王晶 ，宋普濤 ，唐晶晶 ，王永海 ，馬郁 ，王慶濤

（1.中國建筑科學(xué)研究院有限公司，北京 100013；2.中國水利水電第十一工程局有限公司，河南 鄭州 450001）

0 前言

盾構(gòu)法是利用盾構(gòu)機(jī)在地面以下暗挖隧道的一種施工方法[1-2]。由于盾構(gòu)施工技術(shù)具有對地面交通影響小、噪聲小、施工快捷等優(yōu)點，在我國重大地下工程的應(yīng)用越來越廣泛，已成為隧道建設(shè)的主要方法。盾構(gòu)機(jī)完成開挖并鋪裝管片后，開挖面與襯砌管片之間形成100～140 mm的環(huán)狀間隙[3-4]，這個環(huán)狀間隙要在盾構(gòu)機(jī)向前推進(jìn)的同時進(jìn)行注漿填充，即同步注漿，以保證隧道與土層之間達(dá)到壓力平衡，控制地表沉降、管片上浮、隧道偏移等穩(wěn)定性問題[5-7]。

盾構(gòu)法同步注漿工藝對注漿材料具有較高的要求[8-10]，由于缺少相應(yīng)的技術(shù)指標(biāo)要求和標(biāo)準(zhǔn)化試驗方法，目前研究和應(yīng)用的同步注漿材料普遍存在一些問題[11]。本文主要研究不同配合比關(guān)鍵參數(shù)的水泥基盾構(gòu)同步注漿材料的基本性能、填充性能和抗水分散性能，為確保工程盾構(gòu)施工質(zhì)量和完善試驗方法標(biāo)準(zhǔn)提供參考。

1 試驗配合比

1.1 試驗原材料

水泥：冀東P·O42.5水泥，比表面積340 m2/kg，28 d抗壓強(qiáng)度50.0 MPa；粉煤灰：Ⅲ級，山東鄒城電廠產(chǎn)；膨潤土：江蘇某廠生產(chǎn)的鈉基膨潤土，淡黃色粉末，密度3520 kg/m3，膨脹率18 mL/g；砂：山東某地生產(chǎn)的中粗河砂，細(xì)度模數(shù)2.4，表觀密度2680 kg/m3，堆積密度1540 kg/m3；減水劑：科之杰新材料集團(tuán)有限公司生產(chǎn)的聚羧酸系高性能減水劑，白色粉末，減水率30%以上；拌合水：自來水。

1.2 配合比

通過對我國不同地區(qū)盾構(gòu)工程水泥基同步注漿材料應(yīng)用工程及研究成果的調(diào)研分析可知，目前的水泥基盾構(gòu)注漿材料現(xiàn)場施工配合比關(guān)鍵參數(shù)基本范圍為：水膠比0.45～0.80，膠砂比0.40～0.80，水泥占膠凝材料質(zhì)量的15%～30%，膨潤土占膠凝材料質(zhì)量的10%～20%。

參考工程現(xiàn)場盾構(gòu)注漿材料配合比的調(diào)研結(jié)果，選取不同的關(guān)鍵配合比參數(shù)進(jìn)行盾構(gòu)注漿材料性能研究，選取的關(guān)鍵配合比參數(shù)為：水膠比 0.45、0.60、0.80，膠砂比 0.4、0.6、0.8，水泥占膠凝材料質(zhì)量的17%、21%、25%，膨潤土占膠凝材料質(zhì)量的10%、15%、20%，漿液設(shè)計密度1900 kg/m3。具體試驗配合比見表1，考慮使不同水膠比的注漿材料的漿液工作性能在可比范圍內(nèi)，水膠比0.45和0.60的注漿材料還摻加了一定量的減水劑，減水劑摻量按占膠凝材料總質(zhì)量計。

