盾構隧道壁后注漿中“定時漿”試驗研究

朱 偉， 陸凱君， 邢慧堂， 錢勇進， 王 璐， 魏 斌

(1. 河海大學環境學院， 江蘇 南京 210098； 2. 河海大學 巖土力學與堤壩工程教育部重點實驗室， 江蘇 南京 210098； 3. 河海大學土木與交通學院， 江蘇 南京 210098； 4. 濟南軌道交通集團有限公司， 山東 濟南 250101)

0 引言

盾構技術因具有對城市交通影響小、環保等優勢被廣泛應用于我國地鐵及跨江越海隧道工程施工中[1-2]。盾構施工對圍巖應力和變形擾動極小，主要取決于壓力艙的平衡掘進以及對盾尾空隙的注漿。壁后注漿及時充填了成型隧道管片外徑空間和有效掘進空間中圓環之間的盾尾空隙，這不但減少了地層變形和應力釋放，同時也穩定了管片，對管片的防滲起到保護作用。國際上，壁后注漿材料主要采用雙液漿和單液漿[3]。在我國盾構隧道壁后注漿施工中，除上海等軟土地區較多使用厚漿外[4]，大多數工程都采用單液硬性漿。然而，在我國單液硬性漿使用中，由于凝結時間較長，易引起管片拼裝后上浮，進而產生錯臺等問題[5]。例如： 南京地鐵3號線穿越中風化巖層最大上浮量達到76 mm[6]； 廣州地鐵7號線穿越風化花崗巖層最大上浮量達到118 mm，嚴重破壞了管片的防水性能，導致該段隧道內連續漏水[7]。因此，硬性漿凝結時間過長已經成為引起管片上浮的關鍵問題之一。

許多學者對水泥基注漿材料凝(膠)結時間進行了研究，并取得了較多的研究成果。為了研發適用于搶修、補注工況下的漿液，徐建平等[8]通過摻入三乙醇胺(TEA)將漿液的初凝時間從2.2 h縮短到1.5 h； 丁向群等[9]研究了三乙醇胺與硫酸鋁復摻對水泥凝結時間的影響，結果表明復摻可以將初凝與終凝時間穩定在4～15 min。然而，簡單地縮短單液漿凝結時間也會引發施工問題，例如： 砂漿在砂漿罐中失去流動性而無法泵送。日本在盾構隧道施工中常用雙液漿，注入前A液與B液不接觸，一旦注入后2種漿液在地層混合可在30秒至幾分鐘內膠結[10]，漿液快速膠結對于穩定管片、阻水、保障管片的拼裝質量起到了良好的作用。我國在盾構隧道使用初期也嘗試過使用雙液漿，但是容易引起堵管等問題，故未得到廣泛推廣。

為解決雙液漿注入后膠結時間太短、充填盾尾空隙效果不佳的問題，部分學者對雙液漿中加入緩凝材料后的工程性質進行了研究。日本的秋田騰次等[11]針對雙液漿注入盾尾后孔隙大的問題，研究了磷酸二氫鈉對水泥-水玻璃漿液緩凝作用，結果表明： 磷酸二氫鈉可以提高漿液的膠結時間，但緩凝效果較差。郭棋武等[12]采用氯化鋁溶液對雙液漿進行改性，采用倒杯法測定漿液膠結時間，結果表明： 氯化鋁溶液可以有效緩凝雙液漿，將雙液漿膠結時間提高到20 min左右。日本的泉徹[13]為提高注漿材料的止水性，研究了脂類物質對漿液硬化延遲的影響，結果表明： 脂能夠讓漿液硬化延遲，漿液在1.5 h左右依舊處于可塑狀態。王成等[14]針對管片上浮問題，研究了聚丙烯酰胺對雙液漿的作用，研究表明： 聚丙烯酰胺能夠讓漿液長期(6.9 h)處于塑性狀態。

針對管片上浮的問題，快硬性漿液的配置是有效的解決辦法。目前漿液研究成果中主要分為2類，第1類是以單液漿為主，凝結時間過長，不能解決管片上浮問題； 第2類是以雙液漿為主，膠結時間過短，在單管注漿的工藝下容易造成堵管問題。針對這一現象，本文提出了“定時漿”的概念，旨在把漿液的膠結時間控制在注入后的30～60 min，還探討了“定時漿”的注入性能、強度、注漿工藝以及適用工況。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

