盾構新型輕質漿液配合比研究及應用

楊宏波，曹耀東，崔學軍, *，李應川，謝鴻輝，周 偉，商寧寧

(1.中廣核工程有限公司，廣東 深圳 518124；2.中國水利水電第十四工程局有限公司，云南 昆明 650200；3.中國石油集團工程技術研究有限公司，天津 300450)

0 引言

盾構法隧道施工中普遍存在管片上浮現象[1-2]，國內外眾多學者對管片上浮原因進行了研究。葉飛等對管片上浮原因進行了全面分析和總結，認為當管片脫出盾尾時，若同步注漿的漿液不能達到初凝和一定的早期強度，隧道被包圍在壁后注漿的漿液中，受到漿液的浮力比在飽和土中受到的水浮力還要大，在這種大浮力作用下很容易產生上浮現象[3]；通過進一步分析后認為，在軟土地層中，當管片脫出盾尾后，在上覆土自重及側壓力作用下，管片周圍的土體會快速向管片聚積，因此很少出現管片上浮[4]。Shirlaw等[5]認為，在軟土地層中由于周圍土體向管片聚積一般不會出現“注漿所致”的管片上浮，而在硬質土(巖)地層中，管片在注滿漿液到固結硬化之前始終處于漿液的包裹之中，此時管片包裹在未凝固的漿液中會產生向上的浮力[6-10]。筆者對某工程排水隧洞計算結果顯示，當管片周圍被水(密度為1 000 kg/m3)包圍時，管片受到的靜浮力約為管片自重的2.22倍；當管片周圍被注入的未凝結漿液(密度約為1 900 kg/m3)包圍時，其受到的靜浮力約為管片自重的4.22倍。因此，漿液的性能對“注漿所致”的管片上浮影響最為直接。

常用注漿漿液的密度一般為1 600～2 000 kg/m3，在漿液凝結硬化前會產生比水更大的浮力，部分工況(如海域)下同步漿液因劣化而失效，充斥在管片周圍無法凝固，從而加大了上浮趨勢。如能開發出一種新型可漂浮的輕質漿液(密度小于1 000 kg/m3)，具備水中抗分散性和快速凝結性能，注入后懸浮于管片上方，快速凝固后，可抑制管片上浮。為此筆者提出研制一種新型輕質漿液用于盾構二次注漿來抑制管片上浮的設想。

實現輕質砂漿(或混凝土)材料體系的技術手段主要有2種，即采用發泡技術引入氣泡和使用輕骨料的方法[11-12]?？紤]到加氣砂漿(或混凝土)難以滿足盾構注漿的高水壓、泥水循環等動態復雜環境要求，本次試驗研究采用加輕骨料的配制方法。實現水中抗分散和快速凝固的手段是采用功能助劑及特種水泥材料，本試驗采用絮凝劑和快硬水泥進行技術研究。

1 漿液性能指標

根據JGJ/T 12—2019《輕骨料混凝土應用技術標準》、JG/T 521—2017《輕質砂漿》、T/CECS—2018《盾構法隧道同步注漿材料應用技術規程》相關技術要求，結合本次研發“輕質、快凝”需要，新型輕質漿液應具備水中漂浮、抗分散、終凝時間短、基本不泌水和結石率高等特點，故性能指標設定如下：

