加符合經(jīng)濟效益。

目前，對于盾構(gòu)隧道同步注漿漿液配合比和各類材料對漿液性能的影響已展開大量研究。文獻[1]綜合敘述了盾構(gòu)法同步注漿的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，介紹了同步注漿的工藝技術(shù)，闡述了同步注漿中不同因素對漿液性質(zhì)的影響及不同材料的性質(zhì)與作用；文獻[2]利用正交設(shè)計實驗探究了注漿漿液中水/灰比、膨/水比、膠/砂比等因素對漿液工程性質(zhì)的影響，在此基礎(chǔ)上還運用ANSYS軟件進行數(shù)值模擬，得到了漿液對地層變形規(guī)律的影響；文獻[3]通過注漿漿液中不同的材料影響因素與實驗泌水率、流動度、凝結(jié)時間和抗壓強度組成回歸方程，進行單因素分析，得出了各因素與性能指標(biāo)之間的關(guān)系；文獻[4]則利用固定膠/砂比和水/膠比的試驗方法，研究了大摻量粉煤灰在同步注漿漿液中的優(yōu)化作用，得到了粉煤灰摻量對漿液流動度的影響規(guī)律；文獻[5]依托廣州某地鐵線路工程，對不同砂率和粉煤灰摻量進行了和易性對比實驗，找出了合理的砂率和粉煤灰摻量，解決了低強度混凝土和易性較低的問題；文獻[6]通過粉煤灰—石灰—石膏體系的正交試驗，對粉煤灰作為充填注漿材料進行了研究，得到了該體系的最佳配合比，極大地激發(fā)了粉煤灰的活性，使其更好的對注漿漿液進行改性；文獻[7]研究了粉煤灰對注漿材料性能的影響，得出了適量摻加粉煤灰可縮減漿液凝結(jié)時間、提高漿液凝結(jié)體后期強度以及大幅度降低漿液成本的結(jié)論；文獻[8]依托某富水地層工程，在保證漿液強度、抗水分散性、耐久性的前提下，研究了富水地層條件下的漿液配合比；文獻[9]則是對富水地層盾構(gòu)施工同步注漿技術(shù)進行剖析，為地中海富水砂層盾構(gòu)注漿漿液選擇了一種與國內(nèi)完全不同的配合比，解決了該地層盾構(gòu)施工的難點。

上述研究主要集中于不同注漿材料對盾構(gòu)注漿漿液性能的影響，在一定程度上可為強透水砂卵石地層盾構(gòu)注漿漿液配比提供借鑒，但由于盾構(gòu)注漿漿液與地層條件密切相關(guān)，而目前針對強透水砂卵石的地層同步注漿漿液配合的研究相對較少。鑒于此，研究粉/灰比(粉煤灰與水泥配比)對漿液抗壓強度、抗水分散性、流動度、稠度的影響規(guī)律，選出合適的粉煤灰摻量，得到其優(yōu)化的同步注漿漿液配合比，以期為注漿工程提供參考。

2 試驗方案

2.1 試驗材料

根據(jù)目前工程實踐中盾構(gòu)隧道同步注漿漿液的應(yīng)用狀況，主要選取水泥、粉煤灰、膨潤土、砂、水作為試驗基材，具體規(guī)格及參數(shù)見表1。

表1 試驗基材

2.2 試驗設(shè)計

試驗過程中，固定漿液配合比中水/膠比為0.82，在此基礎(chǔ)上改變粉/灰比，設(shè)計一組對照組和9組實驗組。表2為對照組和實驗組漿液配合比方案。

表2 漿液基準(zhǔn)配合比

3 試驗結(jié)果與討論

3.1 粉煤灰對漿液稠度的影響

依照JGJ70—90《建筑砂漿基本性能試驗方法》，利用砂漿稠度測定儀測定實驗漿液稠度，泥漿粘度隨粉/灰比變化曲線如圖1所示。

圖1 漿液稠度—粉/灰比變化曲線

由圖1可知，隨著粉/灰比的增大，水泥摻量的減少，漿液稠度變化表現(xiàn)為三大趨勢：

(1)當(dāng)粉/灰比小于1(5∶5)時，隨著粉/灰比的增加，漿液稠度先減小后增大，但漿液稠度始終小于不摻粉煤灰時漿液稠度；當(dāng)粉/灰比為3∶7時，漿液稠度達到最小，為8.4 cm，相比不摻粉煤灰時漿液稠度10.3 cm縮減了22.6%；

