絮凝劑對過江盾構(gòu)隧道同步注漿漿液性能的影響研究*

路開道

(中鐵十四局集團大盾構(gòu)工程有限公司，江蘇 南京 211899)

0 引言

為滿足城市發(fā)展和人口快速增長需要，以盾構(gòu)隧道為主，大量軌道交通隧道得到建設(shè)[1]。近年來，隧道在施工過程中常遇高滲透性地層、富水巖溶環(huán)境及裂隙發(fā)育的富水巖質(zhì)地層等大量含水的地質(zhì)環(huán)境[2-6]，在這種特殊的地質(zhì)環(huán)境下，盾尾間隙被地下水充填，可能造成同步注漿漿液稀釋，從而導(dǎo)致注漿漿液膠凝時間延長，甚至造成漿液不凝結(jié)、膠凝材料流失、后期強度不足等[7]，將對盾構(gòu)隧道注漿圈凝結(jié)后的物理力學(xué)性能和結(jié)構(gòu)耐久性造成影響。因此，地下水豐富環(huán)境下的同步注漿漿液性能問題引起了越來越多的技術(shù)人員及學(xué)者的重視。

郝晨哲等[8]通過室內(nèi)試驗對同步注漿水泥漿液膨水比進行調(diào)整，得到了膨水比對漿液抗水分散性、稠度、流動度和早期強度的影響。田焜[9]針對武漢長江隧道管徑大、斷面水壓高等特點，提出了性能優(yōu)良的高性能同步注漿材料復(fù)合外加劑。董小龍等[10]基于控制變量法的原理，分析水玻璃、聚丙烯酰胺、氫氧化鈣等外加劑對同步注漿漿液稠度、凝結(jié)時間、早期抗壓及抗剪強度的影響，得到適宜富水復(fù)合地層的同步注漿配合比。李希宏等[11]通過數(shù)值模擬和實測數(shù)據(jù)相結(jié)合的方式，對福州地鐵4號線在不同富水地層中泥水盾構(gòu)施工同步注漿配合比、注漿量、注漿壓力等掘進參數(shù)進行分析，有效指導(dǎo)了該地區(qū)盾構(gòu)隧道施工。阮艷妹等[12]通過X射線、掃描電鏡和光學(xué)顯微鏡，對新型水下聚凝充填材料微觀形貌進行了分析，結(jié)合孔徑分布及宏觀力學(xué)性能，得到新型水下聚凝充填材料最佳配合比。周少東等[13]對膨潤土、凹凸棒黏土、FDN減水劑、聚羧酸減水劑等外加劑進行復(fù)配，提出了高性能同步注漿材料專用外加劑HMA。劉瑋等[14]和王靜[15]針對富水復(fù)合地層盾構(gòu)隧道同步漿液配合比開展了優(yōu)化試驗，要求注漿漿液能夠達(dá)到保水性好、流變性好、強度高等性能要求。

在地下水豐富的環(huán)境下進行盾構(gòu)隧道建設(shè)，對同步注漿漿液性能具有嚴(yán)格要求[16]，通過在普通注漿材料中加入絮凝劑的方式，能夠改善漿液自身抵抗水稀釋及沖洗的能力。由于實際工程所處環(huán)境千差萬別，且絮凝劑種類繁多，性能存在差異，因此，開展不同絮凝劑對同步注漿漿液性能的影響研究。本文以常德沅江過江隧道工程為依托，研究絮凝劑聚丙烯酰胺、羥乙基纖維素、羥乙基甲基纖維素和羥丙基甲基纖維素對普通漿液性能的影響，以期為工程應(yīng)用提供參考。

1 工程概況

常德沅江過江隧道位于常德市城區(qū)，全長2 240m，大體呈南北走向。其中過江段采用盾構(gòu)法施工，長1 680m，盾構(gòu)隧道內(nèi)徑10.3m、外徑11.3m，最大埋深為河床下23m。隧道主要穿越高透水性砂層、圓礫層和卵石層，圓礫層含承壓水，且與沅江江水貫通。經(jīng)勘測，常德市城區(qū)下南門站沅江最高洪水水位39.860m，最低水位26.990m，平均水位29.690m。

2 試驗材料與方法

2.1 漿液基本材料

結(jié)合現(xiàn)場施工情況，試驗過程中漿液所用材料包括P·O 42.5普通硅酸鹽水泥、Ⅱ級粉煤灰、當(dāng)?shù)仄胀ê由?細(xì)度模數(shù)2.2～2.8，粒徑<5mm，堆積密度1 500kg/m3)、普通生活用水(pH測試值為7.9)。

2.2 絮凝劑材料

試驗過程中選取目前應(yīng)用較廣泛的絮凝劑材料，基本參數(shù)如表1所示。

表1 絮凝劑基本參數(shù)

