水玻璃溶液對(duì)同步注漿漿液強(qiáng)度的影響規(guī)律研究

李偉 劉旭 王鑫 李躍強(qiáng) 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(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 上海 200000）

隨著城市地下空間的不斷發(fā)展與利用，盾構(gòu)法施工以其施工快、適用性廣、對(duì)周圍土體影響小等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于地下隧道工程［1-2］。

同步注漿技術(shù)作為盾構(gòu)法的主要施工工序之一［3］，其注漿材料的好壞對(duì)盾構(gòu)施工效率及質(zhì)量等有著重要影響，尤其在富水粉細(xì)砂地層，對(duì)同步注漿漿液的好壞有著很高的要求。在富水粉細(xì)砂地層施工時(shí)，由于地層含有大量地下水，漿液不宜凝結(jié)，漿液性能差，跑漿現(xiàn)象時(shí)常發(fā)生，需要注入大量漿液才能形成有效支護(hù)形式，造成不必要的資源浪費(fèi)；而且，粉細(xì)砂地層有著較差的穩(wěn)定性及膠結(jié)性差等缺點(diǎn)，若不及時(shí)進(jìn)行注漿處理，容易發(fā)生較大施工沉降，影響施工進(jìn)程的同時(shí)，存在較大的施工風(fēng)險(xiǎn)。目前，針對(duì)于富水地層盾構(gòu)注漿，常采用水泥—水玻璃雙漿液進(jìn)行注漿，其原因在于水泥—玻璃漿液的凝結(jié)時(shí)間可控。

劉思作［4］以水泥—水玻璃漿液為研究對(duì)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(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，研究其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、動(dòng)彈性模量、表觀特征等性能劣化試驗(yàn)指標(biāo)的變化規(guī)律的差異，并對(duì)各評(píng)價(jià)指標(biāo)與水灰比、侵蝕溶液種類和濃度的關(guān)系，以及各評(píng)價(jià)指標(biāo)之間的相關(guān)性進(jìn)行初步研究。巫茂寅［5］等人充分考慮傳統(tǒng)水泥—水玻璃漿液的優(yōu)缺點(diǎn)，在其基礎(chǔ)上提出復(fù)合水泥基—水玻璃注漿材料，以復(fù)合水泥基—水玻璃漿液為研究對(duì)象，對(duì)其凝結(jié)時(shí)間和28d抗壓強(qiáng)度展開相關(guān)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(duì)水泥砂漿凝結(jié)時(shí)間和28d 抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律。Yoon J［6］等人通過對(duì)水泥砂漿的性能進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)加入粉煤灰對(duì)膠凝物質(zhì)的產(chǎn)生作用較小，反而使得漿液的空隙增加，強(qiáng)度降低。但是，粉煤灰能夠有效增加漿液的流動(dòng)性能，在漿液中添加粉煤灰，能夠發(fā)乎其微粒作用，起到潤滑效果。研究得出結(jié)論，摻加粉煤灰和適宜水膠比是0.5～0.6，粉煤灰的含量應(yīng)在10%～20%。蔣春霞［7］通過室內(nèi)試驗(yàn)，以水泥砂漿為研究對(duì)象，制作水泥砂漿試件，研究其在不同摻加劑以及不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間條件下，水泥砂漿試件的抗壓強(qiáng)度和抗拉彈性模量等因素的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)隨著漿液試件養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加，試件的抗拉強(qiáng)度和抗拉彈性模量呈現(xiàn)出線性增長模式，摻加劑對(duì)水泥砂漿試件的抗拉強(qiáng)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(qiáng)度和彈性模量。

本文以天津地鐵11 號(hào)線一期工程04 標(biāo)段為依托開展相關(guān)研究，分析水玻璃波美度和水灰比等條件對(duì)漿液的影響規(guī)律。

1 工程概況

本項(xiàng)目依托于天津地鐵11號(hào)線04標(biāo)段，該標(biāo)段主要包括兩站、三區(qū)間，本文選其中一個(gè)區(qū)間即陳塘站—東江道站區(qū)間為例展開相關(guān)研究。區(qū)間采用盾構(gòu)法施工，盾構(gòu)機(jī)參數(shù)如表1所示。