1)漿液容重小于1 000 kg/m3；

2)抗分散性指標懸濁物含量小于150 mg/L；

3)泌水率小于0.5%；

4)結石率大于95%；

5)終凝時間150～180 min；

6)3 d抗壓強度大于0.5 MPa，28 d抗壓強度大于2.5 MPa。

2 原材料及試驗方法

2.1 原材料

1)骨料。采用常規膨脹珍珠巖、憎水膨脹珍珠巖、漂珠、空心玻璃微珠和陶粒。輕質骨料性能參數見表1。

表1 輕質骨料性能參數

2)水泥。采用強度等級為42.5級的普通硅酸鹽水泥、高貝利特硫鋁酸鹽水泥和快硬硫鋁酸鹽水泥，上述3種水泥的化學組分見表2。

表2 水泥化學組分

3)水。采用自來水。

4)絮凝劑。采用具有不同流變性的絮凝劑UWB-Ⅱ和UWB-Ⅲ。

5)減水劑。采用粉體聚羧酸減水劑BSH-200，減水率25%以上。

6)調凝劑。采用甲酸鈣，工業級，含量大于98%。

2.2 試驗方法

輕質漿液容重、抗壓強度、凝結時間和結石率參照JGJ/T 70—2009《建筑砂漿基本性能試驗方法標準》和T/CECS 563—2018《盾構法隧道同步注漿材料應用技術規程》測定，懸濁物含量參照GB/T 37990—2019《水下不分散混凝土絮凝劑技術要求》測定。以漿液不同齡期抗壓強度(1 d、3 d、7 d、28 d)、容重、懸濁物含量等考核指標對漿液性能進行評估，優選材料，以正交試驗確定漿液最佳配合比。

3 原材料比選

3.1 輕質骨料的比選

以表1所列的5種常見輕質骨料，配制容重小于1 000 kg/m3的漿液，綜合比較其抗分散性及抗壓強度等性能，考察其適宜性。具有代表性的輕質漿液配合比及性能見表3。當水泥、絮凝劑和減水劑用量相同、且漿液呈可漂浮狀態時，用空心玻璃微珠(T4)和憎水膨脹珍珠巖(T2)配制出的漿液抗壓強度較高、抗分散性較好；而陶粒(T5)和漂珠(T3)的水泥包裹性差，抗分散很差；常規膨脹珍珠巖(T1)的多孔性吸水率太高，抗水壓能力也較差。因此，只有憎水膨脹珍珠巖(T2)和空心玻璃微珠(T4)滿足要求。鑒于空心玻璃微珠(T4)和憎水膨脹珍珠巖(T2)試驗結果相差不大，但空心玻璃微珠(T4)的價格遠高于憎水膨脹珍珠巖(T2)，從工程應用的經濟性考慮，本次試驗研究選用憎水膨脹珍珠巖(T2)作為輕質骨料。

表3 輕質漿液配合比及性能

3.2 水泥的比選

在普通水泥體系中添加調凝劑或采用硫鋁酸鹽水泥體系都是常用的調節凝結時間的方法。使用選定的輕質骨料(憎水膨脹珍珠巖T2)和表2中所列3種水泥、調凝劑等進行漿液配制，考察3種水泥在凝結時間方面的差異，水泥比選試驗見圖1。試塊抗壓強度比選試驗見圖2。具有代表性的漿液配合比及性能見表4。

圖1 水泥比選試驗

圖2 試塊抗壓強度比選試驗

表4 漿液配合比及性能

由表4可知，僅使用普通硅酸鹽水泥(S1)配制的漿液終凝時間長，均超過2 000 min，添加調凝劑后，終凝時間仍然超過600 min；用快硬硫鋁酸鹽水泥(S2)配制的漿液凝結時間短，不足30 min，凝結過快，泵送時堵管風險較大；用高貝利特硫鋁酸鹽水泥(S3)配制的漿液，終凝時間為165～185 min，1 d抗壓強度大于1 MPa。通過比較可知，高貝利特硫鋁酸鹽水泥(S3)在凝結時間方面可控性較好，選擇其作為本次試驗用膠凝材料。

