盾構(gòu)管片壁后新型同步雙液漿開發(fā)及工程應(yīng)用

槐榮國， 黃思遠(yuǎn)， 鐘小春， 陳旭泉， 胡一康

(1. 中鐵五局集團(tuán)有限公司， 湖南 長沙 410117； 2. 河海大學(xué)土木與交通學(xué)院， 江蘇 南京 210098)

0 引言

盾構(gòu)施工技術(shù)以其適應(yīng)性強(qiáng)、對(duì)周邊環(huán)境擾動(dòng)小、機(jī)械化程度高等特點(diǎn)在國內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用[1]。盾構(gòu)開挖半徑大于管片環(huán)外徑而形成的盾尾空隙須進(jìn)行充填注漿，這一施工過程被稱為盾尾管片壁后同步注漿，是主動(dòng)控制地層沉降、穩(wěn)定管片和提高管片拼裝質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)。目前，國內(nèi)同步注漿所用漿液一般可分為單液惰性漿液、單液硬性漿液及雙液漿[2]。

單液漿是以粉煤灰、膨潤土、砂、外加劑和水等原材料為主的同步注漿漿液，是我國主要的同步注漿漿液[3]。文獻(xiàn)[4-10]通過室內(nèi)試驗(yàn)的方法對(duì)傳統(tǒng)單液漿外加新型添加劑，并對(duì)該類新型單液漿開展大量物理力學(xué)測(cè)試，研究漿液各項(xiàng)組成成分對(duì)漿液性質(zhì)的影響，得到工程最佳配比。目前，工程中大量應(yīng)用單液漿進(jìn)行同步注漿，并取得了良好的效果。然而，在全斷面圍巖地層中，單液漿難以克服易被水稀釋、初凝時(shí)間長以及發(fā)生向開挖面前方竄漿導(dǎo)致盾尾空隙難以充填飽滿等問題，管片拼裝質(zhì)量難以保證，從而影響地鐵工程質(zhì)量。

傳統(tǒng)的雙液漿一般指的是水泥砂漿-水玻璃(CS)雙液漿[11-12]。國內(nèi)學(xué)者對(duì)雙液漿的研究也較為成熟： Ryu等[13]認(rèn)為堿性地層環(huán)境對(duì)雙液漿結(jié)石體強(qiáng)度影響很大，在富水地層中，因?yàn)樗南♂屪饔茫p液漿堿性降低，強(qiáng)度會(huì)逐漸下降，添加一定的堿性外加劑能有效提高結(jié)石體強(qiáng)度； Bras等[14]通過大量的室內(nèi)試驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，在注漿設(shè)計(jì)中粉料拌合方式和攪拌機(jī)類型對(duì)雙液漿的流動(dòng)性和穩(wěn)定性影響非常大； Kazemian等[15]開展了大量的室內(nèi)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)水玻璃因其高堿性有利于雙液漿的強(qiáng)度發(fā)展； 丁向群等[16]的研究中往雙液漿復(fù)摻三乙醇胺與硫酸鋁，可進(jìn)一步縮短初凝時(shí)間，最短可達(dá)4 min； 王成等[17]針對(duì)管片上浮問題，在雙液漿中添加聚丙烯酰胺，發(fā)現(xiàn)聚丙烯酰胺能夠讓漿液長期處于塑性狀態(tài)，大幅降低管片受到的浮力，減小上浮量。通過以上研究成果可以發(fā)現(xiàn)，雙液漿在使用合理的外加劑條件下，能擁有較良好的物理力學(xué)性質(zhì)，可以作為管片壁后同步注漿材料使用； 而傳統(tǒng)的水泥凈漿加水玻璃的雙液漿，由于初凝時(shí)間只有10～30 s，極易發(fā)生堵管，難以廣泛應(yīng)用于同步注漿工藝中。

