盾構(gòu)隧道壁后注漿C-S雙液漿性能研究*

沈樹勛，於昌榮，包 華

(1.南通經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)綜合執(zhí)法局，江蘇 南通 226009; 2.江蘇省隧道與地下工程技術(shù)研究中心，江蘇 南京 210041； 3.南通大學(xué)交通與土木工程學(xué)院，江蘇 南通 226019)

0 引言

在隧道盾構(gòu)施工過程中，常遇含水砂層、動(dòng)水砂層等不良地質(zhì)條件，如果處理不當(dāng)，易導(dǎo)致工程事故。因此常采用盾構(gòu)壁后同步注漿填充盾尾間隙，防止土體松弛、地層變形和土粒流失，提高隧道抗?jié)B防水性能，確保管片襯砌早期受力均勻和穩(wěn)定[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，盾構(gòu)隧道同步注漿采用單液漿較多，但雙液漿憑借其凝結(jié)時(shí)間短、強(qiáng)度高、固結(jié)體積穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，將得到越來越多的應(yīng)用[2-3]。

以水泥和水玻璃為主劑，二者按一定比例以雙液方式注入，必要時(shí)加入附加劑組成注漿材料，稱之為水泥-水玻璃漿，即C-S雙液漿，其克服了單液漿凝結(jié)時(shí)間長且不易控制、結(jié)石率低等缺點(diǎn)，提高了注漿效果，適用于含水量大、滲透性高、軟弱不均地層。

目前，關(guān)于C-S雙液漿的研究主要集中于注漿參數(shù)控制、壁后注漿評(píng)價(jià)等。本文通過試驗(yàn)，研究不同水泥品種、水玻璃模數(shù)、配合比對(duì)C-S雙液漿性能的影響。

1 C-S雙液漿填充加固機(jī)理

C-S雙液漿填充加固是物理作用與化學(xué)反應(yīng)的綜合結(jié)果。

1.1 C-S雙液漿反應(yīng)機(jī)理

水泥凝結(jié)和硬化主要由水泥水化析出膠凝體引起，在硅酸三鈣水化過程中產(chǎn)生氫氧化鈣，當(dāng)水泥漿液中加入水玻璃后，水玻璃與新生成的氫氧化鈣反應(yīng)，生成具有一定強(qiáng)度的膠凝體-水化硅酸鈣。水玻璃與氫氧化鈣反應(yīng)速率較快，隨著氫氧化鈣逐步消耗，水泥水化反應(yīng)隨之加快，析出的水化硅酸鈣越來越多。隨著反應(yīng)的進(jìn)行，漿液失去塑性和流動(dòng)性，進(jìn)一步成為具有一定強(qiáng)度的結(jié)石。C-S雙液漿初期強(qiáng)度主要由水玻璃與氫氧化鈣反應(yīng)物提供，后期強(qiáng)度主要由水泥水化反應(yīng)物提供。水泥水化生成氫氧化鈣的量是有限的，過剩的水玻璃使整個(gè)膠凝體系稀釋，凝結(jié)時(shí)間延長，強(qiáng)度下降，反而是無益的。

1.2 C-S雙液漿擴(kuò)散機(jī)制

C-S雙液漿通過壓力系統(tǒng)注入管片壁后，通過擴(kuò)散的方式完成填充過程，其擴(kuò)散方式可歸納為填充注漿、滲透注漿、壓密注漿及劈裂注漿階段[4]。填充注漿階段將漿液填充到盾尾間隙直到充滿；滲透注漿階段利用漿液將土體顆粒間的空氣和水?dāng)D出；壓密注漿階段利用漿液擠壓土體和管片，土體產(chǎn)生塑性變形；在劈裂注漿階段，當(dāng)注漿壓力大到一定程度，漿液在地層中發(fā)生劈裂流動(dòng)，形成條帶狀或脈狀膠結(jié)體。

