水玻璃溶液對同步注漿漿液強度的影響規律研究

李偉 劉旭 王鑫 李躍強 李美群

（1.中交三公局第一工程有限公司 北京 100012；2.中鐵上海設計院集團有限公司 上海 200000）

隨著城市地下空間的不斷發展與利用，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［1-2］。

同步注漿技術作為盾構法的主要施工工序之一［3］，其注漿材料的好壞對盾構施工效率及質量等有著重要影響，尤其在富水粉細砂地層，對同步注漿漿液的好壞有著很高的要求。在富水粉細砂地層施工時，由于地層含有大量地下水，漿液不宜凝結，漿液性能差，跑漿現象時常發生，需要注入大量漿液才能形成有效支護形式，造成不必要的資源浪費；而且，粉細砂地層有著較差的穩定性及膠結性差等缺點，若不及時進行注漿處理，容易發生較大施工沉降，影響施工進程的同時，存在較大的施工風險。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—玻璃漿液的凝結時間可控。

劉思作［4］以水泥—水玻璃漿液為研究對象，在考慮了兩種漿液的體積比、水泥漿的水灰比、侵蝕程度等多種情況下進行室內試驗，研究其無側限抗壓強度、動彈性模量、表觀特征等性能劣化試驗指標的變化規律的差異，并對各評價指標與水灰比、侵蝕溶液種類和濃度的關系，以及各評價指標之間的相關性進行初步研究。巫茂寅［5］等人充分考慮傳統水泥—水玻璃漿液的優缺點，在其基礎上提出復合水泥基—水玻璃注漿材料，以復合水泥基—水玻璃漿液為研究對象，對其凝結時間和28d抗壓強度展開相關研究，以水玻璃摻量、波美度和礦物摻量比例等為變量，研究其對水泥砂漿凝結時間和28d 抗壓強度的影響規律。Yoon J［6］等人通過對水泥砂漿的性能進行研究，發現加入粉煤灰對膠凝物質的產生作用較小，反而使得漿液的空隙增加，強度降低。但是，粉煤灰能夠有效增加漿液的流動性能，在漿液中添加粉煤灰，能夠發乎其微粒作用，起到潤滑效果。研究得出結論，摻加粉煤灰和適宜水膠比是0.5～0.6，粉煤灰的含量應在10%～20%。蔣春霞［7］通過室內試驗，以水泥砂漿為研究對象，制作水泥砂漿試件，研究其在不同摻加劑以及不同養護時間條件下，水泥砂漿試件的抗壓強度和抗拉彈性模量等因素的影響規律，發現隨著漿液試件養護時間的增加，試件的抗拉強度和抗拉彈性模量呈現出線性增長模式，摻加劑對水泥砂漿試件的抗拉強度和抗拉彈性模量有影響，通過摻入礦粉和粉煤灰，能夠有效降低砂漿試件的抗拉強度和彈性模量。

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，分析水玻璃波美度和水灰比等條件對漿液的影響規律。

1 工程概況

本項目依托于天津地鐵11號線04標段，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

盾構穿越地層為較為復雜主要包括黏土、粉質黏土、粘質粉土、粉質砂土等地質條件，而且地下水較為豐富，其地質斷面圖如圖1 所示。本文以穿越富水粉細砂地層為實例展開相關漿液性能研究。

圖1 區間地質斷面圖

2 試驗方案

通過相關規范要求，結合大量文獻［8-12］，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，不同水灰比情況下，水泥—水玻璃砂漿力學性能展開研究，分析不同水灰比情況下，水泥—水玻璃雙漿液力學性能影響規律；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，水泥—水玻璃砂漿試件無側限抗壓強度的影響規律。

根據規范《建筑砂漿基本性能試驗方法》（JGJ 70-2009）［13］相關要求，進行砂漿試件的制作，試件模具采用70.7mm×70.7mm×70.7mm 三聯砂漿模具，制作流程見圖2。養護方式為水中養護，如圖3所示。

圖2 砂漿試件制作

圖3 水中養護試驗圖

抗壓強度試驗采用TAW2000 試驗儀器，如圖4 所示，其計算公式為：

圖4 無側限抗壓強度試驗圖

式中：fm，cu為砂漿立方體抗壓強度，單位為MPa；F為立方體破壞壓力，單位為N；A為試件承壓面積，單位為mm2。

3 結果分析

圖5 為抗壓強度變化試驗曲線，主要表示不同養護周期下，不同波美度及水灰比對無側限抗壓強度的影響規律。對其進行整體分析可得知，試件強度性能隨著其波美度的增加逐漸增大，最后趨于穩定狀態。其原因在于水玻璃波美度能夠使得水泥與水充分反應，其產物越多，抗壓強度越大。從圖中可以看出，38波美度和42 波美度時，其強度無明顯變化，說明波美度對抗壓強度的影響有峰值效應，并不是成正比例關系。

圖5 抗壓強度變化曲線

水灰比的增加，其強度逐漸減小，主要原因為漿液中水泥含量減小，膠凝材料少，生成水化產物減少，且結石體易產生孔隙，諸多因素共同影響其強度，導致強度降低；養護時間對試件的影響為，其時間延長，試件抗壓強度增大。隨著養護時間增加，水泥、水玻璃和水的反應能夠更加徹底，產生大量水化產物，使得試件強度增加。

4 結論

（1）對水泥—水玻璃雙漿液注漿材料進行分析，其試件抗壓強度與水玻璃波美度有直接關系，其大小隨波美度的增加而增加，最后趨于穩定。最終，當波美度達到42 時，其強度不再增加，說明波美度對抗壓強度的影響有峰值效應。

（2）通過水灰比及養護時間對雙漿液注漿材料強度的影響分析可知，水灰比增大，試件強度逐漸減小，養護的時間延長，試件抗壓強度逐漸增大。

（3）通過對比分析，水泥—水玻璃雙漿液配合比見表3所示。

表3 最優配合比