盾構(gòu)隧道壁后注漿中“定時(shí)漿”試驗(yàn)研究

朱 偉， 陸凱君， 邢慧堂， 錢(qián)勇進(jìn)， 王 璐， 魏 斌

(1. 河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院， 江蘇 南京 210098； 2. 河海大學(xué) 巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 江蘇 南京 210098； 3. 河海大學(xué)土木與交通學(xué)院， 江蘇 南京 210098； 4. 濟(jì)南軌道交通集團(tuán)有限公司， 山東 濟(jì)南 250101)

0 引言

盾構(gòu)技術(shù)因具有對(duì)城市交通影響小、環(huán)保等優(yōu)勢(shì)被廣泛應(yīng)用于我國(guó)地鐵及跨江越海隧道工程施工中[1-2]。盾構(gòu)施工對(duì)圍巖應(yīng)力和變形擾動(dòng)極小，主要取決于壓力艙的平衡掘進(jìn)以及對(duì)盾尾空隙的注漿。壁后注漿及時(shí)充填了成型隧道管片外徑空間和有效掘進(jìn)空間中圓環(huán)之間的盾尾空隙，這不但減少了地層變形和應(yīng)力釋放，同時(shí)也穩(wěn)定了管片，對(duì)管片的防滲起到保護(hù)作用。國(guó)際上，壁后注漿材料主要采用雙液漿和單液漿[3]。在我國(guó)盾構(gòu)隧道壁后注漿施工中，除上海等軟土地區(qū)較多使用厚漿外[4]，大多數(shù)工程都采用單液硬性漿。然而，在我國(guó)單液硬性漿使用中，由于凝結(jié)時(shí)間較長(zhǎng)，易引起管片拼裝后上浮，進(jìn)而產(chǎn)生錯(cuò)臺(tái)等問(wèn)題[5]。例如： 南京地鐵3號(hào)線(xiàn)穿越中風(fēng)化巖層最大上浮量達(dá)到76 mm[6]； 廣州地鐵7號(hào)線(xiàn)穿越風(fēng)化花崗巖層最大上浮量達(dá)到118 mm，嚴(yán)重破壞了管片的防水性能，導(dǎo)致該段隧道內(nèi)連續(xù)漏水[7]。因此，硬性漿凝結(jié)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)已經(jīng)成為引起管片上浮的關(guān)鍵問(wèn)題之一。

許多學(xué)者對(duì)水泥基注漿材料凝(膠)結(jié)時(shí)間進(jìn)行了研究，并取得了較多的研究成果。為了研發(fā)適用于搶修、補(bǔ)注工況下的漿液，徐建平等[8]通過(guò)摻入三乙醇胺(TEA)將漿液的初凝時(shí)間從2.2 h縮短到1.5 h； 丁向群等[9]研究了三乙醇胺與硫酸鋁復(fù)摻對(duì)水泥凝結(jié)時(shí)間的影響，結(jié)果表明復(fù)摻可以將初凝與終凝時(shí)間穩(wěn)定在4～15 min。然而，簡(jiǎn)單地縮短單液漿凝結(jié)時(shí)間也會(huì)引發(fā)施工問(wèn)題，例如： 砂漿在砂漿罐中失去流動(dòng)性而無(wú)法泵送。日本在盾構(gòu)隧道施工中常用雙液漿，注入前A液與B液不接觸，一旦注入后2種漿液在地層混合可在30秒至幾分鐘內(nèi)膠結(jié)[10]，漿液快速膠結(jié)對(duì)于穩(wěn)定管片、阻水、保障管片的拼裝質(zhì)量起到了良好的作用。我國(guó)在盾構(gòu)隧道使用初期也嘗試過(guò)使用雙液漿，但是容易引起堵管等問(wèn)題，故未得到廣泛推廣。

