外加劑對(duì)富水復(fù)合地層同步注漿材料力學(xué)性能的影響*

董小龍，耿大新，蔣亞龍，廖煜祺

(1.中國(guó)中鐵隧道集團(tuán)二處有限公司，河北 三河 065201； 2.華東交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，江西 南昌 330013)

0 引言

隨著我國(guó)隧道工程的快速發(fā)展，盾構(gòu)法的應(yīng)用越來越廣泛，同步注漿是盾構(gòu)法施工重要工藝[1-2]。同步注漿材料按類型可分為惰性漿液和活性漿液，在富水復(fù)合地層中常采用單液活性漿液[3-5]。漿液配合比決定了漿液稠度、凝結(jié)時(shí)間、強(qiáng)度等基本性能，通過摻加不同種類和摻量的外加劑，可在一定程度上影響漿液性能，使?jié){液具有施工適應(yīng)性。多位學(xué)者對(duì)同步注漿材料外加劑進(jìn)行了大量研究，如游永鋒等[6]從漿液配合比入手，研究了減水劑、聚丙烯纖維及絮凝劑對(duì)漿液性能的影響；趙洪水等[7]研究了不同摻量水玻璃對(duì)水泥-粉煤灰漿液抗壓強(qiáng)度、凝結(jié)時(shí)間、流動(dòng)度等的影響；周少東等[8]采用膨潤(rùn)土、凹凸棒黏土、羥丙基甲基纖維素、羥乙基纖維素、FDN減水劑、聚羧酸減水劑與葡萄糖酸鈉進(jìn)行復(fù)配，通過優(yōu)化配合比，研制高性能同步注漿材料專用外加劑。由于富水復(fù)合地層盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，要求注漿材料具備凝結(jié)時(shí)間短、早期強(qiáng)度高等特性，因此，需綜合考慮不同外加劑的特點(diǎn)，通過改變外加劑種類與摻量，研制與地層性質(zhì)相匹配的注漿材料[9-11]。本文依托南昌地鐵4號(hào)線安豐站—東新站區(qū)間隧道工程，結(jié)合工程地質(zhì)條件與注漿要求，以施工現(xiàn)場(chǎng)同步注漿漿液為原始漿液，選用水玻璃、聚丙烯酰胺及氫氧化鈣作為外加劑，以改善原始漿液性能，進(jìn)而研制流動(dòng)性好、凝結(jié)時(shí)間短、早期強(qiáng)度高且經(jīng)濟(jì)的注漿漿液。

1 工程概況

南昌地鐵4號(hào)線安豐站—東新站區(qū)間隧道采用盾構(gòu)法施工，長(zhǎng)距離穿越贛江，隧道頂部覆土厚度為9.9～25.8m，地下水穩(wěn)定水位埋深為3.07～11.20m，盾構(gòu)掘進(jìn)地層復(fù)雜，自贛江西岸至東岸依次為淤泥質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土、砂礫、強(qiáng)(中)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、中砂、粗砂、砂礫、中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖地層，隧道埋深大，水壓力大，壁后注漿易出現(xiàn)跑漿現(xiàn)象，引起管片上浮，對(duì)注漿材料稠度、凝結(jié)時(shí)間及早期強(qiáng)度要求較高。

2 注漿材料性能

注漿材料性能指標(biāo)主要包括漿液稠度、凝結(jié)時(shí)間、固結(jié)體強(qiáng)度、固結(jié)率及漿液穩(wěn)定性等，對(duì)于富水復(fù)合地層，漿液稠度、凝結(jié)時(shí)間、早期抗壓及抗剪強(qiáng)度對(duì)注漿效果的影響較顯著，因此，本文對(duì)其進(jìn)行重點(diǎn)研究。

