不同地層盾構泥砂對制備同步注漿材料性能影響研究

林文書，王紅喜，彭碧輝，許 可，王 彪，丁慶軍

(1.武漢地鐵集團有限公司，湖北 武漢 430030;2.武漢理工大學，湖北武漢 430070)

0 引言

進入21世紀以來，我國隧道和城市地下空間工程的發展日新月異，項目繁多，工程浩大。持續增加的地鐵隧道需要穿越大量的地下管線、建筑物以及各種復雜地層，尤其是當遇到含水量高的軟黏土地層、高液化程度的砂層等時，地下隧道建設將面臨巨大的挑戰。同步注漿技術可以起到對地層的填充加固、防水堵漏等作用，是地下巖土工程建設中不可或缺的重要技術［1－2］，對地下空間的開發有著重要的意義。同步注漿材料作為同步注漿技術的關鍵要點之一，其性能的優劣將直接影響到地下巖土工程的質量，因此，對同步注漿材料進行研究有著重要的意義。

盾構泥砂是指在地下工程盾構施工過程中，盾構機在向前推進的同時，被粉碎、切削、挖掘的土體隨著運輸工具排出地下空間，排出的渣土經過酸堿平衡或泥水分離處理，保留其中相對密度在1.15～1.35 t/m3的泥水作為覆蓋刀盤泥漿的部分原材料進行循環利用;而相對密度大于1.35 t/m3的大顆粒泥砂則一般不能被利用，最終導致產生大量的廢棄泥砂。

盾構泥砂和盾構泥水屬于盾構工程的廢棄物，目前工程界已有較成熟的盾構泥水分離處理技術［3－4］，而盾構泥砂的處理一直是困擾廣大專家學者與施工建設單位的一大難題，雖然存在對其進行改良的手段［5］，但一直未能找到有效再利用的方法［6］。武漢理工大學的許可［7］率先利用盾構泥砂制備了同步注漿材料，并研究了盾構泥砂對同步注漿材料的工作性能及物理力學性能的影響，但其所取用的盾構泥砂組成范圍波動較小，未能研究不同地層盾構泥砂制備的同步注漿材料的性能特性。本文將對不同地層盾構泥砂以及盾構泥砂的物理特性對同步注漿材料的工作性能及耐久性能的影響進行系統和深入的研究。

1 原材料與試驗方法

1.1 原材料與試驗儀器

1.1.1 原材料

1)水泥。P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，華新水泥有限公司生產，堡壘牌，比表面積350 m2/kg，化學成分見表1。

2)粉煤灰。Ⅱ級粉煤灰，陽邏電廠生產，其化學組成見表1。

表1 原材料的化學組成Table 1 Chemical composition of raw material %

3)盾構泥砂。武漢市軌道交通盾構泥砂分別取自地鐵2號線寶通禪寺、青年路，4號線楊春湖、工業四路、岳家嘴等施工標段。

4)外加劑。自制復合減水保塑抗水分散外加劑HMA －6。

1.1.2 試驗儀器

JJ－5型水泥膠砂攪拌機、NLD－3型水泥膠砂流動度測定儀、ZKS－100砂漿凝結時間測定儀、砂漿稠度儀、壓力試驗機。

1.2 試驗方法

1)抗壓強度參照 GB 177—1985《水泥膠砂強度檢測方法》進行。

2)同步注漿材料的流動度、稠度和凝結時間都可參考JGJ/T 70—2009《建筑砂漿基本性能試驗方法標準》進行試驗。

3)同步注漿材料泌水率的測定參照GB/T 3183—1997《砌筑水泥》的附錄A方法進行。

4)漿液抗水分散試驗參照DL/T 5177—2000《水下不分散混凝土實驗規程》進行。

2 試驗結果與分析

2.1 盾構泥砂對同步注漿材料性能的影響

控制含砂量為40%，調節黏粒含量，采用不同黏粒含量的盾構泥砂制備同步注漿材料，控制水膠比為0.7，水泥粉煤灰質量比為1∶1，膠砂比為0.4，HMA －6摻量為4%，試驗與測試結果如下。

圖1為黏粒含量對注漿材料流動性能的影響。從圖1中可以看出:漿液的初始流動度與1 h后的流動度隨著黏粒含量的增加均呈現馬鞍形，即存在先增大后減小的趨勢;在黏粒含量為10% ～20%時，漿液的流動度達到最大值，初始流動度超過210 mm，1 h后流動度超過190 mm，而黏粒含量的過低與過高都會導致漿液流動性能的下降。

