絮凝劑對過江盾構隧道同步注漿漿液性能的影響研究*

路開道

(中鐵十四局集團大盾構工程有限公司，江蘇 南京 211899)

0 引言

為滿足城市發展和人口快速增長需要，以盾構隧道為主，大量軌道交通隧道得到建設[1]。近年來，隧道在施工過程中常遇高滲透性地層、富水巖溶環境及裂隙發育的富水巖質地層等大量含水的地質環境[2-6]，在這種特殊的地質環境下，盾尾間隙被地下水充填，可能造成同步注漿漿液稀釋，從而導致注漿漿液膠凝時間延長，甚至造成漿液不凝結、膠凝材料流失、后期強度不足等[7]，將對盾構隧道注漿圈凝結后的物理力學性能和結構耐久性造成影響。因此，地下水豐富環境下的同步注漿漿液性能問題引起了越來越多的技術人員及學者的重視。

郝晨哲等[8]通過室內試驗對同步注漿水泥漿液膨水比進行調整，得到了膨水比對漿液抗水分散性、稠度、流動度和早期強度的影響。田焜[9]針對武漢長江隧道管徑大、斷面水壓高等特點，提出了性能優良的高性能同步注漿材料復合外加劑。董小龍等[10]基于控制變量法的原理，分析水玻璃、聚丙烯酰胺、氫氧化鈣等外加劑對同步注漿漿液稠度、凝結時間、早期抗壓及抗剪強度的影響，得到適宜富水復合地層的同步注漿配合比。李希宏等[11]通過數值模擬和實測數據相結合的方式，對福州地鐵4號線在不同富水地層中泥水盾構施工同步注漿配合比、注漿量、注漿壓力等掘進參數進行分析，有效指導了該地區盾構隧道施工。阮艷妹等[12]通過X射線、掃描電鏡和光學顯微鏡，對新型水下聚凝充填材料微觀形貌進行了分析，結合孔徑分布及宏觀力學性能，得到新型水下聚凝充填材料最佳配合比。周少東等[13]對膨潤土、凹凸棒黏土、FDN減水劑、聚羧酸減水劑等外加劑進行復配，提出了高性能同步注漿材料專用外加劑HMA。劉瑋等[14]和王靜[15]針對富水復合地層盾構隧道同步漿液配合比開展了優化試驗，要求注漿漿液能夠達到保水性好、流變性好、強度高等性能要求。

在地下水豐富的環境下進行盾構隧道建設，對同步注漿漿液性能具有嚴格要求[16]，通過在普通注漿材料中加入絮凝劑的方式，能夠改善漿液自身抵抗水稀釋及沖洗的能力。由于實際工程所處環境千差萬別，且絮凝劑種類繁多，性能存在差異，因此，開展不同絮凝劑對同步注漿漿液性能的影響研究。本文以常德沅江過江隧道工程為依托，研究絮凝劑聚丙烯酰胺、羥乙基纖維素、羥乙基甲基纖維素和羥丙基甲基纖維素對普通漿液性能的影響，以期為工程應用提供參考。

1 工程概況

常德沅江過江隧道位于常德市城區，全長2 240m，大體呈南北走向。其中過江段采用盾構法施工，長1 680m，盾構隧道內徑10.3m、外徑11.3m，最大埋深為河床下23m。隧道主要穿越高透水性砂層、圓礫層和卵石層，圓礫層含承壓水，且與沅江江水貫通。經勘測，常德市城區下南門站沅江最高洪水水位39.860m，最低水位26.990m，平均水位29.690m。

2 試驗材料與方法

2.1 漿液基本材料

結合現場施工情況，試驗過程中漿液所用材料包括P·O 42.5普通硅酸鹽水泥、Ⅱ級粉煤灰、當地普通河砂(細度模數2.2～2.8，粒徑<5mm，堆積密度1 500kg/m3)、普通生活用水(pH測試值為7.9)。

2.2 絮凝劑材料

試驗過程中選取目前應用較廣泛的絮凝劑材料，基本參數如表1所示。

表1 絮凝劑基本參數

2.3 試驗儀器與方法

對于水資源豐富的過江盾構隧道，絮凝劑的加入能否有效包裹同步注漿漿液顆粒、減少水環境下漿液的流失、保證漿液凝結后的強度是決定工程質量的關鍵。水泥基凈漿性質是決定漿液性能的關鍵，因此，對水泥基凈漿抗水分散性、流變性及擴展度進行研究。