綜上所述，為了提高全斷面硬巖盾構(gòu)管片拼裝質(zhì)量，克服硬巖地層同步注漿工藝中單液漿與傳統(tǒng)雙液漿的不足，本文開發(fā)出一種適用于同步注漿工藝的新型雙液漿，其組分相較于傳統(tǒng)雙液漿，在水泥砂漿中添加A料(促強(qiáng)干粉)，并添加摻有緩凝劑的水玻璃為B料(液體激發(fā)劑)，通過開展大量的室內(nèi)試驗(yàn)，獲取各個(gè)組分摻比對(duì)新型同步雙液漿的物理性質(zhì)影響。最后，結(jié)合廣州市中心城區(qū)地下綜合管廊工程，評(píng)估新型同步雙液漿在同步注漿工藝中對(duì)于提高管片拼裝質(zhì)量的積極作用。

1 新型雙液漿性能試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料及漿液制備

以傳統(tǒng)壁后注漿用雙液漿為基礎(chǔ)，增添A料(促強(qiáng)干粉)、B料(液體激發(fā)劑)，組分材料如表1和圖1所示。

表1 新型雙液漿組分材料

(a) A料(促強(qiáng)干粉)

根據(jù)傳統(tǒng)雙液漿組分材料配比，設(shè)置新型雙液漿基漿配比為粉煤灰∶水泥∶膨潤土∶砂∶水=400∶180∶90∶430∶500。其中，為了研究A料和B料對(duì)雙液漿性能的影響，將A料摻比設(shè)置9個(gè)水平，分別為0%、0.5%、1%、1.5%、2%、2.5%、3%、3.5%、4%； 將B料摻比設(shè)置11個(gè)水平，分別為0%、0.5%、1%、1.5%、2%、2.5%、3%、3.5%、4%、4.5%、5%(A料、B料摻比指占基漿質(zhì)量比)。

1.2 新型雙液漿初凝時(shí)間變化規(guī)律

本試驗(yàn)采取的新型同步雙液漿是一種非牛頓流體，初凝時(shí)間較短，因此，可采取倒杯法測(cè)試其初凝時(shí)間變化規(guī)律[18]。按對(duì)應(yīng)質(zhì)量比稱取粉煤灰、水泥、砂、膨潤土、水、A料，配置A液，置于杯中，將B料和水按1∶1配置成B液，置于另一杯中。A液、B液混合后開始計(jì)時(shí)，以1 s來回倒1 次的頻率進(jìn)行倒杯，直至杯口傾角呈45°而漿液不再流出且呈啫喱狀時(shí)停止計(jì)時(shí)，記錄初凝時(shí)間。初凝時(shí)間測(cè)試如圖2所示。

(a) 試驗(yàn)過程

由圖2可以看出： A料、B料對(duì)于雙液漿的初凝時(shí)間影響很大，沒有加入A料、B料的漿液經(jīng)過90 min后還沒有達(dá)到良好的初凝效果，甚至存在離析現(xiàn)象； 而加入A料、B料的雙液漿，僅在30 min便達(dá)到了較好的初凝效果，并且整個(gè)過程幾乎不泌水。

為了研究A料、B料摻比對(duì)新型雙液漿初凝時(shí)間的影響規(guī)律，按照前述設(shè)置水平設(shè)計(jì)2個(gè)試驗(yàn)(為了避免組分之間相互影響帶來的誤差，在試驗(yàn)中控制另一組分材料摻比為2個(gè)水平，作為次影響因素)，如表2和表3所示，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

表2 新型雙液漿初凝時(shí)間試驗(yàn)(考慮B料摻比影響)

表3 新型雙液漿初凝時(shí)間試驗(yàn)(考慮A料摻比影響)