圖1 黏粒含量對流動度的影響Fig.1 Influence of clay content on fluidity

圖2為黏粒含量對注漿材料穩定性能的影響。從稠度隨黏粒含量變化曲線中可以看出:漿液的稠度值隨著黏粒含量的增加而不斷降低，漿液逐漸變稠;黏粒含量在40%以內時，能夠滿足設計稠度(9～10.5 cm);黏粒含量大于40%時，漿液過于黏稠，不利于泵送施工。從泌水率隨黏粒含量變化曲線中可以看出:在黏粒含量變化過程中，漿液泌水率始終滿足小于2%的設計要求;在黏粒含量由0增加到20%的過程中，漿液的泌水率有較明顯的減小趨勢;黏粒含量超過20%后，泌水率接近0，且變化不明顯。

圖2 黏粒含量對稠度與泌水率的影響Fig.2 Influence of clay content on consistence and bleeding rate

圖3為黏粒含量對注漿材料力學性能與抗水分散性能的影響。從圖3中可以看出:注漿材料的抗壓強度隨著黏粒含量的增加變化不明顯，基本保持在6 MPa左右;水陸強度比隨著黏粒含量的增加存在注漿增大的趨勢，但程度不明顯。

圖3 黏粒含量對28 d抗壓強度及水陸強度比的影響Fig.3 Influence of clay content on 28 d compressive strength and wet-dry strength ratio

綜合評價流動性能、穩定性能、力學性能與抗水分散性能，黏粒含量在10% ～30%時，制備出的同步注漿材料具有良好的流動性能，能滿足“膏”狀穩定性，力學性能達標且抗水分散性優異，其中尤以黏粒含量為20%時為最優含量，各項性能均處于最佳值。

控制黏粒含量為20%，調節含砂量，采用不同含砂量的盾構泥砂制備同步注漿材料，控制水膠比為0.7，水泥粉煤灰質量比為1∶1，膠砂比為0.4，HMA －6摻量為4%，得出了試驗與測試結果。

圖4為含砂量對注漿材料流動性的影響。從圖4中可以看出:漿液的初始流動度與1 h后流動度都隨著含砂量的增大而增大，在含砂量小于40%時增大幅度明顯，而含砂量大于40%時，流動度達到210 mm左右后，變化幅度變小;含砂量在0～20%的泥砂制備的同步注漿材料流動性能極差，初始流動度不足176 mm，很容易導致堵管事故，不適宜用來制備同步注漿材料。

圖4 含砂量對流動性能的影響Fig.4 Influence of sand content on fluidity

圖5為含砂量對注漿材料穩定性的影響。從圖5中可以看出:漿液的稠度值與泌水率都有隨著含砂量的增大而增大的趨勢;含砂量在20% ～60%時，制備的漿液稠度值能滿足設計要求(9～10.5 cm);含砂量在70%以下時，制備的漿液泌水率都能滿足設計要求(小于2%)。

圖5 含砂量對稠度與泌水率的影響Fig.5 Influence of sand content on consistence and bleeding rate

圖6為含砂量對注漿材料力學性能與抗水分散性能的影響。從圖6中可以看出:注漿材料的28 d陸地抗壓強度隨含砂量的增大有先增大后減小的趨勢，且在含砂量為60%時達到最大值(6.81 MPa)，而水陸強度比則隨著含砂量的增大而減小;含砂量為80%時，注漿材料28 d水陸強度比僅為0.73，抗水分散性能較差。

綜合評價流動性能、穩定性能、力學性能與抗水分散性能，含砂量在40% ～70%時，制備出的同步注漿材料具有良好的流動性能，滿足“膏”狀穩定性，力學性能達標且抗水分散性優異，各項性能均處于最佳值，所配制漿液的密度為1 500～1 600 kg/m3。

圖6 含砂量對28 d抗壓強度及抗水分散性能的影響Fig.6 Influence of sand content on 28 d compressive strength and wet-dry strength ratio

綜上所述，黏粒含量為10% ～30%、含砂量為40%～70%的盾構泥砂制備的同步注漿材料的流動性、穩定性、力學性能與抗水分散性能均能達到設計要求，適宜于武漢地區地下工程的盾構施工。

2.2 盾構泥砂制備高性能同步注漿材料

通過2.1節的研究不難發現，不同盾構泥砂顆粒組成對同步注漿材料性能的影響與盾構泥砂的顆粒組成含量存在直接關系，為了配置各項性能符合要求的同步注漿材料，必須提出盾構泥砂高性能同步注漿材料的設計方法。

