管片雙液注漿材料及配方研究

馬金池

(中國電建集團鐵路建設(shè)有限公司，北京 100044)

盾構(gòu)施工中盾尾離脫時，會出現(xiàn)臨時無支撐的掘削狀態(tài)，致使盾尾空隙變形或者局部崩塌，地層松散范圍擴大[1]，易產(chǎn)生地層變形[2]。為防止地層變形，提高隧道的抗?jié)B性，需要及時進行同步注漿。為防止盾構(gòu)管片周圍土體的松動，加強土體對盾構(gòu)管片結(jié)構(gòu)的包裹保護作用，避免管片結(jié)構(gòu)因缺少必要的抗力作用而出現(xiàn)局部應(yīng)力集中現(xiàn)象[3]，可采用水泥-水玻璃雙漿液注漿，通過控制盾尾注漿漿液的凝膠時間，使盾構(gòu)注漿層能夠均勻包裹管片襯砌結(jié)構(gòu)，改善盾構(gòu)隧道管片襯砌的縱向受力狀態(tài)[4]，有效控制上覆地層沉降及管片上浮。

國內(nèi)外許多學(xué)者就盾構(gòu)背后注漿漿液進行了深入研究。李享松等[5]通過室內(nèi)注漿材料試驗、現(xiàn)場注漿試驗及有限元數(shù)值模擬，對注漿材料的參數(shù)及注漿孔距進行優(yōu)化分析。安妮等[6]對雙液漿的凝膠時間、抗壓強度等性能進行室內(nèi)試驗，獲得其影響因素及相關(guān)規(guī)律。尹鑫晟[7]對泥水盾構(gòu)泥膜形成規(guī)律和開挖面穩(wěn)定性兩個問題進行了系統(tǒng)研究，采用自行研制的滲透柱開展不同泥漿壓力條件下的泥漿滲透試驗，研究泥膜的滲透性與時間的關(guān)系，以及泥漿滲透對地層滲透系數(shù)的影響，揭示了泥漿過濾成膜的機理。姜騰[8]等的研究證明，在不同氣壓作用下，泥膜存在不同的閉氣時間，超過閉氣時間后，泥膜即會出現(xiàn)被氣體擊穿而漏氣的現(xiàn)象。韓曉瑞等對泥膜的作用原理及泥膜質(zhì)量的評價指標(biāo)進行深入研究，研究表明:當(dāng)泥漿顆粒級配及密度相同時，泥漿黏度越高，物理穩(wěn)定性越好。張民慶等[9]研究了超細(xì)水泥-水玻璃雙液漿的基本性能指標(biāo)，并將該漿液成功應(yīng)用于廣州地鐵楊體區(qū)間飽和動態(tài)含水砂層。張海濤[10]進行了漿液材料的室內(nèi)配比試驗，分析各種配比對漿液性質(zhì)的影響，獲取不同齡期的強度、流動性、和易性、密度、泌水率等指標(biāo)，并對注漿材料的配比進行優(yōu)化。加瑞[11]等研究了泥漿顆粒級配和地層孔徑對泥水盾構(gòu)泥膜形成的影響；張寧[12]等通過工程實踐，得到4種砂性地層的泥漿成膜參數(shù)；閔凡路[13]、孔玉清[14]對廢棄黏土及盾構(gòu)棄渣中的優(yōu)質(zhì)泥漿進行再利用。以往對水泥-水玻璃雙液漿的研究，主要集中在注漿材料的工藝和堵水效果方面，而很少對其組成、配比及性能關(guān)系進行系統(tǒng)研究。

采用理論研究、室內(nèi)試驗、現(xiàn)場測試等手段，驗證雙漿液配比方案的適用性及耐久性，提出適用于深圳地鐵7號線隧道管片背后同步注漿的適用方案，并在施工實踐中取得了預(yù)期效果。

1 工程概況及主要不良地質(zhì)

1.1 工程概況

深圳地鐵7號線是連接深圳特區(qū)內(nèi)南半環(huán)主要居住區(qū)與就業(yè)區(qū)的局域線，西起南山區(qū)麗水路，終于羅湖區(qū)太安路，線路全長30.173 km，共設(shè)車站28座，全部為地下站。

