富水粉細(xì)砂地層同步注漿漿液性能優(yōu)化研究

王鑫

（中交三公局第一工程有限公司 北京 100000）

隨著城市地下空間的不斷發(fā)展與利用［1］，其中，城市地鐵項(xiàng)目逐漸成為軌道交通的主流。盾構(gòu)法施工以其施工快、適用性廣、對(duì)周圍土體影響小等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于地下隧道工程［2-3］。

盾構(gòu)法施工可分為掘進(jìn)和支護(hù)兩部分。其中，支護(hù)部分分為管片拼接和同步注漿兩部分［4］。同步注漿過(guò)程中，注漿材料對(duì)盾構(gòu)法施工有著重要的影響［5］，能夠直接影響施工效率和施工質(zhì)量。富水粉細(xì)砂地層由于地層的特殊性，即地層還有大量地下水以及地層膠結(jié)性、差穩(wěn)定性差，對(duì)注漿施工有著很高的要求。富水粉細(xì)砂地層施工時(shí)，由于地層的特殊性質(zhì)，漿液不宜凝結(jié)，漿液性能差，容易發(fā)生跑漿現(xiàn)象，經(jīng)過(guò)后期監(jiān)測(cè)，在盾構(gòu)施工影響范圍內(nèi)很難發(fā)現(xiàn)注漿層的存在，存在施工安全隱患及容易發(fā)生較大施工沉降，影響施工進(jìn)程的同時(shí)，有較大的施工風(fēng)險(xiǎn)，還會(huì)造成不必要的資源浪費(fèi)。目前，針對(duì)于富水地層盾構(gòu)注漿，常采用水泥—水玻璃雙漿液進(jìn)行注漿，其原因在于，水泥—水玻璃漿液其凝結(jié)時(shí)間可控。馬金池［6］以深圳地鐵7 號(hào)線為依托，通過(guò)理論研究、室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定等方法，研究管片同步注漿雙漿液使用方案，對(duì)類似施工有一定借鑒意義。郄向光等人［7］以大量的工程背景為依托，闡明漿液的類型與分類及格分類條件下的漿液特點(diǎn)，分析雙漿液在北京砂卵石地層、可硬性漿液和新型漿液在蘇州、上海等軟土地層應(yīng)用的實(shí)例，為以后類似施工的漿液選取提供一定借鑒意義。M.Jamal Shannag［8-9］對(duì)水泥基注漿材料的研究表明，通過(guò)向漿液中加入礦物摻合料，主要包括粉煤灰、礦渣等和高效減水劑，能夠明顯改善材料的耐久性和力學(xué)性能。

本文以天津地鐵11號(hào)線一期工程04標(biāo)段為依托，開展相關(guān)研究，分析富水粉細(xì)砂地層漿液性能的影響規(guī)律，確定合理配合比。

1 工程概況

本項(xiàng)目依托于天津地鐵11號(hào)線04標(biāo)段工程，該標(biāo)段主要包括兩站、三區(qū)間，本文選其中一個(gè)區(qū)間，即陳塘站—東江道站區(qū)間為例，展開相關(guān)漿液性能研究。區(qū)間采用盾構(gòu)法施工，盾構(gòu)機(jī)參數(shù)如表1所示。

表1 所用土壓平衡盾構(gòu)機(jī)參數(shù)表

2 試驗(yàn)方案

通過(guò)相關(guān)規(guī)范要求，結(jié)合大量文獻(xiàn)［8，10-14］，并通過(guò)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際結(jié)合，試驗(yàn)設(shè)計(jì)如表2所示。其中，水泥砂漿與水玻璃的比例設(shè)計(jì)按照5∶1進(jìn)行。

表2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)將采用控制變量法進(jìn)行整體設(shè)計(jì)。首先，對(duì)不同水灰比情況下水泥砂漿基本性能展開研究，分析不睡水灰比條件對(duì)漿液膠凝時(shí)間、穩(wěn)定性、流動(dòng)性三方面性能的影響規(guī)律；其次，與不同波美度情況下的水玻璃進(jìn)行組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)，分析不同情況下對(duì)砂漿基本性能的影響。

根據(jù)規(guī)范《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法》（JGJ 70-2009）［15］相關(guān)要求，進(jìn)行流動(dòng)度、膠凝時(shí)間和析水率的試驗(yàn)測(cè)定。

流動(dòng)度試驗(yàn)采用截面錐桶進(jìn)行測(cè)定，將錐桶放置于表面光滑的玻璃板中，將拌制好的水泥砂漿貫入試模內(nèi)后，迅速提起試模，一定時(shí)間后，測(cè)量不同方向攤鋪直徑，取最大值。

