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(guó)水利水電第十四工程局有限公司，云南 昆明 650200；3.中國(guó)石油集團(tuán)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(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)管片上浮原因進(jìn)行了研究。葉飛等對(duì)管片上浮原因進(jìn)行了全面分析和總結(jié)，認(rèn)為當(dāng)管片脫出盾尾時(shí)，若同步注漿的漿液不能達(dá)到初凝和一定的早期強(qiáng)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(guò)進(jìn)一步分析后認(rèn)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?chē)耐馏w會(huì)快速向管片聚積，因此很少出現(xiàn)管片上浮[4]。Shirlaw等[5]認(rèn)為，在軟土地層中由于周?chē)馏w向管片聚積一般不會(huì)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(shí)管片包裹在未凝固的漿液中會(huì)產(chǎn)生向上的浮力[6-10]。筆者對(duì)某工程排水隧洞計(jì)算結(jié)果顯示，當(dāng)管片周?chē)凰?密度為1 000 kg/m3)包圍時(shí)，管片受到的靜浮力約為管片自重的2.22倍；當(dāng)管片周?chē)蛔⑷氲奈茨Y(jié)漿液(密度約為1 900 kg/m3)包圍時(shí)，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(duì)“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(huì)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?chē)鸁o(wú)法凝固，從而加大了上浮趨勢(shì)。如能開(kāi)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(lái)抑制管片上浮的設(shè)想。

實(shí)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(dòng)態(tài)復(fù)雜環(huán)境要求，本次試驗(yàn)研究采用加輕骨料的配制方法。實(shí)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(yàn)采用絮凝劑和快硬水泥進(jìn)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(shí)間短、基本不泌水和結(jié)石率高等特點(diǎn)，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(shí)間150～180 min；

6)3 d抗壓強(qiáng)度大于0.5 MPa，28 d抗壓強(qiáng)度大于2.5 MPa。

2 原材料及試驗(yàn)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(jiàn)表1。

表1 輕質(zhì)骨料性能參數(shù)

2)水泥。采用強(qiáng)度等級(jí)為42.5級(jí)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(jiàn)表2。

表2 水泥化學(xué)組分

3)水。采用自來(lái)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(jí)，含量大于98%。

2.2 試驗(yàn)方法

輕質(zhì)漿液容重、抗壓強(qiáng)度、凝結(jié)時(shí)間和結(jié)石率參照J(rèn)GJ/T 70—2009《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)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(cè)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(cè)定。以漿液不同齡期抗壓強(qiáng)度(1 d、3 d、7 d、28 d)、容重、懸濁物含量等考核指標(biāo)對(duì)漿液性能進(jìn)行評(píng)估，優(yōu)選材料，以正交試驗(yàn)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(jiàn)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(qiáng)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(jiàn)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(shí)，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(qiáng)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(yàn)結(jié)果相差不大，但空心玻璃微珠(T4)的價(jià)格遠(yuǎn)高于憎水膨脹珍珠巖(T2)，從工程應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)性考慮，本次試驗(yàn)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(shí)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(jìn)行漿液配制，考察3種水泥在凝結(jié)時(shí)間方面的差異，水泥比選試驗(yàn)見(jiàn)圖1。試塊抗壓強(qiáng)度比選試驗(yàn)見(jiàn)圖2。具有代表性的漿液配合比及性能見(jiàn)表4。

圖1 水泥比選試驗(yàn)

圖2 試塊抗壓強(qiáng)度比選試驗(yàn)

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(shí)間長(zhǎng)，均超過(guò)2 000 min，添加調(diào)凝劑后，終凝時(shí)間仍然超過(guò)600 min；用快硬硫鋁酸鹽水泥(S2)配制的漿液凝結(jié)時(shí)間短，不足30 min，凝結(jié)過(guò)快，泵送時(shí)堵管風(fēng)險(xiǎn)較大；用高貝利特硫鋁酸鹽水泥(S3)配制的漿液，終凝時(shí)間為165～185 min，1 d抗壓強(qiáng)度大于1 MPa。通過(guò)比較可知，高貝利特硫鋁酸鹽水泥(S3)在凝結(jié)時(shí)間方面可控性較好，選擇其作為本次試驗(yàn)用膠凝材料。

4 正交試驗(yàn)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(duì)輕質(zhì)漿液性能的影響，優(yōu)選出最佳配合比，開(kāi)展正交試驗(yàn)。

4.1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

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(qiáng)度和抗分散性；減水劑主要影響流動(dòng)性、用水量和強(qiáng)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(shí)間。因此，正交試驗(yàn)選取以下4個(gè)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(gè)水平，正交試驗(yàn)影響因素水平見(jiàn)表5，根據(jù)試驗(yàn)因素水平個(gè)數(shù)，結(jié)合試驗(yàn)規(guī)模，采用L25(56)正交表來(lái)安排試驗(yàn)。在試驗(yàn)過(guò)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(dá)到100%，故泌水率和結(jié)石率2項(xiàng)數(shù)據(jù)在正交試驗(yàn)的分析中將不再列出。

