游永鋒，梁奎生，譚華靈

(中鐵隧道股份有限公司，鄭州 450003)

0 引言

目前，盾構(gòu)法施工廣泛地應(yīng)用于城市地鐵、鐵路、水工隧洞等，盾構(gòu)法施工具有對(duì)地層適應(yīng)性好、安全性高、施工速度快等特點(diǎn)，但在盾構(gòu)快速施工過程中也暴露出了一些問題，如管片上浮量大、管片成型質(zhì)量差等。同步注漿材料的性能對(duì)管片成型質(zhì)量有著重要的影響，相關(guān)領(lǐng)域?qū)ψ{材料的研究也沒有停止過。J.N.Shirlaw等［1］分析了漿液性能與隧道上浮的關(guān)系，指出盾尾漿液要能夠裹緊隧道以抵抗其自身產(chǎn)生的浮力;張海濤［2］、田焜［3］針對(duì)注漿材料對(duì)漿液性能的影響，求取了不同齡期的強(qiáng)度、流動(dòng)性、和易性、密度、泌水率等，并對(duì)注漿材料配合比進(jìn)行了優(yōu)化，取得了較好的效果;劉純潔等［4］使用壓底注漿的方法對(duì)管片變形進(jìn)行了調(diào)整;在趙天石［5］的研究中，有機(jī)纖維、膨脹劑、鋼渣等被作為抗水分散材料使用;李慎剛等［6］建立了漿液在均勻介質(zhì)中的滲透模型;夏小亮［7］、許茜［8］分別采用硅粉、黏土、工業(yè)廢渣和水玻璃作為抗水分散材料;王紅喜等［9］對(duì)適宜于高壓飽和水條件下的同步注漿材料性能進(jìn)行了研究;陳奕江等［10］使用聚丙烯纖維提高了水泥砂漿的強(qiáng)度和抗?jié)B性。在文獻(xiàn)［5-8］的研究中，合成使用的抗水分散材料較罕見，施工成本較高;文獻(xiàn)［4］和文獻(xiàn)［10］中所配制的砂漿漿液強(qiáng)度和抗?jié)B性較好，但凝結(jié)時(shí)間與本工程的掘進(jìn)速度相沖突。結(jié)合這方面的研究思路，考慮泥水盾構(gòu)的施工特點(diǎn)，如何既能有效地減小管片上浮，又可以在配合比的優(yōu)化上不會(huì)增加更大的成本，最終滿足管片的成型要求是本文研究的主要出發(fā)點(diǎn)。

本文從同步注漿配合比研究入手，在同步注漿材料中加入減水劑、絮凝劑及聚丙烯纖維等外加劑對(duì)砂漿性能進(jìn)行綜合研究，以提高漿液的抗水分散性、防滲抗裂和早期強(qiáng)度為目的，配制出了適用于高水壓飽和水地質(zhì)條件下盾構(gòu)快速施工的同步注漿材料。

1 工程概況

臺(tái)山核電站取水隧洞是我國第一條越海盾構(gòu)隧洞，隧洞外徑8.7 m，內(nèi)徑7.3 m，采用盾構(gòu)管片和二次襯砌復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)。其中1號(hào)隧洞全長4 061 m，盾構(gòu)穿越海底地層主要為黏土、粉質(zhì)黏土及砂層，總計(jì)長度為3 800 m左右，占整個(gè)隧洞的90%(砂層段占20%左右，黏土段占70%左右)。盾構(gòu)通過該段地層時(shí)，掘進(jìn)速度控制在25 mm/min，平均掘進(jìn)指標(biāo)達(dá)到566 m/月，最大掘進(jìn)進(jìn)度達(dá)到725.7 m/月，6個(gè)月實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)掘進(jìn)3 400 m的好成績，創(chuàng)造了國內(nèi)大直徑泥水盾構(gòu)掘進(jìn)的最高紀(jì)錄。

2 同步注漿材料性能指標(biāo)

結(jié)合現(xiàn)場施工情況，盾構(gòu)機(jī)在1號(hào)隧洞軟土地層快速掘進(jìn)過程中，由于掘進(jìn)速度快，造成同步注漿漿液離析、流失、灌注不均勻、不密實(shí)等現(xiàn)象，背后襯砌注漿效果差，致使盾尾滲水及管片上浮現(xiàn)象嚴(yán)重。經(jīng)過大量試驗(yàn)研究及相關(guān)資料分析，在高水壓軟土地層盾構(gòu)快速掘進(jìn)過程中，同步注漿材料應(yīng)具有能快速充填、保水性強(qiáng)、不離析、傾析率小等性能，性能指標(biāo)如表1所示。