水泥采用安徽海螺水泥股份有限公司生產的海螺牌P·O 42.5普通硅酸鹽水泥。粉煤灰采用河南鞏義二電廠生產的Ⅱ級粉煤灰，比表面積320 m3/kg。砂為河砂，試驗前先經水洗，再在108 ℃烘箱烘干24 h后用1 mm土工篩篩分剩余部分。膨潤土為南京江寧湯山膨潤土，是一種鈣基膨潤土。水玻璃主要成分是硅酸鈉水溶液，波美度為35 °Bé，模數為2.5。氯化鋁為國藥集團生產的無水氯化鋁，分析純AR 99%，使用前配置成濃度為1 mol/L的溶液。水為自來水。

1.2 單液硬性漿配方

本研究的“定時漿”是在單液硬性漿中先加入緩凝材料，再加入促凝材料，從而實現對含有水玻璃的單液硬性漿的水化速率進行控制的一種壁后注漿漿液。試驗使用了較為常見的單液漿配方，參照濟南地鐵R2線某區間漿液配比(實際注入前還加有水泥)如表1所示。

表1 單液硬性漿配比

1.3 試驗流程

先按表1配比配制單液漿，再加入具有控制水化功能的氯化鋁溶液(體積摻量為0.25%～1.00%)攪拌3 min，這2種材料混合后不發生反應；且加入氯化鋁溶液之后，由于氯化鋁溶液摻量相對漿液體積較少，原漿液的稠度、分層度變化不大，不影響其注漿性能參數； 然后，加入具有促凝作用的水玻璃攪拌 5 min之后形成“定時漿”； 最后，測定其注漿性能和力學性能，試驗流程見圖1。

圖1 試驗流程圖

1.4 測定方法

膠結時間指漿液各組分充分混合后失去流動度所經過的時間，現場采用的是比較簡便的倒杯法進行測定。流動度測定方法參照JGJ/T 70—2009《建筑砂漿基本性能試驗方法標準》。壁后注漿體強度按照GB/T 50123—1999《土工試驗方法標準》，采用直徑為39.1 mm、高度為80 mm的定制模具制樣1 d后脫模，并放入溫度20 ℃、濕度95%的標準養護箱中養護7 d和28 d，測定其無側限抗壓強度。

2 試驗結果

2.1 水玻璃體積摻量與硬性漿膠結時間的關系

常用硬性漿在不攪拌擾動情況下，凝結時間在6～10 h。本次試驗所使用的硬性漿凝結時間為6.5 h。“定時漿”的思路是在單液漿中先加入緩凝材料，后續再加入促凝材料水玻璃來控制水化反應。因此，先實測水玻璃加入硬性漿后的膠結時間，水玻璃摻量對漿液膠結時間的影響見圖2。

圖2 水玻璃摻量對漿液膠結時間的影響

圖2示出了水玻璃體積摻量在0.50%～20%時硬性漿膠結時間的變化規律。當水玻璃摻量為0.50%時，可使漿液膠結時間降低到75 min左右； 當水玻璃摻量為0.75%時，漿液膠結時間的變化相對穩定，但已經降低至25 min左右； 當水玻璃摻量超過5%時，漿液的膠結時間僅在1 min以內。分析可知，要讓漿液注入后的膠結時間控制在30～60 min，如果只添加水玻璃，那么水玻璃摻量應在0.45%～0.65%。但實際現場應用中水玻璃摻量控制在0.2%十分困難，而水玻璃的少摻或者多摻都會直接導致時間控制失敗。因此，需要再加入氯化鋁溶液進行調控。

2.2 氯化鋁溶液體積摻量與漿液膠結時間的關系

根據2.1節試驗規律，考慮到膠結時間要求與氯化鋁溶液摻入成本問題，先將水玻璃摻量控制在0.50%～1.25%，再加入氯化鋁溶液進行膠結時間的調控。即先在硬性漿中加入氯化鋁溶液形成緩凝漿，然后加入水玻璃，形成“定時漿”膠結時間規律，如圖3所示。分析可知，氯化鋁溶液體積摻量在0.25%～1.00%內能夠有效延長漿液的膠結時間。如果將漿液的膠結時間控制在30～60 min，需要將水玻璃摻量控制在0.50%～1.00%，氯化鋁溶液摻量控制在0.0%～1.0%； 相對于單一摻入水玻璃的情況下(區間范圍0.20%)，優化后的摻量區間變化范圍更容易在施工現場得到控制。

