粉煤灰掺量对盾构隧道同步注浆浆液性能的影响试验研究

黄德楷，王小刚，夏正茂，阮 雷，鲁茜茜，王士民

(1.西南交通大学 土木工程学院，四川 成都 610031；2.中国水利水电第七工程局有限公司，四川 成都 610213；3.中国电力建设股份有限公司 洛阳分公司，河南 洛阳 471000)

1 概 述

随着国家经济的发展，地区经济文化交流更加频繁，交通与发展的矛盾日益突出，迫切需要大力发展交通基础工程，而城市地铁的修建是解决该问题的有效方法。其中，盾构法凭借施工安全、掘进速度快、适应性强成为目前城市地下隧道和水下隧道施工的主要工法。盾构法施工过程中利用同步注浆技术来填补盾尾间隙、控制地表沉降，而同步注浆浆液的配合比需根据地质条件进行配置。强透水砂卵石地层，由于地层含水量大，同步注浆过程中极易出现浆液稀释或跑浆现象，导致地层坍塌，所以选用合适的浆液配合比对该地层盾构施工尤为重要。粉煤灰作为注浆浆液重要的掺入料，在发挥减少水泥用量，改善浆液和易性作用的同时可使凝结混凝土均匀密实，进而提高混凝土的耐久性，故盾构注浆浆液掺入粉煤灰更加符合经济效益。

目前，对于盾构隧道同步注浆浆液配合比和各类材料对浆液性能的影响已展开大量研究。文献[1]综合叙述了盾构法同步注浆的研究现状和发展趋势，介绍了同步注浆的工艺技术，阐述了同步注浆中不同因素对浆液性质的影响及不同材料的性质与作用；文献[2]利用正交设计实验探究了注浆浆液中水/灰比、膨/水比、胶/砂比等因素对浆液工程性质的影响，在此基础上还运用ANSYS软件进行数值模拟，得到了浆液对地层变形规律的影响；文献[3]通过注浆浆液中不同的材料影响因素与实验泌水率、流动度、凝结时间和抗压强度组成回归方程，进行单因素分析，得出了各因素与性能指标之间的关系；文献[4]则利用固定胶/砂比和水/胶比的试验方法，研究了大掺量粉煤灰在同步注浆浆液中的优化作用，得到了粉煤灰掺量对浆液流动度的影响规律；文献[5]依托广州某地铁线路工程，对不同砂率和粉煤灰掺量进行了和易性对比实验，找出了合理的砂率和粉煤灰掺量，解决了低强度混凝土和易性较低的问题；文献[6]通过粉煤灰—石灰—石膏体系的正交试验，对粉煤灰作为充填注浆材料进行了研究，得到了该体系的最佳配合比，极大地激发了粉煤灰的活性，使其更好的对注浆浆液进行改性；文献[7]研究了粉煤灰对注浆材料性能的影响，得出了适量掺加粉煤灰可缩减浆液凝结时间、提高浆液凝结体后期强度以及大幅度降低浆液成本的结论；文献[8]依托某富水地层工程，在保证浆液强度、抗水分散性、耐久性的前提下，研究了富水地层条件下的浆液配合比；文献[9]则是对富水地层盾构施工同步注浆技术进行剖析，为地中海富水砂层盾构注浆浆液选择了一种与国内完全不同的配合比，解决了该地层盾构施工的难点。

上述研究主要集中于不同注浆材料对盾构注浆浆液性能的影响，在一定程度上可为强透水砂卵石地层盾构注浆浆液配比提供借鉴，但由于盾构注浆浆液与地层条件密切相关，而目前针对强透水砂卵石的地层同步注浆浆液配合的研究相对较少。鉴于此，研究粉/灰比(粉煤灰与水泥配比)对浆液抗压强度、抗水分散性、流动度、稠度的影响规律，选出合适的粉煤灰掺量，得到其优化的同步注浆浆液配合比，以期为注浆工程提供参考。