2.3 試驗儀器與方法

對于水資源豐富的過江盾構(gòu)隧道，絮凝劑的加入能否有效包裹同步注漿漿液顆粒、減少水環(huán)境下漿液的流失、保證漿液凝結(jié)后的強度是決定工程質(zhì)量的關(guān)鍵。水泥基凈漿性質(zhì)是決定漿液性能的關(guān)鍵，因此，對水泥基凈漿抗水分散性、流變性及擴展度進行研究。

2.3.1水泥基凈漿抗水分散性

為更直觀地表現(xiàn)不同絮凝劑品種、摻量對水泥基凈漿防水分散效果的影響，測試漿液流變性后開展抗水分散性試驗，步驟如下：①使用300mL量程的干凈燒杯量取300mL潔凈水，并置于桌面上確保水面靜止；②在拌合完成的水泥基凈漿中利用針筒抽取30mL漿液，將針筒口伸入水面下方1cm左右，并將漿液勻速緩慢注入水中；③待漿液完全注入水中后靜置1min，觀察水體渾濁度及水面漂浮物。

2.3.2流變性

試驗過程中采用LVDV-2型旋轉(zhuǎn)黏度計測試水泥基凈漿流變性[17]，該儀器可測量漿液塑性黏度及剪切應(yīng)力。

2.3.3擴展度

水泥基凈漿擴展度測試流程參照GB/T 8077—2012《混凝土外加劑勻質(zhì)性試驗方法》進行[18]，具體過程為：①將玻璃板(400mm×400mm×5mm)置于水平位置，使用濕布抹擦玻璃板、截錐圓模，將圓模置于玻璃板中央，并覆蓋濕布待用；②將拌合完成的凈漿迅速注入截錐圓模內(nèi)，利用刮刀刮平，將截錐圓模沿垂直方向提起，同時開啟秒表計時至30s；③利用直尺量取流淌部分相互垂直的2個方向最大直徑，取平均值作為凈漿擴展度，如圖1所示。

圖1 凈漿擴展度測量

3 試驗結(jié)果與分析

試驗過程中水泥基凈漿均采用統(tǒng)一配合比作為基礎(chǔ)配合比，基礎(chǔ)配合比中水膠比為1∶1、水灰比為0.7∶1。

3.1 凈漿抗水分散性

在摻加聚丙烯酰胺的水泥基凈漿配制過程中，發(fā)現(xiàn)隨著凈漿的不斷攪拌，凈漿由稀漿狀逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楣麅鰻?，如圖2a所示。成為果凍狀的凈漿已基本喪失流變性，將其置于裝有300mL水的燒杯中，發(fā)現(xiàn)水中幾乎無渾濁物，如圖2b所示，這表明摻加聚丙烯酰胺的水泥基凈漿具有較好的抗水分散性，但基本喪失流變性，不具備可注性，不適用于同步注漿，因此不再討論聚丙烯酰胺的影響。

圖2 摻加聚丙烯酰胺的水泥基凈漿

開展水泥基凈漿抗水分散性試驗過程中，絮凝劑摻量由0.3%增至1.29%。試驗組數(shù)雖較多，但隨著摻量的增加，摻加不同絮凝劑的水泥基凈漿抗水分散性變化規(guī)律較一致，因此以羥乙基纖維素為例進行分析，結(jié)果如圖3所示。

圖3 摻加羥乙基纖維素的水泥基凈漿抗水分散性試驗結(jié)果

由圖3可知，當(dāng)羥乙基纖維素?fù)搅坑?.3%逐漸增至0.75%時，試驗水樣渾濁物逐漸減少，透明程度逐漸增加，由較渾濁狀態(tài)逐漸變?yōu)榍辶镣该鳎粨搅坑?.75%增至1.29%時，試驗水樣一直保持清亮透明狀態(tài)。由此，可認(rèn)為當(dāng)摻加羥乙基纖維素時，對于水泥基凈漿抗水分散性而言，黏度100 000mPa·s羥乙基纖維素臨界摻量(水樣變至清亮透明的最低絮凝劑摻量)為0.75%。試驗得到黏度100 000mPa·s羥乙基甲基纖維素、黏度100 000mPa·s羥丙基甲基纖維素、黏度200 000mPa·s羥丙基甲基纖維素臨界摻量分別為0.66%，0.93%，0.84%。

3.2 凈漿流變性

凈漿流變性指凈漿在恒定荷載作用下的變形及流動性質(zhì)，通過LVDV-2型旋轉(zhuǎn)黏度計測得的塑性黏度和剪切應(yīng)力表征。試驗水泥基凈漿塑性黏度剪切應(yīng)力變化曲線如圖4所示。由圖4可知，不同凈漿塑性黏度和剪切應(yīng)力整體變化趨勢基本一致，凈漿塑性黏度和剪切應(yīng)力基本隨著絮凝劑摻量的增加而增大。塑性黏度和剪切應(yīng)力變化速率可反映絮凝劑有效包裹凈漿顆粒的能力。結(jié)合試驗水樣透明度和試驗結(jié)果可知，達(dá)到臨界摻量前，隨著絮凝劑摻量的增加，試驗水樣透明度不斷增加，凈漿塑性黏度和剪切應(yīng)力不斷增加。當(dāng)絮凝劑摻量超過臨界摻量時，試驗水樣保持清亮透明狀態(tài)，塑性黏度和剪切應(yīng)力基本繼續(xù)增加。由此可見，凈漿塑性黏度和剪切應(yīng)力在一定范圍內(nèi)能夠表征漿液抗水分散性。

