一種新型盾構(gòu)注漿材料的探索與研究

劉恒杰 華道柱

一種新型盾構(gòu)注漿材料的探索與研究

劉恒杰 華道柱

（中鐵工程裝備集團(tuán)技術(shù)服務(wù)有限公司，河南 鄭州 450000）

為滿足盾構(gòu)施工掌子面臨時封閉和盾尾充填注漿的特殊工程要求，探索研究一種適合盾構(gòu)法施工的膠凝時間可控的低強(qiáng)度注材料。本文通過一系列實(shí)驗(yàn)研究掌握了不同濃度的磷酸溶液與水玻璃生成產(chǎn)物及其凝結(jié)時間，同時得到了混合液的pH值作為關(guān)鍵因素影響水玻璃磷酸雙液注漿材料初凝時間。通過調(diào)整水玻璃和磷酸溶液的不同配比能得到滿足不同工況需求的注漿材料。水玻璃和磷酸雙液注漿材料在工程的實(shí)際應(yīng)用中效果良好，值得推薦。

注漿材料；水玻璃；磷酸；配合比；凝膠時間

1 注漿材料的選擇

1.1 注漿材料的特殊工程要求

在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，刀具因磨耗超限或脫落、缺損，必須對刀具進(jìn)行更換。刀具更換前需要對刀盤前方地層進(jìn)行臨時注漿加固。為此，要求注漿材料：抗?jié)B性能好、強(qiáng)度適中，既能有效加固掌子面土體，又能防止刀盤凝結(jié)，同時在繼續(xù)掘進(jìn)中不影響刀盤開挖。盾尾空隙充填要求注漿材料：凝膠可控，不向盾尾以外區(qū)域流失；可注性、流動性好；強(qiáng)度增長快、水密性好等［1］。

現(xiàn)有注漿材料的不足：單液漿水化反應(yīng)慢，凝膠時間長，易受地下水稀釋；水泥水玻璃漿液：注漿壓力高，存在擊穿盾尾鉸接危險。

1.2 注漿材料的選取

要滿足掌子面臨時封閉和盾尾充填注漿的特殊要求，需要對注漿材料進(jìn)行初步遴選。首先，考慮無機(jī)系注漿材料。例如：水泥單液漿、水泥-水玻璃漿液、水玻璃類、水泥黏土類漿液等。水泥單液漿：水泥水化反應(yīng)非常緩慢，從注入到固結(jié)需要幾個小時，且易受地下水稀釋；水泥-水玻璃漿液：固結(jié)強(qiáng)度相對較高，易使刀盤膠凝；水泥黏土類漿液：流動性、抗?jié)B性好，結(jié)實(shí)率高，不易用于加固材料；水玻璃類：來源廣泛、價格低廉、粘度較低、流動性好，對注漿工程施工有較好的可操作性。經(jīng)過系統(tǒng)對比分析，初步選定研發(fā)材料為水玻璃類材料［2］。

再對水玻璃與氯化鈣、硅氟酸、乙二醛、硫酸、醋酸、磷酸等混合漿液進(jìn)行調(diào)研：水玻璃-氯化鈣可瞬間發(fā)生反應(yīng)，凝膠時間不易控制；水玻璃-硅氟酸有較強(qiáng)腐蝕性，成本高；水玻璃-乙二醛：成本高，來源受限；硫酸-水玻璃：硫酸屬于管制材料且具有較強(qiáng)的腐蝕性，注漿危險性較大；草酸-水玻璃：草酸具有一定毒性，極易經(jīng)表皮、粘膜被人體吸收，引起中毒；磷酸-水玻璃：磷酸為較安全酸類，低毒，漿液凝膠可控，砂土固結(jié)體強(qiáng)度較好。綜合漿液的特性、材料來源及對人體的危害程度等，選擇磷酸-水玻璃作為注漿材料進(jìn)行研究。

2 酸性水玻璃漿液凝膠試驗(yàn)研究

2.1 試驗(yàn)方法

稀釋磷酸、調(diào)整水玻璃波美度到所需值。將調(diào)整好的水玻璃和磷酸進(jìn)行混合，玻璃棒攪拌均勻，記下此時時間。待反應(yīng)完全后，測量其pH值，并記錄。利用倒杯法觀察凝膠時間，并記錄。

2.2 試驗(yàn)方案及結(jié)果分析

①分別對35、30、25°Bé水玻璃，6%、6.5%、7%、8%和10%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的磷酸，水玻璃與磷酸的體積比1∶1、1∶1.2、1∶1.6進(jìn)行試驗(yàn)，對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較分析。

試驗(yàn)結(jié)果表明：25、30、35°Bé水玻璃溶液的敏感度太高，容易出現(xiàn)瞬凝、絮狀物或其他凝結(jié)不完全現(xiàn)象，實(shí)際工程不易控制，故應(yīng)避免采用［3］。

②試驗(yàn)選取20°Bé的水玻璃，分別和8%、10%和15%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的磷酸按不同體積比進(jìn)行試驗(yàn)，對比分析不同磷酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)及體積比的酸性水玻璃凝膠時間。

由試驗(yàn)測得的數(shù)據(jù)從磷酸與水玻璃的體積比與pH值的關(guān)系以及漿液的pH值與凝膠時間的關(guān)系兩個方面分析，將數(shù)據(jù)繪制成圖。

由圖1、2、3、4、5和圖6可以看出，隨著磷酸和水玻璃體積比不斷增大，溶液的pH值減小，凝膠時間增加，存在嚴(yán)格對應(yīng)關(guān)系。當(dāng)pH值在4～7時，凝膠時間為0～3 600min，適于工程應(yīng)用。