2 试验方案

2.1 试验材料

根据目前工程实践中盾构隧道同步注浆浆液的应用状况，主要选取水泥、粉煤灰、膨润土、砂、水作为试验基材，具体规格及参数见表1。

表1 试验基材

2.2 试验设计

试验过程中，固定浆液配合比中水/胶比为0.82，在此基础上改变粉/灰比，设计一组对照组和9组实验组。表2为对照组和实验组浆液配合比方案。

表2 浆液基准配合比

3 试验结果与讨论

3.1 粉煤灰对浆液稠度的影响

依照JGJ70—90《建筑砂浆基本性能试验方法》，利用砂浆稠度测定仪测定实验浆液稠度，泥浆粘度随粉/灰比变化曲线如图1所示。

图1 浆液稠度—粉/灰比变化曲线

由图1可知，随着粉/灰比的增大，水泥掺量的减少，浆液稠度变化表现为三大趋势：

(1)当粉/灰比小于1(5∶5)时，随着粉/灰比的增加，浆液稠度先减小后增大，但浆液稠度始终小于不掺粉煤灰时浆液稠度；当粉/灰比为3∶7时，浆液稠度达到最小，为8.4 cm，相比不掺粉煤灰时浆液稠度10.3 cm缩减了22.6%；

(2)当粉/灰比大于1(5∶5)小于4(8∶2)时，随着粉/灰比的增加，浆液稠度先增大后减小，但浆液稠度始终大于不掺粉煤灰时浆液稠度，当粉/灰比为7∶3时，浆液稠度最大为10.8 cm，相比不掺粉煤灰时浆液稠度增加了4.9%；

(3)当粉/灰比大于4(8∶2)时，随着粉/灰比增加，浆液稠度开始大幅降低，且远小于不掺粉煤灰时浆液稠度。

由上述分析可见，粉/灰比在1～4，即5∶5～8∶2时起到增加浆液稠度的作用，而其他粉/灰比条件下，粉煤灰均起到降低浆液稠度的作用，且后者作用效果更为显著，但在整个实验过程中，浆液稠度始终在8.1～10.8 cm范围内变化，表明粉/灰比变化对浆液稠度影响较小。由于在实际工程应用中，注浆浆液需满足10.5～11.5 cm稠度标准，基于图1可选择粉/灰比为5∶5～8∶2的浆液，满足浆液稠度要求。

3.2 粉煤灰对浆液流通性的影响

依照JGJ70—90 《建筑砂浆基本性能试验方法》，利用跳桌测定试验浆液流动度。图2为浆液流动度随粉/灰比变化曲线。

图2 浆液流动度—粉/灰比变化曲线

由图2可知，随着粉/灰比的增加，浆液流动度呈区段波动：当粉/灰比在0～3∶7时，随着粉/灰比增加，浆液流动度逐渐减小，粉/灰比达到3∶7时，浆液流动度为22.9 cm，相比对照组(未掺粉煤灰)的24 cm，浆液流动度缩减了4.8%；当粉/灰比在3∶7～7∶3时，浆液流动度与粉/灰比呈正相关，粉/灰比为7∶3时浆液流动度到达23.9 cm，相比对照组浆液流动度缩减了0.1 cm；当粉/灰比大于7∶3时，浆液流动度与粉/灰比呈负相关，粉/灰比达到9∶1时，浆液流动度达到整个实验组最低值为20.8 cm，相比对照组浆液流动度减低了15%。

由于浆液掺入粉煤灰后的流动度均略小于未掺入时，可见粉煤灰可起到降低浆液流动性的作用，但作用效果不够明显。实际工程应用中，为使盾构注浆浆液易于泵送且不产生离析现象，浆液流动度应保持在22～24 cm之间。基于图2，可将粉/灰比控制在0～8∶2范围内，满足浆液流动度要求。

3.3 粉煤灰对浆液抗压强度的影响

依照JGJ/T70—2009《建筑砂浆基本性能试验方法》，利用压力试验机测定水泥试件砂浆抗压强度。为了能够较全面地分析研究粉煤灰对浆液强度的影响规律，选取入模7 d和28 d的实验混凝土抗压强度大小作为抗压强度评价指标。图3为浆液抗压强度—粉/灰比变化曲线。