為解決雙液漿注入后膠結(jié)時(shí)間太短、充填盾尾空隙效果不佳的問(wèn)題，部分學(xué)者對(duì)雙液漿中加入緩凝材料后的工程性質(zhì)進(jìn)行了研究。日本的秋田騰次等[11]針對(duì)雙液漿注入盾尾后孔隙大的問(wèn)題，研究了磷酸二氫鈉對(duì)水泥-水玻璃漿液緩凝作用，結(jié)果表明： 磷酸二氫鈉可以提高漿液的膠結(jié)時(shí)間，但緩凝效果較差。郭棋武等[12]采用氯化鋁溶液對(duì)雙液漿進(jìn)行改性，采用倒杯法測(cè)定漿液膠結(jié)時(shí)間，結(jié)果表明： 氯化鋁溶液可以有效緩凝雙液漿，將雙液漿膠結(jié)時(shí)間提高到20 min左右。日本的泉徹[13]為提高注漿材料的止水性，研究了脂類(lèi)物質(zhì)對(duì)漿液硬化延遲的影響，結(jié)果表明： 脂能夠讓漿液硬化延遲，漿液在1.5 h左右依舊處于可塑狀態(tài)。王成等[14]針對(duì)管片上浮問(wèn)題，研究了聚丙烯酰胺對(duì)雙液漿的作用，研究表明： 聚丙烯酰胺能夠讓漿液長(zhǎng)期(6.9 h)處于塑性狀態(tài)。

針對(duì)管片上浮的問(wèn)題，快硬性漿液的配置是有效的解決辦法。目前漿液研究成果中主要分為2類(lèi)，第1類(lèi)是以單液漿為主，凝結(jié)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，不能解決管片上浮問(wèn)題； 第2類(lèi)是以雙液漿為主，膠結(jié)時(shí)間過(guò)短，在單管注漿的工藝下容易造成堵管問(wèn)題。針對(duì)這一現(xiàn)象，本文提出了“定時(shí)漿”的概念，旨在把漿液的膠結(jié)時(shí)間控制在注入后的30～60 min，還探討了“定時(shí)漿”的注入性能、強(qiáng)度、注漿工藝以及適用工況。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

水泥采用安徽海螺水泥股份有限公司生產(chǎn)的海螺牌P·O 42.5普通硅酸鹽水泥。粉煤灰采用河南鞏義二電廠(chǎng)生產(chǎn)的Ⅱ級(jí)粉煤灰，比表面積320 m3/kg。砂為河砂，試驗(yàn)前先經(jīng)水洗，再在108 ℃烘箱烘干24 h后用1 mm土工篩篩分剩余部分。膨潤(rùn)土為南京江寧湯山膨潤(rùn)土，是一種鈣基膨潤(rùn)土。水玻璃主要成分是硅酸鈉水溶液，波美度為35 °Bé，模數(shù)為2.5。氯化鋁為國(guó)藥集團(tuán)生產(chǎn)的無(wú)水氯化鋁，分析純AR 99%，使用前配置成濃度為1 mol/L的溶液。水為自來(lái)水。

1.2 單液硬性漿配方

本研究的“定時(shí)漿”是在單液硬性漿中先加入緩凝材料，再加入促凝材料，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)含有水玻璃的單液硬性漿的水化速率進(jìn)行控制的一種壁后注漿漿液。試驗(yàn)使用了較為常見(jiàn)的單液漿配方，參照濟(jì)南地鐵R2線(xiàn)某區(qū)間漿液配比(實(shí)際注入前還加有水泥)如表1所示。

表1 單液硬性漿配比

1.3 試驗(yàn)流程

先按表1配比配制單液漿，再加入具有控制水化功能的氯化鋁溶液(體積摻量為0.25%～1.00%)攪拌3 min，這2種材料混合后不發(fā)生反應(yīng)；且加入氯化鋁溶液之后，由于氯化鋁溶液摻量相對(duì)漿液體積較少，原漿液的稠度、分層度變化不大，不影響其注漿性能參數(shù)； 然后，加入具有促凝作用的水玻璃攪拌 5 min之后形成“定時(shí)漿”； 最后，測(cè)定其注漿性能和力學(xué)性能，試驗(yàn)流程見(jiàn)圖1。