4 正交試驗分析

為了掌握憎水膨脹珍珠巖(T2)、高貝利特硫鋁酸鹽水泥(S3)、絮凝劑和減水劑等對輕質漿液性能的影響，優選出最佳配合比，開展正交試驗。

4.1 正交試驗設計

輕質漿液中，膠凝材料和膨脹珍珠巖顆粒的比例(膠砂比)主要影響容重、抗壓強度和抗分散性；減水劑主要影響流動性、用水量和強度；絮凝劑摻量及不同的絮凝劑質量比主要影響抗分散性、泌水率、結石率和凝結時間。因此，正交試驗選取以下4個影響因素：膠砂比(因素A)、絮凝劑摻量(因素B)、減水劑摻量(因素C)、絮凝劑UWB-Ⅱ和UWB-Ⅲ的質量比(因素D)。各因素均取5個水平，正交試驗影響因素水平見表5，根據試驗因素水平個數，結合試驗規模，采用L25(56)正交表來安排試驗。在試驗過程中，由于絮凝劑的加入，各組配合比的輕質漿液均未出現泌水現象，結石率也達到100%，故泌水率和結石率2項數據在正交試驗的分析中將不再列出。

表5 正交試驗影響因素水平

4.2 正交試驗結果

按照設計進行的輕質漿液正交試驗結果見表6。

表6 輕質漿液正交試驗結果

4.3 極差分析

對試驗結果中各因素相同水平下同齡期懸濁物含量、容重和抗壓強度求平均值和極差進行分析，結果見表7。

表7 極差分析結果

從表7中極差的大小可以看出，各因素對輕質漿液懸濁物含量(抗分散性)、容重、抗壓強度的影響程度從大到小均為A>B>D>C，即膠砂比(因素A)對輕質漿液性能的影響程度最大，為主要影響因素，其余依次為絮凝劑摻量(因素B)、絮凝劑UWB-Ⅱ和UWB-Ⅲ的質量比(因素D)和減水劑摻量(因素C)。

4.3.1 總體方案設計

結合表6和表7分析可知，膠砂比對輕質漿液的抗壓強度、抗分散性和容重影響較大，膠砂比降低時，抗壓強度隨之降低，抗分散性變差，容重隨之增大。當膠砂比達到5∶1時，其容重較難滿足輕質漿液小于1 000 kg/m3的要求。進一步分析表中數據，當漿液的抗壓強度、抗分散性、容重均滿足要求時，膠砂比應選擇為5∶2～5∶3。

4.3.2 絮凝劑摻量

絮凝劑的作用是提高漿液的抗分散性，但摻入后會增加用水量，對強度和流動性產生一定的影響。分析表6和表7，隨著絮凝劑摻量的增加，輕質漿液的抗壓強度和容重隨之降低，抗分散性則逐漸提高(懸濁物含量降低)。當絮凝劑摻量為3%時，漿液抗壓強度和容重最高，但其抗分散性最差；當絮凝劑摻量為5%時，漿液的抗分散性能最好，但其抗壓強度和容重最低。因此，絮凝劑摻量應在3%～5%選擇。

4.3.3 減水劑摻量

減水劑的作用是降低漿液的用水量，增加流動性，但其會對抗分散性產生不利影響。由表6和表7可知，減水劑摻量為0.2%～0.6%時，漿液抗分散性、容重、強度均滿足要求。但摻量為0.2%～0.4%時，抗壓強度和抗分散性能表現更好，工程使用成本更低，因此減水劑摻量宜在0.2%～0.4%選擇。

4.3.4 絮凝劑類型

UWB-Ⅱ絮凝劑配制的漿液具有流平性，而UWB-Ⅲ型絮凝劑配制的漿液具有堆積性，這2種絮凝劑共同使用可以平衡注漿時填充和流平的不同要求。綜合分析表6和表7中2種絮凝劑復摻結果，UWB-Ⅱ與UWB-Ⅲ的質量比為0.75∶0.25時流平和堆積的綜合效果比較理想，且各齡期強度最高。因此，UWB-Ⅱ與UWB-Ⅲ的質量比為0.75∶0.25時漿液性能最理想。