圖3 氯化鋁溶液摻量對漿液膠結時間的影響

除了水玻璃摻量為1.25%時影響關系不夠明確外，膠結時間與氯化鋁溶液摻量之間都存在較好的線性關系，可以表示為：

t=t0+kC。

(1)

式中：t為計算后的膠結時間；t0初始膠結時間；k為緩凝系數(在這里k為62.27)；C為氯化鋁溶液的摻量。

根據式(1)，氯化鋁溶液、水玻璃的體積摻量可根據膠結時間的需要進行較為準確的計算?，F場也可根據推進情況，通過該公式對氯化鋁溶液和水玻璃的摻量進行調整。

2.3 注漿參數

盾構隧道壁后注漿材料性能參數一般包括密度、流動度、分層度、泌水率、凝結時間、收縮率、強度等。由于氯化鋁溶液及水玻璃的摻量都在1%左右，除對流動度、膠結時間、強度可能產生較大影響外，對其他參數影響較小。

流動度變化直接影響到混合后實際注漿施工能否實施的問題，漿液流動度要求在19～25 cm方可泵送[15]。圖4示出了摻入水玻璃與氯化鋁溶液后漿液流動度隨時間變化規律及施工適宜范圍。

從結果中分析可知，氯化鋁溶液的摻入能夠顯著提高加入水玻璃后漿液的流動度。對比流動度變化曲線可知，漿液配置時間越長、水玻璃摻量越多，氯化鋁溶液調節流動度的作用越小。以注漿時間0～30 min為基準，從施工適宜范圍看，共分為2種情況： 第1種情況如圖4(a)所示，大部分漿液的流動度曲線位于適宜施工范圍的上方，即此時的流動度偏大，容易產生泌水離析等現象，不能滿足施工要求； 第2種情況如圖4(b)—(d)所示，大部分漿液的流動度曲線位于適宜施工范圍內，說明大部分漿液的流動度能夠滿足可注要求。

(a) 水玻璃摻量0.50% (b) 水玻璃摻量0.75%

(c) 水玻璃摻量1.00% (d) 水玻璃摻量1.25%

2.4 “定時漿”的力學性能

除注漿性能以外，還必須考慮注入后最終形成的注漿體強度。根據《地下鐵道工程施工及驗收規范》和“定時漿”快速穩定管片、穩定地層的需求，壁后注漿早期注漿體的強度應盡可能高，此處設定漿液7 d強度大于0.7 MPa、28 d強度大于2.5 MPa[15]。

漿液7 d強度滿足強度要求，但隨著氯化鋁溶液摻量增加，7 d強度變化出現2種趨勢，如圖5(a)所示。當水玻璃摻量在0.50%、0.75%時，氯化鋁溶液摻量超過0.50%后，漿液的強度開始下降； 當水玻璃摻量為1.00%、1.25%時，隨著氯化鋁溶液摻量增加，強度呈增長趨勢。

漿液28 d強度變化也有2種趨勢，如圖5(b)所示。水玻璃摻量在0.50%、0.75%的2組在氯化鋁摻量達到0.25%以后強度開始下降，而水玻璃摻量為1.00%、1.25%的2組一直呈現強度增加的趨勢。因此，水玻璃摻量為1.00%、1.25%的2組在氯化鋁溶液摻量>0.50%后，可以穩定滿足28 d強度要求； 但當水玻璃摻量為0.50%時，氯化鋁溶液摻量>0.25%后基本能夠滿足強度要求； 當水玻璃摻量為0.75%時，只有氯化鋁溶液摻量在0.25%～0.50%時滿足強度要求。分析可知，水玻璃摻量在0.50%～1.00%，氯化鋁溶液摻量在0.25%～1.00%，注漿體28 d強度未出現降低現象。

(a) 硬性漿7 d強度

(b) 硬性漿28 d強度

3 配方、注入工藝以及適用情況

3.1 “定時漿”達到“定時”的效果

從工程實用性和經濟性出發，研究開始只考慮使用水玻璃促凝，但如圖2所示，少量水玻璃的摻入造成漿液膠結時間迅速縮短。此后借鑒了泉徹[13]為解決壁后注漿進入盾尾油脂造成油脂硬化的問題而在油脂中添加延遲硬化材料的方法，調整成先在硬性漿中添加氯化鋁溶液，然后在注入前加入水玻璃的思路?；烊肼然X溶液后的硬性漿各項注漿性能參數變化小，滿足配制、運輸和砂漿罐內的存放要求。從圖3可以看出，加入氯化鋁溶液后的漿液在后來與水玻璃反應時表現出線型、穩定的膠結時間關系，這為膠結時間的控制提供了計算公式。同時發現，摻入氯化鋁溶液之后，氯化鋁溶液、水玻璃的摻量范圍擴大，更容易在施工現場得到控制。