2.1 節的研究認為，黏粒含量為10% ～30%、含砂量為40%～70%的盾構泥砂適宜用來制備高性能同步注漿材料，然而，現實施工過程中，不同地段、不同地層的盾構泥砂顆粒組成與塑性具有較大差別。以武漢地鐵不同施工區間為例，寶通禪寺區間掘出的盾構泥砂屬黏土層，其黏粒含量≥95%，幾乎不含砂粒與粉粒，塑性指數高達27.2;而過江隧道區間掘出的盾構泥砂屬于粉砂層，其含砂量大，黏粒僅為5.6%，塑性指數僅為8.5。因此，對于顆粒組分與塑性不適宜制備高性能同步注漿材料的盾構泥砂而言，必須提出矯正方法，在盡可能多地利用盾構泥砂的前提下，改善其各項性能。

2.2.1 含砂量過低的矯正方法

盾構泥砂的含砂量過低會導致注漿材料的流動性能大幅下降，同時還會對材料的力學性能產生一定影響;因此，可以通過使用河砂等質量替代盾構泥砂及增大水泥摻量2種方法對其流動性能與力學性能進行改進，最終滿足設計與施工要求。選取含砂量小于10%的盾構泥砂，利用50%的河砂等質量取代盾構泥砂，水泥與粉煤灰質量比由1∶1提升為2∶1，其矯正結果如圖7和圖8所示。

圖7 配比矯正對流動性的影響Fig.7 Influence of mixing ratio correction on fluidity

圖8 配比矯正對力學性能的影響Fig.8 Influence of mixing ratio correction on mechanical performance

2.2.2 黏粒含量過低的矯正方法

盾構泥砂的黏粒含量過低會導致注漿材料的黏稠度大幅下降，會在一定程度上影響漿液的穩定性與泵送性能;因此，可以通過增大HMA高效復合外加劑的摻量來對其穩定性與泵送性能進行改進，最終滿足設計與施工要求。選取黏粒含量小于5%的盾構泥砂，HMA－6摻量由0.4提高至0.5，控制用水量，其矯正結果如表2所示。

表2 配比矯正對漿材穩定性與泵送性能的影響Table 2 Influence of mixing ratio correction on stability and pumping performance

針對不同施工區間掘出的不同盾構泥砂，采用上述的泥砂矯正方法配置出的注漿材料具有良好的流動性能，流動度大于190 mm;具有較強的穩定性與黏聚性，稠度處于9～10.5 mm，泌水率＜2%;具有適宜的可用時間，凝結時間＞8 h;具有良好的力學性能，28 d抗壓強度達到4 MPa以上;具有非常好的抗水分散性能，水陸強度比 ＞0.85。

制備的盾構泥砂高性能同步注漿材料應用于武漢地鐵2號線和4號線相應的施工標段，應用結果表明，盾構掘進軸線精度控制在5 cm以內，管片上浮和地表沉降都小于3 cm，注漿效果良好。

3 結論與討論

1)盾構泥砂同步注漿材料的流動性在黏粒含量為10%～20%時達到最大值，并隨含砂量的增大而增大;含砂量大于40%后流動性能較好，且增幅減小。

2)盾構泥砂同步注漿材料的抗壓強度與黏粒含量的關系較小，但隨著含砂量的增大先增大后減小，在含砂量為60%左右時達到最大值。

3)盾構泥砂同步注漿材料的抗水分散性能隨黏粒含量的增大而增強，隨含砂量的增大而減弱;含砂量大于80%后，漿液的抗水分散性能差。

4)采用河砂等質量替代、增大水泥用量及提高HMA高效復合外加劑的用量等方法對不處于可應用范圍的盾構泥砂進行矯正，能配置出具有良好的流動性能與可用時間、較強的穩定性與黏聚性、良好的力學性能與抗水分散性能的高性能盾構泥砂同步注漿新材料。

制備的同步注漿材料應用于武漢地鐵2號線和4號線相應的施工標段，結果表明，盾構掘進軸線精度控制在5 cm以內，管片上浮和地表沉降都小于3 cm，注漿效果良好。該研究為進一步解決大量工程廢棄渣土對城市環境的影響提供了技術支撐，符合可持續發展與構建和諧社會任務的要求。

［1］ 許茜，王彥明，范延勇，等.注漿材料的發展及其應用［J］.21世紀建筑材料，2010(1):58－62.

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［6］ 張鳳祥，焦家訓，余開云，等.產業棄物在土建工程中的再利用［M］.北京:人民交通出版社，2006:42－65.

［7］ 許可.盾構泥砂高性能注漿材料的研究與應用［D］.武漢:武漢理工大學材料科學與工程學院，2011.