C-S雙液漿擴(kuò)散過程中，A液(水泥漿液)和B液(水玻璃漿液)混合，變?yōu)槟z態(tài)溶液，混合液黏性隨時(shí)間的增加而增大，隨之進(jìn)入流動(dòng)態(tài)固結(jié)區(qū)，然后經(jīng)可塑態(tài)固結(jié)區(qū)達(dá)凝固區(qū)。

2 C-S雙液漿性能要求

由C-S雙液漿擴(kuò)散機(jī)制可知，為達(dá)到較好的壁后同步注漿效果，C-S雙液漿應(yīng)滿足穩(wěn)定性好(不分散、不離析)、流動(dòng)性好、填充性好(具有一定強(qiáng)度、膠凝體體積穩(wěn)定)、防流失性好(不流失、不被稀釋、不被沖走)、耐久性好、成本低、無公害等性能要求[5-6]。本文基于C-S雙液漿反應(yīng)機(jī)理，通過組分材料與配合比設(shè)計(jì)，優(yōu)化C-S雙液漿技術(shù)參數(shù)，控制水化反應(yīng)和水玻璃反應(yīng)速率，控制膠凝體(水化硅酸鈣)生成速度和生成量，使C-S雙液漿技術(shù)指標(biāo)滿足性能要求。

3 試驗(yàn)概況

試驗(yàn)?zāi)康氖菧y(cè)試不同水泥品種、水玻璃模數(shù)、配合比的C-S雙液漿技術(shù)指標(biāo)，包括塑性黏度、黏聚力(靜切力和動(dòng)切力，其中靜切力包括初切力、終切力)、凝結(jié)時(shí)間及初凝強(qiáng)度。

3.1 原材料

綜合考慮凝膠時(shí)間、施工技術(shù)及成本影響，選用P·O 42.5普通硅酸鹽水泥和P·C 32.5復(fù)合硅酸鹽水泥，將水泥、膨潤土、水按質(zhì)量比450∶75∶785混合攪拌，制成水灰比約為1∶1.75的A液。采用模數(shù)為2.30，2.85，3.50的水玻璃，將3種水玻璃與水泥漿液分別按體積配合比0.05∶1，0.08∶1，0.10∶1，0.12∶1，0.15∶1，0.20∶1制成C-S雙液漿試樣。

3.2 試驗(yàn)設(shè)備

C-S雙液漿塑性黏度采用ZNN-D6型旋轉(zhuǎn)塑性黏度計(jì)測(cè)定，室溫控制在(20±5)℃，初凝、終凝時(shí)間采用標(biāo)準(zhǔn)稠度測(cè)定儀測(cè)定，結(jié)石體初凝抗壓強(qiáng)度采用GDS靜力三軸試驗(yàn)儀測(cè)試。

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 摻加P·O 42.5水泥的雙液漿塑性黏度與黏聚力

試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)摻加P·O 42.5水泥的雙液漿近似呈Bingham塑性流體，測(cè)得其塑性黏度、動(dòng)切力、初切力、終切力分別如圖1～4所示。由圖1可知，隨著體積配合比的增大，不同水玻璃模數(shù)試樣塑性黏度均增大，增幅隨著水玻璃模數(shù)的增大而提高。由圖2～4可知，隨著體積配合比的增大，不同水玻璃模數(shù)試樣黏聚力基本增大，其中水玻璃模數(shù)為3.50的試樣黏聚力增幅最大，水玻璃模數(shù)為2.30的試樣黏聚力變化較小，受配合比的影響較小。綜上所述，摻加P·O 42.5水泥的雙液漿試樣在相同配合比下，水玻璃模數(shù)較大時(shí)，塑性黏度和黏聚力均較大。

圖1 摻加P·O 42.5水泥的雙液漿塑性黏度變化曲線

圖2 摻加P·O 42.5水泥的雙液漿動(dòng)切力變化曲線

圖3 摻加P·O 42.5水泥的雙液漿初切力變化曲線

圖4 摻加P·O 42.5水泥的雙液漿終切力變化曲線

雙液漿需滿足穩(wěn)定性要求，即具備一定切力，尤其是靜切力。動(dòng)切力和靜切力較高時(shí)，有利于雙液漿中的固相顆粒發(fā)揮懸浮作用。如果靜切力太小，易造成固相顆粒沉淀。

