《武汉工程大学学报》 2013年09期
29-33
出版日期：2013-10-10
ISSN:1674-2869
CN:42-1779/TQ
盾构隧道同步注浆浆液配合比优化设计
0引言 用盾构机开挖隧道时，管片衬砌圈一旦从盾尾脱出，就会不可避免地在围岩与管片外侧之间形成盾尾空隙.当管片衬砌圈未脱离盾尾时，这个盾尾空隙是圆环状，但脱离盾尾后，管片在自重作用下落到与底部围岩相接触，所以衬砌顶部空隙变大，两侧空隙依然保留，而落下的衬砌不可能与底部围岩完全贴合，因而也存在空隙.为此，在盾构机向前掘进的同时，应及时进行管片衬砌背后注入浆液，以尽快填充盾尾空隙，使围岩与管片衬砌圈形成整体，防止地层沉陷及保证施工环境安全，同时也作为盾构隧道第一道防水层. 目前研究和应用的同步注浆浆液普遍存在着充填性不好；稳定性差，易泌水离析；凝结时间不具备可调性，易堵管；浆液的流动性、强度、充填性三者之间难以协调等问题\[1\].本文主要研究浆液各组成成分对浆液性能的影响规律，提出浆液配合比优化方向，为今后类似工程提供参考.1浆液性能要求 为实现盾尾注浆的目的和施工的要求，盾尾注浆浆液必须满足下列要求\[2\|5\]： a.浆液具有适当的凝结时间，且和易性好，能满足注浆施工要求； b.能较好地充填管片与地层之间的建筑空隙； c.浆液固结后收缩率小； d.浆液对注浆设备、管道、混凝土结构等无腐蚀性，并易清洗； e.浆液无公害，材料来源丰富、价格低廉.2试验材料及方法2.1试验材料及项目 主要原材料：水泥（42.5普通硅酸盐水泥）、粉煤灰（Ⅲ级）、膨润土（黄粘土）、砂（粒径＜5 mm，细度模数2.0）、水（生活用水）. 试验项目：稠度、凝结时间、泌水率、7 d抗压强度.2.2浆液的技术指标 根据地层条件、地下水情况及周边条件等，采用不同配比的同步注浆材料进行试验，同步注浆浆液的主要性能应满足下列指标： a.浆液稠度：10～14 cm； b.胶凝时间：一般为3～20 h； c.泌水率：浆液静置2 h后泌出水的体积与总体积之比小于5%； d.固结体强度：一天不小于0.2 MPa，28天不小于2.5 MPa.2.3正交试验设计方案 为了系统研究同步注浆浆液各组成成分对浆液性能的影响规律，本文选择浆液的5个组成成分（水泥、粉煤灰、膨润土、砂、水）作为影响浆液性能的主要因素，每个因素取4组水平，采用正交试验设计方法进行了16组试验，各因素所取水平见表1.表1正交试验设计因素与水平Table 1Factors and levels of orthogonal experimental design水平因素/（kg/m3）A水泥B粉煤灰C膨润土D砂E水18030045770360212035050800390316040055830420420045060860450第9期周麟，等：盾构隧道同步注浆浆液配合比优化设计武汉工程大学学报第35卷3试验结果及其分析 通过对同步注浆浆液的稠度、凝结时间、泌水率、7 d抗压强度几个指标来评价其工作性能，试验结果如图1～图4所示.3.1各原材料对浆液稠度的影响 浆液稠度是指浆液的稀稠程度.稠度大则浆液稀、流动性好，注浆施工时浆液容易流窜到其他区域.稠度小则浆液稠、流动性差，不利于浆液在注浆管道内的泵送.由图1可以看出随着水泥、粉煤灰、膨润土、砂掺量的增大，浆液稠度呈降低趋势.其中，水泥、粉煤灰和膨润土对稠度的影响较小，可以忽略不计.而稠度随砂掺量的变化下降趋势较明显.随着用水量的增加，浆液稠度呈上升趋势.调整稠度的主要因素是砂，其次是用水量.因此在保证浆液凝结时间、泌水率和7 d抗压强度等指标的基础上，适当增加用水量或减少砂掺量均可提高浆液稠度.图1各原材料对浆液稠度的影响曲线Fig.1Influence of the raw materials on grout consistency3.2各原材料对浆液凝结时间的影响 同步注浆浆液的凝结时间是浆液性能的重要参数之一.浆液的凝结时间越长，浆液越容易向土体内流失，容易被地下水稀释，而且难以形成早期强度，不利于约束管片上浮和控制地面沉降.浆液凝结时间太短则会造成浆液还没有完全填充盾尾建筑空隙就失去流动性，从而填充效果不佳.