盾构施工中同步注浆材料的制备及性能研究

时间：2024-12-27

唐梦蝶，刘相华，张启珲，徐志昊，孙晓辉，马新伟

（1.哈尔滨工业大学海洋工程学院，山东威海 264209；2.济南城建集团有限公司，济南 250031）

0 引言

近年来，随着国内经济的不断发展，我国高等级公路建设正在以前所未有的速度发展。在施工建设过程中，碎石材料是最常见、也是使用数量最多的原料。而在这种原料的生产加工过程中，无疑会产生数量极为庞大的废石粉[1]。若不加以利用，其加工、装卸、运输等成本将十分可观，这些石粉往往作为废弃料随意丢弃，不仅造成了资源的浪费，还造成了环境污染。针对上述现状，为解决在碎石加工过程中产生的石粉对环境的污染问题，提高石材的利用率。研究尝试用废石粉替代部分水泥，作为填充料掺入盾构壁后注浆材料中，研究其对注浆体性能指标的影响。

近年来，地铁在城市建设中占据越来越重要的地位，在对地铁隧道进行盾构施工时，控制其对周围土层的扰动、降低对邻近建（构）筑物的影响非常重要[2]。因此，文中对地铁盾构隧道掘进中同步注浆材料的制备及性能进行了研究。

目前，在盾构壁后同步注浆的相关研究中，对注浆材料的研究相对较早，并且已成功将一些新型注浆材料应用在壁后注浆施工中[3]。目前多种类型的壁后注浆材料在我国隧道施工都有应用，对其的研究也没停过，学者们仍积极地探索各种注浆材料。目前有两大研究方向：一是研究已有的注浆料在不同地层条件下的力学性能，找到适用于不同条件的注浆材料及其配合比；二是对现有注浆料进行改进，研究出来源广泛、无污染、成本低、施工方便和性能优越的注浆材料以满足施工要求[4]。注浆材料及其配比不同，形成的浆液在强度、流动性、填充性、凝结时间、收缩率等方面存在较大差异，直接影响同步注浆加固质量[5，6]。一些学者通过材料试验，采用控制变量法，研究在不同的配合比下，材料试块的性能参数，筛选出性能优异的材料，从而改善施工质量[7，8]。有试验表明加入膨润土会明显改善水泥砂浆的施工性能，在提高浆液稳定性的同时，能改善浆液的可泵性有效地防止注浆堵管[9]。陶成明采用正交试验设计法，对盾构隧道同步注浆浆液配合比进行了试验研究，以浆液稠度、固结体强度、结石率、稳定性和凝结时间等为指标进行了测试，得到质量比为水泥：砂：膨润土：粉煤灰：水=1：2.17：0.44：2.28：2.44的浆液最优[10]。杨成针对兰州地铁下穿黄河砂卵石地层对注浆料工作性能的要求，配制了8组不同配合比的浆液，对浆液密度、流动度、稠度、凝结时间、抗水冲的分散试验及抗压强度等进行测试，得到最优浆液的配合比[11]。

文中沿用单液浆的基本思想，在以上研究基础上，对注浆材料及其配合比进行改良，通过试验得出壁后注浆体的工作性能和物理力学性能，明确不同用途的注浆料的配合比，并在实际工程中加以运用。

1 试验设计

1.1 材料准备

1.1.1 水泥

试验所用水泥PC32.5R复合硅酸盐水泥，各项指标满足标准要求。

1.1.2 砂

砂为普通河砂，试验所用砂全部通过了2.36mm的方孔筛，气干状态，在配合比设计时不考虑其含水率。含泥量不能高于3%。试验用的砂为三级配砂如表1。为了提高盾构壁后注浆材料的密实度和力学性能，砂的级配按颗粒紧密堆积理论进行了计算，得出不同粒级的砂子所占的比例。

表1 各级配砂质量百分数

1.1.3 膨润土

膨润土为Ⅱ级钠基膨润土，因其独特的层状分子结构，具有很强的吸水性，能够吸附注浆材料中多余的水分，增强其保水性、减小其泌水率，增强注浆浆液的稳定性。对遇水膨胀后的膨润土进行激光粒径分析得到的粒度曲线如图1所示。该膨润土的粒径主要分布在0.646～92.75μm之间，整体粒径分布均匀。

图1 Ⅱ级膨润土粒径分析

1.1.4 石粉

试验采用的石粉是热拌沥青混合料再生产过程中所产生的，因石粉颗粒对水的吸附力较弱，加入石粉可减小用水量；在不减小用水量时还可以增大注浆液的流动性，石粉的粒径分布范围从0.205～329.6μm，石粉粒径分析如图2所示。

图2 石粉粒径分析

1.2 试验装置和方法

测试仪器包括砂浆稠度仪、量筒、万能试验机。同步注浆材料的强度、稠度和凝结时间参考JGJ/T 70-2009《建筑砂浆基本性能试验方法标准》[12]进行试验;流动度测试参考GB T-2419-2005《水泥胶砂流动度测定方法》[13]；泌水率测定参考 GB/T 50080-2002《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》[14]。