圖3 新型雙液漿初凝時(shí)間變化規(guī)律

由圖3可以看出A料、B料對(duì)新型雙液漿初凝時(shí)間的影響： 1)A料摻比變化對(duì)該新型雙液漿影響很小，僅在B料摻比為1.5%時(shí)，隨著A料摻比大于2.5%后，初凝時(shí)間發(fā)生小幅度縮短，縮短幅度為9.8%； 2)B料摻比在0%～3%時(shí)對(duì)新型雙液漿初凝時(shí)間影響非常大，初凝時(shí)間大大縮短，摻比大于3%后對(duì)初凝時(shí)間幾乎沒有影響。出現(xiàn)以上變化規(guī)律的原因是B料的主要成分是摻有緩凝劑的水玻璃，含有大量的硫酸根離子，增強(qiáng)了水泥中硅酸三鈣的溶解，可以大幅縮短初凝時(shí)間，但是相比于傳統(tǒng)無緩凝劑的雙液漿，因?yàn)榫從齽┑拇嬖冢跄龝r(shí)間并沒有縮短到10～30 s，同時(shí)基漿水泥含量有限，當(dāng)B料添加過量后，初凝時(shí)間趨于穩(wěn)定； 而A料的主要成分為硅灰，僅對(duì)強(qiáng)度有所影響，因此A料對(duì)新型雙液漿初凝時(shí)間影響不大。

1.3 新型雙液漿流動(dòng)度變化規(guī)律

采用跳桌試驗(yàn)測(cè)試新型雙液漿的流動(dòng)度[19]。試驗(yàn)設(shè)計(jì)參照表2和表3，后按照配比制備雙液漿，并測(cè)試配置3 min時(shí)的雙液漿流動(dòng)度。進(jìn)行跳桌試驗(yàn)之前，要保證跳桌面干凈平滑。將拌好的新型雙液漿迅速倒入2 層試模中，并用刮刀輕輕在漿液四周搗固，使?jié){液填充滿試模。搗固完畢后將第2 層試模輕輕從第1 層試模上移走，注意不要擾動(dòng)第1層試模內(nèi)的漿液，用刮刀刮去第1 層試模表面多余的漿液，開動(dòng)跳桌，以1 s/次的頻率完成25 次跳動(dòng)。3 min后測(cè)定雙液漿2個(gè)垂直方向上的直徑，取算術(shù)平均值，精確至1 mm。跳桌試驗(yàn)如圖4所示。

圖4 跳桌試驗(yàn)

新型雙液漿流動(dòng)度變化規(guī)律如圖5所示?？梢钥闯鯝料、B料對(duì)新型雙液漿流動(dòng)度的影響： 1)當(dāng)A料摻比小于1.5%時(shí)，雙液漿流動(dòng)度較大，易超出跳桌量程(30 cm)； 當(dāng)A料摻比大于1.5%后，雙液漿流動(dòng)度變化不大，僅在26～30 cm波動(dòng)。2)B料摻比對(duì)雙液漿流動(dòng)度的影響規(guī)律類似A料，當(dāng)摻比大于3%后，雙液漿流動(dòng)度變化不大，僅在24～30 cm波動(dòng)。出現(xiàn)流動(dòng)度變化不明顯的原因是采用制備完后3 min的新型雙液漿進(jìn)行流動(dòng)度試驗(yàn)，此時(shí)漿液遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達(dá)到初凝時(shí)間，因此具有較穩(wěn)定的流動(dòng)性。

圖5 新型雙液漿流動(dòng)度變化規(guī)律

1.4 新型雙液漿結(jié)石體強(qiáng)度變化規(guī)律

新型雙液漿結(jié)石體強(qiáng)度參照規(guī)范相關(guān)試驗(yàn)進(jìn)行測(cè)定[20]，試驗(yàn)設(shè)計(jì)參照表2和表3，試驗(yàn)如圖6所示。

