魏廣造，王余德，李俊青，吳玲玲，陳 靖，彭龍貴

（1.中鐵十局三建公司，安徽 合肥 230000；2.西安工業大學 光電工程學院，陜西 西安 710021；3.西安科技大學 材料科學與工程學院，陜西 西安 710054）

合肥地鐵盾構施工漿液配比優化試驗研究

魏廣造1，王余德1，李俊青1，吳玲玲2，陳 靖2，彭龍貴3

（1.中鐵十局三建公司，安徽 合肥 230000；2.西安工業大學 光電工程學院，陜西 西安 710021；3.西安科技大學 材料科學與工程學院，陜西 西安 710054）

盾構施工中同步注漿即通過注漿泵及注漿管將漿液材料填入盾尾間隙，同步注漿材料是決定注漿成敗的關鍵因素之一，直接影響注漿成本、注漿效果、注漿工藝等。針對目前有關膨脹土層同步注漿漿液配比研究缺失這一問題，基于合肥特殊的工程地質條件，以合肥地鐵1號線工程中使用的漿液材料為研究對象，通過室內試驗，采用單因素與正交設計相結合的試驗方法，對漿液材料水泥、粉煤灰、砂、膨潤土、水不同配比下漿液的析水率、抗壓強度、黏度、結石率進行極差分析。結果表明：同步注漿的配比是影響漿液抗壓強度和析水率的關鍵指標，并提出了適合膨脹土地層條件下地鐵盾構同步注漿漿液的優化配方，對類似地層條件下漿液配比的選取具有參考價值。

盾構施工；膨脹土；漿液配比優化；極差分析

0 引 言

盾構機在開挖隧道時，圍巖與管片之間存在間隙。盾構施工中同步注漿即通過注漿泵及注漿管，在一定的注漿壓力下，將一定量的漿液材料填入盾尾間隙。及時注漿填充盾尾空隙，可使圍巖與管片形成整體，確保管片的穩定，防止地層沉陷，保證施工環境安全，也可作盾構隧道第一道防水層[1-2]。因此，盾構法同步注漿要求注漿漿液必須具備較高的工作性能：填充性好、流動性好、離析少、早期強度高、滲透系數小等。如果注漿漿液的工作性能差，則容易產生堵管、泌水、圍巖塌落、管片易位等不良現象，直接影響注漿效果及施工進度[3]。合肥地鐵1號線盾構區間將大面積在膨脹土及軟弱不均地層中近距離穿越鐵路、公路、橋梁、河道、規劃立交、機場、學校、住宅等建（構）筑物，地質條件、環境條件復雜。故其對于注漿材料的要求變得更為苛刻，就目前國內外調研結果來看，鮮有膨脹土地層中盾構施工中同步注漿的詳細報道或可借鑒研究成果[4]。文中針對合肥地區存在膨脹土這一現象，主要研究漿液各組成成分對漿液性能的影響規律，通過正交試驗提出漿液配合比優化方案，分析試驗結果，綜合考慮地質條件，為今后類似工程提供參考和依據。

1 試驗過程

參考已有文獻及本工程中實際現用的漿液材料及配比，提出初選漿液材料配比方案，擬選漿液配方的析水率、抗壓強度、黏度、結石率為漿液性能評價指標，設計正交試驗，確定試驗方法及設備。

1.1 試驗材料

水泥能增加漿液的粘度，提高漿液的保水性，并有一定的凝結作用。水泥與水發生水化反應，生成膠凝物質，摻入一定量的水泥，可提高漿體的抗壓強度；粉煤灰是一種火山灰質混合物，其化學成分與粘土相似，在流動性不變的條件下有減水作用，同時可填充水泥孔隙起增密作用等；砂子在漿液中作為主要的填充骨料，可充填顆粒之間的空隙，提高漿液的密實性和強度，改善漿液的和易性，有效節約水泥用量；膨潤土在水中高度分散搭接成網絡結構，使大量自由水轉變為網絡結構中的束縛水，提高漿液的保水性能及觸變性能[5-6]。表1為試驗中依據本工程選取漿液材料的基本情況。

1.2 試驗方法及設備

本工程所用同步注漿漿液屬于單液硬性漿，早期強度高，流動性充填性都很好。但因膨脹土的存在，在進行同步注漿漿液配比優化時除了應滿足普通地層中的要求外還應考慮用水量這一重要參數，即盡量減小漿液的用水量，且漿液的泌水性不能過大，從而減輕對于周圍膨脹土體的擾動，消減因膨脹土遇水后產生的膨脹力對管片穩定性產生影響。根據前人的研究和對該工程上所用注漿材料的分析，確定同步注漿漿液的影響因素分別是：粉煤灰、砂、膨潤土、水泥、水[7-8]。為了研究膨潤土、粉煤灰、砂和水對漿液黏度及試件強度等的影響，并在此基礎上選擇適合本工程地質條件的漿液配比，將水泥取為定量，應用正交試驗方法，根據分析，采用五因素四水平進行試驗，影響因素及水平見表2，采用L16（45）型試驗表。目的在于充分利用各種原材料的優點，以便在含膨脹土地層中漿液達到最好的注漿效果。