1.2 主要不良地質(zhì)

從深圳西部的臺地，經(jīng)沖洪積平原、臺地、丘陵和海積平原到東部的臺地，地形變化大，總體地勢北高南低，主要地貌單元有:海積平原、沖洪積平原、臺地和丘陵。沿線主要不良地質(zhì)包括:

(1)海積平原區(qū)普遍分布軟土且厚度較大，具有孔隙比大、壓縮性高、抗剪強度低等特點，具觸變性、流變性和不均勻性，屬不穩(wěn)定土體，施工中易產(chǎn)生側(cè)向滑動和地面沉降。

(2)海積平原區(qū)普遍存在飽和砂層、圓礫層，局部夾卵石，富水性大，結(jié)構(gòu)松散，屬較不穩(wěn)定土體，透水性強，施工中易發(fā)生坍塌、涌水、涌砂、管涌等現(xiàn)象，部分松散-稍密的飽和砂層為地震液化土，液化等級為輕微-嚴(yán)重。

(3)飽和狀態(tài)下殘積土、全風(fēng)化花崗巖、花崗片麻巖、混合花崗巖土質(zhì)不均，屬較不穩(wěn)定土體，受施工擾動時強度驟降，滲透性增大，易造成圍巖失穩(wěn)、隧道坍塌。

(4)地下水的浸泡會使巖土抗剪強度降低，變形加大，易造成基坑和隧道圍巖變形、失穩(wěn)、坍塌。

(5)沿線場地地表水和地下水對混凝土結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋以及鋼結(jié)構(gòu)具不同程度的腐蝕，須采取相應(yīng)的措施。

2 注漿材料的選取及配比

注漿材料需要滿足以下特性要求:

(1)充填性好，不漏失到掘削面及圍巖土體中；

(2)流動性好、離析少；

(3)漿液應(yīng)具備不受地下水稀釋的特性；

(4)材料分離少，以便能長距離壓送；

(5)注漿填充后，早期強度均勻，與原狀土強度相當(dāng)；

(6)漿液硬化后的體積收縮率和滲透系數(shù)小；

(7)無公害、價格便宜[15]。

結(jié)合設(shè)計要求，最終確定的配合比需要滿足以下兩點要求:

(1)雙液漿的凝結(jié)時間為10～12 s。

(2)雙液漿硬化后的28 d單軸抗壓強度不小于2.5 MPa。

2.1 試驗配比材料

雙液漿室內(nèi)試驗的A液擬采用水、水泥、膨潤土和穩(wěn)定劑，按照一定比例調(diào)配；B液用水玻璃。為確保施工過程不因材料供給問題影響施工進度，增強材料供應(yīng)的安全可靠性，，對不同供應(yīng)商的產(chǎn)品進行了交叉試驗研究。不同廠家材料的搭配采取3種方案，如表1所示。

表1 不同廠家材料試驗搭配

2.2 擬定試驗配比

室內(nèi)試驗分為3個階段進行。

第一階段:鑒于不同廠家硅酸鹽水泥差別不大，選用C組材料組合進行室內(nèi)試驗，驗證不同配比的基本性能。

表2 C組材料試驗配合比

第二階段:對C組材料配比雙液漿進行基本性能測試驗證后，得到雙液漿不同材料配比特性的初步規(guī)律。為進一步探明雙液漿的特性，擬定單因素變化配合比，對其進行試驗測試，以探明雙液漿的特性變化規(guī)律。選用E組材料組合，重點研究水灰比和水玻璃用量兩大因素變化時雙液漿基本性能的變化規(guī)律，為D組、E組材料組合的推薦配合比提供理論依據(jù)。依據(jù)第二階段試驗結(jié)果選出的凝結(jié)時間及接近現(xiàn)場施工要求的水灰比區(qū)間，考慮雙液漿的強度、耐久性和經(jīng)濟性等要求，確定出最合適的水灰比。