4.2 摻加P·C 32.5水泥的雙液漿塑性黏度與稠度系數(shù)

試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)摻加P·C 32.5水泥的雙液漿較符合假塑性流體，測(cè)得其塑性黏度如圖5所示。由圖5可知，隨著體積配合比的增大，不同水玻璃模數(shù)試樣塑性黏度基本增大。由于該雙液漿符合假塑性流體，可用稠度系數(shù)表示塑性黏度，如圖6所示。由圖6可知，不同水玻璃模數(shù)試樣稠度系數(shù)變化規(guī)律可分為2種趨勢(shì)：①對(duì)于水玻璃模數(shù)較大的試樣，稠度系數(shù)隨著配合比的增大而增大；②對(duì)于水玻璃模數(shù)較小的試樣，稠度系數(shù)隨著配合比的增大略有減小。

圖5 摻加P·C 32.5水泥的雙液漿塑性黏度變化曲線

圖6 摻加P·C 32.5水泥的雙液漿稠度系數(shù)變化曲線

試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，通過調(diào)整雙液漿配合比，可在一定范圍內(nèi)增加漿液塑性黏度和黏聚力，可提高漿液抗沖刷能力，但過分提高漿液塑性黏度，對(duì)漿液流動(dòng)性具有一定影響。

4.3 摻加P·O 42.5水泥的雙液漿初凝、終凝時(shí)間

試驗(yàn)測(cè)得摻加P·O 42.5水泥的雙液漿初凝、終凝時(shí)間變化曲線分別如圖7，8所示。由圖7，8可知，隨著體積配合比的增大，不同水玻璃模數(shù)試樣初凝、終凝時(shí)間均縮短，并趨于穩(wěn)定，變化過程大致分為以下階段：①急劇變化階段 當(dāng)配合比<0.10∶1時(shí)，試樣初凝時(shí)間隨著配合比的增大迅速縮短；當(dāng)配合比<0.12∶1時(shí)，試樣終凝時(shí)間隨著配合比的增大迅速縮短。②緩慢變化階段 當(dāng)配合比>0.10∶1時(shí)，試樣初凝時(shí)間受配合比的影響較??；當(dāng)配合比>0.12∶1時(shí)，終凝時(shí)間隨著配合比的增大緩慢縮短。

圖7 摻加P·O 42.5水泥的雙液漿初凝時(shí)間變化曲線

當(dāng)配合比相同時(shí)，對(duì)于水玻璃模數(shù)較大的試樣，初凝、終凝時(shí)間較短；對(duì)于水玻璃模數(shù)較小的試樣，初凝、終凝時(shí)間較長。

圖8 摻加P·O 42.5水泥的雙液漿終凝時(shí)間變化曲線

4.4 摻加P·C 32.5水泥的雙液漿初凝、終凝時(shí)間

試驗(yàn)測(cè)得摻加P·C 32.5水泥的雙液漿初凝、終凝時(shí)間變化曲線分別如圖9，10所示。由圖9可知，隨著體積配合比的增大，不同水玻璃模數(shù)試樣初凝時(shí)間變化曲線表現(xiàn)出縮短、緩增、激增階段。當(dāng)配合比為0.05∶1～0.10∶1時(shí)，不同水玻璃模數(shù)試樣初凝時(shí)間均隨著配合比的增大而縮短，此為縮短階段。對(duì)于水玻璃模數(shù)較大的試樣，當(dāng)配合比為0.10∶1～0.12∶1時(shí)，初凝時(shí)間隨著配合比的增大緩慢增長；對(duì)于水玻璃模數(shù)較小的試樣，當(dāng)配合比為0.10∶1～0.15∶1時(shí)，初凝時(shí)間隨著配合比的增大緩慢增長，此為緩增階段。對(duì)于水玻璃模數(shù)較大的試樣，當(dāng)配合比>0.12∶1時(shí)，初凝時(shí)間急劇增長；對(duì)于水玻璃模數(shù)較小的試樣，當(dāng)配合比>0.15∶1時(shí)，初凝時(shí)間急劇增長，此為激增階段。

