基于聚合物塑性雙液漿的管片抗浮性能分析

申路 王國義 王成 崔圣愛 夏葳 曾光

1.西南交通大學 土木工程學院， 成都 610031； 2.中電建成都建設投資有限公司， 成都 610212

截至2022 年底我國共有55 座城市開通城軌交通線路，其中地鐵運營長度8 012.85 km，占運營線路總長的77.85%。為最大限度避免對已有建筑、管道線路及地層的擾動，盾構法逐漸成為城市地下交通的重要施工方法。同步注漿作為盾構法施工的重要一環，具有充填盾尾縫隙、抑制土體變形、控制地表沉降等作用。然而，由于注漿材料流動性過大、凝結時間過長，往往在施工過程中造成管片浮動和錯位，嚴重影響隧道成型質量和后期運營安全［1-3］。

對管片上浮的原因及解決上浮問題的方法，學者們進行了持續研究。葉飛等［4］提出管片所受上浮力由管片被漿液或地下水包裹產生的靜態上浮力和注漿壓力引起的動態上浮力兩部分組成。張君等［5］探究了漿液不同水灰比下管片上浮量與初凝時間的關系，發現隨著漿液水灰比降低，漿液的黏度增大，初凝時間縮短，管片上浮得到很好抑制。肖明清等［6］分別采用管片環間錯臺量計算方法和數值模擬方法研究了整個施工過程中管片環間錯臺規律，發現最大錯臺量發生在漿液未凝固段，證實縮短漿液凝固時間可有效減小管片環間錯臺。張連凱［7］通過不同注漿漿液配比下隧道管片上浮試驗得出，漿液上浮力隨漿液齡期增長而逐漸減小，并可分為四個階段：快速減小、穩定不變、二次減小、減小為負值并趨于穩定。綜上所述，凝結時間、漿液的流動性等漿液物性參數是影響管片上浮的關鍵因素。

根據注漿系統的不同，同步漿液可分為單液漿和雙液漿。單液漿流動度大、凝結時間長。與單液漿相比，雙液漿可以顯著降低漿液流失，減少管片上浮量和錯臺量，更好適應富水環境。由于常規雙液漿（水泥-水玻璃）容易導致瞬凝和堵管，一定程度上妨礙了雙液漿的應用和發展。摻入適量的聚丙烯酰胺（Polyacrylamide，PAM），可顯著調節漿液凝結時間和漿液流動狀態［8-9］。因此，本文以聚丙烯酰胺為聚合物改性材料，制備新型聚合物塑性雙液漿（簡稱塑性雙液漿），對漿液凝結時間、沉入度及擴展度進行測定，設計管片上浮模型試驗，對比單液漿和塑性雙液漿的浮力特性，并在成都軌道交通19號線二期工程盾構隧道中應用驗證。

1 原材料和試驗方法

1.1 配合比設計及制備工藝

塑性雙液漿由A 液和B 液按體積比10∶1 混合。A 液為水泥、粉煤灰、鈉基膨潤土、細骨料及水分按照0.47∶0.95∶0.24∶1.67∶1.00 的質量比混合制成。其中：水泥采用P·O 42.5 普通硅酸鹽水泥，粉煤灰采用Ⅱ級粉煤灰，細骨料為普通河砂。鈉基膨潤土性能指標見表1。

B 液為PAM 干粉和水按照質量比1∶200 配制而成。PAM為高分子量陰離子型粉末，性能指標見表2。

表2 PAM性能指標

為排除水膠比變化對漿液性能的影響，單液漿和塑性雙液漿水膠比保持一致。綜合考慮塑性雙液漿A液和B 液總用水量，設定水膠比0.87 的單液漿作為對照組。具體試驗配合比見表3。

表3 試驗配合比g

制備塑性雙液漿時，預先按照設計質量比稱取相應的PAM 干粉和水。待混合攪拌至無明顯顆粒狀后（約40 min），按照設計體積摻量，用量杯量取配制好的B 液。隨后按照設計配合比稱取A 液組分，采用JJ-5型行星式砂漿攪拌機制備A 液。最后加入所取的B液，繼續攪拌15 s，制得密度1.85 g/cm3的塑性雙液漿。單液漿制備流程與A液相同，單液漿密度為1.80 g/cm3。

