一种新型盾构注浆材料的探索与研究

刘恒杰 华道柱

一种新型盾构注浆材料的探索与研究

刘恒杰 华道柱

（中铁工程装备集团技术服务有限公司，河南 郑州 450000）

为满足盾构施工掌子面临时封闭和盾尾充填注浆的特殊工程要求，探索研究一种适合盾构法施工的胶凝时间可控的低强度注材料。本文通过一系列实验研究掌握了不同浓度的磷酸溶液与水玻璃生成产物及其凝结时间，同时得到了混合液的pH值作为关键因素影响水玻璃磷酸双液注浆材料初凝时间。通过调整水玻璃和磷酸溶液的不同配比能得到满足不同工况需求的注浆材料。水玻璃和磷酸双液注浆材料在工程的实际应用中效果良好，值得推荐。

注浆材料；水玻璃；磷酸；配合比；凝胶时间

1 注浆材料的选择

1.1 注浆材料的特殊工程要求

在盾构掘进过程中，刀具因磨耗超限或脱落、缺损，必须对刀具进行更换。刀具更换前需要对刀盘前方地层进行临时注浆加固。为此，要求注浆材料：抗渗性能好、强度适中，既能有效加固掌子面土体，又能防止刀盘凝结，同时在继续掘进中不影响刀盘开挖。盾尾空隙充填要求注浆材料：凝胶可控，不向盾尾以外区域流失；可注性、流动性好；强度增长快、水密性好等［1］。

现有注浆材料的不足：单液浆水化反应慢，凝胶时间长，易受地下水稀释；水泥水玻璃浆液：注浆压力高，存在击穿盾尾铰接危险。

1.2 注浆材料的选取

要满足掌子面临时封闭和盾尾充填注浆的特殊要求，需要对注浆材料进行初步遴选。首先，考虑无机系注浆材料。例如：水泥单液浆、水泥-水玻璃浆液、水玻璃类、水泥黏土类浆液等。水泥单液浆：水泥水化反应非常缓慢，从注入到固结需要几个小时，且易受地下水稀释；水泥-水玻璃浆液：固结强度相对较高，易使刀盘胶凝；水泥黏土类浆液：流动性、抗渗性好，结实率高，不易用于加固材料；水玻璃类：来源广泛、价格低廉、粘度较低、流动性好，对注浆工程施工有较好的可操作性。经过系统对比分析，初步选定研发材料为水玻璃类材料［2］。

再对水玻璃与氯化钙、硅氟酸、乙二醛、硫酸、醋酸、磷酸等混合浆液进行调研：水玻璃-氯化钙可瞬间发生反应，凝胶时间不易控制；水玻璃-硅氟酸有较强腐蚀性，成本高；水玻璃-乙二醛：成本高，来源受限；硫酸-水玻璃：硫酸属于管制材料且具有较强的腐蚀性，注浆危险性较大；草酸-水玻璃：草酸具有一定毒性，极易经表皮、粘膜被人体吸收，引起中毒；磷酸-水玻璃：磷酸为较安全酸类，低毒，浆液凝胶可控，砂土固结体强度较好。综合浆液的特性、材料来源及对人体的危害程度等，选择磷酸-水玻璃作为注浆材料进行研究。

2 酸性水玻璃浆液凝胶试验研究

2.1 试验方法

稀释磷酸、调整水玻璃波美度到所需值。将调整好的水玻璃和磷酸进行混合，玻璃棒搅拌均匀，记下此时时间。待反应完全后，测量其pH值，并记录。利用倒杯法观察凝胶时间，并记录。

2.2 试验方案及结果分析

①分别对35、30、25°Bé水玻璃，6%、6.5%、7%、8%和10%质量分数的磷酸，水玻璃与磷酸的体积比1∶1、1∶1.2、1∶1.6进行试验，对试验结果进行比较分析。

试验结果表明：25、30、35°Bé水玻璃溶液的敏感度太高，容易出现瞬凝、絮状物或其他凝结不完全现象，实际工程不易控制，故应避免采用［3］。

②试验选取20°Bé的水玻璃，分别和8%、10%和15%质量分数的磷酸按不同体积比进行试验，对比分析不同磷酸质量分数及体积比的酸性水玻璃凝胶时间。

由试验测得的数据从磷酸与水玻璃的体积比与pH值的关系以及浆液的pH值与凝胶时间的关系两个方面分析，将数据绘制成图。

由图1、2、3、4、5和图6可以看出，随着磷酸和水玻璃体积比不断增大，溶液的pH值减小，凝胶时间增加，存在严格对应关系。当pH值在4～7时，凝胶时间为0～3 600min，适于工程应用。