2.3.1水泥基凈漿抗水分散性

為更直觀地表現不同絮凝劑品種、摻量對水泥基凈漿防水分散效果的影響，測試漿液流變性后開展抗水分散性試驗，步驟如下：①使用300mL量程的干凈燒杯量取300mL潔凈水，并置于桌面上確保水面靜止；②在拌合完成的水泥基凈漿中利用針筒抽取30mL漿液，將針筒口伸入水面下方1cm左右，并將漿液勻速緩慢注入水中；③待漿液完全注入水中后靜置1min，觀察水體渾濁度及水面漂浮物。

2.3.2流變性

試驗過程中采用LVDV-2型旋轉黏度計測試水泥基凈漿流變性[17]，該儀器可測量漿液塑性黏度及剪切應力。

2.3.3擴展度

水泥基凈漿擴展度測試流程參照GB/T 8077—2012《混凝土外加劑勻質性試驗方法》進行[18]，具體過程為：①將玻璃板(400mm×400mm×5mm)置于水平位置，使用濕布抹擦玻璃板、截錐圓模，將圓模置于玻璃板中央，并覆蓋濕布待用；②將拌合完成的凈漿迅速注入截錐圓模內，利用刮刀刮平，將截錐圓模沿垂直方向提起，同時開啟秒表計時至30s；③利用直尺量取流淌部分相互垂直的2個方向最大直徑，取平均值作為凈漿擴展度，如圖1所示。

圖1 凈漿擴展度測量

3 試驗結果與分析

試驗過程中水泥基凈漿均采用統一配合比作為基礎配合比，基礎配合比中水膠比為1∶1、水灰比為0.7∶1。

3.1 凈漿抗水分散性

在摻加聚丙烯酰胺的水泥基凈漿配制過程中，發現隨著凈漿的不斷攪拌，凈漿由稀漿狀逐漸轉變為果凍狀，如圖2a所示。成為果凍狀的凈漿已基本喪失流變性，將其置于裝有300mL水的燒杯中，發現水中幾乎無渾濁物，如圖2b所示，這表明摻加聚丙烯酰胺的水泥基凈漿具有較好的抗水分散性，但基本喪失流變性，不具備可注性，不適用于同步注漿，因此不再討論聚丙烯酰胺的影響。

圖2 摻加聚丙烯酰胺的水泥基凈漿

開展水泥基凈漿抗水分散性試驗過程中，絮凝劑摻量由0.3%增至1.29%。試驗組數雖較多，但隨著摻量的增加，摻加不同絮凝劑的水泥基凈漿抗水分散性變化規律較一致，因此以羥乙基纖維素為例進行分析，結果如圖3所示。

圖3 摻加羥乙基纖維素的水泥基凈漿抗水分散性試驗結果

由圖3可知，當羥乙基纖維素摻量由0.3%逐漸增至0.75%時，試驗水樣渾濁物逐漸減少，透明程度逐漸增加，由較渾濁狀態逐漸變為清亮透明；摻量由0.75%增至1.29%時，試驗水樣一直保持清亮透明狀態。由此，可認為當摻加羥乙基纖維素時，對于水泥基凈漿抗水分散性而言，黏度100 000mPa·s羥乙基纖維素臨界摻量(水樣變至清亮透明的最低絮凝劑摻量)為0.75%。試驗得到黏度100 000mPa·s羥乙基甲基纖維素、黏度100 000mPa·s羥丙基甲基纖維素、黏度200 000mPa·s羥丙基甲基纖維素臨界摻量分別為0.66%，0.93%，0.84%。

3.2 凈漿流變性

凈漿流變性指凈漿在恒定荷載作用下的變形及流動性質，通過LVDV-2型旋轉黏度計測得的塑性黏度和剪切應力表征。試驗水泥基凈漿塑性黏度剪切應力變化曲線如圖4所示。由圖4可知，不同凈漿塑性黏度和剪切應力整體變化趨勢基本一致，凈漿塑性黏度和剪切應力基本隨著絮凝劑摻量的增加而增大。塑性黏度和剪切應力變化速率可反映絮凝劑有效包裹凈漿顆粒的能力。結合試驗水樣透明度和試驗結果可知，達到臨界摻量前，隨著絮凝劑摻量的增加，試驗水樣透明度不斷增加，凈漿塑性黏度和剪切應力不斷增加。當絮凝劑摻量超過臨界摻量時，試驗水樣保持清亮透明狀態，塑性黏度和剪切應力基本繼續增加。由此可見，凈漿塑性黏度和剪切應力在一定范圍內能夠表征漿液抗水分散性。

