干粉盾構(gòu)同步注漿料的生產(chǎn)與應(yīng)用

肖群芳，魏然，白宇，王麗

（1.北新集團(tuán)建材股份有限公司，北京100000；2.中鐵上海工程局集團(tuán)有限公司城市軌道交通工程分公司，上海200431）

0 前言

隨著國(guó)內(nèi)一、二線城市和各省會(huì)城市加快基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)步伐，地鐵建設(shè)成了投資熱點(diǎn)。“盾構(gòu)法”和“暗挖法”作為地鐵地下工程的主要施工工藝，隨著人力成本逐步上升、地鐵埋深的逐漸增加、地下施工條件的日益復(fù)雜，盾構(gòu)法應(yīng)用比例逐步提升[1]。同步注漿料作為盾構(gòu)法中盾構(gòu)管片與土層之間空隙層的填充支撐材料，在不同的地層條件中起著不同的作用，為此演化出4種同步注漿料材料分支：長(zhǎng)三角地區(qū)普遍應(yīng)用的惰性稠漿[2]、其他地區(qū)無(wú)水地層中應(yīng)用的活性稀漿、其他地區(qū)有水地層中應(yīng)用的活性稠漿、北京部分工地使用的雙組份同步注漿材料[3]。除了雙組份同步注漿料是工地現(xiàn)場(chǎng)自拌，其余的同步注漿料在“綠色化、集成化、文明化”施工要求規(guī)范下，以干粉砂漿工廠或濕拌砂漿工廠集中供應(yīng)為主。

本文以國(guó)內(nèi)廣泛應(yīng)用的活性稀漿和活性稠漿為研究對(duì)象，材料性能符合DB11/T 1608—2018《預(yù)拌盾構(gòu)注漿料應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》的要求，并結(jié)合項(xiàng)目對(duì)施工成本的把控，增加出漿率（每噸干粉料加水制備出的漿液方量，m3/t）指標(biāo)，分析了采用不同生產(chǎn)工藝和原材料制備的同步注漿料在性能和成本上的差異（在干粉料所有性能指標(biāo)都符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，干粉料每噸售價(jià)相同情況下，材料的出漿率越高，項(xiàng)目上因?yàn)槎軜?gòu)同步注漿料產(chǎn)生的費(fèi)用支出越低），從而給干粉盾構(gòu)同步注漿料生產(chǎn)廠家生產(chǎn)和施工單位選材提供參考。

1 干粉盾構(gòu)同步注漿料的研制與生產(chǎn)

在施工現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)同步注漿料時(shí)，水泥、砂、摻合料、膨潤(rùn)土是必不可少的原材料，分別起到凝結(jié)硬化、填充提高強(qiáng)度、降低成本、提高固結(jié)率的作用。在預(yù)拌砂漿工廠生產(chǎn)的干粉盾構(gòu)同步注漿料通過(guò)散裝罐車(chē)運(yùn)輸?shù)绞┕がF(xiàn)場(chǎng)，再加水?dāng)嚢枋褂?，原材料的可選范圍較大?？赏ㄟ^(guò)有機(jī)添加劑調(diào)整漿液的和易性和固結(jié)率、減少膨潤(rùn)土用量，采用活性超細(xì)粉末、石粉、含粉量高的尾礦取代粉煤灰和部分水泥等措施，可以得到固結(jié)率高、出漿率提高的同步注漿料，但改善效果有限，沒(méi)有本質(zhì)區(qū)別；如果要實(shí)現(xiàn)跨越式性能提高，需改變干粉盾構(gòu)同步注漿料的生產(chǎn)工藝。

干粉砂漿的生產(chǎn)工藝根據(jù)使用骨料不同，可分為兩大技術(shù)路線，使用天然砂的干粉砂漿主要生產(chǎn)過(guò)程包括：骨料烘干、篩分，各種原材料儲(chǔ)存計(jì)量，混合，進(jìn)入散裝筒倉(cāng)待發(fā)貨；使用機(jī)制砂的干粉砂漿主要生產(chǎn)過(guò)程包括：骨料破碎、整形、分級(jí)，各種原材料儲(chǔ)存計(jì)量，混合，進(jìn)入散裝筒倉(cāng)待發(fā)貨。無(wú)論是使用天然砂還是機(jī)制砂，在砂漿混合主塔上均是各種原材料按比例的物理混合，注漿料的性能完全取決于各種原材料的用量。

如果改變生產(chǎn)工藝，用破碎磨細(xì)的工藝生產(chǎn)干粉砂漿，原材料的可選種類范圍比前述提到的計(jì)量/混合生產(chǎn)工藝更廣，煤矸石、尾礦、脫硫渣、廢石都是可選擇的原材料，經(jīng)過(guò)破碎磨細(xì)后，通過(guò)粉體表面缺陷的形成和比表面積的增大，單價(jià)較高的膨潤(rùn)土可以少用或不用，原材料成本可以得到較好控制。