1.2 試驗方法

凝結時間按照GB/ T 1346—2011《水泥凈漿標準稠度用水量、凝結時間及安定性檢驗方法標準》中的方法測定。沉入度采用JGJ/ T 70—2009《建筑砂漿基本物理力學性能試驗方法標準》中的稠度試驗方法測定。擴展度參照GB/ T 2419—2005《水泥膠砂流動度測定方法》測定。

盾構隧道施工過程中同步注漿的水膠比一般為0.6 ～ 1.5，屬于非牛頓流體［10］。Atapattu、Beaulne等［11-12］通過試驗及數值分析證明了非牛頓流體中自由下落的固體小球在低速蠕動情況下存在臨界懸浮狀態。此時屈服應力與浮力（或重力）之比為定值。本文基于這個原理進行管片上浮模型試驗的設計和計算。

管片上浮模型試驗是將盾構隧道管片密度等效為浮力小球模型密度，采用浮力小球模型模擬分析不同流變性能漿液對管片產生的上浮力。

依托工程盾構隧道采用圓形裝配式鋼筋混凝土管片單層襯砌，如圖1 所示。每段管片長1.8 m，管片外徑8.3 m，內徑7.5 m，密度2.5 g/cm3。根據管片內外徑和管片密度，計算出管片在漿液中的等效密度為0.46 g/cm3。按照管片等效密度設計浮力小球模型，材質為透明亞克力硬性球，直徑8 cm，質量123.32 g，重力1.20 N。

圖1 管片實際尺寸（單位：m）

管片上浮模型試驗裝置（圖2）主要為加載裝置、盛漿容器和定制的浮力小球模型。加載裝置為YRWT-M001 的微機控制電子萬能材料試驗機，具有加載速度可控和自動化采集數據功能。盛漿容器為體積2 L 的透明亞克力桶。浮力小球模型由上端薄板、連接柱及浮力小球組成。

圖2 管片上浮模型試驗裝置

試驗方法：首先將漿液裝入盛漿容器中，放置在加載裝置的底座上；再將浮力小球模型的球體部分全部浸入漿液中，下調加載裝置，直至與浮力小球模型的上端薄板接觸；隨后設置加載裝置的加載速率為10 mm/min，使小球保持蠕動狀態，并導出加載力-時間曲線。

2 試驗結果及分析

2.1 凝結時間、沉入度和擴展度試驗

兩種漿液擴展度測定見圖3。兩種漿液的凝結時間、沉入度及擴展度測試結果見表4。可知：與單液漿相比，塑性雙液漿凝結時間變長，沉入度和擴展度減小，漿液變稠。初凝時間延長了4.8%，終凝時間延長了2.2%，沉入度降幅達到44.6%，擴展度降低了60.0%。原因是：①PAM 分子上的酰胺基（—NH2）與水泥砂漿中水分子締合形成氫鍵，水泥砂漿中自由水含量減少，可溶物濃度降低，減緩了早期水化速率；②酰胺基水解后會轉化為含有—COOH 的共聚物，與水泥漿體中的Ca2+等金屬陽離子相互作用，生成含有—COO—Ca—OOC—、HO—Ca—OOC—等離子鍵化合物，形成網狀結構，不僅增加了分子間的交聯，還阻止水分子以及離子的運動，影響水化進程，最終導致凝結時間變長，漿液變稠［13-15］。

圖3 兩種漿液擴展度測定

表4 兩種漿液的凝結時間、沉入度及擴展度測試結果

2.2 管片上浮模型試驗

定義小球在漿液中受到的廣義浮力為F上，小球在漿液中運動時所受加載力為F下，小球在運動時受到的漿液阻力為F阻。由固體小球在非牛頓流體中的平衡狀態可知

式中：ρ為漿液密度，kg/m3；ρ球為小球密度，kg/m3；g為重力加速度，9.8 N/kg；v為小球的體積，m3。

式（1）和式（2）相加后，整理得

式中：Δρ為漿液密度與小球密度的差值，kg/m3。

F上>0 時小球會上浮，F上≤ 0時小球不上浮。

對小球在單液漿和塑性雙液漿中的運動狀態分別測定三次。通過向下加載獲得F下-t（小球運動時間）的關系曲線，結果見圖4。

圖4 兩種漿液的F下-t關系曲線

由圖4（a）可知：較長時間內F下在4.8 N 上下波動，證明了小球在單液漿中向下運動時能達到平衡狀態。去除波動較大的數據后，對三次測試結果求平均值，最終得出小球在單液漿中F下= 4.82 N。由式（4）可算出，小球在單液漿中F上= 2.22 N，會上浮。