圖4 凈漿流變參數變化曲線

3.3 凈漿擴展度

凈漿擴展度可反映漿液流動能力，主要影響注漿可操作性及難易程度等。試驗測得凈漿擴展度變化曲線如圖5所示。由圖5可知，隨著絮凝劑摻量的增加，凈漿擴展度呈遞減趨勢。這是由于隨著絮凝劑摻量的增加，凈漿塑性黏度和剪切應力增大，使凈漿顆粒間的黏結能力增強，從而導致凈漿在重力作用下自由流動的能力減弱，削弱了漿體流變性，可知水泥基凈漿塑性黏度、剪切應力與流變性呈負相關關系。

圖5 凈漿擴展度變化曲線

綜上所述，摻加聚丙烯酰胺的凈漿具有較好的抗水分散性，但已喪失流變性，難以注漿，不適用于同步注漿作業中；羥乙基纖維素易溶于冷水，且能夠均勻溶解，但溶解后會出現大量塊狀物，造成漿液性能不穩定；黏度100 000mPa·s羥乙基甲基纖維素臨界摻量最小，利于施工成本控制，完全溶于水后不會出現塊狀物，且流變性較好；黏度100 000，200 000mPa·s羥丙基甲基纖維素臨界摻量相對偏大，不利于施工成本控制，相同摻量下黏度200 000mPa·s羥丙基甲基纖維素塑性黏度和剪切應力更大，流變性更差。

因此，根據試驗結果，黏度100 000mPa·s羥乙基甲基纖維素最符合實際應用需求，可在地下水豐富的過江盾構隧道工程中使用。

4 工程應用

根據試驗結果，在滿足流變性、穩定性、抗水分散性及后期強度的條件下配制同步注漿漿液，得到抗水分散性漿液最優配合比為水泥∶水∶粉煤灰∶砂∶羥乙基甲基纖維素∶聚羧酸減水劑=141∶444∶352∶704∶2.79∶0.28kg/m3，流動度29～30cm，泌水率0～0.1%，水中1d強度0.11MPa，陸上1d強度0.13MPa，水中7d強度0.62MPa，陸上7d強度0.64MPa。

該抗水分散性同步注漿漿液經拌合、運輸、注漿控制后成功應用于常德沅江過江盾構隧道部分富水區段，地表監測表明該富水區段地層沉降控制在20mm內，同步注漿完成后管片無滲漏、破損現象，取得良好施工效果。

5 結語

依托常德沅江過江盾構隧道工程，采用室內試驗的研究方法，開展較常用絮凝劑對普通漿液性能的影響研究。

1)凈漿抗水分散性試驗結果表明，不同絮凝劑凈漿表現出相似規律，即隨著絮凝劑摻量的增加，試驗水樣均表現出由渾濁逐漸變為清亮透明的狀態，繼續增加絮凝劑摻量，水樣仍處于清亮透明狀態。

2)凈漿塑性黏度、剪切應力及擴展度試驗結果表明，隨著絮凝劑摻量的增加，凈漿塑性黏度和剪切應力呈增大趨勢，擴展度呈遞減趨勢。凈漿塑性黏度和剪切應力的增加，使凈漿顆粒間的黏結能力增強，導致凈漿在重力作用下自由流動的能力減弱，削弱漿體流變性。

3)本次試驗綜合考慮了絮凝劑對凈漿抗水分散性、可操作性、和易性、施工成本等的影響，試驗結果表明黏度100 000mPa·s羥乙基甲基纖維素臨界摻量最小，完全溶于水后不會出現塊狀物，且相同摻量下其塑性黏度和剪切應力適中，符合實際應用需求。

4)通過室內和現場配合比試驗，得到適合常德沅江富水地層的同步注漿漿液配合比為：水泥∶水∶粉煤灰∶砂∶羥乙基甲基纖維素∶聚羧酸減水劑=141∶444∶352∶704∶2.79∶0.28kg/m3，該配合比滿足富水地層性能指標要求，實際應用效果較好。