圖1 試驗(yàn)流程圖

1.4 測(cè)定方法

膠結(jié)時(shí)間指漿液各組分充分混合后失去流動(dòng)度所經(jīng)過(guò)的時(shí)間，現(xiàn)場(chǎng)采用的是比較簡(jiǎn)便的倒杯法進(jìn)行測(cè)定。流動(dòng)度測(cè)定方法參照J(rèn)GJ/T 70—2009《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》。壁后注漿體強(qiáng)度按照GB/T 50123—1999《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，采用直徑為39.1 mm、高度為80 mm的定制模具制樣1 d后脫模，并放入溫度20 ℃、濕度95%的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)7 d和28 d，測(cè)定其無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 水玻璃體積摻量與硬性漿膠結(jié)時(shí)間的關(guān)系

常用硬性漿在不攪拌擾動(dòng)情況下，凝結(jié)時(shí)間在6～10 h。本次試驗(yàn)所使用的硬性漿凝結(jié)時(shí)間為6.5 h?！岸〞r(shí)漿”的思路是在單液漿中先加入緩凝材料，后續(xù)再加入促凝材料水玻璃來(lái)控制水化反應(yīng)。因此，先實(shí)測(cè)水玻璃加入硬性漿后的膠結(jié)時(shí)間，水玻璃摻量對(duì)漿液膠結(jié)時(shí)間的影響見(jiàn)圖2。

圖2 水玻璃摻量對(duì)漿液膠結(jié)時(shí)間的影響

圖2示出了水玻璃體積摻量在0.50%～20%時(shí)硬性漿膠結(jié)時(shí)間的變化規(guī)律。當(dāng)水玻璃摻量為0.50%時(shí)，可使?jié){液膠結(jié)時(shí)間降低到75 min左右； 當(dāng)水玻璃摻量為0.75%時(shí)，漿液膠結(jié)時(shí)間的變化相對(duì)穩(wěn)定，但已經(jīng)降低至25 min左右； 當(dāng)水玻璃摻量超過(guò)5%時(shí)，漿液的膠結(jié)時(shí)間僅在1 min以?xún)?nèi)。分析可知，要讓漿液注入后的膠結(jié)時(shí)間控制在30～60 min，如果只添加水玻璃，那么水玻璃摻量應(yīng)在0.45%～0.65%。但實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中水玻璃摻量控制在0.2%十分困難，而水玻璃的少摻或者多摻都會(huì)直接導(dǎo)致時(shí)間控制失敗。因此，需要再加入氯化鋁溶液進(jìn)行調(diào)控。

2.2 氯化鋁溶液體積摻量與漿液膠結(jié)時(shí)間的關(guān)系

根據(jù)2.1節(jié)試驗(yàn)規(guī)律，考慮到膠結(jié)時(shí)間要求與氯化鋁溶液摻入成本問(wèn)題，先將水玻璃摻量控制在0.50%～1.25%，再加入氯化鋁溶液進(jìn)行膠結(jié)時(shí)間的調(diào)控。即先在硬性漿中加入氯化鋁溶液形成緩凝漿，然后加入水玻璃，形成“定時(shí)漿”膠結(jié)時(shí)間規(guī)律，如圖3所示。分析可知，氯化鋁溶液體積摻量在0.25%～1.00%內(nèi)能夠有效延長(zhǎng)漿液的膠結(jié)時(shí)間。如果將漿液的膠結(jié)時(shí)間控制在30～60 min，需要將水玻璃摻量控制在0.50%～1.00%，氯化鋁溶液摻量控制在0.0%～1.0%； 相對(duì)于單一摻入水玻璃的情況下(區(qū)間范圍0.20%)，優(yōu)化后的摻量區(qū)間變化范圍更容易在施工現(xiàn)場(chǎng)得到控制。

圖3 氯化鋁溶液摻量對(duì)漿液膠結(jié)時(shí)間的影響

除了水玻璃摻量為1.25%時(shí)影響關(guān)系不夠明確外，膠結(jié)時(shí)間與氯化鋁溶液摻量之間都存在較好的線(xiàn)性關(guān)系，可以表示為：

t=t0+kC。

(1)