(a) 結(jié)石體試件

新型雙液漿結(jié)石體強(qiáng)度變化規(guī)律如圖7所示。可以發(fā)現(xiàn)新型雙液漿結(jié)石體強(qiáng)度普遍較大，基本滿足7 d強(qiáng)度不小于0.7 MPa的規(guī)范值[21]。同時(shí)，可以看出A料、B料對(duì)新型雙液漿結(jié)石體強(qiáng)度的影響： 1)隨著A料摻比增加，雙液漿結(jié)石體強(qiáng)度呈先增大后趨于穩(wěn)定的規(guī)律； 當(dāng)A料摻比小于1.5%時(shí)，結(jié)石體強(qiáng)度整體呈現(xiàn)變大趨勢(shì)； 當(dāng)A料摻比大于1.5%后，結(jié)石體強(qiáng)度趨于穩(wěn)定，28 d最大強(qiáng)度可達(dá)3.59 MPa。2)隨著B料摻比增加，雙液漿結(jié)石體強(qiáng)度呈先增大后減小的趨勢(shì)； 當(dāng)B料摻比小于3.5%時(shí)，結(jié)石體強(qiáng)度整體呈現(xiàn)增大趨勢(shì)； 當(dāng)B料摻比大于3.5%后，結(jié)石體強(qiáng)度呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，并且結(jié)石體28 d強(qiáng)度在B料摻比為3.5%時(shí)最大可達(dá)2.89 MPa。出現(xiàn)以上變化規(guī)律的原因是A料主要成分為硅灰，是一種細(xì)骨料填充物，能很好地充填結(jié)石體中的微孔隙，提高強(qiáng)度，因此相比B料，A料對(duì)結(jié)石體強(qiáng)度影響更加明顯。而出現(xiàn)B料摻比增加過量導(dǎo)致結(jié)石體強(qiáng)度減小的原因是B料是一種液體激發(fā)劑，含有減水劑成分，當(dāng)其摻比過大后，減水劑會(huì)破壞水泥與骨料間薄弱黏結(jié)，漿液發(fā)生一定離析，使得各個(gè)組分間不能協(xié)調(diào)作用，最終導(dǎo)致結(jié)石體強(qiáng)度發(fā)生降低。

(a) A料摻比對(duì)結(jié)石體強(qiáng)度影響(B料摻比1.5%)

2 新型雙液漿配比討論

2.1 新型雙液漿工程要求性質(zhì)

根據(jù)前述分析可知，雙液漿在同步注漿工藝中存在著天然的矛盾，即泵送性與充填性之間的矛盾，尤其在硬性地層中，這一矛盾更為突出。因此，結(jié)合前述試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際工程調(diào)研資料，對(duì)硬性地層所用的新型同步雙液漿進(jìn)行最優(yōu)配比選型。

在硬性地層施工時(shí)，1 環(huán)管片的施工時(shí)間約為150 min，分3 次循環(huán)施工完成，每次掘進(jìn)20 min，同時(shí)進(jìn)行同步注漿，20 min后渣土車基本裝滿，停止掘進(jìn)注漿，渣土車將渣土運(yùn)輸至地面返回，渣土車來回及卸貨時(shí)間約為30 min，待渣土車歸位后啟動(dòng)第2 次掘進(jìn)注漿，循環(huán)3 次后完成1 環(huán)管片寬度的掘進(jìn)工作?？紤]到渣土車運(yùn)輸期間停止注漿，故同步注漿所用漿液的初凝時(shí)間應(yīng)大于渣土車的運(yùn)輸時(shí)間，即1 800 s。同時(shí)結(jié)合以往工程經(jīng)驗(yàn)，將初凝時(shí)間的上限值定為3 600 s[21]。

2.2 新型雙液漿最優(yōu)配比討論

結(jié)合以上分析與試驗(yàn)結(jié)果，得到新型雙液漿配比選型圖如圖8所示。

(a) 考慮初凝時(shí)間的配比選型

由圖8(a)可知： 新型雙液漿的初凝時(shí)間幾乎不受A料摻比影響，僅在B料摻比增大后，增大A料摻比(大于2.5%)導(dǎo)致初凝時(shí)間略微下降； 新型雙液漿受B料摻比影響較大，因此在忽略A料的影響下，考慮實(shí)際同步注漿工藝所需的時(shí)間(1 800 s)，可以得到B料最優(yōu)摻比范圍。進(jìn)一步地，在圖8(c)中對(duì)該范圍處理可以得到考慮初凝時(shí)間的B料最優(yōu)摻比為0.13%～2.22%(該范圍受A料摻比控制)，其余摻比易發(fā)生堵管、注漿壓力偏大等情況，會(huì)對(duì)管片姿態(tài)產(chǎn)生極大的不良影響。