表1 同步注漿材料性能指標(biāo)Table 1 Performance requirements of simultaneous grouting materials

3 原材料及配合比試驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.1 原材料與試驗(yàn)方法

3.1.1 原材料選用

原材料的選用見表2。

3.1.2 試驗(yàn)方法

凝結(jié)時(shí)間、稠度、抗壓強(qiáng)度及抗?jié)B性能依據(jù)JGJ/T 70—2009《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行檢驗(yàn);抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度按GB/T 17671—1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法》進(jìn)行檢驗(yàn);漿液流動(dòng)度按GB/T 8077—2000《混凝土外加劑勻質(zhì)性試驗(yàn)方法》的規(guī)定采用微型塌落度筒進(jìn)行試驗(yàn);砂漿抗水分散性按DL/T 5117—2000《水下不分散混凝土試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行試驗(yàn);水陸強(qiáng)度比是將70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm(長×寬×高)的砂漿試模放入水箱中，使水面高出試模30 cm，用下料導(dǎo)管將砂漿注入試模中，砂漿從試模中溢出后即可，成型后標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，該強(qiáng)度試驗(yàn)為砂漿的水中強(qiáng)度;砂漿的陸地強(qiáng)度按JGJ/T 70—2009《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》中的抗壓強(qiáng)度方法進(jìn)行測試;水陸強(qiáng)度比為同一砂漿配合比在2種不同條件下成型后同一齡期的抗壓強(qiáng)度比值，該強(qiáng)度比值可以判斷砂漿的抗水分散性能;固結(jié)收縮率采用100 mL量筒，用玻璃片蓋上，靜置24 h后測量量筒上部的清水體積。

表2 同步注漿原材料的選用Table 2 Selection of simultaneous grouting materials

3.2 砂漿配合比的優(yōu)化

3.2.1 砂漿凝結(jié)時(shí)間的優(yōu)化試驗(yàn)

盾構(gòu)快速施工條件下，砂漿凝結(jié)時(shí)間既要滿足輸送和漿液在襯砌背后流動(dòng)充填的時(shí)間要求，又不可過長，試驗(yàn)研究成果如表3和表4所示。

表3 壁后注漿配合比Table 3 Mixing proportions of grout kg/m3

表4 壁后注漿砂漿性能Table 4 Performance of grout

試驗(yàn)結(jié)果表明:只通過改變普通壁后注漿砂漿的水膠比和膠砂比，在盾構(gòu)快速掘進(jìn)條件下很難解決砂漿快速凝結(jié)以此控制管片上浮的問題，即使通過調(diào)整漿液的水膠比和膠砂比后能滿足施工要求，也將會(huì)導(dǎo)致膠凝材料用量增大，成本提高;而摻入適量的減水劑后砂漿的拌合物性能得到提高，可滿足施工要求。由于減水劑是一種高分子表面活性劑，減水劑分子能定向吸附于水泥顆粒表面，使水泥顆粒表面帶有同一種負(fù)電荷，形成靜電排斥效應(yīng)，促使水泥顆粒相互分散，破壞絮凝結(jié)構(gòu)，釋放出被包裹的部分水來參與流動(dòng)，從而有效地提高砂漿拌合物的流動(dòng)性，且可以減少用水量，增強(qiáng)砂漿強(qiáng)度。摻入減水劑后通過調(diào)整膠凝材料的用量，凝結(jié)時(shí)間會(huì)發(fā)生明顯的改變，同時(shí)減水劑對(duì)砂漿的稠度影響較大，會(huì)隨減水劑摻量的增大而增大。當(dāng)減水劑摻量為0.6%時(shí)，砂漿和易性較好，但初凝時(shí)間較短，不利于砂漿的泵送性;當(dāng)減水劑摻量為0.7%時(shí)，砂漿和易性較好，且凝結(jié)時(shí)間滿足施工要求;但當(dāng)減水劑摻量為0.8%時(shí)，砂漿出現(xiàn)離析現(xiàn)象，凝結(jié)時(shí)間延長，如施工速度較快時(shí)，將無法滿足施工要求。因此，減水劑摻量選擇0.7%(占膠凝材料的百分比)為宜。