2.1 漿液稠度

漿液稠度可體現(xiàn)漿液稀稠程度，表征漿液在重力或外力作用下的流動(dòng)性。同步注漿漿液稠度一般要求為9～11cm[11]，如果漿液稠度太小，其流動(dòng)性差，不利于泵送，甚至可能造成堵管，無法泵送；如果漿液稠度太大，注漿后易出現(xiàn)跑漿現(xiàn)象，可能造成注漿不密實(shí)，甚至出現(xiàn)空洞。

2.2 凝結(jié)時(shí)間

漿液凝結(jié)時(shí)間表示漿液由流態(tài)凝結(jié)成固態(tài)所需的時(shí)間，如果凝結(jié)時(shí)間過長(zhǎng)，注漿后漿液難以凝結(jié)成型，無法滿足早期強(qiáng)度要求，不利于承受圍巖壓力，且易被水稀釋，造成跑漿；如果凝結(jié)時(shí)間太短，漿液在完全填充盾尾空隙前可能失去流動(dòng)性[12]，導(dǎo)致注漿不密實(shí)，甚至造成堵管。對(duì)于富水復(fù)合地層，為防止?jié){液被地下水稀釋，保證注漿效果，應(yīng)適當(dāng)縮短凝結(jié)時(shí)間，一般將凝結(jié)時(shí)間控制為3～10h[13]。

2.3 早期抗壓強(qiáng)度

同步注漿漿液須具有一定的早期抗壓強(qiáng)度[14]，一般要求1d抗壓強(qiáng)度≥0.1MPa，28d抗壓強(qiáng)度>2.5MPa。通過同步注漿及時(shí)填充盾尾空隙，使盾構(gòu)管片與周圍巖體形成整體，共同承受圍巖壓力，防止管片上浮，并控制地層變形。

2.4 早期抗剪強(qiáng)度

盾構(gòu)逐漸脫離管片后，隧道受浮力作用，具有上浮趨勢(shì)，此時(shí)漿液尚未硬化或硬化不完全，需依靠漿液抗壓能力及注漿材料內(nèi)部摩擦力、抗剪承載力抵抗隧道上浮。一般要求注漿材料24h抗剪屈服強(qiáng)度≥1 200Pa。

3 試驗(yàn)概況

本試驗(yàn)主要材料包括普通硅酸鹽水泥、Ⅱ級(jí)粉煤灰、鈉基膨潤(rùn)土、細(xì)砂、水玻璃、聚丙烯酰胺、氫氧化鈣，基于控制變量法原理，進(jìn)行單因素試驗(yàn)研究，分析外加劑對(duì)漿液稠度、凝結(jié)時(shí)間、早期抗壓及抗剪強(qiáng)度的影響。

試驗(yàn)儀器包括精密電子秤、量筒、量杯、攪拌機(jī)、SZ-145型指針砂漿稠度儀、ISO新標(biāo)準(zhǔn)維卡儀、壓力試驗(yàn)機(jī)、電動(dòng)四聯(lián)直剪儀。參照有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，測(cè)定注漿材料性能。

將實(shí)際工程漿液配合比作為本試驗(yàn)原始漿液配合比，即水泥∶粉煤灰∶膨潤(rùn)土∶細(xì)砂∶水=1.0∶3.5∶0.7∶7.0∶4.8(kg/m3)，水灰比為4.8，水膠比為1.14，膠砂比為0.6，原始漿液稠度為12.6cm，凝結(jié)時(shí)間為318min，1d抗壓強(qiáng)度為0.067MPa，黏聚力為22.082kPa，內(nèi)摩擦角為11.76°。由于原始漿液稠度較小，凝結(jié)時(shí)間較長(zhǎng)，且1d抗壓強(qiáng)度低，注漿后漿液易流失，注漿效果較差，導(dǎo)致管片上浮量增加，出現(xiàn)錯(cuò)臺(tái)現(xiàn)象。因此，需在原始漿液中摻加外加劑改善其性能，考慮試驗(yàn)過程中摻加5%聚丙烯酰胺后漿液攪拌困難，故不將5%作為聚丙烯酰胺摻量，最終得到本試驗(yàn)漿液配合比如表1所示。