凝結(jié)時(shí)間采用砂漿凝結(jié)時(shí)間測(cè)定儀（如圖1所示）進(jìn)行測(cè)量，按照試驗(yàn)流程進(jìn)行。

圖1 砂漿膠凝時(shí)間測(cè)定儀

析水率采用500mL 的量筒進(jìn)行測(cè)定，將拌制好的一定質(zhì)量的水泥砂漿貫入量筒中，量筒上部采用保鮮膜覆蓋，防止水分蒸發(fā)。在室溫條件下放置3h或者水泥砂漿水分不析出后，進(jìn)行記錄相應(yīng)數(shù)值，泌水率計(jì)算式如下：

式中，P為漿液泌水率（%）；v0為泌出水的體積（mL）；v為漿液的體積（mL）。

3 結(jié)果分析

3.1 對(duì)膠凝時(shí)間的影響

圖2為凝結(jié)時(shí)間在不同條件下試驗(yàn)曲線圖。從圖中不難看出，其他條件不變，凝結(jié)時(shí)間隨波美度的增加而減小，最后趨于一個(gè)穩(wěn)定的數(shù)值。從其反應(yīng)機(jī)理Ca（OH）2+Na20·nSi02+mH20→Ca·nSi02·mH20+2NaOH不難看出，波美度的增加，導(dǎo)致Na20·nSi02元素增多，與原料中剩余的Ca（OH）2繼續(xù)反應(yīng)。后期，隨著波美度的增加，凝結(jié)時(shí)間無(wú)變化的原因是原料中的已完全反應(yīng)，無(wú)多余元素繼續(xù)合成。所以，從施工成本方面進(jìn)行考慮，波美度不宜過(guò)大，過(guò)大時(shí)，不僅增加成本，而且對(duì)漿液凝結(jié)性能無(wú)改善作用。

圖2 凝結(jié)時(shí)間試驗(yàn)關(guān)系曲線圖

僅改變水灰比情況下，凝結(jié)時(shí)間與隨水灰比的增加而增加，主要原因?yàn)槟z凝材料減少，水含量增加；其數(shù)值為1和1.2時(shí)，試驗(yàn)結(jié)果相差較大。對(duì)于富水地層注漿，往往對(duì)凝結(jié)時(shí)間要求較為嚴(yán)格，波美度在32～35之間時(shí)，其幅度波動(dòng)最大。

3.2 析水率分析

圖3為析水率在不同條件下試驗(yàn)關(guān)系曲線。從圖3 中可看出，隨著時(shí)間的增加，析出水分增加，析水率變大，最終趨于穩(wěn)定。水灰比越小，即0.6∶1 和0.8∶1，曲線增長(zhǎng)緩慢，斜率變化小，無(wú)明顯波動(dòng)，析水率較為穩(wěn)定，漿液穩(wěn)定性強(qiáng)。主要原因?yàn)椋核冶仍黾?，漿液中膠凝材料減少，自由水變多，與水反應(yīng)的膠凝材料少，隨著時(shí)間增加，析出水分增多。

圖3 析水率試驗(yàn)關(guān)系曲線圖

3.3 流動(dòng)度分析

圖4為不同條件下漿液流動(dòng)度試驗(yàn)曲線圖。從圖中可知，針對(duì)于水泥漿液而言，波美度增加，漿液流動(dòng)度減小，其原因是波美度增加，水玻璃與水泥砂漿反應(yīng)產(chǎn)物的Na2O·nSiO2增多，其反應(yīng)時(shí)間減小，波美度越高，同一時(shí)間內(nèi)，產(chǎn)生Ca2SiO2越多，導(dǎo)致其流動(dòng)性下降。

圖4 流動(dòng)度試驗(yàn)關(guān)系曲線圖

水灰比增加，流動(dòng)度增加，其原因在于：水灰比增加，漿液中凝結(jié)材料減少，自由水增加，其稠度降低，自由水還起到潤(rùn)滑作用。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）其他條件相同，波美度增加，漿液凝結(jié)時(shí)間減??；其他條件相同，改變水灰比，凝結(jié)時(shí)間與其成正比。施工過(guò)程中，應(yīng)注意水灰比為1和1.2兩種情況。

（2）漿液的析水率隨著時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸增大，最終趨于穩(wěn)定。主要是因?yàn)椋弘S著水灰比的增大，漿液中的自由水變多，漿液膠凝材料減少。