由圖8(b)可知，A料摻比與B料摻比較大時(shí)對(duì)新型雙液漿的流動(dòng)度沒有太大影響，基本穩(wěn)定在24～30 cm，因此，在該摻比范圍內(nèi)可認(rèn)定新型雙液漿具有一定的流動(dòng)性，能夠滿足泵送要求[20]。對(duì)于結(jié)石體強(qiáng)度而言，可以看出雙液漿結(jié)石體強(qiáng)度普遍偏高，7 d強(qiáng)度均大于0.7 MPa，基本滿足規(guī)范要求。A料摻比大于1.5%、B料摻比大于1%時(shí)，結(jié)石體強(qiáng)度進(jìn)入穩(wěn)定階段，并在B料摻比大于3.5%后結(jié)石體強(qiáng)度降低，因此，考慮強(qiáng)度的新型雙液漿最優(yōu)配比為： A料摻比取1.5%～4%，B料摻比取1%～3.5%。

進(jìn)一步地，綜合考慮初凝時(shí)間、結(jié)石體強(qiáng)度的條件下，可以得到新型雙液漿綜合最優(yōu)配比，如圖8(c)所示，即圖8(a)和圖8(b)得到的最優(yōu)配比交集： A料摻比為1.5%～3.71%、B料摻比為1%～2.2%(確定配比還需要結(jié)合具體工程)。

3 工程應(yīng)用效果評(píng)價(jià)

3.1 工程概況

廣州市中心城區(qū)地下綜合管廊工程呈環(huán)形線路，全部采用地下鋪設(shè)方式，管廊采用直徑為6 250 mm的盾構(gòu)施工，全長48 km(單線)，全線共設(shè)46 座出地面井。盾構(gòu)穿越地質(zhì)斷面示意圖如圖9所示，該區(qū)間地層多為巖層，主要為強(qiáng)風(fēng)化含礫砂巖、中風(fēng)化含礫砂巖等。

圖9 盾構(gòu)穿越地質(zhì)斷面示意圖(單位： m)

3.2 新型雙液漿工程效果

在35#～36#區(qū)間內(nèi)前半段施工中，因?yàn)橥阶{為單液漿，盾構(gòu)管片出現(xiàn)較為嚴(yán)重的上浮、接縫滲漏、錯(cuò)臺(tái)等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了施工質(zhì)量，因此，在區(qū)間后半段施工中使用了新型雙液漿作為同步注漿材料。采用的新型雙液漿配比為粉煤灰∶水泥∶膨潤土∶砂∶水=400∶180∶90∶430∶500，A料摻比為1.5%，B料摻比為1.25%。35#～36#區(qū)間內(nèi)所有管片質(zhì)量如圖10和圖11所示。

由圖10可知： 在30～164 環(huán)同步注漿采用單液漿，其中在Ⅰ區(qū)間(30～118 環(huán)管片)內(nèi)，管片上浮量基本維持在6～100 mm，滿足規(guī)范要求的高程控制標(biāo)準(zhǔn)(管片上浮界限值±100 mm)。管片出現(xiàn)下沉的原因是單液硬性漿液充填性不足，不能很好地充填盾尾空隙，管片在沒有足夠支撐的情況下發(fā)生下沉。在Ⅱ區(qū)間(118～164 環(huán)管片)繼續(xù)使用單液漿作為同步注漿材料，管片上浮量處于100～140 mm，超出管片上浮界限值，不滿足規(guī)范要求。經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，發(fā)現(xiàn)這是因?yàn)樗淼乐車蝗挥窟M(jìn)大量地下水，原本的單液漿在受到水的沖擊和稀釋作用下不能在管片周圍及時(shí)初凝，一部分漿液流失進(jìn)地層，剩余的漿液不能很好地穩(wěn)定管片且產(chǎn)生較大的浮力，致使管片發(fā)生較大上浮。這就需要更換初凝時(shí)間更短的新型同步注漿漿液，故采用本文開發(fā)的新型雙液漿。在Ⅲ區(qū)間(164～224 環(huán)管片)使用同步注漿工藝的注漿材料，管片上浮量30～85 mm，滿足規(guī)范要求的管片上浮界限值，且相較于Ⅱ區(qū)間最大上浮量減少了39.3%，最小上浮量減少了70%，相較于Ⅰ區(qū)間沒有出現(xiàn)管片下沉現(xiàn)象，說明新型同步雙液漿的充填效果較好，可以有效地減少管片上浮。