(1)雙液漿A/B體積比和水玻璃濃度不變，改變不同配比的水灰比，研究雙液漿凝結(jié)時間和抗壓強度的變化規(guī)律。具體的配比如表3所示。

表3 E組材料試驗配合比

(2)在A液水灰比和B液水玻璃濃度保持不變的情況下，改變A/B的體積比，研究雙液漿凝結(jié)時間和抗壓強度的變化規(guī)律，配比如表4所示。

第三階段:針對D、E組材料組合，擬定滿足現(xiàn)場施工所需凝結(jié)時間(10～12 s)的配合比。具體的配合比如表5～表6所示。

表5 E組材料試驗配合比

表6 D組材料試驗配合比

2.3 試驗流程及測試內(nèi)容

(1)雙液漿制備流程如圖1所示。

圖1 雙液漿制備流程

(2)雙液漿測試內(nèi)容，主要包括彈性模量、抗壓強度、泌水率、凝結(jié)時間和流動度的測定。

2.4 試驗結(jié)果

通過測試試驗，對不同材料組合配合比的雙液漿進行基本性能的室內(nèi)測試試驗，得到如下結(jié)論。

表7 C組材料試驗配合比

(1)雙液漿的基本性能影響因素包括A液的水灰比、流動度、泌水率，以及B液的用量、濃度。首先，A液的水灰比對雙液漿的單軸抗壓強度影響最大，在其它因素不變情況下，雙液漿的1 h、1 d、7 d、28 d抗壓強度，隨著水灰比的減小而增大。其次，在同一水灰比下，當(dāng)水玻璃的用量增加時，雙液漿的1 h、1 d、7 d和28 d抗壓強度有所增加，但超過一定范圍后，這些強度反而會減小。綜合分析試驗數(shù)據(jù)，1 L雙液漿中水玻璃的用量不宜超過200 mL。

(2)雙液漿中水玻璃用量的體積對化學(xué)凝膠時間影響因素較大。試驗數(shù)據(jù)顯示，固定體積的雙液漿凝結(jié)時間隨水玻璃的用量增大而延長，而且當(dāng)水玻璃的用量持續(xù)增加時，雙液漿的化學(xué)凝結(jié)時間曲線將出現(xiàn)拐點。拐點之后，其凝結(jié)時間增長幅度明顯增大。

(3)綜合考慮可實施性、經(jīng)濟性及耐久性等因素，選定A液水灰比為2.8，設(shè)計出了不同材料組合搭配下的推薦配合比區(qū)間。通過對其基本性能的測試，28 d的抗壓強度能提供一定的安全儲備，凝結(jié)時間都在10～12 s之間，滿足現(xiàn)場注漿的要求。

(4)對不同配比彈性模量的測試結(jié)果表明，雙液漿的彈性模量表現(xiàn)出和抗壓強度相似的規(guī)律，即隨著水灰比的減小而增大；當(dāng)水灰比一定時，雙液漿的彈性模量在一定范圍內(nèi)隨著水玻璃用量的增加而增大。

2.5 注漿材料及施工配比

不同注漿材料組合推薦配合比區(qū)間見表8～表10。

表8 E組材料推薦配合比區(qū)間

表9 D組材料推薦配合比區(qū)間

表10 C組材料推薦配合比區(qū)間

3 耐久性分析

盾構(gòu)隧道背后注入的漿液必須具備良好的長期固結(jié)強度和耐久性。耐久性的影響因素包括漿液的化學(xué)性質(zhì)、固結(jié)強度及周圍環(huán)境因素(有無地下水、水的種類及養(yǎng)護條件)。可借助大量的統(tǒng)計數(shù)據(jù)進行對比分析，確定不同配比的雙液漿中水玻璃和水泥漿反應(yīng)后水化產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)、結(jié)合特性及分布特征，為雙液漿注漿體的耐久性分析提供依據(jù)[16]。

