管片双液注浆材料及配方研究

马金池

(中国电建集团铁路建设有限公司，北京 100044)

盾构施工中盾尾离脱时，会出现临时无支撑的掘削状态，致使盾尾空隙变形或者局部崩塌，地层松散范围扩大[1]，易产生地层变形[2]。为防止地层变形，提高隧道的抗渗性，需要及时进行同步注浆。为防止盾构管片周围土体的松动，加强土体对盾构管片结构的包裹保护作用，避免管片结构因缺少必要的抗力作用而出现局部应力集中现象[3]，可采用水泥-水玻璃双浆液注浆，通过控制盾尾注浆浆液的凝胶时间，使盾构注浆层能够均匀包裹管片衬砌结构，改善盾构隧道管片衬砌的纵向受力状态[4]，有效控制上覆地层沉降及管片上浮。

国内外许多学者就盾构背后注浆浆液进行了深入研究。李享松等[5]通过室内注浆材料试验、现场注浆试验及有限元数值模拟，对注浆材料的参数及注浆孔距进行优化分析。安妮等[6]对双液浆的凝胶时间、抗压强度等性能进行室内试验，获得其影响因素及相关规律。尹鑫晟[7]对泥水盾构泥膜形成规律和开挖面稳定性两个问题进行了系统研究，采用自行研制的渗透柱开展不同泥浆压力条件下的泥浆渗透试验，研究泥膜的渗透性与时间的关系，以及泥浆渗透对地层渗透系数的影响，揭示了泥浆过滤成膜的机理。姜腾[8]等的研究证明，在不同气压作用下，泥膜存在不同的闭气时间，超过闭气时间后，泥膜即会出现被气体击穿而漏气的现象。韩晓瑞等对泥膜的作用原理及泥膜质量的评价指标进行深入研究，研究表明:当泥浆颗粒级配及密度相同时，泥浆黏度越高，物理稳定性越好。张民庆等[9]研究了超细水泥-水玻璃双液浆的基本性能指标，并将该浆液成功应用于广州地铁杨体区间饱和动态含水砂层。张海涛[10]进行了浆液材料的室内配比试验，分析各种配比对浆液性质的影响，获取不同龄期的强度、流动性、和易性、密度、泌水率等指标，并对注浆材料的配比进行优化。加瑞[11]等研究了泥浆颗粒级配和地层孔径对泥水盾构泥膜形成的影响；张宁[12]等通过工程实践，得到4种砂性地层的泥浆成膜参数；闵凡路[13]、孔玉清[14]对废弃黏土及盾构弃渣中的优质泥浆进行再利用。以往对水泥-水玻璃双液浆的研究，主要集中在注浆材料的工艺和堵水效果方面，而很少对其组成、配比及性能关系进行系统研究。

采用理论研究、室内试验、现场测试等手段，验证双浆液配比方案的适用性及耐久性，提出适用于深圳地铁7号线隧道管片背后同步注浆的适用方案，并在施工实践中取得了预期效果。

1 工程概况及主要不良地质

1.1 工程概况

深圳地铁7号线是连接深圳特区内南半环主要居住区与就业区的局域线，西起南山区丽水路，终于罗湖区太安路，线路全长30.173 km，共设车站28座，全部为地下站。

1.2 主要不良地质

从深圳西部的台地，经冲洪积平原、台地、丘陵和海积平原到东部的台地，地形变化大，总体地势北高南低，主要地貌单元有:海积平原、冲洪积平原、台地和丘陵。沿线主要不良地质包括:

(1)海积平原区普遍分布软土且厚度较大，具有孔隙比大、压缩性高、抗剪强度低等特点，具触变性、流变性和不均匀性，属不稳定土体，施工中易产生侧向滑动和地面沉降。

(2)海积平原区普遍存在饱和砂层、圆砾层，局部夹卵石，富水性大，结构松散，属较不稳定土体，透水性强，施工中易发生坍塌、涌水、涌砂、管涌等现象，部分松散-稍密的饱和砂层为地震液化土，液化等级为轻微-严重。