3.2 “定時漿”的配方

所有試驗組結果見表2。從膠結時間、流動度、強度這3個主要參數的適宜性來看，配方中氯化鋁溶液摻量0.50%～1.00%、水玻璃摻量1.00%～1.25%能夠滿足要求。當然，這個配方組是基于本研究所用的硬性漿配方、氯化鋁溶液和水玻璃的條件而成立的，實際應用可以根據工程特點對漿液參數進行調整。

3.3 “定時漿”的注入工藝

從實際施工考慮，現有的硬性漿大多數是在攪拌站配制，再由罐車運送到工地，然后由砂漿罐運送到隧道前方進行注漿。由于其間過程耗時久，所以設置的凝結時間大多數在6～10 h。使用“定時漿”時，可以將氯化鋁溶液在硬性漿配置時一起摻入，配置成的帶有氯化鋁溶液的硬性漿仍然保持6～10 h的凝結時間。注入前，通過自動計量設備定量地將儲漿罐A中的緩凝漿與儲漿罐B中的水玻璃混合到儲漿罐C中，使水玻璃與帶有氯化鋁溶液的硬性漿充分混合，然后泵送注入盾尾空隙。但水玻璃并不能一次性與全部硬性漿混合，而是與即將注入地層的部分混合，在30 min內流動度滿足的情況下將已混合、攪拌的漿液全部注入地層。當然也可以通過對現有砂漿罐進行改造，單獨隔出一部分供混合使用。這是一種“雙液單注”的注漿工藝，既能夠保持單液漿的施工簡便性，又能夠通過“定時”達到與雙液漿接近的工程效果。

表2 滿足“定時漿”性能參數表

3.4 “定時漿”的適用性

“定時漿”這類快硬性漿液如果在注漿方式不正確或者不滿艙工況下注入，可能會出現盾構卡殼、停轉等問題。例如，在軟土地層中，盾構推進速度往往會很快，注漿施工往往滯后于盾構推進，或者推進結束后一次注漿，這種“滯后注漿”會使得漿液竄進盾殼酮體，造成卡殼、停轉等問題。另外，在硬巖或上軟下硬地層中常采用不滿艙推進模式，在這種施工模式下，由于壓力艙中的壓力比較低，而盾尾注漿的壓力比較大，壁后注漿體會在高注漿壓力的情況下，沿地層與盾殼間隙向刀盤流竄，也容易導致刀盤鎖死甚至盾構卡殼、停轉等情況。因此，采用“定時漿”進行注漿施工時，必須保證土壓平衡盾構滿艙施工并采用同步注漿工藝；而泥水盾構僅需保證采用同步注漿工藝。

4 結論與討論

4.1 結論

1)單摻水玻璃溶液的漿液膠結時間變化速率過大，氯化鋁溶液可以優化膠結時間變化速率，從而起到定時控制的作用。

2)氯化鋁溶液的摻入能夠有效緩解漿液流動度損失。漿液配置時間越久、水玻璃摻量越多，氯化鋁溶液調節流動度的作用就越小。

3)與普通硬性漿相比，合理的氯化鋁與水玻璃摻量共同摻入到單液硬性漿中，能夠提高漿液的強度，但當水玻璃摻量不變時，氯化鋁溶液過量添加會導致漿液強度的下降。

4)在配置硬性漿時先摻入氯化鋁溶液一起配制，然后在注入前摻入水玻璃，通過簡單的注漿設備改造可以形成“雙液單注”的注漿工藝。

4.2 討論

本文基于膠結時間、強度、流動度等指標配置了一種能夠定時膠結的漿液，并提出了對應的注漿方式，可為壁后注漿施工提供一種新的思路，但仍然有需要繼續深入研究的地方：

1)漿液注入后的地下水環境復雜，除了漿液本身強度，還需要考慮養護環境對漿液強度發展的影響，如鹽溶液環境、弱酸環境等；

2)“定時漿”對抑制管片上浮的效果需要通過現場試驗或數值模擬進行驗證。