盾構(gòu)新型輕質(zhì)漿液配合比研究及應(yīng)用

楊宏波，曹耀東，崔學(xué)軍, *，李應(yīng)川，謝鴻輝，周 偉，商寧寧

(1.中廣核工程有限公司，廣東 深圳 518124；2.中國水利水電第十四工程局有限公司，云南 昆明 650200；3.中國石油集團工程技術(shù)研究有限公司，天津 300450)

0 引言

盾構(gòu)法隧道施工中普遍存在管片上浮現(xiàn)象[1-2]，國內(nèi)外眾多學(xué)者對管片上浮原因進行了研究。葉飛等對管片上浮原因進行了全面分析和總結(jié)，認為當(dāng)管片脫出盾尾時，若同步注漿的漿液不能達到初凝和一定的早期強度，隧道被包圍在壁后注漿的漿液中，受到漿液的浮力比在飽和土中受到的水浮力還要大，在這種大浮力作用下很容易產(chǎn)生上浮現(xiàn)象[3]；通過進一步分析后認為，在軟土地層中，當(dāng)管片脫出盾尾后，在上覆土自重及側(cè)壓力作用下，管片周圍的土體會快速向管片聚積，因此很少出現(xiàn)管片上浮[4]。Shirlaw等[5]認為，在軟土地層中由于周圍土體向管片聚積一般不會出現(xiàn)“注漿所致”的管片上浮，而在硬質(zhì)土(巖)地層中，管片在注滿漿液到固結(jié)硬化之前始終處于漿液的包裹之中，此時管片包裹在未凝固的漿液中會產(chǎn)生向上的浮力[6-10]。筆者對某工程排水隧洞計算結(jié)果顯示，當(dāng)管片周圍被水(密度為1 000 kg/m3)包圍時，管片受到的靜浮力約為管片自重的2.22倍；當(dāng)管片周圍被注入的未凝結(jié)漿液(密度約為1 900 kg/m3)包圍時，其受到的靜浮力約為管片自重的4.22倍。因此，漿液的性能對“注漿所致”的管片上浮影響最為直接。

常用注漿漿液的密度一般為1 600～2 000 kg/m3，在漿液凝結(jié)硬化前會產(chǎn)生比水更大的浮力，部分工況(如海域)下同步漿液因劣化而失效，充斥在管片周圍無法凝固，從而加大了上浮趨勢。如能開發(fā)出一種新型可漂浮的輕質(zhì)漿液(密度小于1 000 kg/m3)，具備水中抗分散性和快速凝結(jié)性能，注入后懸浮于管片上方，快速凝固后，可抑制管片上浮。為此筆者提出研制一種新型輕質(zhì)漿液用于盾構(gòu)二次注漿來抑制管片上浮的設(shè)想。

實現(xiàn)輕質(zhì)砂漿(或混凝土)材料體系的技術(shù)手段主要有2種，即采用發(fā)泡技術(shù)引入氣泡和使用輕骨料的方法[11-12]?？紤]到加氣砂漿(或混凝土)難以滿足盾構(gòu)注漿的高水壓、泥水循環(huán)等動態(tài)復(fù)雜環(huán)境要求，本次試驗研究采用加輕骨料的配制方法。實現(xiàn)水中抗分散和快速凝固的手段是采用功能助劑及特種水泥材料，本試驗采用絮凝劑和快硬水泥進行技術(shù)研究。

1 漿液性能指標(biāo)

根據(jù)JGJ/T 12—2019《輕骨料混凝土應(yīng)用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》、JG/T 521—2017《輕質(zhì)砂漿》、T/CECS—2018《盾構(gòu)法隧道同步注漿材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》相關(guān)技術(shù)要求，結(jié)合本次研發(fā)“輕質(zhì)、快凝”需要，新型輕質(zhì)漿液應(yīng)具備水中漂浮、抗分散、終凝時間短、基本不泌水和結(jié)石率高等特點，故性能指標(biāo)設(shè)定如下：

1)漿液容重小于1 000 kg/m3；

2)抗分散性指標(biāo)懸濁物含量小于150 mg/L；

3)泌水率小于0.5%；

4)結(jié)石率大于95%；

5)終凝時間150～180 min；

6)3 d抗壓強度大于0.5 MPa，28 d抗壓強度大于2.5 MPa。

2 原材料及試驗方法

2.1 原材料

1)骨料。采用常規(guī)膨脹珍珠巖、憎水膨脹珍珠巖、漂珠、空心玻璃微珠和陶粒。輕質(zhì)骨料性能參數(shù)見表1。

表1 輕質(zhì)骨料性能參數(shù)