(2)當(dāng)粉/灰比大于1(5∶5)小于4(8∶2)時，隨著粉/灰比的增加，漿液稠度先增大后減小，但漿液稠度始終大于不摻粉煤灰時漿液稠度，當(dāng)粉/灰比為7∶3時，漿液稠度最大為10.8 cm，相比不摻粉煤灰時漿液稠度增加了4.9%；

(3)當(dāng)粉/灰比大于4(8∶2)時，隨著粉/灰比增加，漿液稠度開始大幅降低，且遠小于不摻粉煤灰時漿液稠度。

由上述分析可見，粉/灰比在1～4，即5∶5～8∶2時起到增加漿液稠度的作用，而其他粉/灰比條件下，粉煤灰均起到降低漿液稠度的作用，且后者作用效果更為顯著，但在整個實驗過程中，漿液稠度始終在8.1～10.8 cm范圍內(nèi)變化，表明粉/灰比變化對漿液稠度影響較小。由于在實際工程應(yīng)用中，注漿漿液需滿足10.5～11.5 cm稠度標(biāo)準(zhǔn)，基于圖1可選擇粉/灰比為5∶5～8∶2的漿液，滿足漿液稠度要求。

3.2 粉煤灰對漿液流通性的影響

依照JGJ70—90 《建筑砂漿基本性能試驗方法》，利用跳桌測定試驗漿液流動度。圖2為漿液流動度隨粉/灰比變化曲線。

圖2 漿液流動度—粉/灰比變化曲線

由圖2可知，隨著粉/灰比的增加，漿液流動度呈區(qū)段波動：當(dāng)粉/灰比在0～3∶7時，隨著粉/灰比增加，漿液流動度逐漸減小，粉/灰比達到3∶7時，漿液流動度為22.9 cm，相比對照組(未摻粉煤灰)的24 cm，漿液流動度縮減了4.8%；當(dāng)粉/灰比在3∶7～7∶3時，漿液流動度與粉/灰比呈正相關(guān)，粉/灰比為7∶3時漿液流動度到達23.9 cm，相比對照組漿液流動度縮減了0.1 cm；當(dāng)粉/灰比大于7∶3時，漿液流動度與粉/灰比呈負相關(guān)，粉/灰比達到9∶1時，漿液流動度達到整個實驗組最低值為20.8 cm，相比對照組漿液流動度減低了15%。

由于漿液摻入粉煤灰后的流動度均略小于未摻入時，可見粉煤灰可起到降低漿液流動性的作用，但作用效果不夠明顯。實際工程應(yīng)用中，為使盾構(gòu)注漿漿液易于泵送且不產(chǎn)生離析現(xiàn)象，漿液流動度應(yīng)保持在22～24 cm之間?；趫D2，可將粉/灰比控制在0～8∶2范圍內(nèi)，滿足漿液流動度要求。

3.3 粉煤灰對漿液抗壓強度的影響

依照JGJ/T70—2009《建筑砂漿基本性能試驗方法》，利用壓力試驗機測定水泥試件砂漿抗壓強度。為了能夠較全面地分析研究粉煤灰對漿液強度的影響規(guī)律，選取入模7 d和28 d的實驗混凝土抗壓強度大小作為抗壓強度評價指標(biāo)。圖3為漿液抗壓強度—粉/灰比變化曲線。

圖3 漿液抗壓強度—粉/灰比變化曲線

從圖3中可以看出，隨著粉/灰比增加，漿液的7 d和28 d抗壓強度均呈減小趨勢，且抗壓強度減小速度逐漸放緩。同時，隨著粉/灰比的逐漸增加，不同養(yǎng)護時間導(dǎo)致的漿液抗壓強度之間的差異逐漸增大，而入模方式導(dǎo)致的漿液抗壓強度之間的差異逐漸減小。例如，粉/灰比為1∶9時28 d的陸上入模漿液抗壓強度12.7 MPa，相比28 d的水下入模漿液抗壓強度10.4 MPa增加了22%，相比7 d的陸上入模和水下入?？箟簭姸?.7 MPa和6.4 MPa，分別增加了46%和63%；隨著粉/灰比增加到5∶5，28 d的陸上入模漿液抗壓強度降低到4.2 MPa，相比28 d的水下入模漿液抗壓強度4.1 MPa增加了2%，相比7 d的陸上入模和水下入模2.3 MPa和2.2 MPa，分別增加了83%和86%，可見隨著粉/灰比的逐漸增加，漿液養(yǎng)護時間對漿液抗壓強度的影響更為顯著，但漿液入模方式對漿液抗壓強度影響逐漸減小。