(3)饱和状态下残积土、全风化花岗岩、花岗片麻岩、混合花岗岩土质不均，属较不稳定土体，受施工扰动时强度骤降，渗透性增大，易造成围岩失稳、隧道坍塌。

(4)地下水的浸泡会使岩土抗剪强度降低，变形加大，易造成基坑和隧道围岩变形、失稳、坍塌。

(5)沿线场地地表水和地下水对混凝土结构、钢筋混凝土结构中的钢筋以及钢结构具不同程度的腐蚀，须采取相应的措施。

2 注浆材料的选取及配比

注浆材料需要满足以下特性要求:

(1)充填性好，不漏失到掘削面及围岩土体中；

(2)流动性好、离析少；

(3)浆液应具备不受地下水稀释的特性；

(4)材料分离少，以便能长距离压送；

(5)注浆填充后，早期强度均匀，与原状土强度相当；

(6)浆液硬化后的体积收缩率和渗透系数小；

(7)无公害、价格便宜[15]。

结合设计要求，最终确定的配合比需要满足以下两点要求:

(1)双液浆的凝结时间为10～12 s。

(2)双液浆硬化后的28 d单轴抗压强度不小于2.5 MPa。

2.1 试验配比材料

双液浆室内试验的A液拟采用水、水泥、膨润土和稳定剂，按照一定比例调配；B液用水玻璃。为确保施工过程不因材料供给问题影响施工进度，增强材料供应的安全可靠性，，对不同供应商的产品进行了交叉试验研究。不同厂家材料的搭配采取3种方案，如表1所示。

表1 不同厂家材料试验搭配

2.2 拟定试验配比

室内试验分为3个阶段进行。

第一阶段:鉴于不同厂家硅酸盐水泥差别不大，选用C组材料组合进行室内试验，验证不同配比的基本性能。

表2 C组材料试验配合比

第二阶段:对C组材料配比双液浆进行基本性能测试验证后，得到双液浆不同材料配比特性的初步规律。为进一步探明双液浆的特性，拟定单因素变化配合比，对其进行试验测试，以探明双液浆的特性变化规律。选用E组材料组合，重点研究水灰比和水玻璃用量两大因素变化时双液浆基本性能的变化规律，为D组、E组材料组合的推荐配合比提供理论依据。依据第二阶段试验结果选出的凝结时间及接近现场施工要求的水灰比区间，考虑双液浆的强度、耐久性和经济性等要求，确定出最合适的水灰比。

(1)双液浆A/B体积比和水玻璃浓度不变，改变不同配比的水灰比，研究双液浆凝结时间和抗压强度的变化规律。具体的配比如表3所示。

表3 E组材料试验配合比

(2)在A液水灰比和B液水玻璃浓度保持不变的情况下，改变A/B的体积比，研究双液浆凝结时间和抗压强度的变化规律，配比如表4所示。

第三阶段:针对D、E组材料组合，拟定满足现场施工所需凝结时间(10～12 s)的配合比。具体的配合比如表5～表6所示。

表5 E组材料试验配合比

表6 D组材料试验配合比

2.3 试验流程及测试内容

(1)双液浆制备流程如图1所示。

图1 双液浆制备流程

(2)双液浆测试内容，主要包括弹性模量、抗压强度、泌水率、凝结时间和流动度的测定。

2.4 试验结果

通过测试试验，对不同材料组合配合比的双液浆进行基本性能的室内测试试验，得到如下结论。

表7 C组材料试验配合比

(1)双液浆的基本性能影响因素包括A液的水灰比、流动度、泌水率，以及B液的用量、浓度。首先，A液的水灰比对双液浆的单轴抗压强度影响最大，在其它因素不变情况下，双液浆的1 h、1 d、7 d、28 d抗压强度，随着水灰比的减小而增大。其次，在同一水灰比下，当水玻璃的用量增加时，双液浆的1 h、1 d、7 d和28 d抗压强度有所增加，但超过一定范围后，这些强度反而会减小。综合分析试验数据，1 L双液浆中水玻璃的用量不宜超过200 mL。

(2)双液浆中水玻璃用量的体积对化学凝胶时间影响因素较大。试验数据显示，固定体积的双液浆凝结时间随水玻璃的用量增大而延长，而且当水玻璃的用量持续增加时，双液浆的化学凝结时间曲线将出现拐点。拐点之后，其凝结时间增长幅度明显增大。