2)水泥。采用強度等級為42.5級的普通硅酸鹽水泥、高貝利特硫鋁酸鹽水泥和快硬硫鋁酸鹽水泥，上述3種水泥的化學(xué)組分見表2。

表2 水泥化學(xué)組分

3)水。采用自來水。

4)絮凝劑。采用具有不同流變性的絮凝劑UWB-Ⅱ和UWB-Ⅲ。

5)減水劑。采用粉體聚羧酸減水劑BSH-200，減水率25%以上。

6)調(diào)凝劑。采用甲酸鈣，工業(yè)級，含量大于98%。

2.2 試驗方法

輕質(zhì)漿液容重、抗壓強度、凝結(jié)時間和結(jié)石率參照JGJ/T 70—2009《建筑砂漿基本性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》和T/CECS 563—2018《盾構(gòu)法隧道同步注漿材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》測定，懸濁物含量參照GB/T 37990—2019《水下不分散混凝土絮凝劑技術(shù)要求》測定。以漿液不同齡期抗壓強度(1 d、3 d、7 d、28 d)、容重、懸濁物含量等考核指標(biāo)對漿液性能進行評估，優(yōu)選材料，以正交試驗確定漿液最佳配合比。

3 原材料比選

3.1 輕質(zhì)骨料的比選

以表1所列的5種常見輕質(zhì)骨料，配制容重小于1 000 kg/m3的漿液，綜合比較其抗分散性及抗壓強度等性能，考察其適宜性。具有代表性的輕質(zhì)漿液配合比及性能見表3。當(dāng)水泥、絮凝劑和減水劑用量相同、且漿液呈可漂浮狀態(tài)時，用空心玻璃微珠(T4)和憎水膨脹珍珠巖(T2)配制出的漿液抗壓強度較高、抗分散性較好；而陶粒(T5)和漂珠(T3)的水泥包裹性差，抗分散很差；常規(guī)膨脹珍珠巖(T1)的多孔性吸水率太高，抗水壓能力也較差。因此，只有憎水膨脹珍珠巖(T2)和空心玻璃微珠(T4)滿足要求。鑒于空心玻璃微珠(T4)和憎水膨脹珍珠巖(T2)試驗結(jié)果相差不大，但空心玻璃微珠(T4)的價格遠高于憎水膨脹珍珠巖(T2)，從工程應(yīng)用的經(jīng)濟性考慮，本次試驗研究選用憎水膨脹珍珠巖(T2)作為輕質(zhì)骨料。

表3 輕質(zhì)漿液配合比及性能

3.2 水泥的比選

在普通水泥體系中添加調(diào)凝劑或采用硫鋁酸鹽水泥體系都是常用的調(diào)節(jié)凝結(jié)時間的方法。使用選定的輕質(zhì)骨料(憎水膨脹珍珠巖T2)和表2中所列3種水泥、調(diào)凝劑等進行漿液配制，考察3種水泥在凝結(jié)時間方面的差異，水泥比選試驗見圖1。試塊抗壓強度比選試驗見圖2。具有代表性的漿液配合比及性能見表4。

圖1 水泥比選試驗

圖2 試塊抗壓強度比選試驗

表4 漿液配合比及性能

由表4可知，僅使用普通硅酸鹽水泥(S1)配制的漿液終凝時間長，均超過2 000 min，添加調(diào)凝劑后，終凝時間仍然超過600 min；用快硬硫鋁酸鹽水泥(S2)配制的漿液凝結(jié)時間短，不足30 min，凝結(jié)過快，泵送時堵管風(fēng)險較大；用高貝利特硫鋁酸鹽水泥(S3)配制的漿液，終凝時間為165～185 min，1 d抗壓強度大于1 MPa。通過比較可知，高貝利特硫鋁酸鹽水泥(S3)在凝結(jié)時間方面可控性較好，選擇其作為本次試驗用膠凝材料。