1.3 正交试验方案

目前对于盾构壁后注浆材料的配合比计算也没有明确的理论计算公式，文中通过正交试验确定了注浆材料的较优配合比方案，希望能对实际工程实践起到一定的参考作用。就试验对注浆料性能有直接影响的因素包括水胶比、水泥质量分数（水泥与胶结料总量比值）、膨润土质量分数（膨润土与胶结料总量的比值）、胶结料总量。石粉质量分数不作为一个独立的变量，当水泥和膨润土的量确定后，石粉的量自然就确定了。根据正交试验原理，基于前期试验探索后决定，每个因素考虑三个水平，设计了四因素三水平的正交试验，各因素三个水平的取值如表2所示，四因素三水平正交表如表3所示。

表2 正交试验因素水平表

表3 正交试验四因素三水平正交

砂的总质量按照体积法计算求得。

砂的总质量得到后，依据表1中的比例，计算求得粗、中、细砂的质量。

2 试验结果与分析

对于单指标正交试验来说，最终较优配合比方案即单指标极差分析的结果，但文中研究的正交试验为多指标正交试验，而各个试验指标对应的优方案和因素主次顺序不同，为确定最终的较优配合比方案，需根据各指标的极差分析结果进行综合平衡分析。

2.1 试验结果

根据上述正交试验设计方法，形成9组试验，9组试验配合比如表4所示。

表4 kg·m3正交试验各试验组配合比

2.2 各指标极差分析

对正交试验结果进行综合平衡分析的前提是先对每个试验指标进行单指标分析。极差分析法与方差分析法都可以用于正交试验结果的单指标处理分析。极差分析法有数据处理过程简易、数据处理结果直观明了等优点，成为最常用的方法[15]。基于正交试验结果进行单指标极差分析，得出各试验指标的影响因素主次顺序和各试验指标所对应的优方案，同时得出各试验指标关于各因素各水平的变化规律趋势图。每组试验分别对注浆料的稠度、泌水率、3d强度、28d强度进行试验，得到试验结果如表5所示。

表5 试验结果汇总

2.2.1 稠度极差分析

基于表5中正交试验结果进行极差分析，分别计算每一个影响因素不同水平条件下的稠度试验结果如图3所示。

图3 各因素对稠度的影响趋势

从图3中可以看出，随着四个因素水平的不断增加，稠度随水胶比的整体变化幅度最大。各因素影响程度主次顺序为：水胶比＞胶结料总量＞水泥质量分数＞膨润土质量分数。对于注浆料来说，稠度要求适中，若浆液太稀会导致注浆材料泌水严重，保水性变差，同时注浆体的后期收缩也会变大；若注浆材料较稠，则会导致浆液的流动性变差，虽然保水性较好，收缩变形也很小，却不易于现场施工泵送。单从稠度指标来说，优选方案是水胶比取0.6、水泥质量分数取0.30、膨润土质量分数0.04、胶结料总量取650kg/m3较为理想。

2.2.2 泌水率极差分析

据表5所示的泌水率试验结果，分别计算每个影响因素不同水平条件下稠度的极差，从图4中可以看出各因素影响程度主次顺序为：水胶比＞胶结料总量＞膨润土质量分数＞水泥质量分数。对于盾构壁后注浆体来说，泌水率越小越好，因泌水率越小说明注浆体的保水性能越好，在施工和运输的过程中不易发生严重离析和分层现象。对于泌水率来说，优方案为水胶比取0.6、水泥质量分数取0.40、膨润土质量分数取0.06、胶结料总量取650kg/m3。

图4 各因素对泌水率的影响趋势

2.2.3 3d强度极差分析

据表5中数值可知3d强度试验结果，分别计算每一个影响因素不同水平条件下3d强度的极差，如图5所示。

图5 各因素对3d强度的影响趋势

从图5中可看出，影响注浆材料3d强度的因素主要有水胶比、水泥质量分数，随着水胶比水平的增大，3d强度在整体上呈现出幅度较大的下降趋势；随水泥质量分数的水平的增大，3d强度呈现出幅度较大的增加。对注浆材料而言3d强度越大越好。对3d强度而已，优方案为水胶比取0.6、水泥质量分数取0.40、膨润土质量分数取0.08、胶结料总量取650kg/m3。

2.2.4 28d强度极差分析

从图6中可看出随着水胶比的增大，28d强度呈现出幅度较大的下降，属于显著因素；随着水泥质量分数和胶结料总量这两个因素的水平的增加，28d强度呈现出增加趋势，属次显著因素；膨润土用量对28d强度没有显著影响，其影响主要是由成型效果导致的。对于28d强度来说，最优方案为水胶比取0.6、水泥质量分数取0.40、膨润土质量分数取0.04、胶结料总量取750kg/m3。

图6 各因素对28d强度的影响趋势

2.2.5 综合分析

依据以上诸影响因素对4个方面性能影响的分析规律可以看出，各因素的变化对不同性能指标的影响规律不尽相同。但从强度来看，水胶比0.6～0.7时均能满足28d强度不低于2～3MPa的质量要求，虽然水胶比0.6能够获得更高的强度，但相应的材料成本会有所提高；另一方面，对于注浆料来说，并非强度越高越好。水胶比的提高会导致泌水率的增大，故水胶比的适宜取值为0.65。胶结料中水泥的质量分数在0.35～0.40之间较为适宜，靠近0.40越优，强度均能满足要求，且对稠度和泌水量影响不大。膨润土的掺量多少对强度影响不明显，适宜掺量为0.07～0.08，越接近0.08越优。胶结料总量在650～700kg/m3，强度均能满足工程使用要求，从施工性能和充分利用石粉的角度，以700kg/m3为宜。