3 酸性水玻璃砂土加固性能研究

3.1 实验方法

试验采用粒径为0.02～0.5mm的砂制备酸性水玻璃浆液加固体试件。磷酸水玻璃组分浓度及配比选择如表1所示。先将砂装满试模，捣固慢慢加入浆液，直至饱和，表面与试模取平，待固化后脱模。脱模后试块放入养护箱中养护，养护温度为20±5℃，湿度95%。测3d、7d、28d时的抗压强度，每组取3块取其平均值［4］。

图1 水玻璃和8%磷酸体积比与pH值的关系

图2 水玻璃与8%磷酸混合液的pH值与凝胶时间的关系

图3 水玻璃和10%磷酸体积比与pH值的关系

图4 水玻璃与10%磷酸混合液的pH值与凝胶时间的关系

图5 水玻璃和15%磷酸体积比与pH值的关系

图6 水玻璃与15%磷酸混合液的pH值与凝胶时间的关系

表1 磷酸水玻璃组分浓度及配比选择

3.2 试验结果

由图7可知，抗压强度随着养护龄期的增加而增大，增加幅度呈下降趋势，28d时强度范围浮动较大；由图8可知，当磷酸浓度变化时，其抗压强度变化不明显；由图9可知，水玻璃波美度为20～30°Bé，增加水玻璃波美度可以提高其加固体抗压强度，但增幅较小。

图7 试件抗压强度随时间变化

图8 试件抗压强度随磷酸浓度变化

图9 试件抗压强度随水玻璃波美度变化

4 工程实践

4.1 工程概况

青岛地铁2号线石老人浴场站B号口地下通道地层为海陆交互相沉积的沙类土、淤泥质土及粘性土、上更新统沙类土。地下水主要有松散土层孔隙潜水和基岩裂隙水两种。自稳能力低，可注性差，极易发生涌水溃砂。拱顶埋深极浅，在大气降水及地下水影响下渗透严重。各类管线（燃气、给水、暗渠）及通信光缆密集，管线距拱顶最近处仅为2.08m。地面交通流量大，无形中加大了施工难度。

4.2 注浆设计参数

采用质量分数为8%的磷酸和20°Bé水玻璃按照2∶1的体积比进行混合注入。

4.3 注浆方式

通过双液注浆泵将配置好的甲、乙两液采用孔口混合的方式进行注浆。采用定量注浆法，每根导管注入规定浆液，每根导管都达到设计注浆结束标准，即可结束注浆。

4.4 注浆效果

注浆结束后钻孔检查，无渗水现象，进行钻孔电视探查，孔壁无坍塌，加固效果良好，开挖时，开挖边缘整齐，浆液加固情况良好。如图10-11所示。

图10 现场钻孔注入情况

图11 开挖浆液扩散情况

5 结论

pH值是磷酸-水玻璃浆液凝胶时间的决定性因素。为保证浆液在注浆加固区域内充分渗透和扩散，选择磷酸-水玻璃混合液pH值在4～7的材料配比，凝胶时间控制在0～3 600s之间；砂土加固体的抗压强度随养护时间的增加而增大。磷酸浓度、水玻璃波美度及磷酸与水玻璃的体积比的变化对砂固体的抗压强度影响较小。

通过青岛地铁2号线石老人浴场站B号口地下通道砂层注浆加固工程，选用材料配比为质量分数为8%，20°Bé的磷酸-水玻璃组合，按体积比为2∶1进行应用，取得了良好的加固效果。说明此类组合的应用可行。应用过程中根据现场的实际情况，严格控制配置溶液的pH值，确保混合溶液的性能。

［1］湖南大学.建筑材料［M］.北京：中国建筑工业出版社，1997.

［2］杜嘉鸿.地下建筑注浆工程简明手册［M］.北京：科学出版社，1992.

［3］熊厚金.国际岩土锚固与灌浆新进展［M］.北京：中国建筑工业出版社，1996.

［4］王杰.岩土注浆理论与工程实例［M］.北京：科学出版社，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

刘恒杰（1985-），男，本科，研究方向：工程装备。