4 正交試驗分析

為了掌握憎水膨脹珍珠巖(T2)、高貝利特硫鋁酸鹽水泥(S3)、絮凝劑和減水劑等對輕質(zhì)漿液性能的影響，優(yōu)選出最佳配合比，開展正交試驗。

4.1 正交試驗設(shè)計

輕質(zhì)漿液中，膠凝材料和膨脹珍珠巖顆粒的比例(膠砂比)主要影響容重、抗壓強度和抗分散性；減水劑主要影響流動性、用水量和強度；絮凝劑摻量及不同的絮凝劑質(zhì)量比主要影響抗分散性、泌水率、結(jié)石率和凝結(jié)時間。因此，正交試驗選取以下4個影響因素：膠砂比(因素A)、絮凝劑摻量(因素B)、減水劑摻量(因素C)、絮凝劑UWB-Ⅱ和UWB-Ⅲ的質(zhì)量比(因素D)。各因素均取5個水平，正交試驗影響因素水平見表5，根據(jù)試驗因素水平個數(shù)，結(jié)合試驗規(guī)模，采用L25(56)正交表來安排試驗。在試驗過程中，由于絮凝劑的加入，各組配合比的輕質(zhì)漿液均未出現(xiàn)泌水現(xiàn)象，結(jié)石率也達到100%，故泌水率和結(jié)石率2項數(shù)據(jù)在正交試驗的分析中將不再列出。

表5 正交試驗影響因素水平

4.2 正交試驗結(jié)果

按照設(shè)計進行的輕質(zhì)漿液正交試驗結(jié)果見表6。

表6 輕質(zhì)漿液正交試驗結(jié)果

4.3 極差分析

對試驗結(jié)果中各因素相同水平下同齡期懸濁物含量、容重和抗壓強度求平均值和極差進行分析，結(jié)果見表7。

表7 極差分析結(jié)果

從表7中極差的大小可以看出，各因素對輕質(zhì)漿液懸濁物含量(抗分散性)、容重、抗壓強度的影響程度從大到小均為A>B>D>C，即膠砂比(因素A)對輕質(zhì)漿液性能的影響程度最大，為主要影響因素，其余依次為絮凝劑摻量(因素B)、絮凝劑UWB-Ⅱ和UWB-Ⅲ的質(zhì)量比(因素D)和減水劑摻量(因素C)。

4.3.1 總體方案設(shè)計

結(jié)合表6和表7分析可知，膠砂比對輕質(zhì)漿液的抗壓強度、抗分散性和容重影響較大，膠砂比降低時，抗壓強度隨之降低，抗分散性變差，容重隨之增大。當(dāng)膠砂比達到5∶1時，其容重較難滿足輕質(zhì)漿液小于1 000 kg/m3的要求。進一步分析表中數(shù)據(jù)，當(dāng)漿液的抗壓強度、抗分散性、容重均滿足要求時，膠砂比應(yīng)選擇為5∶2～5∶3。

4.3.2 絮凝劑摻量

絮凝劑的作用是提高漿液的抗分散性，但摻入后會增加用水量，對強度和流動性產(chǎn)生一定的影響。分析表6和表7，隨著絮凝劑摻量的增加，輕質(zhì)漿液的抗壓強度和容重隨之降低，抗分散性則逐漸提高(懸濁物含量降低)。當(dāng)絮凝劑摻量為3%時，漿液抗壓強度和容重最高，但其抗分散性最差；當(dāng)絮凝劑摻量為5%時，漿液的抗分散性能最好，但其抗壓強度和容重最低。因此，絮凝劑摻量應(yīng)在3%～5%選擇。

4.3.3 減水劑摻量

減水劑的作用是降低漿液的用水量，增加流動性，但其會對抗分散性產(chǎn)生不利影響。由表6和表7可知，減水劑摻量為0.2%～0.6%時，漿液抗分散性、容重、強度均滿足要求。但摻量為0.2%～0.4%時，抗壓強度和抗分散性能表現(xiàn)更好，工程使用成本更低，因此減水劑摻量宜在0.2%～0.4%選擇。

4.3.4 絮凝劑類型

UWB-Ⅱ絮凝劑配制的漿液具有流平性，而UWB-Ⅲ型絮凝劑配制的漿液具有堆積性，這2種絮凝劑共同使用可以平衡注漿時填充和流平的不同要求。綜合分析表6和表7中2種絮凝劑復(fù)摻結(jié)果，UWB-Ⅱ與UWB-Ⅲ的質(zhì)量比為0.75∶0.25時流平和堆積的綜合效果比較理想，且各齡期強度最高。因此，UWB-Ⅱ與UWB-Ⅲ的質(zhì)量比為0.75∶0.25時漿液性能最理想。

4.4 優(yōu)選配合比

綜合以上分析，輕質(zhì)漿液優(yōu)選配合比確定為：膠砂比為5∶2，絮凝劑摻量為4%，絮凝劑質(zhì)量比UWB-Ⅱ∶UWB-Ⅲ為0.75∶0.25，減水劑摻量為0.4%。輕質(zhì)骨料性能參數(shù)見表8。經(jīng)過試驗，該配合比的各項性能指標(biāo)如表9所示。結(jié)果表明，優(yōu)選配合比的各項性能指標(biāo)均已達到本次試驗研究的設(shè)計目標(biāo)。