在漿液抗壓強度量值上，由于入模7 d和入模28 d變化趨勢相同，在此取入模7 d漿液抗壓強度進行分析。隨著粉/灰比的增加，7天的陸上入模強度從9.5 MPa逐漸減小到0.5 MPa，漿液抗壓強度減小了18倍；同等養(yǎng)護時間的水下入模強度也從7.3 MPa減小到0.45 MPa，漿液抗壓強度減小了15倍，兩種入模方式的強度降低都很顯著，表明粉/灰比對漿液的抗壓強度有著顯著的影響。

從經(jīng)濟角度考慮，實際施工過程中，盾構(gòu)注漿漿液入模28 d抗壓強度位于2～5 MPa即可滿足施工要求?；趫D3可選擇粉/灰比在5∶5～8∶2范圍內(nèi)的漿液，滿足漿液強度要求。

3.4 粉煤灰對漿液抗水分散性的影響

在強透水的砂卵石地層，為避免注漿漿液出現(xiàn)稀釋或跑漿現(xiàn)象，研究漿液抗水分散性就顯得尤為重要。為了探究粉/灰比對漿液抗水分散性的影響規(guī)律，引入28 d水陸入?？箟簭姸缺茸鳛闈{液抗水分散性評價指標(biāo)。具體計算公式如下：

水陸入模抗壓強度比越接近于1，表明漿液的抗水分散性越好，反之則越差。實驗具體計算結(jié)果見圖4。

圖4表明隨著粉/灰比的逐漸增大，28 d水陸入模抗壓強度比整體呈上下波動狀態(tài)，但均大于對照組28 d水陸入模抗壓強度比，表明粉煤灰的摻入能起到增強漿液抗水分散性的作用，但隨著粉/灰比的增加，漿液28 d水陸入?？箟簭姸缺仁冀K在0.83～0.95之間，并無較大的差值，表明粉/灰比的增加對注漿漿液抗水分散性改善作用不夠顯著。

實際施工過程中，盾構(gòu)注漿漿液28 d水陸入?？箟簭姸缺炔恍∮?.8即可滿足施工要求，基于圖4可選擇粉/灰比為1∶9～9∶1范圍內(nèi)的漿液，滿足漿液抗水分散性要求。

4 結(jié) 論

(1)粉/灰比在5∶5～8∶2時可起到增加漿液稠度的作用，其他粉/灰比條件下，起到降低漿液稠度的作用，且后者作用效果更為顯著，但在整個實驗過程中，粉/灰比對漿液稠度影響較小，粉/灰比在5∶5～8∶2時可滿足漿液稠度要求。

(2)粉煤灰可發(fā)揮降低漿液流動度作用，但作用效果不夠顯著，粉/灰比控制在0～8∶2范圍內(nèi)可滿足漿液流動度要求。

(3)隨著粉/灰比增加，漿液抗壓強度均呈減小趨勢，且減小速度逐漸放緩；同時，隨著漿液粉/灰比增加，漿液養(yǎng)護時間對漿液抗壓強度的影響更為顯著，但漿液入模方式對漿液抗壓強度影響逐漸減小，粉/灰比控制在5∶5～8∶2范圍內(nèi)可滿足漿液抗壓強度要求。

(4)粉煤灰能起到微弱的增強漿液抗水分散性的作用，粉/灰比控制在1∶9～9∶1范圍內(nèi)可滿足漿液抗水分散性要求。

(5)綜合考慮注漿漿液本身所需要的稠度、流動度、抗壓強度以及抗水分散性，選擇泥漿粉/灰比在5∶5～8∶2范圍內(nèi)，可滿足工程泥漿各項性能指標(biāo)要求。