(3)综合考虑可实施性、经济性及耐久性等因素，选定A液水灰比为2.8，设计出了不同材料组合搭配下的推荐配合比区间。通过对其基本性能的测试，28 d的抗压强度能提供一定的安全储备，凝结时间都在10～12 s之间，满足现场注浆的要求。

(4)对不同配比弹性模量的测试结果表明，双液浆的弹性模量表现出和抗压强度相似的规律，即随着水灰比的减小而增大；当水灰比一定时，双液浆的弹性模量在一定范围内随着水玻璃用量的增加而增大。

2.5 注浆材料及施工配比

不同注浆材料组合推荐配合比区间见表8～表10。

表8 E组材料推荐配合比区间

表9 D组材料推荐配合比区间

表10 C组材料推荐配合比区间

3 耐久性分析

盾构隧道背后注入的浆液必须具备良好的长期固结强度和耐久性。耐久性的影响因素包括浆液的化学性质、固结强度及周围环境因素(有无地下水、水的种类及养护条件)。可借助大量的统计数据进行对比分析，确定不同配比的双液浆中水玻璃和水泥浆反应后水化产物的结构、结合特性及分布特征，为双液浆注浆体的耐久性分析提供依据[16]。

双液浆试件中水泥与水玻璃的水化产物在横向和纵向具有各向同性，可以将其分布形态划分为如图2所示的3类。

图2 双液浆形态分布

借助三维视频显微观测系统KH-7700的2D测量功能，可以观测到水泥和水玻璃反应产物所占面积(见图3)。

对不同推荐配合比的水泥水玻璃双液浆试件进行微观结构分析，得到如下结论。

(1)双液浆注浆体产生裂化的内在机理是水泥与水玻璃反应生成的水化硅酸钙凝胶晶型不稳定，容易失水，造成注浆体疏松多孔。

(2)对不同配比双液浆试件的微观构造进行统计分析，归纳出水泥与水玻璃反应产物的三种基本分布形态:细小均匀型分布、局部集中型分布和复合型分布。

(3)使用三维视频显微镜KH770系统的自动识别测量功能，可统计出每种分布形态下水泥水玻璃产物所占的面积比例。采用极限的分析方法，将每种分布形态下水泥和水玻璃反应产物对结构物理力学性能的作用全部扣除，仅仅考虑剩余的纯水泥自身水化产物对结构产生的效应，即通过对不同配比双液浆的物理力学性能进行折减来评估其长期耐久性。根据微观观察统计得到的结果，拟定出双液浆物理力学性能的折减计算公式，并计算出了不同配比下双液浆注浆体出现劣化后的折减系数(如表11所示)。

图3 三维视频显微观测水泥和水玻璃反应产物所占面积

表11 基于耐久性的物理力学参数折减系数计算结果

通过E、D、C组材料推荐配比现场注浆试验，E17、E18、D2、D3材料配比双液浆的单轴抗压强度高，化学凝胶时间可实施性强，较为经济合理，适宜推广。最终选定D3作为施工配合比。

4 水泥水玻璃类双液注浆的数值模拟计算

(1)双液注浆后，在全风化地层段管片的受力和变形最大，基岩段最小，软弱不均段和强风化段居中。总体来看，管片的受力和变形较为正常，在全风化地层段使用C8双液注浆后，管片结构产生最大的内力和变形，最大的弯矩为230.8 kN·m，最大的轴力为2 200 kN，最大的变形为6.4 mm。

(2)对E16双液注浆后注浆层出现劣化时管片结构的内力和变形进行了计算，发现注浆层出现劣化后，管片结构的内力和变形都会增大，而且变形增大的幅度要大于弯矩，但总体上增加幅度都在限值之内，不会对管片结构产生大的影响。

5 结束语

针对深圳地铁7号线隧道特殊的地质条件和工程施工要求，采用配比合理的双液浆注浆能够同时满足可注性和耐久性要求。在同步注浆过程中能够有效充填盾尾空隙，已经凝胶的双液浆在泥水的浸泡下不会分散，从而避免盾构管片衬砌上浮引起的结构受力不利状态的发生；浆体凝固后，具有较高的早期强度，能够保证施工期管片结构的安全。管片结构的长期受力和变形受注浆层物理力学参数降低的影响较小，在注浆层完全劣化的极端情况下，其内力和变形增长在可控范围内，且注浆层劣化后仍满足强度校核要求。