圖9 摻加P·C 32.5水泥的雙液漿初凝時(shí)間變化曲線

由圖10可知，隨著體積配合比的增大，不同水玻璃模數(shù)試樣終凝時(shí)間變化曲線基本表現(xiàn)出縮短、緩增、激增階段。當(dāng)配合比為0.05∶1～0.08∶1時(shí)，不同水玻璃模數(shù)試樣終凝時(shí)間均隨著配合比的增大而急劇縮短，此為縮短階段。對(duì)于水玻璃模數(shù)較大的試樣，當(dāng)配合比為0.08∶1～0.12∶1時(shí)，終凝時(shí)間隨著配合比的增大緩慢增長；對(duì)于水玻璃模數(shù)較小的試樣，當(dāng)配合比為0.08∶1～0.15∶1時(shí)，終凝時(shí)間隨著配合比的增大呈波動(dòng)式增長，此為緩增階段。對(duì)于水玻璃模數(shù)較大的試樣，當(dāng)配合比>0.12∶1時(shí)，終凝時(shí)間急劇增長；對(duì)于水玻璃模數(shù)較小的試樣，當(dāng)配合比>0.15∶1時(shí)，終凝時(shí)間急劇增長，此為激增階段。

圖10 摻加P·C 32.5水泥的雙液漿終凝時(shí)間變化曲線

由圖9，10可知，當(dāng)配合比為0.10∶1時(shí)，出現(xiàn)最短初凝時(shí)間；當(dāng)配合比為0.08∶1時(shí)，出現(xiàn)最短終凝時(shí)間。

漿液初凝、終凝時(shí)間影響其填充性及防流失性，同步注漿過程中，當(dāng)漿液滲透或擴(kuò)散半徑(距離)較遠(yuǎn)時(shí)，要求C-S雙液漿凝結(jié)時(shí)間足夠長；當(dāng)有地下水運(yùn)動(dòng)時(shí)，防止?jié){液過分稀釋或被沖走，要求漿液在注入過程中快速凝結(jié)，縮短初凝時(shí)間。

4.5 初凝強(qiáng)度

對(duì)水玻璃模數(shù)為2.85，3.50，水玻璃與水泥漿液體積配合比為0.05∶1，0.08∶1，0.15∶1，0.20∶1的C-S雙液漿試樣結(jié)石體早期初凝強(qiáng)度進(jìn)行了測(cè)試。每種配合比下制作3個(gè)試件，試件制作完成后在(20±5)℃養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)養(yǎng)護(hù)(24±1)h，然后利用三軸儀進(jìn)行加載試驗(yàn)，破壞后的試樣如圖11所示。

圖11 破壞后的試樣

試樣結(jié)石體早期初凝強(qiáng)度(取平均值)變化曲線如圖12所示。由圖12可知，摻加P·O 42.5水泥的雙液漿試樣結(jié)石體早期初凝強(qiáng)度基本隨著配合比的增大而增大；摻加P·C 32.5水泥的雙液漿試樣結(jié)石體早期初凝強(qiáng)度基本隨著配合比的增大先增大后減小。

圖12 試樣結(jié)石體早期初凝強(qiáng)度變化曲線

5 C-S雙液漿配合比設(shè)計(jì)

對(duì)于常規(guī)C-S雙液漿，由于凝結(jié)時(shí)間短，易造成注漿管堵塞、盾尾刷損壞等問題[7]，且存在漿液流動(dòng)性、強(qiáng)度、填充性難以協(xié)調(diào)等問題[8]，因此未被作為同步漿液而廣泛采用。本試驗(yàn)設(shè)計(jì)的C-S雙液漿可較大幅度地延長凝結(jié)時(shí)間，可應(yīng)用于盾構(gòu)隧道壁后同步注漿施工中。