3.2.2 聚丙烯纖維的優(yōu)化試驗(yàn)

聚丙烯纖維較大的比表面積能使其與砂漿基體增大接觸面積，使砂漿與纖維能牢固結(jié)合，共同承擔(dān)荷載，有助于提高砂漿的抗沖擊性，在纖維體積率為0.05%～0.2%時(shí)有明顯的抗裂與增韌效果。

為提高砂漿的抗水分散性及其初期強(qiáng)度，改善注漿效果，試驗(yàn)中通過摻加不同摻量的聚丙烯纖維，研究其對(duì)砂漿漿液性能的影響，得出適用于該巖體、施工條件等因素影響下的最佳摻入量，試驗(yàn)情況如表5和表6所示。

表5 聚丙烯纖維摻量優(yōu)化試驗(yàn)Table 5 Optimization test on polypropylene fiber quantity kg/m3

表6 聚丙烯纖維摻量優(yōu)化試驗(yàn)性能結(jié)果Table 6 Performance of grout with optimized polypropylene fiber quantity

試驗(yàn)結(jié)果表明:砂漿的坍落度和流動(dòng)度隨著纖維量的增加而降低，即砂漿的稠度隨纖維量的增加而提高，說明砂漿在摻入聚丙烯纖維后，抑制了砂漿的離析和泌水;同時(shí)，隨著纖維摻量的增大，砂漿基體的密實(shí)性增大，阻止外界水份侵入的能力增強(qiáng)，即混凝土砂漿的抗?jié)B等級(jí)得到了提高。

依據(jù)現(xiàn)場施工情況，分別對(duì)摻加纖維前和摻加纖維后砂漿混凝土試塊進(jìn)行了1 d和28 d的抗折和抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。

摻加纖維前，試塊1 d抗折、抗壓強(qiáng)度為0.25 MPa和0.86 MPa，28 d抗折、抗壓強(qiáng)度為2.95 MPa和14.2 MPa;摻加0.3 kg/m3纖維后，試塊1 d抗折、抗壓強(qiáng)度為0.32 MPa和1.09 MPa，28 d抗折、抗壓強(qiáng)度為3.78 MPa和18.5 MPa;摻加0.5 kg/m3纖維后，試塊1 d抗折、抗壓強(qiáng)度為0.45 MPa和1.22 MPa，28 d抗折、抗壓強(qiáng)度為3.98 MPa和20.7 MPa。

結(jié)果顯示，從實(shí)驗(yàn)室制備試件的情況來看，摻加纖維可以改善砂漿混凝土的抗折、抗壓強(qiáng)度，隨著摻量的增加，砂漿混凝土的抗折、抗壓強(qiáng)度逐漸提高，但當(dāng)摻量大于0.9 kg/m3時(shí)，摻量的變化對(duì)混凝土抗折、抗壓強(qiáng)度影響較小。綜合考慮聚丙烯纖維摻量選擇0.16%(占膠凝材料的百分比)為宜。

3.2.3 絮凝劑的優(yōu)化試驗(yàn)

同步注漿要求漿液具有能快速充填、保水性強(qiáng)、不離析、傾析率小、抗水分散性好等性能，因此，制漿過程中需考慮添加抗水分散劑，摻量過高或過低可能導(dǎo)致漿液早期不凝結(jié)或抗水分散性能差。試驗(yàn)依據(jù)多組配合比砂漿性能綜合分析，在選取聚丙烯纖維優(yōu)選配合比(纖維摻量為0.9 kg/m3)的基礎(chǔ)上進(jìn)行抗水分散劑聚丙烯酰胺(PAM)的優(yōu)化，控制單一變量的方法研究其工作性能。砂漿配合比參數(shù)及基本性能如表7和表8所示。

表7 抗水分散劑摻量優(yōu)化試驗(yàn)Table 7 Optimization test on water-resistant dispersant quantity kg/m3

表8 抗水分散劑摻量優(yōu)化試驗(yàn)性能結(jié)果Table 8 Performance of grout with optimized water-resistant dispersant quantity