表1、表2分別為2種不同生產(chǎn)工藝生產(chǎn)的干粉盾構(gòu)注漿料配方。其中水泥為唐山冀東水泥廠的P·O42.5水泥；水泥熟料為唐山泓泰水泥有限公司的硅酸鹽熟料；粉煤灰為大唐電廠生產(chǎn)的Ⅲ級(jí)粉煤灰；石粉為唐山市豐潤(rùn)區(qū)永豐高鈣礦粉加工廠生產(chǎn)的普通石粉（含水率≤0.5%，0.075 mm篩余為0）；20～100目砂為唐山市豐潤(rùn)區(qū)潤(rùn)騰建筑垃圾回收處理有限公司供應(yīng)的級(jí)配配干砂（含水率≤0.5%，1.18 mm篩余≤2%，0.075 mm篩下≤10%）；干法脫硫渣為天津大港電廠供應(yīng)廢料，含水率≤3%，CaO含量≥10%；鈉基膨潤(rùn)土為浙江長(zhǎng)安仁恒科技股份有限公司生產(chǎn)的BS－02M；石灰石為金隅冀東砂石骨料中心唐山工廠供應(yīng)毛石，CaO含量≥30%；煤矸石為唐山鴻順建材有限公司廢渣，50 mm方孔篩篩余為0，含水率≤3%。

表1 典型砂漿生產(chǎn)工藝制備干粉盾構(gòu)同步注漿料配方g

表2 破碎磨細(xì)生產(chǎn)工藝制備干粉盾構(gòu)同步注漿料配方g

表3為上述2種不同工藝制備的注漿料，按照DB11/T 1608的技術(shù)要求和測(cè)試方法進(jìn)行性能對(duì)比結(jié)果。

表3 不同工藝和原材料制備的干粉盾構(gòu)同步注漿料性能

由表3可以看出，采用典型砂漿混合工藝生產(chǎn)的1#～4#干粉盾構(gòu)同步注漿料，不管是改變摻合料的種類，還是摻加能對(duì)材料進(jìn)行顯著增稠增黏的外加劑，其用水量明顯小于采用破碎磨細(xì)工藝生產(chǎn)的5#～7#干粉盾構(gòu)同步注漿料。5#～7#干粉盾構(gòu)同步注漿料，在漿液流動(dòng)度相當(dāng)?shù)那疤嵯?，加水量提高?0%左右，出漿率也由0.7 m3/t左右提升至0.85 m3/t以上，固結(jié)率也明顯高于傳統(tǒng)混合工藝生產(chǎn)的產(chǎn)品。這緣于破碎磨細(xì)工藝生產(chǎn)的砂漿漿液和易性好，粉體材料對(duì)游離水的羥基鎖水性強(qiáng)，漿液的和易性好，不會(huì)出現(xiàn)游離水上浮到漿液表面、骨料下沉到漿液底部等現(xiàn)象，從而顯著改善漿液的泌水現(xiàn)象。

在采用破碎磨細(xì)工藝生產(chǎn)粉盾構(gòu)同步注漿料時(shí)，干法脫硫渣與石灰石和煤矸石相比，其出漿率更高，同時(shí)固結(jié)率和強(qiáng)度仍能符合DB11/T 1608—2018的要求，這在于干法脫硫渣中的殘留石灰成分對(duì)出漿率、漿液的和易性和固結(jié)率有明顯改善，需要注意的是，干法脫硫渣中的亞硫酸鈣會(huì)對(duì)水泥造成一定的緩凝現(xiàn)象，需要摻加外加劑進(jìn)行適當(dāng)調(diào)節(jié)。實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，干法脫硫渣摻量不得超過(guò)35%。

2 干粉盾構(gòu)同步注漿料的應(yīng)用

干粉盾構(gòu)同步注漿料經(jīng)散裝運(yùn)輸車(chē)運(yùn)送到項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)，進(jìn)入筒倉(cāng)臺(tái)套中儲(chǔ)存、攪拌待用。不同城市的盾構(gòu)施工項(xiàng)目，單臺(tái)盾構(gòu)機(jī)每天消耗的干粉盾構(gòu)注漿料為30～100 t不等，與房建項(xiàng)目消耗普通砂漿相比，用量明顯增加。對(duì)此，干粉盾構(gòu)同步注漿料在施工現(xiàn)場(chǎng)的散裝筒倉(cāng)為帶防離析設(shè)計(jì)的45 m3筒倉(cāng)，倉(cāng)容約為常規(guī)房建項(xiàng)目20～25 m3筒倉(cāng)的2倍。

