不同地層同步注漿材料試驗(yàn)研究

邱敏超QIU Min-chao

（中國(guó)交建軌道交通分公司，北京 102200）

0 引言

在盾構(gòu)開挖中，隧道穿過(guò)的土層總是不唯一的。相同的注漿料配比并不能有效應(yīng)用于不同性質(zhì)的土層。本文主要依托廈門地鐵3 號(hào)線對(duì)隧道主要通過(guò)的殘積礫質(zhì)粘性土、中粗砂以及全風(fēng)化花崗巖層設(shè)計(jì)了不同的注漿料配比并測(cè)試了其泌水率、流動(dòng)度以及抗壓強(qiáng)度，最終得出適合不同土層的最佳配合比。

1 工程概況

1.1 軌道概況

廈門地鐵3 號(hào)線雙滬站-空港經(jīng)濟(jì)區(qū)站區(qū)間段位于翔安區(qū)大嶝島內(nèi)，左線長(zhǎng)2283.042m，右線長(zhǎng)2305.795m，區(qū)間出雙滬站后沿機(jī)場(chǎng)大道西南側(cè)往機(jī)場(chǎng)方向敷設(shè)，過(guò)規(guī)劃水系后，通過(guò)路基段過(guò)渡轉(zhuǎn)入地下明挖段，進(jìn)入盾構(gòu)段后線路向北偏轉(zhuǎn)，下穿機(jī)場(chǎng)大道后轉(zhuǎn)至機(jī)場(chǎng)大道北側(cè)敷設(shè)，最終接入空港經(jīng)濟(jì)區(qū)站。

1.2 區(qū)間地質(zhì)概況

雙滬站-空港經(jīng)濟(jì)區(qū)站區(qū)間隧道左右線埋深約7.69m～18.00m，覆土層主要為吹填淤泥混砂、淤泥、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)砂、粉質(zhì)黏土、中粗砂、殘積礫質(zhì)黏性土、全風(fēng)化花崗巖。盾構(gòu)開挖主要經(jīng)過(guò)殘積礫質(zhì)粘性土、中粗砂以及全風(fēng)化花崗巖。

1.3 區(qū)間水文概況

①地表水。雙滬站-空港經(jīng)濟(jì)區(qū)站區(qū)間位于翔安區(qū)大嶝島內(nèi)，場(chǎng)區(qū)地表水主要為海水。

②地下水。地下水主要賦存于砂類土、碎石類土孔隙內(nèi)及基巖裂隙中，據(jù)賦存形式可分為松散巖類孔隙水、風(fēng)化殘積孔隙裂隙水及基巖裂隙水三種。

2 試驗(yàn)方法

2.1 泌水率試驗(yàn)

圖1 為注漿料泌水率試驗(yàn)裝置，泌水桶直徑為100mm，刻度值在90mm～140mm 之間。測(cè)試泌水率時(shí)，將泌水桶中倒入注漿料至100mm±10mm 刻度范圍內(nèi)。首先靜置注漿料1 分鐘并記錄初始高度，待放置3 小時(shí)后測(cè)得泌水高度以及膨脹面高度。最后按照公式（1）計(jì)算注漿料泌水率。

圖1 泌水率試驗(yàn)裝置

式中：h1-注漿料放置1 分鐘后的初始高度；h2-注漿料放置3 小時(shí)后的泌水高度；h3-注漿料放置3 小時(shí)后的膨脹面高度。

2.2 流動(dòng)度試驗(yàn)

測(cè)試注漿料擴(kuò)展流動(dòng)度的試驗(yàn)裝置主要包括玻璃板和截錐圓模。測(cè)試前需用水平尺將玻璃板調(diào)水平并擦拭干凈。將截錐圓模放置在玻璃板中心后倒入注漿料，再用刮刀將注漿料磨平，最后垂直提起截錐圓模并在30 秒內(nèi)測(cè)得注漿料相互垂直兩個(gè)方向的直徑，其平均值即為注漿料的流動(dòng)度。