式中：t為計(jì)算后的膠結(jié)時(shí)間；t0初始膠結(jié)時(shí)間；k為緩凝系數(shù)(在這里k為62.27)；C為氯化鋁溶液的摻量。

根據(jù)式(1)，氯化鋁溶液、水玻璃的體積摻量可根據(jù)膠結(jié)時(shí)間的需要進(jìn)行較為準(zhǔn)確的計(jì)算?，F(xiàn)場(chǎng)也可根據(jù)推進(jìn)情況，通過(guò)該公式對(duì)氯化鋁溶液和水玻璃的摻量進(jìn)行調(diào)整。

2.3 注漿參數(shù)

盾構(gòu)隧道壁后注漿材料性能參數(shù)一般包括密度、流動(dòng)度、分層度、泌水率、凝結(jié)時(shí)間、收縮率、強(qiáng)度等。由于氯化鋁溶液及水玻璃的摻量都在1%左右，除對(duì)流動(dòng)度、膠結(jié)時(shí)間、強(qiáng)度可能產(chǎn)生較大影響外，對(duì)其他參數(shù)影響較小。

流動(dòng)度變化直接影響到混合后實(shí)際注漿施工能否實(shí)施的問(wèn)題，漿液流動(dòng)度要求在19～25 cm方可泵送[15]。圖4示出了摻入水玻璃與氯化鋁溶液后漿液流動(dòng)度隨時(shí)間變化規(guī)律及施工適宜范圍。

從結(jié)果中分析可知，氯化鋁溶液的摻入能夠顯著提高加入水玻璃后漿液的流動(dòng)度。對(duì)比流動(dòng)度變化曲線(xiàn)可知，漿液配置時(shí)間越長(zhǎng)、水玻璃摻量越多，氯化鋁溶液調(diào)節(jié)流動(dòng)度的作用越小。以注漿時(shí)間0～30 min為基準(zhǔn)，從施工適宜范圍看，共分為2種情況： 第1種情況如圖4(a)所示，大部分漿液的流動(dòng)度曲線(xiàn)位于適宜施工范圍的上方，即此時(shí)的流動(dòng)度偏大，容易產(chǎn)生泌水離析等現(xiàn)象，不能滿(mǎn)足施工要求； 第2種情況如圖4(b)—(d)所示，大部分漿液的流動(dòng)度曲線(xiàn)位于適宜施工范圍內(nèi)，說(shuō)明大部分漿液的流動(dòng)度能夠滿(mǎn)足可注要求。

(a) 水玻璃摻量0.50% (b) 水玻璃摻量0.75%

(c) 水玻璃摻量1.00% (d) 水玻璃摻量1.25%

2.4 “定時(shí)漿”的力學(xué)性能

除注漿性能以外，還必須考慮注入后最終形成的注漿體強(qiáng)度。根據(jù)《地下鐵道工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》和“定時(shí)漿”快速穩(wěn)定管片、穩(wěn)定地層的需求，壁后注漿早期注漿體的強(qiáng)度應(yīng)盡可能高，此處設(shè)定漿液7 d強(qiáng)度大于0.7 MPa、28 d強(qiáng)度大于2.5 MPa[15]。

漿液7 d強(qiáng)度滿(mǎn)足強(qiáng)度要求，但隨著氯化鋁溶液摻量增加，7 d強(qiáng)度變化出現(xiàn)2種趨勢(shì)，如圖5(a)所示。當(dāng)水玻璃摻量在0.50%、0.75%時(shí)，氯化鋁溶液摻量超過(guò)0.50%后，漿液的強(qiáng)度開(kāi)始下降； 當(dāng)水玻璃摻量為1.00%、1.25%時(shí)，隨著氯化鋁溶液摻量增加，強(qiáng)度呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。