图3 浆液抗压强度—粉/灰比变化曲线

从图3中可以看出，随着粉/灰比增加，浆液的7 d和28 d抗压强度均呈减小趋势，且抗压强度减小速度逐渐放缓。同时，随着粉/灰比的逐渐增加，不同养护时间导致的浆液抗压强度之间的差异逐渐增大，而入模方式导致的浆液抗压强度之间的差异逐渐减小。例如，粉/灰比为1∶9时28 d的陆上入模浆液抗压强度12.7 MPa，相比28 d的水下入模浆液抗压强度10.4 MPa增加了22%，相比7 d的陆上入模和水下入模抗压强度8.7 MPa和6.4 MPa，分别增加了46%和63%；随着粉/灰比增加到5∶5，28 d的陆上入模浆液抗压强度降低到4.2 MPa，相比28 d的水下入模浆液抗压强度4.1 MPa增加了2%，相比7 d的陆上入模和水下入模2.3 MPa和2.2 MPa，分别增加了83%和86%，可见随着粉/灰比的逐渐增加，浆液养护时间对浆液抗压强度的影响更为显著，但浆液入模方式对浆液抗压强度影响逐渐减小。

在浆液抗压强度量值上，由于入模7 d和入模28 d变化趋势相同，在此取入模7 d浆液抗压强度进行分析。随着粉/灰比的增加，7天的陆上入模强度从9.5 MPa逐渐减小到0.5 MPa，浆液抗压强度减小了18倍；同等养护时间的水下入模强度也从7.3 MPa减小到0.45 MPa，浆液抗压强度减小了15倍，两种入模方式的强度降低都很显著，表明粉/灰比对浆液的抗压强度有着显著的影响。

从经济角度考虑，实际施工过程中，盾构注浆浆液入模28 d抗压强度位于2～5 MPa即可满足施工要求。基于图3可选择粉/灰比在5∶5～8∶2范围内的浆液，满足浆液强度要求。

3.4 粉煤灰对浆液抗水分散性的影响

在强透水的砂卵石地层，为避免注浆浆液出现稀释或跑浆现象，研究浆液抗水分散性就显得尤为重要。为了探究粉/灰比对浆液抗水分散性的影响规律，引入28 d水陆入模抗压强度比作为浆液抗水分散性评价指标。具体计算公式如下：

水陆入模抗压强度比越接近于1，表明浆液的抗水分散性越好，反之则越差。实验具体计算结果见图4。

图4表明随着粉/灰比的逐渐增大，28 d水陆入模抗压强度比整体呈上下波动状态，但均大于对照组28 d水陆入模抗压强度比，表明粉煤灰的掺入能起到增强浆液抗水分散性的作用，但随着粉/灰比的增加，浆液28 d水陆入模抗压强度比始终在0.83～0.95之间，并无较大的差值，表明粉/灰比的增加对注浆浆液抗水分散性改善作用不够显著。

实际施工过程中，盾构注浆浆液28 d水陆入模抗压强度比不小于0.8即可满足施工要求，基于图4可选择粉/灰比为1∶9～9∶1范围内的浆液，满足浆液抗水分散性要求。

4 结 论

(1)粉/灰比在5∶5～8∶2时可起到增加浆液稠度的作用，其他粉/灰比条件下，起到降低浆液稠度的作用，且后者作用效果更为显著，但在整个实验过程中，粉/灰比对浆液稠度影响较小，粉/灰比在5∶5～8∶2时可满足浆液稠度要求。

(2)粉煤灰可发挥降低浆液流动度作用，但作用效果不够显著，粉/灰比控制在0～8∶2范围内可满足浆液流动度要求。

(3)随着粉/灰比增加，浆液抗压强度均呈减小趋势，且减小速度逐渐放缓；同时，随着浆液粉/灰比增加，浆液养护时间对浆液抗压强度的影响更为显著，但浆液入模方式对浆液抗压强度影响逐渐减小，粉/灰比控制在5∶5～8∶2范围内可满足浆液抗压强度要求。

(4)粉煤灰能起到微弱的增强浆液抗水分散性的作用，粉/灰比控制在1∶9～9∶1范围内可满足浆液抗水分散性要求。

(5)综合考虑注浆浆液本身所需要的稠度、流动度、抗压强度以及抗水分散性，选择泥浆粉/灰比在5∶5～8∶2范围内，可满足工程泥浆各项性能指标要求。