表5 正交試驗(yàn)影響因素水平

4.2 正交試驗(yàn)結(jié)果

按照設(shè)計(jì)進(jìn)行的輕質(zhì)漿液正交試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 輕質(zhì)漿液正交試驗(yàn)結(jié)果

4.3 極差分析

對(duì)試驗(yàn)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(qiáng)度求平均值和極差進(jìn)行分析，結(jié)果見(jiàn)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(duì)輕質(zhì)漿液懸濁物含量(抗分散性)、容重、抗壓強(qiáng)度的影響程度從大到小均為A>B>D>C，即膠砂比(因素A)對(duì)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(jì)

結(jié)合表6和表7分析可知，膠砂比對(duì)輕質(zhì)漿液的抗壓強(qiáng)度、抗分散性和容重影響較大，膠砂比降低時(shí)，抗壓強(qiáng)度隨之降低，抗分散性變差，容重隨之增大。當(dāng)膠砂比達(dá)到5∶1時(shí)，其容重較難滿足輕質(zhì)漿液小于1 000 kg/m3的要求。進(jìn)一步分析表中數(shù)據(jù)，當(dāng)漿液的抗壓強(qiáng)度、抗分散性、容重均滿足要求時(shí)，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(huì)增加用水量，對(duì)強(qiáng)度和流動(dòng)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(qiáng)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(shí)，漿液抗壓強(qiáng)度和容重最高，但其抗分散性最差；當(dāng)絮凝劑摻量為5%時(shí)，漿液的抗分散性能最好，但其抗壓強(qiáng)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(dòng)性，但其會(huì)對(duì)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(shí)，漿液抗分散性、容重、強(qiáng)度均滿足要求。但摻量為0.2%～0.4%時(shí)，抗壓強(qiáng)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(lèi)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(shí)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(shí)流平和堆積的綜合效果比較理想，且各齡期強(qiáng)度最高。因此，UWB-Ⅱ與UWB-Ⅲ的質(zhì)量比為0.75∶0.25時(shí)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(jiàn)表8。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，該配合比的各項(xiàng)性能指標(biāo)如表9所示。結(jié)果表明，優(yōu)選配合比的各項(xiàng)性能指標(biāo)均已達(dá)到本次試驗(yàn)研究的設(shè)計(jì)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(yàn)分析

為了檢驗(yàn)新型輕質(zhì)漿液在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的實(shí)際性能，在某海底排水隧洞進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，檢查其可泵送性能，對(duì)比分析相鄰區(qū)域(采用常規(guī)二次注漿)的管片錯(cuò)臺(tái)情況，驗(yàn)證抗浮效果。

5.1 試驗(yàn)工程概況

本次試驗(yàn)選擇在某海底盾構(gòu)隧洞工程，試驗(yàn)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(yàn)設(shè)備

采用攪拌和泵送為一體的二次注漿泵——GS30EB(見(jiàn)圖3)。其技術(shù)參數(shù)見(jiàn)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(yàn)過(guò)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(jiàn)圖3)，將珍珠巖、水泥、外加劑依次加入攪拌機(jī)，干拌15 s；然后加水?dāng)嚢? min，混合均勻后注漿?，F(xiàn)場(chǎng)選取第700—713環(huán)作為第1次試驗(yàn)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(yàn)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(chǎng)試驗(yàn)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(duì)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(cuò)臺(tái)，管片錯(cuò)臺(tái)數(shù)據(jù)見(jiàn)表11。

圖4 輕質(zhì)漿液泵送性能

表11 管片錯(cuò)臺(tái)對(duì)比分析

6 經(jīng)濟(jì)性分析

以某工程海底排水隧洞微風(fēng)化硬巖段掘進(jìn)過(guò)程的常規(guī)二次注漿為例，每推進(jìn)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。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)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(gè)循環(huán)(共13環(huán))所需材料費(fèi)用約2.3萬(wàn)元。

通過(guò)文中新型輕質(zhì)漿液現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)分析，每環(huán)2～3 m3輕質(zhì)漿液就能達(dá)到抑制管片上浮的效果，平均按每環(huán)2.5 m3計(jì)算，累計(jì)13環(huán)所需材料費(fèi)用約3.1萬(wàn)元(詳見(jiàn)表12和表13)。

表12 輕質(zhì)漿液材料單價(jià)分析表

表13 漿液造價(jià)對(duì)比分析表

7 結(jié)論與討論

通過(guò)對(duì)管片上浮原因分析，確定對(duì)容重小于1 000 kg/m3的輕質(zhì)漿液開(kāi)展配合比設(shè)計(jì)及性能試驗(yàn)；在某工程海底排水隧洞中進(jìn)行了優(yōu)化配合比試驗(yàn)應(yīng)用并評(píng)估了使用效果，得出結(jié)論如下：

1)通過(guò)配合比設(shè)計(jì)試驗(yàn)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(duì)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(jìn)行了試驗(yàn)應(yīng)用，與常規(guī)漿液相比，新型輕質(zhì)漿液直接材料費(fèi)稍高，但其抗浮效果顯著，管片錯(cuò)臺(tái)現(xiàn)象得到明顯改善，間接經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)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(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，在其他不同的工程地質(zhì)條件下的應(yīng)用效果尚需進(jìn)一步驗(yàn)證和探討。