2.3 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

測(cè)試注漿料抗壓強(qiáng)度的試塊尺寸為70.7mm×70.7mm×70.7mm，每種注漿料澆筑3 個(gè)試塊，制作后在室溫為（20±5）℃養(yǎng)護(hù)28 天后放在液壓伺服壓力機(jī)上進(jìn)行抗壓實(shí)驗(yàn)，加載速率為0.5～1.0kN/s，加載至試件破壞并記錄實(shí)驗(yàn)的曲線峰值強(qiáng)度。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 殘積礫質(zhì)粘性土層注漿料配合比試驗(yàn)結(jié)果分析

殘積礫質(zhì)粘性土含水率較高，土層軟弱，應(yīng)加快注漿料的凝結(jié)時(shí)間，增加強(qiáng)度。增加水泥摻量可以減少凝結(jié)時(shí)間、增加漿液的保水性，同時(shí)可以增強(qiáng)注漿料的強(qiáng)度。如表1 所示，文中根據(jù)殘積礫質(zhì)粘性土層的性質(zhì)，通過(guò)調(diào)整配比中的水灰比（水/水泥）設(shè)計(jì)了三種配合。

表1 殘積礫質(zhì)粘性土層注漿料配合比設(shè)計(jì) （kg/m3）

表2 和表3 為針對(duì)殘積礫質(zhì)粘性土層設(shè)計(jì)配合比的流動(dòng)度、泌水率以及抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果。結(jié)合圖2 和圖3中泌水率、流動(dòng)度和抗壓強(qiáng)度之間的相互關(guān)系可以明顯看出，隨著水灰比的減小，注漿料的流動(dòng)度和泌水率明顯降低，抗壓強(qiáng)度則呈現(xiàn)遞增的趨勢(shì)。綜合三項(xiàng)指標(biāo)可以得出配合比F2 為最佳配比。較之配比F3，泌水率稍弱，但流動(dòng)性優(yōu)異?？箟簭?qiáng)度也已足夠，因此不需用過(guò)低的水灰比。

表2 流動(dòng)度、泌水率實(shí)驗(yàn)記錄（殘積礫質(zhì)粘性土層）

表3 抗壓強(qiáng)度（殘積礫質(zhì)粘性土層）

圖2 流動(dòng)度-泌水率相互關(guān)系（殘積礫質(zhì)粘性土層）

圖3 流動(dòng)度-抗壓強(qiáng)度相互關(guān)系（殘積礫質(zhì)粘性土層）

3.2 中粗砂層注漿料配合比試驗(yàn)結(jié)果分析

中粗砂土層鎖水能力差，遇下雨或潮汐作用的情況下會(huì)影響注漿料的凝結(jié)。因此設(shè)計(jì)優(yōu)化配合比時(shí)需縮短該土層漿液的凝結(jié)時(shí)間、減小泌水率，保證后期有穩(wěn)定的注漿強(qiáng)度。粉煤灰在保證漿液流動(dòng)性不變的同時(shí)，還能起到減水的作用，此外，粉煤灰也可以增加漿液的整體性、和易性以及后期強(qiáng)度。在粉質(zhì)粘土層注漿料配合比中可以確定水泥每方注漿料200kg 最佳。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)改變配比中水與粉煤灰的比值設(shè)計(jì)了三個(gè)配比，詳細(xì)參數(shù)可見表4。

表4 中粗砂層注漿料配合比設(shè)計(jì) （kg/m3）

從圖4 和圖5 中可以看出，隨著粉煤灰摻量的增加，注漿料的泌水率和流動(dòng)度的變化趨勢(shì)一致，均成遞減趨勢(shì)?？箟簭?qiáng)度則與泌水率、流動(dòng)性成相反趨勢(shì)，粉煤灰含量越高，抗壓強(qiáng)度越高。如表5、表6 中結(jié)果所示，配比Z1 到配比Z3，泌水率依次減小了40%、28.6%，流動(dòng)度依次減小2.7%、10.6%，抗壓強(qiáng)度依次增加3.7%、8.3%。由此可知，粉煤灰可以明顯降低注漿料的泌水率，但摻加過(guò)多效果不再明顯。配比2 不僅泌水率小且流動(dòng)性能好，抗壓強(qiáng)度也適中。因此綜合考量下，配比Z2 性能最佳。