表8 輕質(zhì)骨料性能參數(shù)

表9 優(yōu)選配合比性能指標(biāo)

5 正交試驗分析

為了檢驗新型輕質(zhì)漿液在現(xiàn)場應(yīng)用的實際性能，在某海底排水隧洞進行了現(xiàn)場試驗，檢查其可泵送性能，對比分析相鄰區(qū)域(采用常規(guī)二次注漿)的管片錯臺情況，驗證抗浮效果。

5.1 試驗工程概況

本次試驗選擇在某海底盾構(gòu)隧洞工程，試驗段位于全斷面微風(fēng)化花崗巖，隧洞埋深為-33.51 m(其中海水深度為19.21 m)，采用6塊通用楔形管片方案，楔形量50 mm，管片內(nèi)徑6 700 mm，外徑7 400 mm，環(huán)寬1 200 mm。

5.2 試驗設(shè)備

采用攪拌和泵送為一體的二次注漿泵——GS30EB(見圖3)。其技術(shù)參數(shù)見表10。

圖3 GS30EB二次注漿泵

表10 二次注漿泵GS30EB技術(shù)參數(shù)

5.3 試驗過程及結(jié)果

選用與常規(guī)二次注漿設(shè)備相同的攪拌泵送一體GS30EB注漿泵(見圖3)，將珍珠巖、水泥、外加劑依次加入攪拌機，干拌15 s；然后加水?dāng)嚢? min，混合均勻后注漿。現(xiàn)場選取第700—713環(huán)作為第1次試驗段，注漿壓力為0.35～0.45 MPa，共注入輕質(zhì)漿液30.9 m3；選取第743—754環(huán)作為第2次試驗段，注漿壓力為0.35～0.45 MPa，共注入輕質(zhì)漿液29.85 m3。

現(xiàn)場試驗顯示，新型輕質(zhì)漿液具有良好的可泵送性能(如圖4所示)，與洞內(nèi)其他設(shè)備協(xié)調(diào)工作能力良好，人員設(shè)備匹配度高。對比常規(guī)二次注漿，未新增其他額外工作，且輕質(zhì)漿液改善了管片錯臺，管片錯臺數(shù)據(jù)見表11。

圖4 輕質(zhì)漿液泵送性能

表11 管片錯臺對比分析

6 經(jīng)濟性分析

以某工程海底排水隧洞微風(fēng)化硬巖段掘進過程的常規(guī)二次注漿為例，每推進10環(huán)用水泥-水玻璃雙液漿做一次止水環(huán)箍(共3環(huán))，然后用常規(guī)二次漿液填充管片背后空隙?，F(xiàn)場實際每環(huán)注入常規(guī)水泥砂漿(水灰比0.6∶1)3 m3、止水環(huán)注入水泥-水玻璃雙液漿(體積比1∶1)5 m3，每個循環(huán)(共13環(huán))所需材料費用約2.3萬元。

通過文中新型輕質(zhì)漿液現(xiàn)場試驗分析，每環(huán)2～3 m3輕質(zhì)漿液就能達到抑制管片上浮的效果，平均按每環(huán)2.5 m3計算，累計13環(huán)所需材料費用約3.1萬元(詳見表12和表13)。

表12 輕質(zhì)漿液材料單價分析表

表13 漿液造價對比分析表

7 結(jié)論與討論

通過對管片上浮原因分析，確定對容重小于1 000 kg/m3的輕質(zhì)漿液開展配合比設(shè)計及性能試驗；在某工程海底排水隧洞中進行了優(yōu)化配合比試驗應(yīng)用并評估了使用效果，得出結(jié)論如下：

1)通過配合比設(shè)計試驗確定的二次注漿用新型輕質(zhì)漿液，其性能滿足相關(guān)規(guī)范對注漿材料及性能的要求，具有良好的抗分散性能，可作為盾構(gòu)二次注漿用的一種新型材料。

2)輕質(zhì)漿液在某工程排水隧洞硬巖富水段進行了試驗應(yīng)用，與常規(guī)漿液相比，新型輕質(zhì)漿液直接材料費稍高，但其抗浮效果顯著，管片錯臺現(xiàn)象得到明顯改善，間接經(jīng)濟效益和社會效益顯著。

3)本次研發(fā)的新型輕質(zhì)漿液為解決管片上浮提供了一種新思路和方法，且在硬巖富水段已經(jīng)過試驗驗證，在其他不同的工程地質(zhì)條件下的應(yīng)用效果尚需進一步驗證和探討。