5.1 注意事項(xiàng)

1)協(xié)調(diào)流動(dòng)性與穩(wěn)定性問題

如果C-S雙液漿流動(dòng)性好，可進(jìn)行長距離壓送(尤其是垂直輸送)，但流動(dòng)性好的雙液漿易出現(xiàn)離析、材料分離等穩(wěn)定性問題，在注入擴(kuò)散過程中易被地下水稀釋，影響整體注漿效果。

2)協(xié)調(diào)流動(dòng)性與防流失性問題

為提高填充效果，應(yīng)使C-S雙液漿具有較好的流動(dòng)性，但易造成注漿液流至工作面或尾隙以外的區(qū)域等，易導(dǎo)致隧道管片壁頂部出現(xiàn)無漿液填充的現(xiàn)象。

3)協(xié)調(diào)流動(dòng)性與填充性問題

一般情況下，如果C-S雙液漿流動(dòng)性好，可達(dá)到良好填充效果，但會(huì)造成特殊部位填充性差(如管片壁頂部等)。填充性要求C-S雙液漿初凝時(shí)間短、膠凝體早期強(qiáng)度不小于原狀土、結(jié)石體體積收縮率小，而這些要求不利于漿液達(dá)到良好流動(dòng)性。

本試驗(yàn)得到的C-S雙液漿塑性黏度變化曲線、凝結(jié)時(shí)間變化曲線及初凝強(qiáng)度變化曲線，為配合比優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。通過組分材料與配合比設(shè)計(jì)，滿足同步注漿性能要求[8-9]。

5.2 組分材料與配合比

同步注漿C-S雙液漿的主要性能指標(biāo)一般要求為：塑性黏度≤45×10-3Pa，凝結(jié)時(shí)間為3～10h，1d結(jié)石體早期初凝強(qiáng)度≥0.2MPa。

進(jìn)行C-S雙液漿組分選擇時(shí)，一般首先考慮采用凝結(jié)時(shí)間滿足要求的材料。采用P·O 42.5，P·C 32.5水泥及模數(shù)為2.30，2.85，3.50水玻璃配制的C-S雙液漿，可在一定配合比下滿足3～10h凝結(jié)時(shí)間的要求。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)于摻加P·O 42.5水泥的雙液漿，當(dāng)配合比為0.05∶1～0.10∶1時(shí)，凝結(jié)時(shí)間變化幅度大，且凝結(jié)時(shí)間>10h，不符合雙液漿性能要求；當(dāng)配合比>0.15∶1時(shí)，凝結(jié)時(shí)間雖滿足要求，但經(jīng)濟(jì)性較差；當(dāng)配合比為0.10∶1～0.15∶1時(shí)，凝結(jié)時(shí)間<10h，且凝結(jié)時(shí)間變化小，滿足雙液漿性能要求。對(duì)于摻加P·C 32.5水泥的雙液漿，僅在配合比為0.08∶1時(shí)終凝時(shí)間基本滿足性能要求。

確定C-S雙液漿組分材料與配合比后，應(yīng)考察雙液漿塑性黏度是否滿足要求。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)于摻加P·O 42.5水泥的雙液漿，當(dāng)配合比為0.10∶1～0.15∶1時(shí)，水玻璃模數(shù)為3.50的漿液塑性黏度>45×10-3Pa·s，不符合性能要求；而水玻璃模數(shù)為2.30，2.85的漿液塑性黏度基本符合性能要求。對(duì)于摻加P·C 32.5水泥的雙液漿，當(dāng)配合比為0.08∶1時(shí)，水玻璃模數(shù)為3.50的漿液塑性黏度>45×10-3Pa·s，不符合性能要求；而水玻璃模數(shù)為2.30，2.85的漿液塑性黏度基本符合性能要求。