表2 同步注漿漿液

1.2.1 試驗方法

由于析水和顆粒沉淀相伴相生，析水使得漿液流動性變差，出現堵管等現象，且影響結石強度的均勻性，再者由于本工程地質條件的特殊性，同步注漿漿液析水性過大將會對膨脹土層產生較大的影響[9]。強度問題是漿液性能的內容之一，漿液注入空隙后若沒有一定強度，則引起隧道管片周圍土體坍塌，造成管片錯臺、地面沉陷等不良現象。漿液黏度可表征漿液的流動性，同步注漿漿液黏度影響漿液的可泵性及充填性[10]。漿液黏度過低或過高都不滿足施工要求。結石率影響圍巖的加固效果及管片與圍巖間隙的填充效果[11]。故初步確定將漿液析水率、抗壓強度、黏度、結石率作為評價漿液性能的評價指標。

1）漿液析水率：用容量筒量出一定體積漿液，靜置若干小時，待析水量趨于穩定后，計算上浮水體積與漿液總體積的比值；

2）抗壓強度：按照《建筑砂漿基本性能試驗方法》進行測定；

3）黏度：按照JGJ70-90《建筑砂漿基本性能試驗方法》中規定的方法；

4）結石率：按照體積法測試，即實際體積和試模標準容積之比。

1.2.2 試驗設備

試驗設備有攪拌機、黏度計、壓力試驗機、標準養護箱、砂漿試模、水泥凈漿標準試模、天平、量筒、分選篩等。試驗主要儀器設備如圖1所示。

圖1 漿液性能試驗過程Fig.1 Process of slurry performance experiment

2 同步注漿材料對注漿性能的影響

2.1 注漿材料對漿液抗壓強度影響分析

目前有關地鐵盾構同步注漿的工法和材料有很多，但在實際運用中由于對注漿控制地層變形的機理或地質條件與漿液材料的匹配性缺乏深入思考，往往因注漿不當導致較大變形[12]。盾尾與地層間隙分布不均勻，漿液注入填充整個空隙的過程復雜。由現場資料發現，注漿孔往往先把橫斷面填充滿，然后填充縱向斷面，這期間隧道圍巖與漿液擠壓，如果漿液抗壓強度不夠，則會影響管片的穩定性等[13]。故漿液初期的抗壓強度是決定注漿效果的一個重要指標。

圖2 粉煤灰用量對于漿液抗壓強度影響Fig.2 Effect of the dosage of fly ash on slurry compressive strength

圖3 砂用量對于漿液抗壓強度影響 Fig.3 Effect of the amount of sand on slurry compressive strength

圖4 膨潤土用量對于漿液抗壓強度影響Fig.4 Effect of the bentonite on slurry compressive strength

圖2～圖4為同步注漿材料各組成對漿液抗壓強度的影響結果。可以看出，在其他各組分不變的條件下，在一定范圍內增加粉煤灰及砂的用量可以提高漿液的抗壓強度，而在一定范圍內增加膨潤土的用量則減小漿液的抗壓強度。當漿液抗壓強度不滿足工程需求時，故可依據此試驗結果對漿液組分用量進行微調。

2.2 注漿材料單因素對漿液析水性影響分析

為保證漿液質量，通常在施工中應根據地層的實際情況選擇漿液配合比[14]。合肥地鐵施工中存在膨脹土特殊地層條件及周邊條件等，通過現場資料結合理論研究發現，該條件下對于漿液析水性要求較高，故通過室內試驗研究了各因素對于漿液析水性的影響。圖5～圖7為同步注漿材料各組成對漿液析水性的影響結果。

圖5 粉煤灰用量對于漿液析水性影響Fig.5 Effect of the dosage of fly ash on slurry water separating performance

圖6 砂用量對于漿液析水性影響Fig.6 Effect of the amount of sand on slurry water separating performance

圖7 膨潤土用量對于漿液析水性影響Fig.7 Effect of the bentonite onslurry water separating performance

可以看出，在其他各組分不變的條件下，在一定范圍內增加粉煤灰、砂、膨潤土的用量可以減小漿液的析水性。當漿液析水性不滿足工程需求時，故可依據試驗結果對漿液組分用量微調。

3 正交試驗結果及分析

為選擇出性能優良，且滿足設計和施工要求的砂漿配合比，本研究小組針對合肥地鐵一號線五標段盾構同步注漿漿液進行了試驗研究，通過正交試驗[15]，測試了各配合比的相關性能指標見表3.