試驗(yàn)結(jié)果表明:砂漿的稠度隨PAM的減小而降低。PAM聚合物與水形成乳膠液，生成許多微小潤滑膜，減小了砂子之間的摩擦力，起到表面分散作用，改善砂漿的流動(dòng)性。當(dāng)PAM摻量達(dá)到膠凝材料質(zhì)量的0.1%后，吸濕作用超過其潤滑作用，砂漿的流動(dòng)性大大降低。

從水陸強(qiáng)度比數(shù)據(jù)可以看出，PAM的摻入不僅可以提高砂漿的抗水分散性能，而且使砂漿的強(qiáng)度得到保障。實(shí)際施工對(duì)抗水分散性PAM摻量要求固結(jié)體強(qiáng)度1 d≥0.2 MPa，28 d≥2.5 MPa。依據(jù)試塊力學(xué)性能試驗(yàn)，由于水泥、粉煤灰配比量及纖維的影響，其砂漿1 d和28 d抗壓強(qiáng)度均能達(dá)到施工要求。因此，抗水分散劑PAM的摻量主要依據(jù)其物理性能決定。從成本及砂漿性能指標(biāo)考慮，絮凝劑的摻量選擇0.2%(占膠凝材料的百分比)較適宜。

3.2.4 優(yōu)化配合比

盾構(gòu)隧道同步注漿材料的性能受巖體條件、盾構(gòu)施工形式、施工條件等因素的影響，通過大量的試驗(yàn)，對(duì)不同添加劑的作用進(jìn)行分析，得出優(yōu)化配合比如表9所示。該配合比能有效地控制盾構(gòu)快速施工引起的質(zhì)量問題，滿足注漿需要并達(dá)到良好的填充效果。

表9 優(yōu)化配合比Table 9 Optimized mixing proportion kg/m3

4 現(xiàn)場施工使用情況

1#隧洞軟土層起始段盾構(gòu)快速掘進(jìn)時(shí)，盾尾曾出現(xiàn)漏漿現(xiàn)象，對(duì)管片姿態(tài)的測量頻率為1次/d，上浮嚴(yán)重的地段測量頻率為2次/d。隧洞管片相對(duì)上浮曲線如圖1所示，盾構(gòu)快速穿越軟土地層段前100環(huán)，管片上浮較為明顯，最大上浮量達(dá)到18 cm，平均上浮量高達(dá)13.8 cm左右，嚴(yán)重超標(biāo)，個(gè)別管片錯(cuò)臺(tái)達(dá)到40～50 mm。

圖1 優(yōu)化前隧洞管片相對(duì)上浮曲線Fig.1 Curve of relative uplifting of segment lining before mixing proportion optimization

為確保盾構(gòu)快速掘進(jìn)施工質(zhì)量，通過添加減水劑、絮凝劑及聚酯纖維對(duì)同步注漿材料性能進(jìn)行有針對(duì)性的優(yōu)化。根據(jù)試驗(yàn)所得的配合比及選取的材料進(jìn)行現(xiàn)場配制砂漿，并與實(shí)際施工相結(jié)合，注漿過程順利完成，注漿后的盾尾、管片環(huán)接縫處未出現(xiàn)滲水現(xiàn)象，管片上浮得到了有效控制，如圖2所示，最大上浮量為4.2 cm，達(dá)到了較好的注漿效果。

圖2 優(yōu)化后隧洞管片相對(duì)上浮曲線Fig.2 Curve of relative uplifting of segment lining after mixing proportion optimization

5 結(jié)論與討論

在本工程中，試驗(yàn)得出的優(yōu)化配合比能較好地滿足盾構(gòu)快速施工下同步注漿的工藝要求。按其所配制的砂漿具有良好的泵送性、抗水分散性和抗?jié)B性，能避免注漿堵管現(xiàn)象，注漿后的盾尾、管片環(huán)未出現(xiàn)滲水現(xiàn)象，管片上浮得到了有效控制，達(dá)到了較好的注漿效果，具有很好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

本文提到的配合比設(shè)計(jì)與原材料的性能有很大關(guān)系，類似工程可在參考經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過試驗(yàn)制定有針對(duì)性的配合比。

同步注漿材料配合比的調(diào)整只能減小管片的上浮量，無法徹底解決管片的上浮問題，但在管片上浮量較小的情況下，管片的成型質(zhì)量、滲漏水情況可以得到有效控制。

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