漿液28 d強(qiáng)度變化也有2種趨勢(shì)，如圖5(b)所示。水玻璃摻量在0.50%、0.75%的2組在氯化鋁摻量達(dá)到0.25%以后強(qiáng)度開(kāi)始下降，而水玻璃摻量為1.00%、1.25%的2組一直呈現(xiàn)強(qiáng)度增加的趨勢(shì)。因此，水玻璃摻量為1.00%、1.25%的2組在氯化鋁溶液摻量>0.50%后，可以穩(wěn)定滿(mǎn)足28 d強(qiáng)度要求； 但當(dāng)水玻璃摻量為0.50%時(shí)，氯化鋁溶液摻量>0.25%后基本能夠滿(mǎn)足強(qiáng)度要求； 當(dāng)水玻璃摻量為0.75%時(shí)，只有氯化鋁溶液摻量在0.25%～0.50%時(shí)滿(mǎn)足強(qiáng)度要求。分析可知，水玻璃摻量在0.50%～1.00%，氯化鋁溶液摻量在0.25%～1.00%，注漿體28 d強(qiáng)度未出現(xiàn)降低現(xiàn)象。

(a) 硬性漿7 d強(qiáng)度

(b) 硬性漿28 d強(qiáng)度

3 配方、注入工藝以及適用情況

3.1 “定時(shí)漿”達(dá)到“定時(shí)”的效果

從工程實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性出發(fā)，研究開(kāi)始只考慮使用水玻璃促凝，但如圖2所示，少量水玻璃的摻入造成漿液膠結(jié)時(shí)間迅速縮短。此后借鑒了泉徹[13]為解決壁后注漿進(jìn)入盾尾油脂造成油脂硬化的問(wèn)題而在油脂中添加延遲硬化材料的方法，調(diào)整成先在硬性漿中添加氯化鋁溶液，然后在注入前加入水玻璃的思路?；烊肼然X溶液后的硬性漿各項(xiàng)注漿性能參數(shù)變化小，滿(mǎn)足配制、運(yùn)輸和砂漿罐內(nèi)的存放要求。從圖3可以看出，加入氯化鋁溶液后的漿液在后來(lái)與水玻璃反應(yīng)時(shí)表現(xiàn)出線(xiàn)型、穩(wěn)定的膠結(jié)時(shí)間關(guān)系，這為膠結(jié)時(shí)間的控制提供了計(jì)算公式。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，摻入氯化鋁溶液之后，氯化鋁溶液、水玻璃的摻量范圍擴(kuò)大，更容易在施工現(xiàn)場(chǎng)得到控制。

3.2 “定時(shí)漿”的配方

所有試驗(yàn)組結(jié)果見(jiàn)表2。從膠結(jié)時(shí)間、流動(dòng)度、強(qiáng)度這3個(gè)主要參數(shù)的適宜性來(lái)看，配方中氯化鋁溶液摻量0.50%～1.00%、水玻璃摻量1.00%～1.25%能夠滿(mǎn)足要求。當(dāng)然，這個(gè)配方組是基于本研究所用的硬性漿配方、氯化鋁溶液和水玻璃的條件而成立的，實(shí)際應(yīng)用可以根據(jù)工程特點(diǎn)對(duì)漿液參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

3.3 “定時(shí)漿”的注入工藝

從實(shí)際施工考慮，現(xiàn)有的硬性漿大多數(shù)是在攪拌站配制，再由罐車(chē)運(yùn)送到工地，然后由砂漿罐運(yùn)送到隧道前方進(jìn)行注漿。由于其間過(guò)程耗時(shí)久，所以設(shè)置的凝結(jié)時(shí)間大多數(shù)在6～10 h。使用“定時(shí)漿”時(shí)，可以將氯化鋁溶液在硬性漿配置時(shí)一起摻入，配置成的帶有氯化鋁溶液的硬性漿仍然保持6～10 h的凝結(jié)時(shí)間。注入前，通過(guò)自動(dòng)計(jì)量設(shè)備定量地將儲(chǔ)漿罐A中的緩凝漿與儲(chǔ)漿罐B中的水玻璃混合到儲(chǔ)漿罐C中，使水玻璃與帶有氯化鋁溶液的硬性漿充分混合，然后泵送注入盾尾空隙。但水玻璃并不能一次性與全部硬性漿混合，而是與即將注入地層的部分混合，在30 min內(nèi)流動(dòng)度滿(mǎn)足的情況下將已混合、攪拌的漿液全部注入地層。當(dāng)然也可以通過(guò)對(duì)現(xiàn)有砂漿罐進(jìn)行改造，單獨(dú)隔出一部分供混合使用。這是一種“雙液?jiǎn)巫ⅰ钡淖{工藝，既能夠保持單液漿的施工簡(jiǎn)便性，又能夠通過(guò)“定時(shí)”達(dá)到與雙液漿接近的工程效果。

