盾構隧道同步注漿漿液配合比優(yōu)化設計

周 麟，毛 文，施墨華

（武漢工程大學環(huán)境與城市建設學院，湖北 武漢 430074）

0 引 言

用盾構機開挖隧道時，管片襯砌圈一旦從盾尾脫出，就會不可避免地在圍巖與管片外側(cè)之間形成盾尾空隙.當管片襯砌圈未脫離盾尾時，這個盾尾空隙是圓環(huán)狀，但脫離盾尾后，管片在自重作用下落到與底部圍巖相接觸，所以襯砌頂部空隙變大，兩側(cè)空隙依然保留，而落下的襯砌不可能與底部圍巖完全貼合，因而也存在空隙.為此，在盾構機向前掘進的同時，應及時進行管片襯砌背后注入漿液，以盡快填充盾尾空隙，使圍巖與管片襯砌圈形成整體，防止地層沉陷及保證施工環(huán)境安全，同時也作為盾構隧道第一道防水層.

目前研究和應用的同步注漿漿液普遍存在著充填性不好；穩(wěn)定性差，易泌水離析；凝結時間不具備可調(diào)性，易堵管；漿液的流動性、強度、充填性三者之間難以協(xié)調(diào)等問題［1］.本文主要研究漿液各組成成分對漿液性能的影響規(guī)律，提出漿液配合比優(yōu)化方向，為今后類似工程提供參考.

1 漿液性能要求

為實現(xiàn)盾尾注漿的目的和施工的要求，盾尾注漿漿液必須滿足下列要求［2－5］：

a.漿液具有適當?shù)哪Y時間，且和易性好，能滿足注漿施工要求；

b.能較好地充填管片與地層之間的建筑空隙；

c.漿液固結后收縮率??；

d.漿液對注漿設備、管道、混凝土結構等無腐蝕性，并易清洗；

e.漿液無公害，材料來源豐富、價格低廉.

2 試驗材料及方法

2.1 試驗材料及項目

主要原材料：水泥（42.5普通硅酸鹽水泥）、粉煤灰（Ⅲ級）、膨潤土（黃粘土）、砂（粒徑＜5mm，細度模數(shù)2.0）、水（生活用水）.

試驗項目：稠度、凝結時間、泌水率、7d抗壓強度.

2.2 漿液的技術指標

根據(jù)地層條件、地下水情況及周邊條件等，采用不同配比的同步注漿材料進行試驗，同步注漿漿液的主要性能應滿足下列指標：

a.漿液稠度：10～14cm；

b.膠凝時間：一般為3～20h；

c.泌水率：漿液靜置2h后泌出水的體積與總體積之比小于5%；

d.固結體強度：一天不小于0.2MPa，28天不小于2.5MPa.

2.3 正交試驗設計方案

為了系統(tǒng)研究同步注漿漿液各組成成分對漿液性能的影響規(guī)律，本文選擇漿液的5個組成成分（水泥、粉煤灰、膨潤土、砂、水）作為影響漿液性能的主要因素，每個因素取4組水平，采用正交試驗設計方法進行了16組試驗，各因素所取水平見表1.

表1 正交試驗設計因素與水平Table 1 Factors and levels of orthogonal experimental design

3 試驗結果及其分析

通過對同步注漿漿液的稠度、凝結時間、泌水率、7d抗壓強度幾個指標來評價其工作性能，試驗結果如圖1～圖4所示.

3.1 各原材料對漿液稠度的影響

漿液稠度是指漿液的稀稠程度.稠度大則漿液稀、流動性好，注漿施工時漿液容易流竄到其他區(qū)域.稠度小則漿液稠、流動性差，不利于漿液在注漿管道內(nèi)的泵送.

由圖1可以看出隨著水泥、粉煤灰、膨潤土、砂摻量的增大，漿液稠度呈降低趨勢.其中，水泥、粉煤灰和膨潤土對稠度的影響較小，可以忽略不計.而稠度隨砂摻量的變化下降趨勢較明顯.隨著用水量的增加，漿液稠度呈上升趨勢.調(diào)整稠度的主要因素是砂，其次是用水量.因此在保證漿液凝結時間、泌水率和7d抗壓強度等指標的基礎上，適當增加用水量或減少砂摻量均可提高漿液稠度.