3 酸性水玻璃砂土加固性能研究

3.1 實(shí)驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用粒徑為0.02～0.5mm的砂制備酸性水玻璃漿液加固體試件。磷酸水玻璃組分濃度及配比選擇如表1所示。先將砂裝滿試模，搗固慢慢加入漿液，直至飽和，表面與試模取平，待固化后脫模。脫模后試塊放入養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)溫度為20±5℃，濕度95%。測3d、7d、28d時的抗壓強(qiáng)度，每組取3塊取其平均值［4］。

圖1 水玻璃和8%磷酸體積比與pH值的關(guān)系

圖2 水玻璃與8%磷酸混合液的pH值與凝膠時間的關(guān)系

圖3 水玻璃和10%磷酸體積比與pH值的關(guān)系

圖4 水玻璃與10%磷酸混合液的pH值與凝膠時間的關(guān)系

圖5 水玻璃和15%磷酸體積比與pH值的關(guān)系

圖6 水玻璃與15%磷酸混合液的pH值與凝膠時間的關(guān)系

表1 磷酸水玻璃組分濃度及配比選擇

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

由圖7可知，抗壓強(qiáng)度隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加而增大，增加幅度呈下降趨勢，28d時強(qiáng)度范圍浮動較大；由圖8可知，當(dāng)磷酸濃度變化時，其抗壓強(qiáng)度變化不明顯；由圖9可知，水玻璃波美度為20～30°Bé，增加水玻璃波美度可以提高其加固體抗壓強(qiáng)度，但增幅較小。

圖7 試件抗壓強(qiáng)度隨時間變化

圖8 試件抗壓強(qiáng)度隨磷酸濃度變化

圖9 試件抗壓強(qiáng)度隨水玻璃波美度變化

4 工程實(shí)踐

4.1 工程概況

青島地鐵2號線石老人浴場站B號口地下通道地層為海陸交互相沉積的沙類土、淤泥質(zhì)土及粘性土、上更新統(tǒng)沙類土。地下水主要有松散土層孔隙潛水和基巖裂隙水兩種。自穩(wěn)能力低，可注性差，極易發(fā)生涌水潰砂。拱頂埋深極淺，在大氣降水及地下水影響下滲透嚴(yán)重。各類管線（燃?xì)狻⒔o水、暗渠）及通信光纜密集，管線距拱頂最近處僅為2.08m。地面交通流量大，無形中加大了施工難度。

4.2 注漿設(shè)計(jì)參數(shù)

采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%的磷酸和20°Bé水玻璃按照2∶1的體積比進(jìn)行混合注入。

4.3 注漿方式

通過雙液注漿泵將配置好的甲、乙兩液采用孔口混合的方式進(jìn)行注漿。采用定量注漿法，每根導(dǎo)管注入規(guī)定漿液，每根導(dǎo)管都達(dá)到設(shè)計(jì)注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)，即可結(jié)束注漿。

4.4 注漿效果

注漿結(jié)束后鉆孔檢查，無滲水現(xiàn)象，進(jìn)行鉆孔電視探查，孔壁無坍塌，加固效果良好，開挖時，開挖邊緣整齊，漿液加固情況良好。如圖10-11所示。

圖10 現(xiàn)場鉆孔注入情況

圖11 開挖漿液擴(kuò)散情況

5 結(jié)論

pH值是磷酸-水玻璃漿液凝膠時間的決定性因素。為保證漿液在注漿加固區(qū)域內(nèi)充分滲透和擴(kuò)散，選擇磷酸-水玻璃混合液pH值在4～7的材料配比，凝膠時間控制在0～3 600s之間；砂土加固體的抗壓強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)時間的增加而增大。磷酸濃度、水玻璃波美度及磷酸與水玻璃的體積比的變化對砂固體的抗壓強(qiáng)度影響較小。

通過青島地鐵2號線石老人浴場站B號口地下通道砂層注漿加固工程，選用材料配比為質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%，20°Bé的磷酸-水玻璃組合，按體積比為2∶1進(jìn)行應(yīng)用，取得了良好的加固效果。說明此類組合的應(yīng)用可行。應(yīng)用過程中根據(jù)現(xiàn)場的實(shí)際情況，嚴(yán)格控制配置溶液的pH值，確保混合溶液的性能。

［1］湖南大學(xué).建筑材料［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，1997.

［2］杜嘉鴻.地下建筑注漿工程簡明手冊［M］.北京：科學(xué)出版社，1992.

［3］熊厚金.國際巖土錨固與灌漿新進(jìn)展［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，1996.

［4］王杰.巖土注漿理論與工程實(shí)例［M］.北京：科學(xué)出版社，2001.

Exploration and Research on a New Grouting Material for Tunnel Construction by Shield Machine

Liu Hengjie Hua Daozhu
（China Railway Engineering Equipment Group Technical Services Ltd.，Zhengzhou Henan 450000）

In order to satisfy the special engineering requirements of temporary filling for cutting face and tailskin grouting in tunnel construction by shield machine,a low strength injection material with feature of controllable gelling time which is suitable for tunnel construction by shield machine is developed.In this paper,a series of experimental studies have been conducted to master the coagulation time and final products in conditions of different concentrations of phosphoric acid solution mixed with soluble alkali metal silicate materials.The pH value of the mixed solution is taken as the key factor to influence the initial gelling time of the grouting material made by mixture of soluble alkali metal silicate materials and phosphoric acid solution.By adjusting the different proportions of soluble alkali metal silicate materials and phosphoric acid solution,the mixed material for grouting can meet the needs of various working conditions.The grouting materials developed from this paper have been put in the practical application of the projects and delivered good results,it is recommend-worthy.

grouting material；soluble alkali metal silicate；phosphoric acid；mix ratio；gelling time.

U454

A

103-5168（2017）09-0070-03

2017-08-01

劉恒杰（1985-），男，本科，研究方向：工程裝備。