散裝筒倉(cāng)自帶的攪拌系統(tǒng)可分為連續(xù)攪拌系統(tǒng)和非連續(xù)攪拌系統(tǒng)2種，連續(xù)攪拌系統(tǒng)故障率低、可靠性強(qiáng)，但筒倉(cāng)中的物料在重力作用下進(jìn)入混漿機(jī)時(shí)，流速會(huì)出現(xiàn)變化，導(dǎo)致水流大小需要調(diào)節(jié)，制備的漿液稀稠度會(huì)出現(xiàn)一定波動(dòng)。連續(xù)混漿機(jī)在制漿完畢后，機(jī)器清洗用水較少，因機(jī)器清洗用水會(huì)進(jìn)入中板的中轉(zhuǎn)罐中影響漿液質(zhì)量，清洗用水越少越好。非連續(xù)攪拌系統(tǒng)會(huì)定量計(jì)量料和水，制備的漿液比較穩(wěn)定均勻，但其最大問(wèn)題是故障率高、對(duì)基座高度有一定要求，清洗用水量大，進(jìn)入中轉(zhuǎn)罐后會(huì)稀釋制備好待用的漿液。

制備好的漿液進(jìn)入中板中轉(zhuǎn)罐的漿液輸送工藝，以及中轉(zhuǎn)罐中漿液進(jìn)入臺(tái)車(chē)的漿液輸送工藝，在盾構(gòu)施工項(xiàng)目中極易忽視，特別是使用活性漿液的項(xiàng)目。泥漿泵是較為常見(jiàn)的漿液輸送設(shè)備[見(jiàn)圖1（a）]，但泥漿泵的輸送能力有限，對(duì)于流動(dòng)度小于25 cm的漿液輸送能力有限，特別是涉及到高度爬升的漿液輸送。因此使用泥漿泵進(jìn)行同步注漿料輸送的項(xiàng)目，實(shí)際進(jìn)入到臺(tái)車(chē)的漿液一般控制的較稀，會(huì)影響漿液的凝結(jié)時(shí)間和固結(jié)率，特別是在有地下水的地層中推進(jìn)時(shí)，這種稀的漿液容易被地下水稀釋，導(dǎo)致漿液表觀凝結(jié)（失去流動(dòng)性）和初凝時(shí)間（開(kāi)始出現(xiàn)強(qiáng)度）明顯延長(zhǎng)、固結(jié)率下降，從而影響管片形態(tài)，并會(huì)增大二次補(bǔ)漿的方量。

根據(jù)筆者多年應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，活性盾構(gòu)注漿料存在向上的高度爬升，需要使用活塞泵[見(jiàn)圖1（b）]替代泥漿泵之外，如果存在水平長(zhǎng)距離輸送或者角度小于30°的往前下方輸送時(shí)，也采用泵替代輸送管道。在不少項(xiàng)目上存在水平距離大于1 m、小角度輸送漿液[見(jiàn)圖1（c）]時(shí)，會(huì)因合格漿液的自流性差出現(xiàn)堵管，制漿工人會(huì)用水疏通或者制備相對(duì)稀一些的漿液，從而影響漿液的填充效果。對(duì)于角度超過(guò)30°的漿液輸送管道，為便于工人操作，管道上方要多開(kāi)觀察口（也為機(jī)械助流提供操作口），如圖1（d）所示。

圖1 盾構(gòu)同步注漿料的漿液輸送設(shè)備和工藝

圖2為采用破碎磨細(xì)工藝生產(chǎn)的7#干粉盾構(gòu)同步注漿料注漿完畢且沒(méi)有二次補(bǔ)漿的情況下，因線路調(diào)整，挖開(kāi)施工面看到的漿液充填效果?？梢钥闯?，該漿液固結(jié)率高、填充效果好。

圖2 破碎磨細(xì)工藝生產(chǎn)的盾構(gòu)注漿料填充效果

3 結(jié)論

（1）對(duì)于以“水泥、粉煤灰、骨料、膨潤(rùn)土”為主要原材料的活性干粉盾構(gòu)注漿料，破碎磨細(xì)生產(chǎn)工藝制備的砂漿與傳統(tǒng)計(jì)量混合工藝生產(chǎn)的砂漿相比，存在以下優(yōu)點(diǎn)：①原材料可選范圍廣，固體廢棄物的使用比例可以達(dá)到70%，材料成本更可控；②粉體材料中位徑小，標(biāo)稠用水量不低于45%，出漿率高于0.85 m3/t；③相同流動(dòng)度前提下，制備的成品表觀凝結(jié)時(shí)間（失去流動(dòng)性的時(shí)間）更短，固結(jié)率都不低于95%，能節(jié)省二次補(bǔ)漿方量和成本；④與石灰石相比，在不影響固結(jié)率和力學(xué)性能前提下，干法脫硫廢渣能使干粉盾構(gòu)注漿料的用水量增加5%以上；干法脫硫廢渣的成本低于石灰石毛石，因而可降低材料成本。

（2）活性漿液從地面上輸送到中板的中轉(zhuǎn)罐、地下的臺(tái)車(chē)時(shí)，避免水平管道輸送漿液、以及用泥漿泵進(jìn)行高度爬升輸送漿液，橫向輸送漿液時(shí)，管道向下的角度以超過(guò)20°為佳，垂直向上輸送漿液時(shí)，以活塞泵為佳，這樣漿液的稀稠度可以得到保證，從而提高施工質(zhì)量和安全性。