圖1 各原材料對漿液稠度的影響曲線Fig.1 Influence of the raw materials on grout consistency

3.2 各原材料對漿液凝結時間的影響

同步注漿漿液的凝結時間是漿液性能的重要參數(shù)之一.漿液的凝結時間越長，漿液越容易向土體內(nèi)流失，容易被地下水稀釋，而且難以形成早期強度，不利于約束管片上浮和控制地面沉降.漿液凝結時間太短則會造成漿液還沒有完全填充盾尾建筑空隙就失去流動性，從而填充效果不佳.另外，凝結時間過短容易造成漿液堵塞注漿管道.

由圖2可以看出隨著水泥摻量的增大，漿液凝結時間呈直線下降.隨著粉煤灰摻量的增加，凝結時間先下降后上升，但總體變化極小，可以忽略不計.凝結時間隨著膨潤土摻量的變化上下波動.砂摻量增加，漿液凝結時間呈下降趨勢，當砂摻量小于830kg／m3時，下降較緩慢，砂摻量超過830 kg／m3時，下降趨勢明顯.隨著用水量的增加，漿液凝結時間呈上升趨勢.因此，水泥是調(diào)整凝結時間的主要因素，砂和水是次要因素.在保證漿液稠度、泌水率和7d抗壓強度等指標的基礎上，可以通過適當增加水泥或砂摻量，或減少用水量縮短凝結時間.

圖2 各原材料對漿液凝結時間的影響曲線Fig.2 Influence of the raw materials on grout setting time

3.3 各原材料對漿液泌水率的影響

同步注漿漿液泌水率是單位體積的漿液中固體顆粒下沉時與粒料分離所泌水體積的大小.漿液泌水率是評價同步注漿漿液性能的重要參數(shù)之一，可以反映漿液的穩(wěn)定性.泌水率越小，表示漿液越穩(wěn)定，反之，漿液越不穩(wěn)定，在注漿過程中越容易發(fā)生堵管現(xiàn)象.因此，同步注漿漿液的泌水率越小越好.

由圖3可以看出隨著水泥、粉煤灰、膨潤土摻量的增大，漿液泌水率呈降低趨勢.水泥作為膠凝材料，使?jié){液的粘聚力增加，阻止自由水從漿液內(nèi)部泌出到表面，從而降低漿液泌水率.粉煤灰顆粒的反應活性低于水泥，因此在改善漿液泌水方面不及水泥，但是粉煤灰能改善漿液拌合效果，在一定程度上能起到減水效果［6］.膨潤土能吸收水分，減少漿液中游離的自由水，因此增加膨潤土摻量能降低漿液泌水率，但當膨潤土摻量超過50kg／m3時，這種變化不明顯.隨著砂和用水量的增加，漿液泌水率呈上升趨勢.砂摻量超過800kg／m3時，泌水率隨砂摻量增加而升高的趨勢變緩.但用水量超過420kg／m3時，泌水率隨用水量增加而升高的趨勢越來越大.水是調(diào)整漿液泌水率的主要考慮因素，其次是水泥和膨潤土.在保證漿液稠度、凝結時間、7d抗壓強度的基礎上，減少用水量或增加水泥用量或膨潤土用量可以降低泌水率.

圖3 各原材料對漿液泌水率的影響曲線Fig.3 Influence of the raw materials on grout bleeding rate

3.4 各原材料對漿液7d抗壓強度的影響

用于同步注漿的漿液必須具有一定的早期和后期強度，這樣漿液注入盾尾空隙后，連接管片與圍巖，使之形成一個整體，均勻承受圍巖壓力，確保隧道結構穩(wěn)定，并減少隧道滲水［7］.