表5 流動(dòng)度、泌水率實(shí)驗(yàn)記錄（中粗砂層）

表6 抗壓強(qiáng)度（中粗砂層）

圖4 流動(dòng)度-泌水率相互關(guān)系（中粗砂層）

圖5 流動(dòng)度-抗壓強(qiáng)度相互關(guān)系（中粗砂層）

3.3 全風(fēng)化花崗巖層注漿料配合比試驗(yàn)結(jié)果分析

全風(fēng)化花崗巖有一定基礎(chǔ)強(qiáng)度，可適當(dāng)增加漿液流動(dòng)性以便易于泵送，提高施工效率。此外工程所在地位于海島，受潮汐影響。因此仍需適當(dāng)增加注漿料的穩(wěn)定性和粘聚力。膨潤(rùn)土則可增加漿液穩(wěn)定性和粘聚力。本文通過(guò)改變膨潤(rùn)土的摻量共設(shè)計(jì)了三個(gè)配比，既可以測(cè)試膨潤(rùn)土對(duì)配比的實(shí)際影響又可測(cè)得適合全風(fēng)化花崗巖層的最佳配比。其中減少了水泥的摻量，是因?yàn)槿L(fēng)化花崗巖有一定基礎(chǔ)強(qiáng)度，不必消耗過(guò)多水泥。粉煤灰摻量則是參考中粗砂層配合比的最佳粉煤灰摻量。（表7）

表7 全風(fēng)化花崗巖層注漿料配合比設(shè)計(jì) （kg/m3）

結(jié)合圖6、圖7 中注漿料的泌水率、流動(dòng)度和抗壓強(qiáng)度之間的相互關(guān)系以及表8 和表9 中的試驗(yàn)結(jié)果可以得出膨潤(rùn)土摻量對(duì)注漿料的抗壓強(qiáng)度以及流動(dòng)度無(wú)明顯影響，僅泌水率會(huì)隨膨潤(rùn)土摻量的增加而減小。綜合三項(xiàng)指標(biāo)，配合比Q1 性能最佳。

表8 流動(dòng)度、泌水率實(shí)驗(yàn)記錄（全風(fēng)化花崗巖層）

表9 抗壓強(qiáng)度（全風(fēng)化花崗巖層）

圖6 流動(dòng)度-泌水率相互關(guān)系（全風(fēng)化花崗巖層）

圖7 流動(dòng)度-抗壓強(qiáng)度相互關(guān)系（全風(fēng)化花崗巖層）

4 結(jié)論

本文依托廈門地鐵3 號(hào)線，根據(jù)盾構(gòu)機(jī)主要通過(guò)的殘積礫質(zhì)粘性土、中粗砂、全風(fēng)化花崗巖三個(gè)土層的特性設(shè)計(jì)了多個(gè)注漿料配合比，并通過(guò)測(cè)試注漿料的泌水率、流動(dòng)度和抗壓強(qiáng)度三個(gè)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)定，最終得出最適配的注漿料配比并得出如下結(jié)論：①針對(duì)殘積礫質(zhì)粘性土層設(shè)計(jì)的配合比中，配合比F2（水∶水泥∶砂∶粉煤灰∶膨潤(rùn)土=1∶2.5∶2∶2.16∶0.5）性能最佳。較低的泌水率可以保證注漿料在潮濕土壤中保持穩(wěn)定，減少凝結(jié)時(shí)間。較好抗壓強(qiáng)度也可更好的應(yīng)對(duì)地層變形對(duì)管片的擾動(dòng)。②針對(duì)中粗砂層設(shè)計(jì)的配合比中，配合比Z2（水∶水泥∶砂∶粉煤灰∶膨潤(rùn)土=1∶2.5∶2∶2.38∶0.5）性能最佳。粉煤灰摻量的增加在保證注漿料流動(dòng)性的同時(shí)明顯降低了注漿料的泌水情況，給注漿料凝結(jié)提供了更好的條件，特別是在中粗砂這種鎖水能力差的土層。③針對(duì)全風(fēng)化花崗巖層設(shè)計(jì)的配合比中，配合比Q2（水∶水泥∶砂∶粉煤灰∶膨潤(rùn)土=1∶3.12∶2.5∶2.97∶0.57）性能最佳。膨潤(rùn)土摻量對(duì)注漿料的流動(dòng)性和抗壓強(qiáng)度并無(wú)明顯影響，但減少膨潤(rùn)土的摻量降低了注漿料的泌水率。