對比圖4（a）和圖4（b）可知：小球在塑性雙液漿中向下運動過程中，F下持續增大，雖然在一段時間內增長速率變緩，但并無穩定階段；隨著運動時間延長，F下急劇增大。這說明小球緩慢向下運動過程中，塑性雙液漿受壓力作用排出了一部分自由水，下層漿液變得更密實；隨著小球向下運動，漿液對小球的阻力持續增大，無法達到平衡狀態。對曲線中平緩段F下求平均，可得小球在塑性雙液漿中F下= 42.45 N。由式（4）可計算得出，小球在塑性雙液漿中F上= -35.15 N，不會上浮。

為了對比小球在兩種漿液中的上浮差異，卸載后，繼續觀察浸入兩種漿液中的小球運動狀態，結果見圖5。可知：小球在單液漿中能上浮，而在塑性雙液漿中仍浸沒于漿液中，不能上浮，進一步驗證了計算結果。

圖5 浸入兩種漿液中的小球運動狀態

3 工程應用

成都軌道交通19 號線二期工程盾構隧道區間主要穿越中風化泥巖層、泥巖及砂卵石組成的復合地層、密實砂卵石層等地層。為進一步控制地表沉降，減少管片上浮，利用注漿系統，分段澆注兩種漿液，并對管片垂直偏差進行了實時監測。垂直偏差為管片中心線與隧道設計軸線的相對位移。上浮量為實測管片中心斷面處最大垂直偏差與最小垂直偏差的差值。

注單液漿段和注雙液漿段管片垂直偏差實時監測結果見圖6。可知：注單液漿段管片垂直偏差在-66 ～ 44 mm，管片上浮量達到110 mm。注塑性雙液漿段管片垂直偏差在-35 ～ -15 mm，管片上浮量僅20 mm。說明注塑性雙液漿段管片上浮量遠小于注單液漿段。

圖6 注不同漿液段管片垂直偏差實時監測結果

為了更直接地反映注單液漿段和注雙液漿段管片上浮差異，選取8個盾構區間進行監測。其中1#—6#盾構區間注單液漿，7#—8#盾構區間注塑性雙液漿。

以20 mm 為一個垂直偏差區間。各垂直偏差區間測點數量占總測點數量的百分比見圖7。

圖7 各垂直偏差區間測點數量占比

由圖7（a）可知：1#—6#盾構區間管片垂直偏差分布較分散，在-100 ～ 100 mm 各區間均有一定占比，表明管片上浮量達200 mm，且不穩定。7#—8#盾構區間管片垂直偏差大部分分布在-20 ～ 20 mm，管片垂直偏差分布較集中，說明管片上浮量較小，僅40 mm。與注單液漿段（1#—6#盾構區間）相比，注塑性雙液漿段管片上浮量減小了約80%。

由圖7（b）可知：與注單液漿段相比，注塑性雙液漿段管片垂直偏差更小，分布更集中，垂直偏差在-20 ～ 20 mm 區間的測點數量占比大于90%，表明塑性雙液漿抑制管片上浮效果更好。

4 結論

1）與相同配合比的單液漿相比，新型聚合物塑性雙液漿初凝時間延長了4.8%，終凝時間延長了2.2%，沉入度和擴展度分別降低了44.6%和60.0%。

2）通過管片上浮模型試驗，小球在單液漿中向下運動時能達到平衡狀態，廣義浮力為2.22 N。小球在新型聚合物塑性雙液漿中，未出現平衡狀態，廣義浮力為-35.15 N。卸載后，小球在單液漿中上浮，在塑性雙液漿中仍浸沒。

3）經在實際工程中應用，與注單液漿段相比，注新型聚合物塑性雙液漿段垂直偏差位于-20 ～ 20 mm區間的測點數量占比大于90%，垂直偏差分布更集中，管片上浮量減小了約80%。