由圖4可以看出隨著水泥摻量的增加，7d抗壓強度呈直線遞增.隨著粉煤灰摻量的增加，7d抗壓強度增加趨勢平緩.膨潤土摻量增大，7d抗壓強度先減小后增大.砂摻量增大，7d抗壓強度先增大后減小，砂子作為漿液的骨料，砂粒之間的摩擦增大了漿液的剪切角，使得漿液抗壓強度增大，但隨著砂摻量的增大，砂粒沒有足夠的水泥漿包裹，使得漿體粘聚力降低，抗壓強度減小.隨著水用量的增加，漿液7d抗壓強度呈減小趨勢.其中，水泥摻量對7d抗壓強度的影響較明顯，是調(diào)整強度的的主要因素.因此，在保證漿液的稠度、凝結時間、泌水率的基礎上，增加水泥摻量或減少用水量均可提高抗壓強度.

圖4 各原材料對漿液7d抗壓強度的影響曲線Fig.4 Influence of the raw materials on grout compressive strength after 7d

4 結 語

試驗表明：水泥對漿液的作用十分明顯，是縮短凝結時間和提高強度時主要考慮因素，對降低泌水率也起著重要作用；砂作為漿液的骨料主要影響稠度大小，砂用量與稠度呈反比趨勢；水主要影響漿液泌水率；粉煤灰和膨潤土對漿液的和易性、穩(wěn)定性有著一定的作用.在綜合考慮稠度、凝結時間、泌水率、7d抗壓強度的條件下，確定漿液配合比為：水泥160kg／m3，粉煤灰400kg／m3，膨潤土50kg／m3，砂830kg／m3，水360kg／m3.制備的漿液稠度為11～12cm，凝結時間為10～13h，泌水率不高于3%，7d抗壓強度不低于2MPa，均能較好滿足盾構同步注漿施工要求.

［1］田焜.高性能盾構隧道同步注漿材料的研究與應用［D］.武漢：武漢理工大學，2007.Tian Kun.Study and Application on High Property Grouting Material used in Synchronous Grouting of Shield Tunnelling［D］.Wuhan：Wuhan University of Technology，2007.（in Chinese）

［2］周東，李明文.盾構隧道施工中同步注漿新材料的實驗研究［J］.地下工程與隧道，2002（1）：10－13.Zhou Dong，Ling Mingwen.Experimental Study on new Grouting Materials of Synchronous Grouting during Shield Tunnel construction［J］.Tunnel and Underground Engineering，2002（1）：10－13.（in Chinese）

［3］李為夫.水泥－粘土－粉煤灰漿材的工程性質(zhì)研究［D］.長沙：中南大學，2005.Li Weifu.Study on Engineering Property of Cement－Cly－Fly ash ［D］. Changsha： Central south university，2005.（in Chinese）

［4］王新杰，王元湘.注漿技術在我國地鐵工程中的應用［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，1996.Wang Xinjie， Wang Yuanxiang.Application of Grouting Technology in the Metro Engineering of our Country［M］.Beijing：China Architecture ＆Building Press，1996.（in Chinese）

［5］陳新年，谷拴成.微細或超細水泥類注漿材料及其性能［J］.西安礦業(yè)學院學報，1998，19（增刊）：91－94.Chen Xinnian，Gu Shuancheng.Grouting Material of Finy or Superfine Cement and its Function［J］.Journal of Xi’an Mining Institute，1998，19（z1）：91－94.（in Chinese）

［6］曹宏，羅麗.白云石砂為骨料高強混凝土的制備［J］.武漢工程大學學報，2013，35（3）：57－61.Cao Hong，Luo Li.Preparation of high strength concrete with dolomite sand as aggregate［J］.Journal of Wuhan Institute of Technology，2013，35（3）：57－61.（in Chinese）

［7］崔玖江，崔曉青.隧道與地下工程注漿技術［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.Cui Jiujiang，Cui Xiaoqing.Grouting Technology in Tunnel and Underground Engineering［M］.Beijing：China Architecture ＆ Building Press，2010.（in Chinese）