表1 水泥基盾構(gòu)注漿材料的配合比

2 漿液的基本性能

2.1 試驗方法

注漿材料攪拌方法與攪拌機(jī)的選擇參照J(rèn)GJ/T 70—2009《建筑砂漿基本性能試驗方法》的規(guī)定；注漿材料漿液的表觀密度、稠度、稠度經(jīng)時損失、分層度參考JGJ/T 70—2009進(jìn)行測試；注漿材料的流動度和流動度經(jīng)時損失參照GB/T 50448—2015《水泥基灌漿材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》進(jìn)行測試；泌水率試驗方法參考GB/T 25182—2010《預(yù)應(yīng)力孔道灌漿劑》的規(guī)定，測試盾構(gòu)注漿材料自加水起3 h后的泌水率；水泥基同步注漿材料抗壓強(qiáng)度試驗參考JGJ/T 70—2009成型70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm立方體試件，按照J(rèn)GJ/T 233—2011《水泥土配合比設(shè)計規(guī)程》中無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗方法進(jìn)行；壓力試驗機(jī)應(yīng)符合GB/T 3159—2008《液壓式萬能試驗機(jī)》和GB/T 2611—2007《試驗機(jī)通用技術(shù)要求》的規(guī)定，試件加載速率宜控制在0.07～0.70 kN/s，精確至0.01 kN，抗壓強(qiáng)度測試結(jié)果精確至0.01 MPa。

2.2 注漿材料的基本性能測試結(jié)果與分析

表2為不同水膠比（C3、C12和C19）注漿材料漿液的稠度和流動度。

表2 不同水膠比注漿材料漿液的稠度和流動度

由表2可知，隨著水膠比的增大，漿液的稠度逐漸增大，而2 h稠度損失變化不大。由于使用減水劑的緣故，流動度的測試結(jié)果與稠度變化規(guī)律并不一致，使用減水劑能夠一定程度增大漿液的流動度，提高注漿材料的流動性，其流動度經(jīng)時損失也相對較小，易于施工。

表3為注漿材料分層度及結(jié)石率測試結(jié)果。

表3 注漿材料的分層度及結(jié)石率

由表3可見，對于不同水膠比的C3、C12和C19注漿材料，其分層度分別為6、5、4 mm，水膠比對分層度影響較小。根據(jù)全系列注漿材料的分層度試驗結(jié)果可知，注漿材料的分層度變化范圍較小，基本在3～6 mm。

表4為注漿材料漿液的泌水率測試結(jié)果。

表4 注漿材料漿液的泌水率

由表4可見，對于不同水膠比的C3、C12和C19注漿材料，漿液泌水率隨著水膠比的增大呈增大趨勢。在水膠比為0.80條件下，對于不同膨潤土摻量的C16、C17和C18注漿材料，漿液的泌水率隨著膨潤土摻量的增加有一定的降低，這是由膨潤土自身吸水膨脹特性決定的。

表5為注漿材料抗壓強(qiáng)度測試結(jié)果。

表5 注漿材料的抗壓強(qiáng)度

由表5可見，對于不同水膠比的C3、C12和C19注漿材料，其2 d、28 d齡期抗壓強(qiáng)度隨著水膠比的增大呈降低的趨勢；在水膠比為0.60條件下，對于不同膨潤土摻量的C11、C12和C15注漿材料，其2 d抗壓強(qiáng)度隨著膨潤土摻量的增加逐漸降低，而28 d抗壓強(qiáng)度則隨著膨潤土摻量的增加先提高后降低，在膨潤土摻量為15%時達(dá)到最大值。

3 注漿材料的填充性能

3.1 試驗方法

注漿材料結(jié)石率采用體積為250 ml的量筒進(jìn)行試驗，量筒應(yīng)配備密封蓋。將量筒放置在水平面上，向量筒灌入同步注漿材料漿液，注漿材料漿面高度控制在（245l±5）ml刻度范圍內(nèi)，靜置1 min后，及時測量并記錄漿液初始高度a1，然后加蓋靜置。3 d時測量注漿材料漿面高度a2，3 d時漿面高度與初始漿面高度的比值作為注漿材料的結(jié)石率，用于評價注漿材料的填充性能。

3.2 注漿材料的填充性能測試結(jié)果與分析

注漿材料的結(jié)石率測試結(jié)果見表3。

對比表3及表4中不同水膠比（C3、C12和C19）注漿材料的泌水率和結(jié)石率可知，不同水膠比條件下，注漿材料的結(jié)石率與泌水率呈負(fù)相關(guān)，隨著注漿材料水膠比的增大，泌水率逐漸增大，而結(jié)石率逐漸減小。