經(jīng)篩選，得到基本符合C-S雙液漿性能要求的組分、配合比及性能指標(biāo)，如表1所示。由表1可知，大模數(shù)(3.5)水玻璃配制的C-S雙液漿塑性黏度大、穩(wěn)定性好、強(qiáng)度高，但流動(dòng)性差，不適用于配制同步注漿漿液。強(qiáng)度等級(jí)較高的P·O 42.5水泥配制的C-S雙液漿，可調(diào)節(jié)的配合比范圍較大；強(qiáng)度等級(jí)較低的P·C 32.5水泥配制的C-S雙液漿，可調(diào)節(jié)的配合比范圍較小。相比而言，P·O 42.5水泥更適用于配制A液。大配合比的C-S雙液漿塑性黏度大、穩(wěn)定性好，但流動(dòng)性差，結(jié)石體早期初凝強(qiáng)度不穩(wěn)定，成本高，建議配合比為0.08∶1～0.15∶1。

表1 C-S雙液漿組分、配合比及性能指標(biāo)

需要說明的是，C-S雙液漿性能指標(biāo)隨A液水灰比的變化而變化，增大A液水灰比可降低塑性黏度，提高流動(dòng)性，降低凝結(jié)強(qiáng)度。實(shí)際工程應(yīng)用時(shí)，應(yīng)考慮溫度、時(shí)效性對(duì)C-S雙液漿的影響。必要時(shí)可添加外加劑，以改善C-S雙液漿性能[10]。

6 結(jié)語

1)摻加P·O 42.5水泥的雙液漿近似呈Bingham塑性流體，其塑性黏度與黏聚力隨著配合比的增大而增大。在相同配合比下，水玻璃模數(shù)較大時(shí)，漿液塑性黏度和黏聚力均較大。

2)摻加P·C 32.5水泥的雙液漿較符合假塑性流體，隨著配合比的增大，不同水玻璃模數(shù)漿液塑性黏度基本增大。對(duì)于水玻璃模數(shù)較大的漿液，稠度系數(shù)隨著配合比的增大而增大；對(duì)于水玻璃模數(shù)較小的漿液，稠度系數(shù)略有減小。

3)對(duì)于摻加P·O 42.5水泥的雙液漿，隨著配合比的增大，不同水玻璃模數(shù)漿液初凝、終凝時(shí)間均縮短，并趨于穩(wěn)定，變化過程大致分為急劇變化階段、緩慢變化階段。當(dāng)配合比相同時(shí)，對(duì)于水玻璃模數(shù)較大的漿液，初凝、終凝時(shí)間較短；對(duì)于水玻璃模數(shù)較小的漿液，初凝、終凝時(shí)間較長。

4)對(duì)于摻加P·C 32.5水泥的雙液漿，隨著配合比的增大，不同水玻璃模數(shù)漿液初凝時(shí)間變化表現(xiàn)出縮短、緩增、激增階段。

5)摻加P·O 42.5水泥的雙液漿結(jié)石體早期初凝強(qiáng)度基本隨著配合比的增大而增大；摻加P·C 32.5水泥的雙液漿結(jié)石體早期初凝強(qiáng)度隨著配合比的增大先增大后減小。

6)大模數(shù)(3.5)水玻璃配制的C-S雙液漿塑性黏度大、穩(wěn)定性好、強(qiáng)度高，但流動(dòng)性差，不適用于配制同步注漿漿液。

7)強(qiáng)度等級(jí)較高的P·O 42.5水泥配制的C-S雙液漿，可調(diào)節(jié)的配合比范圍較大；強(qiáng)度等級(jí)較低的P·C 32.5水泥配制的C-S雙液漿，可調(diào)節(jié)的配合比范圍較小。相比而言，P·O 42.5水泥更適用于配制A液。

8)大配合比的C-S雙液漿塑性黏度大、穩(wěn)定性好，但流動(dòng)性差，結(jié)石體早期初凝強(qiáng)度不穩(wěn)定，成本高，建議配合比為0.08∶1～0.15∶1。