表1 試驗(yàn)漿液配合比

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 外加劑對(duì)漿液稠度的影響

外加劑對(duì)漿液稠度影響曲線如圖1所示。由圖1可知，摻加水玻璃后，漿液稠度先增大后減小，拐點(diǎn)出現(xiàn)在水玻璃摻量為1%處，對(duì)應(yīng)漿液稠度為13cm；當(dāng)水玻璃摻量為1%～3%時(shí)，漿液稠度變化較小；當(dāng)水玻璃摻量>3%時(shí)，漿液稠度迅速減小；當(dāng)水玻璃摻量為5%時(shí)，漿液稠度最小，僅為6cm，較原始漿液稠度減少了6.6cm。攪拌過程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)摻加5%水玻璃時(shí)，漿液攪拌約40s時(shí)由流體變?yōu)楦酄铙w，流動(dòng)性較差，達(dá)不到泵送要求。隨著水玻璃摻量的增加，漿液出現(xiàn)膠凝現(xiàn)象的速度越快，因此漿液稠度越小。

圖1 外加劑對(duì)漿液稠度影響曲線

摻加聚丙烯酰胺可在一定程度上增大漿液稠度，當(dāng)聚丙烯酰胺摻量為4%時(shí)，漿液稠度達(dá)最大，為13.2cm。這是因?yàn)榫郾０窞樗苄愿叻肿泳酆衔铮哂辛己玫男跄裕c水作用形成乳膠液，可降低顆粒之間的摩擦阻力，改善漿液流動(dòng)性。

漿液稠度隨氫氧化鈣摻量的增加波動(dòng)變化，增幅較小，當(dāng)氫氧化鈣摻量為3%時(shí)，漿液稠度達(dá)最大，為13.4cm。這表明氫氧化鈣也可在一定程度上增大漿液稠度，且氫氧化鈣具有引氣作用，可提高漿液和易性。

綜上所述，聚丙烯酰胺和氫氧化鈣可提高漿液稠度，使?jié){液流動(dòng)性得到增強(qiáng)，但摻加過多可能導(dǎo)致漿液稠度過小，一般將漿液稠度控制為10～13cm。水玻璃可減小漿液稠度，但摻加過多也可能導(dǎo)致漿液稠度過小，無法泵送，摻量宜控制為3%～4%。

4.2 外加劑對(duì)漿液凝結(jié)時(shí)間的影響

外加劑對(duì)漿液凝結(jié)時(shí)間影響曲線如圖2所示。由圖2可知，漿液凝結(jié)時(shí)間隨著水玻璃摻量的增加先增長(zhǎng)后縮短，當(dāng)水玻璃摻量為1%時(shí)，漿液凝結(jié)時(shí)間增幅較大，達(dá)最大值435min，較原始漿液凝結(jié)時(shí)間延長(zhǎng)了117min；當(dāng)水玻璃摻量為5%時(shí)，漿液凝結(jié)時(shí)間最短，為268min，較原始漿液凝結(jié)時(shí)間縮短了50min。

圖2 外加劑對(duì)漿液凝結(jié)時(shí)間影響曲線

隨著聚丙烯酰胺摻量的增加，漿液凝結(jié)時(shí)間呈先增長(zhǎng)后縮短的趨勢(shì)，當(dāng)聚丙烯酰胺摻量為1%時(shí)，漿液凝結(jié)時(shí)間達(dá)最大值323min，較原始漿液凝結(jié)時(shí)間延長(zhǎng)了5min；當(dāng)聚丙烯酰胺摻量為2%時(shí)，漿液凝結(jié)時(shí)間迅速縮短，達(dá)最小值292min，較原始漿液凝結(jié)時(shí)間縮短了26min，可知摻加聚丙烯酰胺可縮短漿液凝結(jié)時(shí)間。