另外，凝结时间过短容易造成浆液堵塞注浆管道. 由图2可以看出随着水泥掺量的增大，浆液凝结时间呈直线下降.随着粉煤灰掺量的增加，凝结时间先下降后上升，但总体变化极小，可以忽略不计.凝结时间随着膨润土掺量的变化上下波动.砂掺量增加，浆液凝结时间呈下降趋势，当砂掺量小于830 kg/m3时，下降较缓慢，砂掺量超过830 kg/m3时，下降趋势明显.随着用水量的增加，浆液凝结时间呈上升趋势.因此，水泥是调整凝结时间的主要因素，砂和水是次要因素.在保证浆液稠度、泌水率和7 d抗压强度等指标的基础上，可以通过适当增加水泥或砂掺量，或减少用水量缩短凝结时间.图2各原材料对浆液凝结时间的影响曲线Fig.2Influence of the raw materials on grout setting time3.3各原材料对浆液泌水率的影响 同步注浆浆液泌水率是单位体积的浆液中固体颗粒下沉时与粒料分离所泌水体积的大小.浆液泌水率是评价同步注浆浆液性能的重要参数之一，可以反映浆液的稳定性.泌水率越小，表示浆液越稳定，反之，浆液越不稳定，在注浆过程中越容易发生堵管现象.因此，同步注浆浆液的泌水率越小越好. 由图3可以看出随着水泥、粉煤灰、膨润土掺量的增大，浆液泌水率呈降低趋势.水泥作为胶凝材料，使浆液的粘聚力增加，阻止自由水从浆液内部泌出到表面，从而降低浆液泌水率.粉煤灰颗粒的反应活性低于水泥，因此在改善浆液泌水方面不及水泥,但是粉煤灰能改善浆液拌合效果，在一定程度上能起到减水效果\[6\].膨润土能吸收水分，减少浆液中游离的自由水，因此增加膨润土掺量能降低浆液泌水率，但当膨润土掺量超过50 kg/m3时，这种变化不明显.随着砂和用水量的增加，浆液泌水率呈上升趋势.砂掺量超过800 kg/m3时，泌水率随砂掺量增加而升高的趋势变缓.但用水量超过420 kg/m3时，泌水率随用水量增加而升高的趋势越来越大.水是调整浆液泌水率的主要考虑因素，其次是水泥和膨润土.在保证浆液稠度、凝结时间、7 d抗压强度的基础上，减少用水量或增加水泥用量或膨润土用量可以降低泌水率.图3各原材料对浆液泌水率的影响曲线Fig.3 Influence of the raw materials on grout bleeding rate3.4 各原材料对浆液7 d抗压强度的影响 用于同步注浆的浆液必须具有一定的早期和后期强度，这样浆液注入盾尾空隙后，连接管片与围岩，使之形成一个整体，均匀承受围岩压力，确保隧道结构稳定，并减少隧道渗水\[7\]. 由图4可以看出随着水泥掺量的增加，7 d抗压强度呈直线递增.随着粉煤灰掺量的增加，7 d抗压强度增加趋势平缓.膨润土掺量增大，7 d抗压强度先减小后增大.砂掺量增大，7 d抗压强度先增大后减小，砂子作为浆液的骨料，砂粒之间的摩擦增大了浆液的剪切角，使得浆液抗压强度增大，但随着砂掺量的增大，砂粒没有足够的水泥浆包裹，使得浆体粘聚力降低，抗压强度减小.随着水用量的增加，浆液7 d抗压强度呈减小趋势.其中，水泥掺量对7 d抗压强度的影响较明显，是调整强度的的主要因素.因此，在保证浆液的稠度、凝结时间、泌水率的基础上，增加水泥掺量或减少用水量均可提高抗压强度.图4各原材料对浆液7d抗压强度的影响曲线Fig.4 Influence of the raw materials on grout compressive strength after 7d4结语 试验表明：水泥对浆液的作用十分明显，是缩短凝结时间和提高强度时主要考虑因素，对降低泌水率也起着重要作用；砂作为浆液的骨料主要影响稠度大小，砂用量与稠度呈反比趋势；水主要影响浆液泌水率；粉煤灰和膨润土对浆液的和易性、稳定性有着一定的作用.在综合考虑稠度、凝结时间、泌水率、7 d抗压强度的条件下，确定浆液配合比为：水泥160 kg/m3，粉煤灰400 kg/m3，膨润土50 kg/m3，砂830 kg/m3，水360 kg/m3.制备的浆液稠度为11～12 cm，凝结时间为10～13 h，泌水率不高于3%，7 d抗压强度不低于2 MPa，均能较好满足盾构同步注浆施工要求.致谢 感谢武汉工程大学交通研究中心为本研究提供实验场地及设备！