富水粉細砂地層同步注漿漿液性能優化研究

王鑫

（中交三公局第一工程有限公司 北京 100000）

隨著城市地下空間的不斷發展與利用［1］，其中，城市地鐵項目逐漸成為軌道交通的主流。盾構法施工以其施工快、適用性廣、對周圍土體影響小等優點廣泛應用于地下隧道工程［2-3］。

盾構法施工可分為掘進和支護兩部分。其中，支護部分分為管片拼接和同步注漿兩部分［4］。同步注漿過程中，注漿材料對盾構法施工有著重要的影響［5］，能夠直接影響施工效率和施工質量。富水粉細砂地層由于地層的特殊性，即地層還有大量地下水以及地層膠結性、差穩定性差，對注漿施工有著很高的要求。富水粉細砂地層施工時，由于地層的特殊性質，漿液不宜凝結，漿液性能差，容易發生跑漿現象，經過后期監測，在盾構施工影響范圍內很難發現注漿層的存在，存在施工安全隱患及容易發生較大施工沉降，影響施工進程的同時，有較大的施工風險，還會造成不必要的資源浪費。目前，針對于富水地層盾構注漿，常采用水泥—水玻璃雙漿液進行注漿，其原因在于，水泥—水玻璃漿液其凝結時間可控。馬金池［6］以深圳地鐵7 號線為依托，通過理論研究、室內試驗和現場測定等方法，研究管片同步注漿雙漿液使用方案，對類似施工有一定借鑒意義。郄向光等人［7］以大量的工程背景為依托，闡明漿液的類型與分類及格分類條件下的漿液特點，分析雙漿液在北京砂卵石地層、可硬性漿液和新型漿液在蘇州、上海等軟土地層應用的實例，為以后類似施工的漿液選取提供一定借鑒意義。M.Jamal Shannag［8-9］對水泥基注漿材料的研究表明，通過向漿液中加入礦物摻合料，主要包括粉煤灰、礦渣等和高效減水劑，能夠明顯改善材料的耐久性和力學性能。

本文以天津地鐵11號線一期工程04標段為依托，開展相關研究，分析富水粉細砂地層漿液性能的影響規律，確定合理配合比。

1 工程概況

本項目依托于天津地鐵11號線04標段工程，該標段主要包括兩站、三區間，本文選其中一個區間，即陳塘站—東江道站區間為例，展開相關漿液性能研究。區間采用盾構法施工，盾構機參數如表1所示。

表1 所用土壓平衡盾構機參數表

2 試驗方案

通過相關規范要求，結合大量文獻［8，10-14］，并通過與現場實際結合，試驗設計如表2所示。其中，水泥砂漿與水玻璃的比例設計按照5∶1進行。

表2 試驗設計

本試驗將采用控制變量法進行整體設計。首先，對不同水灰比情況下水泥砂漿基本性能展開研究，分析不睡水灰比條件對漿液膠凝時間、穩定性、流動性三方面性能的影響規律；其次，與不同波美度情況下的水玻璃進行組合試驗設計，分析不同情況下對砂漿基本性能的影響。

根據規范《建筑砂漿基本性能試驗方法》（JGJ 70-2009）［15］相關要求，進行流動度、膠凝時間和析水率的試驗測定。

流動度試驗采用截面錐桶進行測定，將錐桶放置于表面光滑的玻璃板中，將拌制好的水泥砂漿貫入試模內后，迅速提起試模，一定時間后，測量不同方向攤鋪直徑，取最大值。

凝結時間采用砂漿凝結時間測定儀（如圖1所示）進行測量，按照試驗流程進行。

圖1 砂漿膠凝時間測定儀

析水率采用500mL 的量筒進行測定，將拌制好的一定質量的水泥砂漿貫入量筒中，量筒上部采用保鮮膜覆蓋，防止水分蒸發。在室溫條件下放置3h或者水泥砂漿水分不析出后，進行記錄相應數值，泌水率計算式如下：

式中，P為漿液泌水率（%）；v0為泌出水的體積（mL）；v為漿液的體積（mL）。

3 結果分析

3.1 對膠凝時間的影響

圖2為凝結時間在不同條件下試驗曲線圖。從圖中不難看出，其他條件不變，凝結時間隨波美度的增加而減小，最后趨于一個穩定的數值。從其反應機理Ca（OH）2+Na20·nSi02+mH20→Ca·nSi02·mH20+2NaOH不難看出，波美度的增加，導致Na20·nSi02元素增多，與原料中剩余的Ca（OH）2繼續反應。后期，隨著波美度的增加，凝結時間無變化的原因是原料中的已完全反應，無多余元素繼續合成。所以，從施工成本方面進行考慮，波美度不宜過大，過大時，不僅增加成本，而且對漿液凝結性能無改善作用。

圖2 凝結時間試驗關系曲線圖

僅改變水灰比情況下，凝結時間與隨水灰比的增加而增加，主要原因為膠凝材料減少，水含量增加；其數值為1和1.2時，試驗結果相差較大。對于富水地層注漿，往往對凝結時間要求較為嚴格，波美度在32～35之間時，其幅度波動最大。

3.2 析水率分析

圖3為析水率在不同條件下試驗關系曲線。從圖3 中可看出，隨著時間的增加，析出水分增加，析水率變大，最終趨于穩定。水灰比越小，即0.6∶1 和0.8∶1，曲線增長緩慢，斜率變化小，無明顯波動，析水率較為穩定，漿液穩定性強。主要原因為：水灰比增加，漿液中膠凝材料減少，自由水變多，與水反應的膠凝材料少，隨著時間增加，析出水分增多。

圖3 析水率試驗關系曲線圖

3.3 流動度分析

圖4為不同條件下漿液流動度試驗曲線圖。從圖中可知，針對于水泥漿液而言，波美度增加，漿液流動度減小，其原因是波美度增加，水玻璃與水泥砂漿反應產物的Na2O·nSiO2增多，其反應時間減小，波美度越高，同一時間內，產生Ca2SiO2越多，導致其流動性下降。

圖4 流動度試驗關系曲線圖

水灰比增加，流動度增加，其原因在于：水灰比增加，漿液中凝結材料減少，自由水增加，其稠度降低，自由水還起到潤滑作用。

4 結語

（1）其他條件相同，波美度增加，漿液凝結時間減小；其他條件相同，改變水灰比，凝結時間與其成正比。施工過程中，應注意水灰比為1和1.2兩種情況。

（2）漿液的析水率隨著時間的延長而逐漸增大，最終趨于穩定。主要是因為：隨著水灰比的增大，漿液中的自由水變多，漿液膠凝材料減少。