隨著氫氧化鈣摻量的增加，漿液凝結(jié)時(shí)間呈先增長(zhǎng)后縮短的趨勢(shì)，當(dāng)氫氧化鈣摻量為1%時(shí)，漿液凝結(jié)時(shí)間增幅較大，達(dá)最大值430min，較原始漿液凝結(jié)時(shí)間延長(zhǎng)了112min；當(dāng)氫氧化鈣摻量為5%時(shí)，漿液凝結(jié)時(shí)間最短，為298min，較原始漿液凝結(jié)時(shí)間縮短了20min。

綜上所述，隨著水玻璃、聚丙烯酰胺和氫氧化鈣摻量的增加，漿液凝結(jié)時(shí)間均呈先增大后減小的趨勢(shì)。可通過摻加1%～3%水玻璃或1%～4%氫氧化鈣延長(zhǎng)漿液凝結(jié)時(shí)間，可通過摻加聚丙烯酰胺縮短漿液凝結(jié)時(shí)間。

4.3 外加劑對(duì)漿液1d抗壓強(qiáng)度的影響

外加劑對(duì)漿液1d抗壓強(qiáng)度影響曲線如圖3所示。由圖3可知，漿液1d抗壓強(qiáng)度隨著水玻璃摻量的增加呈遞增趨勢(shì)，當(dāng)水玻璃摻量為5%時(shí)，漿液1d抗壓強(qiáng)度達(dá)最大，為0.118MPa，較原始漿液1d抗壓強(qiáng)度提高了76%。由于水玻璃具有良好的黏結(jié)性能，能夠增強(qiáng)顆粒分子間的膠結(jié)作用，可提高漿液密實(shí)度，且漿液加入水玻璃后可生成具有一定強(qiáng)度的凝膠體，從而提高漿液早期抗壓強(qiáng)度。

圖3 外加劑對(duì)漿液1d抗壓強(qiáng)度影響曲線

隨著聚丙烯酰胺摻量的增加，漿液1d抗壓強(qiáng)度呈先增大后減小的趨勢(shì)，當(dāng)聚丙烯酰胺摻量為2%時(shí)，漿液1d抗壓強(qiáng)度達(dá)最大值0.102MPa。由于摻加一定量聚丙烯酰胺時(shí)，其長(zhǎng)分子主鏈與側(cè)鏈能夠吸附漿液中其他分子，并相互搭接形成立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而起束縛作用，提高水泥砂漿黏結(jié)強(qiáng)度和柔韌性；當(dāng)聚丙烯酰胺摻量≥2%時(shí)，隨著摻量的增加，漿液中柔性物質(zhì)增多、孔尺寸增大，1d抗壓強(qiáng)度不斷降低。

隨著氫氧化鈣摻量的增加，漿液1d抗壓強(qiáng)度呈先增大后減小的趨勢(shì)，且當(dāng)氫氧化鈣摻量為2%時(shí)達(dá)最大值0.12MPa，較原始漿液1d抗壓強(qiáng)度提高了79%。由于氫氧化鈣可激發(fā)粉煤灰中火山灰活性，生成較多的膠凝產(chǎn)物[15]，進(jìn)而提高水泥砂漿密實(shí)度和抗壓強(qiáng)度。當(dāng)氫氧化鈣摻量≥2%時(shí)，隨著摻量的增加，受低耗水性影響，漿液強(qiáng)度降低。

綜上所述，水玻璃、聚丙烯酰胺和氫氧化鈣均可增加原始漿液1d抗壓強(qiáng)度；隨著水玻璃摻量的增加，漿液1d抗壓強(qiáng)度呈遞增趨勢(shì)；隨著聚丙烯酰胺和氫氧化鈣摻量的增加，漿液1d抗壓強(qiáng)度呈先增大后減小的趨勢(shì)，且均在摻量為2%時(shí)達(dá)最大值，但氫氧化鈣增強(qiáng)效果優(yōu)于聚丙烯酰胺，可知水玻璃對(duì)注漿材料早期抗壓強(qiáng)度改善效果最好，其次為氫氧化鈣，最后為聚丙烯酰胺。