由表3中C1～C22的結(jié)石率測試結(jié)果可知，結(jié)石率與水膠比呈負(fù)相關(guān)，在稠度相差不大的情況下，結(jié)石率隨水膠比的增加而降低。采用結(jié)石率作為注漿材料填充性的評價方法可行，水泥基注漿材料水膠比在0.45～0.8內(nèi)變化時，其結(jié)石率基本在95%～98%內(nèi)波動，滿足一般設(shè)計要求。

4 注漿材料的抗水分散性能

4.1 試驗方法

水陸強(qiáng)度比試驗：參照水下不分散混凝土的相關(guān)試驗方法，在水溫（20±3）℃，高度（100±5）mm 的水中，通過漏斗向70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm立方體試模中灌入注漿材料，灌注完畢后將灌滿注漿材料的試模從水中取出，靜置5～10min，抹平表面后繼續(xù)放入水中帶模養(yǎng)護(hù)2～3d，拆模后繼續(xù)放入水中養(yǎng)護(hù)至28d齡期進(jìn)行強(qiáng)度測試。在水中成型的試件抗壓強(qiáng)度與正常成型試件的抗壓強(qiáng)度比值為水陸強(qiáng)度比，可間接表征注漿材料的抗水分散性能，水陸強(qiáng)度比越高，抗水分散性能則越好。

水下pH值測試：在250 mL燒杯中加入200 mL水，然后將100 g注漿材料分成10等份，用小鏟將每1份盾構(gòu)注漿材料從水面緩慢地自由落下，在20 s內(nèi)操作完成，在靜置過程中，按照GB/T 6920—1986《水質(zhì)pH值的測定玻璃電極法》的規(guī)定測試不同靜置時間溶液的pH值。pH值越小表明其抗水分散性能越好。

4.2 注漿材料的抗水分散性能測試結(jié)果與分析

按照上述試驗方法測試C3、C12和C19不同水膠比注漿材料的水陸強(qiáng)度比及C12的pH值，結(jié)果分別見表6、表7。

表6 注漿材料的抗水分散性能

表7 C12試件的水下pH值

由表6可知，隨著水膠比的增大，水陸強(qiáng)度比呈增大趨勢，試驗過程中注漿材料外部環(huán)境中的水會有部分進(jìn)入注漿材料漿液中，其實際水膠比會大于設(shè)計水膠比。水膠比越低，水膠比的波動對抗壓強(qiáng)度的影響就會越大，因此在水膠比為0.45時，其水陸強(qiáng)度比最小。

由表7可知，注漿材料剛完成投料，液體處于渾濁狀態(tài)，此時測得的pH值較高，靜置1 min后其pH值降為9，靜置10 min后已和空白水樣pH一致。該試驗結(jié)果受靜置時間影響較大，而且實際工程環(huán)境中以動水環(huán)境為主，與試驗靜水條件差異較大，該方法的科學(xué)性還有待商榷。

5 結(jié)論

（1）隨著水膠比的增大，水泥基注漿材料漿液的稠度呈增大的趨勢；聚羧酸系高性能減水劑的摻加能增大漿液的流動度，提高其可施工性。

（2）水膠比對水泥基注漿材料漿液的分層度影響較小，在水膠比為0.45～0.80內(nèi)變化時，注漿材料的分層度無明顯的變化規(guī)律，分層度基本在3～6 mm。

（3）隨著水膠比的增大，水泥基注漿材料漿液泌水率呈增大趨勢；膨潤土摻量的增加能一定程度降低漿液的泌水率。

（4）隨著水膠比的增大，水泥基注漿材料的2 d和28 d齡期的抗壓強(qiáng)度呈降低的趨勢。

（5）可采用結(jié)石率作為注漿材料填充性能的評價方法，水泥基注漿材料水膠比在0.45～0.80內(nèi)變化時，其結(jié)石率基本在95%～98%內(nèi)波動。

（6）水陸強(qiáng)度比作為評價注漿材料的抗水分散性指標(biāo)具有一定的科學(xué)性和可操作性，而pH值試驗結(jié)果受靜置時間影響較大，用于評價注漿材料的抗水分散性暫不成熟。