通過極差分析得出，影響漿液結石率的因素主次順序為膨潤土>水>粉煤灰=砂；影響漿液抗壓強度的因素主次順序為水>粉煤灰>膨潤土>砂；影響漿液析水率的因素主次順序為膨潤土>水>砂>粉煤灰；影響漿液黏度的因素主次順序為膨潤土>水>粉煤灰>砂。漿液析水率和黏度是反應漿液流動性的重要參數，漿液的抗壓強度和結石率將直接影響圍巖的加固效果。對比16組初選配方，各配方試樣的28單軸抗壓強度最小值為25.64 MPa，大于合肥地鐵盾構所穿越土層的所要求的地基承載力，充分滿足抗壓強度的要求。但有些配比的析水率大于5%，結石率小于90%，不能滿足工程要求。

針對合肥地鐵隧道存在膨脹土層這一現象，在各個指標均滿足普通同步注漿漿液要求的基礎上，應嚴格控制漿液的析水率和抗壓強度及用水量。綜合考慮配制的漿液用于合肥地鐵含膨脹土層盾構同步注漿，故以漿液固結后析水率作為主要指標，抗壓強度作為輔助指標，黏度采用較小值，結石率采用較大值，另外還應重視用水量。

依據試驗結果分別對4個指標，各個因素進行極差分析計算，根據析水率選擇最優配比為C4D1B4A4，該配比用水量小，根據抗壓強度選擇最優配比為D1A4C1B4，采用綜合平衡法對2個指標的較優條件綜合平衡，找出兼顧每個指標和其他因素及性價比的條件，從而提出一個最有利于這2個指標的漿液配比。擬選取漿液最優配比C3D1B4A4E，即0.52∶3.86∶6.52∶4.02∶2.00，其性能滿足工程要求。

表3 同步漿液配比試驗結果

4 結 論

1）目前，關于盾構隧道同步注漿漿液的研究較多，但針對膨脹土地層提出的同步注漿漿液研究寥寥無幾，為了指導類似特殊地質下盾構同步注漿漿液材料配比選取，結合合肥地鐵隧道盾構同步注漿漿液的單因素影響及正交試驗，進行了同步注漿材料優化配比研究，確定了該地層下影響注漿效果的2個關鍵指標：漿液抗壓強度及析水率，提出了適合膨脹土地層條件下地鐵盾構同步注漿漿液的優化配比。

2）由于時間條件限制，不足之處在于未研究外加劑對于注漿漿液性能的影響。而外加劑的使用可以大大改善漿液的性能，今后可以選擇一些外加性劑進行配比優化試驗，結合外加劑的性能研究，調配出更高性能的適合膨脹土等特殊地層的同步注漿材料。

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Synchronous grouting material optimization of the shield construction in Hefei subway

WEI Guang-zao1，WANG Yu-de1，LI Jun-qing1，WU Ling-ling2，CHEN Jing2，Peng Long-gui3

（1.ChinaRailwayTenBureauGroupThirdConstructionCo.,Ltd.，Hefei230000，China； 2.CollegeofOptoelectronicEngineering，Xi’anTechnologicalUniversity，Xi’an710021，China； 3.CollegeofMaterialsScienceandEngineering,Xi’anUniversityofScienceandTechnology,Xi’an710054,China）

Grout shield construction material is that filled with slurry shield tail grouting gap by injection pump and pipe.Synchronous grouting material is one of the key factors to decide the success or failure of grouting，it affects the grouting cost，grouting process，grouting effect etc.At present，there are few studies on rate of synchronous grouting material in expansive soil.Based on the special engineering geological conditions of Hefei，taking grouting material used in Hefei subway line 1 project as a research object，through laboratory tests，combined with single factor and orthogonal design test method，we study the separating water，compressive strength，viscosity，stones rate of synchronization grout by range analysis under different ratio materials with the slurry cement，fly ash，sand，bentonite，and water.The results show that the synchronous grouting ratio is a key index for slurry’s compressive strength and bleeding rate.We put forward the optimization ratio for shield synchronous grouting in condition of swelling soil，providing a reference value for the slurry ratio selection under similar geological conditions.

shield construction；expansive soil；the slurry ratio optimization；range analysis

2015-06-15 責任編輯：高 佳

陜西省教育廳科學研究計劃項目（11JK0779） ；陜西省科技廳工業攻關項目（2014k10-22）

魏廣造（1975-），男，安徽淮南人，高級工程師，E-mail：wgzhn2006@163.com

10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2015.0514

1672-9315（2015）05-0611-06

U 455.43

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