4.4 外加劑對(duì)漿液1d抗剪強(qiáng)度的影響

水玻璃對(duì)漿液1d抗剪強(qiáng)度影響曲線如圖4所示。由圖4可知，當(dāng)水玻璃摻量為1%～3%且直剪儀施加的垂直應(yīng)力較小時(shí)，漿液1d抗剪強(qiáng)度變化較小；當(dāng)水玻璃摻量為3%時(shí)，漿液1d抗剪強(qiáng)度達(dá)最大值；當(dāng)水玻璃摻量由3%增至5%時(shí)，漿液1d抗剪強(qiáng)度基本呈遞減趨勢(shì)。總體而言，摻加水玻璃可提高漿液1d抗剪強(qiáng)度。

圖4 水玻璃對(duì)漿液1d抗剪強(qiáng)度影響曲線

聚丙烯酰胺對(duì)漿液1d抗剪強(qiáng)度影響曲線如圖5所示。由圖5可知，當(dāng)聚丙烯酰胺摻量為1%時(shí)，漿液1d抗剪強(qiáng)度達(dá)最大值；當(dāng)聚丙烯酰胺摻量由1%增至4%時(shí)，漿液1d抗剪強(qiáng)度基本逐漸減小；相比原始漿液，摻加2%～4%聚丙烯酰胺時(shí)，漿液1d抗剪強(qiáng)度弱化，不利于水泥砂漿抗剪切。

圖5 聚丙烯酰胺對(duì)漿液1d抗剪強(qiáng)度影響曲線

氫氧化鈣對(duì)漿液1d抗剪強(qiáng)度影響曲線如圖6所示。由圖6可知，當(dāng)氫氧化鈣摻量為2%時(shí)，漿液1d抗剪強(qiáng)度達(dá)最大值；當(dāng)氫氧化鈣摻量為3%～5%時(shí)，漿液1d抗剪強(qiáng)度變化較小，且與原始漿液1d抗剪強(qiáng)度相差較小，不利于水泥砂漿抗剪切。

圖6 氫氧化鈣對(duì)漿液1d抗剪強(qiáng)度影響曲線

總體而言，相比聚丙烯酰胺和氫氧化鈣，水玻璃可較好地提高原始漿液抗剪切能力。

5 結(jié)語

1)水玻璃可提高漿液早期抗壓及抗剪強(qiáng)度，且可有效減小漿液稠度，但漿液凝結(jié)時(shí)間隨著水玻璃摻量的增加先增長(zhǎng)后縮短。控制水玻璃摻量為3%～4%，此時(shí)漿液流動(dòng)性、凝結(jié)時(shí)間及早期強(qiáng)度可較好地滿足施工要求。

2)聚丙烯酰胺摻量較小時(shí)可提高漿液早期抗壓強(qiáng)度，且可有效縮短漿液凝結(jié)時(shí)間，但會(huì)弱化漿液早期抗剪強(qiáng)度，增大漿液稠度。

3)氫氧化鈣可較好地提高漿液早期抗壓強(qiáng)度，但會(huì)使?jié){液稠度過小，且摻量較小時(shí)增加了漿液凝結(jié)時(shí)間，不宜在富水復(fù)合地層中使用。

4)建議選用水玻璃作為外加劑，推薦漿液配合比為水泥∶粉煤灰∶膨潤(rùn)土∶細(xì)砂∶水∶水玻璃=1∶3.5∶0.7∶7∶4.8∶0.68(kg/m3)，可配制出稠度為10.6cm、凝結(jié)時(shí)間為4.8h，1d抗壓強(qiáng)度為0.1MPa，pH值為9.1，1d抗剪強(qiáng)度較高的漿液，且不會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染，滿足施工要求。

本文對(duì)富水復(fù)合地層同步注漿材料進(jìn)行了初步研究，僅針對(duì)3種外加劑進(jìn)行了單因素試驗(yàn)，后續(xù)將對(duì)不同因素的協(xié)同效應(yīng)進(jìn)行研究。