圖10 管片上浮量

由圖11可知： 在整個(gè)35#～36#區(qū)間內(nèi)，縱縫錯(cuò)臺(tái)量較為穩(wěn)定，保持在1～5 mm，僅在Ⅰ區(qū)間(0～164 環(huán)管片)內(nèi)出現(xiàn)小范圍錯(cuò)臺(tái)量超出規(guī)范要求(管片縱縫錯(cuò)臺(tái)界限值5 mm)的情況； 在Ⅱ區(qū)間(164～224 環(huán)管片)內(nèi)同步注漿漿液由單液漿更換為新型雙液漿后，縱縫錯(cuò)臺(tái)量基本控制在規(guī)范要求的范圍內(nèi)。相對(duì)地，在使用新型雙液漿之前，管片環(huán)縫整體錯(cuò)臺(tái)量較大，最大錯(cuò)臺(tái)量達(dá)到10 mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出規(guī)范要求(管片環(huán)縫錯(cuò)臺(tái)界限值6 mm)，這對(duì)整個(gè)施工及后續(xù)運(yùn)營期的隧道防水是十分不利的； 更換為新型雙液漿后，管片環(huán)縫的錯(cuò)臺(tái)量得到了良好的控制，基本穩(wěn)定在1～6 mm，滿足規(guī)范要求。

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié)論

本文針對(duì)傳統(tǒng)同步注漿漿液的不足，開發(fā)了一種可調(diào)節(jié)初凝時(shí)間的新型雙液漿，并將該新型雙液漿應(yīng)用于廣州市中心城區(qū)地下綜合管廊工程盾構(gòu)同步注漿工藝中，得到以下結(jié)論。

1)通過合理調(diào)制外加劑(A料、B料)配比，可以達(dá)到控制初凝時(shí)間的效果，能解決傳統(tǒng)同步注漿漿液泵送性與充填性的矛盾，以及全斷面圍巖地層普遍存在的沿著圍巖與盾殼間縫隙向開挖面和壓力艙發(fā)生竄漿的施工難題。

2)新型雙液漿初凝時(shí)間、流動(dòng)度主要受B料(液體激發(fā)劑)控制。B料摻比在0%～3%，新型雙液漿初凝時(shí)間與流動(dòng)度隨著B料摻比增大快速減小，摻比大于3%后，初凝時(shí)間、流動(dòng)度趨于穩(wěn)定。

3)新型雙液漿結(jié)石體強(qiáng)度由A料和B料共同控制。A料摻比在0%～1.5%，新型雙液漿結(jié)石體強(qiáng)度隨著A料摻比增大而增加，并在大于1.5%時(shí)趨于穩(wěn)定，達(dá)到最大強(qiáng)度3.59 MPa(齡期28 d)。B料摻比在0%～3.5%，新型雙液漿結(jié)石體強(qiáng)度隨著B料摻比增大而緩慢增加，達(dá)到最大強(qiáng)度2.89 MPa(齡期28 d)； B料摻比大于3.5%后，結(jié)石體強(qiáng)度減小。

4)新型雙液漿A料、B料的最優(yōu)配比為： A料摻比為1.5%～3.71%，B料摻比為1%～2.2%。

5)在廣州市中心城區(qū)地下綜合管廊工程采用新型雙液漿作為同步注漿材料，相較于單液漿，管片的上浮量、錯(cuò)臺(tái)量得到了良好的控制，上浮量基本穩(wěn)定在30～85 mm，縱縫錯(cuò)臺(tái)、環(huán)縫錯(cuò)臺(tái)分別穩(wěn)定在1～5 mm和1～6 mm。

4.2 討論

盾構(gòu)施工實(shí)際地層條件極其復(fù)雜，尤其是弱酸性地層，對(duì)雙液漿結(jié)石體強(qiáng)度影響非常大，可能會(huì)影響其長期強(qiáng)度，今后應(yīng)加強(qiáng)這方面的研究工作。