表1 所用土壓平衡盾構(gòu)機(jī)參數(shù)表

盾構(gòu)穿越地層為較為復(fù)雜主要包括黏土、粉質(zhì)黏土、粘質(zhì)粉土、粉質(zhì)砂土等地質(zhì)條件，而且地下水較為豐富，其地質(zhì)斷面圖如圖1 所示。本文以穿越富水粉細(xì)砂地層為實(shí)例展開相關(guān)漿液性能研究。

圖1 區(qū)間地質(zhì)斷面圖

2 試驗(yàn)方案

通過相關(guān)規(guī)范要求，結(jié)合大量文獻(xiàn)［8-12］，并通過與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際結(jié)合，試驗(yàn)設(shè)計(jì)如表2所示。其中，水泥砂漿與水玻璃的比例設(shè)計(jì)按照5∶1進(jìn)行。

表2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)將采用控制變量法進(jìn)行整體設(shè)計(jì)，首先，不同水灰比情況下，水泥—水玻璃砂漿力學(xué)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(xué)性能影響規(guī)律；其次，與不同波美度情況下的水玻璃進(jìn)行組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)，分析不同情況下，水泥—水玻璃砂漿試件無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律。

根據(jù)規(guī)范《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法》（JGJ 70-2009）［13］相關(guān)要求，進(jìn)行砂漿試件的制作，試件模具采用70.7mm×70.7mm×70.7mm 三聯(lián)砂漿模具，制作流程見圖2。養(yǎng)護(hù)方式為水中養(yǎng)護(hù)，如圖3所示。

圖2 砂漿試件制作

圖3 水中養(yǎng)護(hù)試驗(yàn)圖

抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)采用TAW2000 試驗(yàn)儀器，如圖4 所示，其計(jì)算公式為：

圖4 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)圖

式中：fm，cu為砂漿立方體抗壓強(qiáng)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(jié)果分析

圖5 為抗壓強(qiáng)度變化試驗(yàn)曲線，主要表示不同養(yǎng)護(hù)周期下，不同波美度及水灰比對(duì)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律。對(duì)其進(jìn)行整體分析可得知，試件強(qiáng)度性能隨著其波美度的增加逐漸增大，最后趨于穩(wěn)定狀態(tài)。其原因在于水玻璃波美度能夠使得水泥與水充分反應(yīng)，其產(chǎn)物越多，抗壓強(qiáng)度越大。從圖中可以看出，38波美度和42 波美度時(shí)，其強(qiáng)度無明顯變化，說明波美度對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響有峰值效應(yīng)，并不是成正比例關(guān)系。

圖5 抗壓強(qiáng)度變化曲線

水灰比的增加，其強(qiáng)度逐漸減小，主要原因?yàn)闈{液中水泥含量減小，膠凝材料少，生成水化產(chǎn)物減少，且結(jié)石體易產(chǎn)生孔隙，諸多因素共同影響其強(qiáng)度，導(dǎo)致強(qiáng)度降低；養(yǎng)護(hù)時(shí)間對(duì)試件的影響為，其時(shí)間延長，試件抗壓強(qiáng)度增大。隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間增加，水泥、水玻璃和水的反應(yīng)能夠更加徹底，產(chǎn)生大量水化產(chǎn)物，使得試件強(qiáng)度增加。

4 結(jié)論

（1）對(duì)水泥—水玻璃雙漿液注漿材料進(jìn)行分析，其試件抗壓強(qiáng)度與水玻璃波美度有直接關(guān)系，其大小隨波美度的增加而增加，最后趨于穩(wěn)定。最終，當(dāng)波美度達(dá)到42 時(shí)，其強(qiáng)度不再增加，說明波美度對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響有峰值效應(yīng)。

（2）通過水灰比及養(yǎng)護(hù)時(shí)間對(duì)雙漿液注漿材料強(qiáng)度的影響分析可知，水灰比增大，試件強(qiáng)度逐漸減小，養(yǎng)護(hù)的時(shí)間延長，試件抗壓強(qiáng)度逐漸增大。

（3）通過對(duì)比分析，水泥—水玻璃雙漿液配合比見表3所示。

表3 最優(yōu)配合比