雙液漿試件中水泥與水玻璃的水化產(chǎn)物在橫向和縱向具有各向同性，可以將其分布形態(tài)劃分為如圖2所示的3類。

圖2 雙液漿形態(tài)分布

借助三維視頻顯微觀測系統(tǒng)KH-7700的2D測量功能，可以觀測到水泥和水玻璃反應(yīng)產(chǎn)物所占面積(見圖3)。

對不同推薦配合比的水泥水玻璃雙液漿試件進行微觀結(jié)構(gòu)分析，得到如下結(jié)論。

(1)雙液漿注漿體產(chǎn)生裂化的內(nèi)在機理是水泥與水玻璃反應(yīng)生成的水化硅酸鈣凝膠晶型不穩(wěn)定，容易失水，造成注漿體疏松多孔。

(2)對不同配比雙液漿試件的微觀構(gòu)造進行統(tǒng)計分析，歸納出水泥與水玻璃反應(yīng)產(chǎn)物的三種基本分布形態(tài):細(xì)小均勻型分布、局部集中型分布和復(fù)合型分布。

(3)使用三維視頻顯微鏡KH770系統(tǒng)的自動識別測量功能，可統(tǒng)計出每種分布形態(tài)下水泥水玻璃產(chǎn)物所占的面積比例。采用極限的分析方法，將每種分布形態(tài)下水泥和水玻璃反應(yīng)產(chǎn)物對結(jié)構(gòu)物理力學(xué)性能的作用全部扣除，僅僅考慮剩余的純水泥自身水化產(chǎn)物對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的效應(yīng)，即通過對不同配比雙液漿的物理力學(xué)性能進行折減來評估其長期耐久性。根據(jù)微觀觀察統(tǒng)計得到的結(jié)果，擬定出雙液漿物理力學(xué)性能的折減計算公式，并計算出了不同配比下雙液漿注漿體出現(xiàn)劣化后的折減系數(shù)(如表11所示)。

圖3 三維視頻顯微觀測水泥和水玻璃反應(yīng)產(chǎn)物所占面積

表11 基于耐久性的物理力學(xué)參數(shù)折減系數(shù)計算結(jié)果

通過E、D、C組材料推薦配比現(xiàn)場注漿試驗，E17、E18、D2、D3材料配比雙液漿的單軸抗壓強度高，化學(xué)凝膠時間可實施性強，較為經(jīng)濟合理，適宜推廣。最終選定D3作為施工配合比。

4 水泥水玻璃類雙液注漿的數(shù)值模擬計算

(1)雙液注漿后，在全風(fēng)化地層段管片的受力和變形最大，基巖段最小，軟弱不均段和強風(fēng)化段居中。總體來看，管片的受力和變形較為正常，在全風(fēng)化地層段使用C8雙液注漿后，管片結(jié)構(gòu)產(chǎn)生最大的內(nèi)力和變形，最大的彎矩為230.8 kN·m，最大的軸力為2 200 kN，最大的變形為6.4 mm。

(2)對E16雙液注漿后注漿層出現(xiàn)劣化時管片結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形進行了計算，發(fā)現(xiàn)注漿層出現(xiàn)劣化后，管片結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形都會增大，而且變形增大的幅度要大于彎矩，但總體上增加幅度都在限值之內(nèi)，不會對管片結(jié)構(gòu)產(chǎn)生大的影響。

5 結(jié)束語

針對深圳地鐵7號線隧道特殊的地質(zhì)條件和工程施工要求，采用配比合理的雙液漿注漿能夠同時滿足可注性和耐久性要求。在同步注漿過程中能夠有效充填盾尾空隙，已經(jīng)凝膠的雙液漿在泥水的浸泡下不會分散，從而避免盾構(gòu)管片襯砌上浮引起的結(jié)構(gòu)受力不利狀態(tài)的發(fā)生；漿體凝固后，具有較高的早期強度，能夠保證施工期管片結(jié)構(gòu)的安全。管片結(jié)構(gòu)的長期受力和變形受注漿層物理力學(xué)參數(shù)降低的影響較小，在注漿層完全劣化的極端情況下，其內(nèi)力和變形增長在可控范圍內(nèi)，且注漿層劣化后仍滿足強度校核要求。