表2 滿(mǎn)足“定時(shí)漿”性能參數(shù)表

3.4 “定時(shí)漿”的適用性

“定時(shí)漿”這類(lèi)快硬性漿液如果在注漿方式不正確或者不滿(mǎn)艙工況下注入，可能會(huì)出現(xiàn)盾構(gòu)卡殼、停轉(zhuǎn)等問(wèn)題。例如，在軟土地層中，盾構(gòu)推進(jìn)速度往往會(huì)很快，注漿施工往往滯后于盾構(gòu)推進(jìn)，或者推進(jìn)結(jié)束后一次注漿，這種“滯后注漿”會(huì)使得漿液竄進(jìn)盾殼酮體，造成卡殼、停轉(zhuǎn)等問(wèn)題。另外，在硬巖或上軟下硬地層中常采用不滿(mǎn)艙推進(jìn)模式，在這種施工模式下，由于壓力艙中的壓力比較低，而盾尾注漿的壓力比較大，壁后注漿體會(huì)在高注漿壓力的情況下，沿地層與盾殼間隙向刀盤(pán)流竄，也容易導(dǎo)致刀盤(pán)鎖死甚至盾構(gòu)卡殼、停轉(zhuǎn)等情況。因此，采用“定時(shí)漿”進(jìn)行注漿施工時(shí)，必須保證土壓平衡盾構(gòu)滿(mǎn)艙施工并采用同步注漿工藝；而泥水盾構(gòu)僅需保證采用同步注漿工藝。

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié)論

1)單摻水玻璃溶液的漿液膠結(jié)時(shí)間變化速率過(guò)大，氯化鋁溶液可以?xún)?yōu)化膠結(jié)時(shí)間變化速率，從而起到定時(shí)控制的作用。

2)氯化鋁溶液的摻入能夠有效緩解漿液流動(dòng)度損失。漿液配置時(shí)間越久、水玻璃摻量越多，氯化鋁溶液調(diào)節(jié)流動(dòng)度的作用就越小。

3)與普通硬性漿相比，合理的氯化鋁與水玻璃摻量共同摻入到單液硬性漿中，能夠提高漿液的強(qiáng)度，但當(dāng)水玻璃摻量不變時(shí)，氯化鋁溶液過(guò)量添加會(huì)導(dǎo)致漿液強(qiáng)度的下降。

4)在配置硬性漿時(shí)先摻入氯化鋁溶液一起配制，然后在注入前摻入水玻璃，通過(guò)簡(jiǎn)單的注漿設(shè)備改造可以形成“雙液?jiǎn)巫ⅰ钡淖{工藝。

4.2 討論

本文基于膠結(jié)時(shí)間、強(qiáng)度、流動(dòng)度等指標(biāo)配置了一種能夠定時(shí)膠結(jié)的漿液，并提出了對(duì)應(yīng)的注漿方式，可為壁后注漿施工提供一種新的思路，但仍然有需要繼續(xù)深入研究的地方：

1)漿液注入后的地下水環(huán)境復(fù)雜，除了漿液本身強(qiáng)度，還需要考慮養(yǎng)護(hù)環(huán)境對(duì)漿液強(qiáng)度發(fā)展的影響，如鹽溶液環(huán)境、弱酸環(huán)境等；

2)“定時(shí)漿”對(duì)抑制管片上浮的效果需要通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)或數(shù)值模擬進(jìn)行驗(yàn)證。