4.4 優選配合比

綜合以上分析，輕質漿液優選配合比確定為：膠砂比為5∶2，絮凝劑摻量為4%，絮凝劑質量比UWB-Ⅱ∶UWB-Ⅲ為0.75∶0.25，減水劑摻量為0.4%。輕質骨料性能參數見表8。經過試驗，該配合比的各項性能指標如表9所示。結果表明，優選配合比的各項性能指標均已達到本次試驗研究的設計目標。

表8 輕質骨料性能參數

表9 優選配合比性能指標

5 正交試驗分析

為了檢驗新型輕質漿液在現場應用的實際性能，在某海底排水隧洞進行了現場試驗，檢查其可泵送性能，對比分析相鄰區域(采用常規二次注漿)的管片錯臺情況，驗證抗浮效果。

5.1 試驗工程概況

本次試驗選擇在某海底盾構隧洞工程，試驗段位于全斷面微風化花崗巖，隧洞埋深為-33.51 m(其中海水深度為19.21 m)，采用6塊通用楔形管片方案，楔形量50 mm，管片內徑6 700 mm，外徑7 400 mm，環寬1 200 mm。

5.2 試驗設備

采用攪拌和泵送為一體的二次注漿泵——GS30EB(見圖3)。其技術參數見表10。

圖3 GS30EB二次注漿泵

表10 二次注漿泵GS30EB技術參數

5.3 試驗過程及結果

選用與常規二次注漿設備相同的攪拌泵送一體GS30EB注漿泵(見圖3)，將珍珠巖、水泥、外加劑依次加入攪拌機，干拌15 s；然后加水攪拌3 min，混合均勻后注漿。現場選取第700—713環作為第1次試驗段，注漿壓力為0.35～0.45 MPa，共注入輕質漿液30.9 m3；選取第743—754環作為第2次試驗段，注漿壓力為0.35～0.45 MPa，共注入輕質漿液29.85 m3。

現場試驗顯示，新型輕質漿液具有良好的可泵送性能(如圖4所示)，與洞內其他設備協調工作能力良好，人員設備匹配度高。對比常規二次注漿，未新增其他額外工作，且輕質漿液改善了管片錯臺，管片錯臺數據見表11。

圖4 輕質漿液泵送性能

表11 管片錯臺對比分析

6 經濟性分析

以某工程海底排水隧洞微風化硬巖段掘進過程的常規二次注漿為例，每推進10環用水泥-水玻璃雙液漿做一次止水環箍(共3環)，然后用常規二次漿液填充管片背后空隙?，F場實際每環注入常規水泥砂漿(水灰比0.6∶1)3 m3、止水環注入水泥-水玻璃雙液漿(體積比1∶1)5 m3，每個循環(共13環)所需材料費用約2.3萬元。

通過文中新型輕質漿液現場試驗分析，每環2～3 m3輕質漿液就能達到抑制管片上浮的效果，平均按每環2.5 m3計算，累計13環所需材料費用約3.1萬元(詳見表12和表13)。

表12 輕質漿液材料單價分析表

表13 漿液造價對比分析表

7 結論與討論

通過對管片上浮原因分析，確定對容重小于1 000 kg/m3的輕質漿液開展配合比設計及性能試驗；在某工程海底排水隧洞中進行了優化配合比試驗應用并評估了使用效果，得出結論如下：

1)通過配合比設計試驗確定的二次注漿用新型輕質漿液，其性能滿足相關規范對注漿材料及性能的要求，具有良好的抗分散性能，可作為盾構二次注漿用的一種新型材料。

2)輕質漿液在某工程排水隧洞硬巖富水段進行了試驗應用，與常規漿液相比，新型輕質漿液直接材料費稍高，但其抗浮效果顯著，管片錯臺現象得到明顯改善，間接經濟效益和社會效益顯著。

3)本次研發的新型輕質漿液為解決管片上浮提供了一種新思路和方法，且在硬巖富水段已經過試驗驗證，在其他不同的工程地質條件下的應用效果尚需進一步驗證和探討。