圖4 凈漿流變參數(shù)變化曲線

3.3 凈漿擴展度

凈漿擴展度可反映漿液流動能力，主要影響注漿可操作性及難易程度等。試驗測得凈漿擴展度變化曲線如圖5所示。由圖5可知，隨著絮凝劑摻量的增加，凈漿擴展度呈遞減趨勢。這是由于隨著絮凝劑摻量的增加，凈漿塑性黏度和剪切應(yīng)力增大，使凈漿顆粒間的黏結(jié)能力增強，從而導(dǎo)致凈漿在重力作用下自由流動的能力減弱，削弱了漿體流變性，可知水泥基凈漿塑性黏度、剪切應(yīng)力與流變性呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

圖5 凈漿擴展度變化曲線

綜上所述，摻加聚丙烯酰胺的凈漿具有較好的抗水分散性，但已喪失流變性，難以注漿，不適用于同步注漿作業(yè)中；羥乙基纖維素易溶于冷水，且能夠均勻溶解，但溶解后會出現(xiàn)大量塊狀物，造成漿液性能不穩(wěn)定；黏度100 000mPa·s羥乙基甲基纖維素臨界摻量最小，利于施工成本控制，完全溶于水后不會出現(xiàn)塊狀物，且流變性較好；黏度100 000，200 000mPa·s羥丙基甲基纖維素臨界摻量相對偏大，不利于施工成本控制，相同摻量下黏度200 000mPa·s羥丙基甲基纖維素塑性黏度和剪切應(yīng)力更大，流變性更差。

因此，根據(jù)試驗結(jié)果，黏度100 000mPa·s羥乙基甲基纖維素最符合實際應(yīng)用需求，可在地下水豐富的過江盾構(gòu)隧道工程中使用。

4 工程應(yīng)用

根據(jù)試驗結(jié)果，在滿足流變性、穩(wěn)定性、抗水分散性及后期強度的條件下配制同步注漿漿液，得到抗水分散性漿液最優(yōu)配合比為水泥∶水∶粉煤灰∶砂∶羥乙基甲基纖維素∶聚羧酸減水劑=141∶444∶352∶704∶2.79∶0.28kg/m3，流動度29～30cm，泌水率0～0.1%，水中1d強度0.11MPa，陸上1d強度0.13MPa，水中7d強度0.62MPa，陸上7d強度0.64MPa。

該抗水分散性同步注漿漿液經(jīng)拌合、運輸、注漿控制后成功應(yīng)用于常德沅江過江盾構(gòu)隧道部分富水區(qū)段，地表監(jiān)測表明該富水區(qū)段地層沉降控制在20mm內(nèi)，同步注漿完成后管片無滲漏、破損現(xiàn)象，取得良好施工效果。

5 結(jié)語

依托常德沅江過江盾構(gòu)隧道工程，采用室內(nèi)試驗的研究方法，開展較常用絮凝劑對普通漿液性能的影響研究。

1)凈漿抗水分散性試驗結(jié)果表明，不同絮凝劑凈漿表現(xiàn)出相似規(guī)律，即隨著絮凝劑摻量的增加，試驗水樣均表現(xiàn)出由渾濁逐漸變?yōu)榍辶镣该鞯臓顟B(tài)，繼續(xù)增加絮凝劑摻量，水樣仍處于清亮透明狀態(tài)。

2)凈漿塑性黏度、剪切應(yīng)力及擴展度試驗結(jié)果表明，隨著絮凝劑摻量的增加，凈漿塑性黏度和剪切應(yīng)力呈增大趨勢，擴展度呈遞減趨勢。凈漿塑性黏度和剪切應(yīng)力的增加，使凈漿顆粒間的黏結(jié)能力增強，導(dǎo)致凈漿在重力作用下自由流動的能力減弱，削弱漿體流變性。

3)本次試驗綜合考慮了絮凝劑對凈漿抗水分散性、可操作性、和易性、施工成本等的影響，試驗結(jié)果表明黏度100 000mPa·s羥乙基甲基纖維素臨界摻量最小，完全溶于水后不會出現(xiàn)塊狀物，且相同摻量下其塑性黏度和剪切應(yīng)力適中，符合實際應(yīng)用需求。

4)通過室內(nèi)和現(xiàn)場配合比試驗，得到適合常德沅江富水地層的同步注漿漿液配合比為：水泥∶水∶粉煤灰∶砂∶羥乙基甲基纖維素∶聚羧酸減水劑=141∶444∶352∶704∶2.79∶0.28kg/m3，該配合比滿足富水地層性能指標(biāo)要求，實際應(yīng)用效果較好。