一種新型雙液漿加固材料制備及鐵路隧道應用效果測試研究

摘 要：針對傳統水泥漿液對隧道進行加固效果不理想的問題，提出一種新型雙液漿材料的制備。試驗對雙液漿材料的配比進行優化，并對優化后雙液漿材料的性能進行研究，以沈陽某鐵路隧道工程為依托，研究了雙液漿材料對隧道工程的加固效果。試驗結果表明，水泥質量分數為9%、粉煤灰質量分數為3%、偏高嶺土質量分數為3%、水玻璃與水泥砂漿體積比為0.5、水玻璃模數為3.32、黃原膠用量為0.10%時，制備雙液漿材料性能最優，此時材料流動度為292.5 mm，泌水率為4.2%，膠凝時間為110 s，7、28 d抗壓強度分別為19.5、21.5 MPa，不透水性系數為9.1，滿足DB11/T 1608—2018標準，表現出良好的綜合性能。

關鍵詞：雙液漿注漿材料；加固效果；隧道工程；工程應用效果

中圖分類號：

TQ177.1

文獻標志碼：

A文章編號：

1001-5922（2024）01-0064-04

Study on preparation of a new double slurry grouting material for water reinforcement and its application effect test in railway tunnel

YANG Chaoshuai1，2，XU Xueliang3，4，LIU Zhihao5，LIU Yongsheng1，2，

WEI Jiayan5，PENG Donglin5

（1.China Railway Tunnel Consultants Co.，Ltd.，Guangzhou 511458，China;

2.Guangdong Provincial Key Laboratory of Intelligent Monitoring and Maintenance of Tunnel Structure，Guangzhou 511458，China;

3.China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China;

4.State Key Laboratory of High Speed Railway Track Technology，Beijing 100081，China;

5.College of Civil and Transportation Engineering，Shenzhen University，Shenzhen 518060，Guangdong China）

Abstract：A new type of double slurry grouting material was proposed to address the issues of unsatisfactory reinforcement effect of traditional cement slurry in tunnel reinforcement.The experiment optimized the ratio of double slurry grouting materials，studied the performance of the optimized double slurry grouting materials.Based on a railway tunnel project in Shenyang，the reinforcement effect of double slurry grouting materials on the tunnel project was studied.The test results showed that when the mass fraction of cement was 9%，the mass fraction of fly ash was 3%，the mass fraction of metakaolin was 3%，the volume ratio of water glass to cement mortar was 0.5，the modulus of water glass was 3.32，and the amount of Xanthan gum was 0.1%，the performance of the prepared double slurry grouting material was optimal.At this time，the fluidity of the material was 292.5 mm，the bleeding rate was 4.2%，the cementation time was 110 s，the 7 d and 28" d compressive strengths were 19.5 MPa and 21.5 MPa，respectively，and the impermeability coefficient was 9.1，which meet the DB11/T 1608-2018 standard，showing good comprehensive performance.

Key words：double slurry grouting material;reinforcement effect;tunnel engineering;engineering application effect

鐵路隧道是現代道路的重要組成部分，承載著較為重要的運輸任務。注漿加固是處理隧道涌水隱患最常用的一種方式，但傳統水泥漿料在注漿過程中，受其特性的影響，存在耐久性差，加固效果不理想的問題，針對此問題，如制備了一種納米二氧化雙液漿注漿材料，并對其性能進行研究［1］。針對隧道突發涌水的問題，制備了一種新型聚氨酯復合雙液漿注漿材料，并對其性能進行研究［2］。以赤泥為原料，制備了一種綠色高性能雙液漿注漿材料，并對其性能進行研究［3］。選用超細礦渣粉（UFS）和硅灰（SF），研制出一種綠色環保高性能的雙液漿注漿材料［4］。以上學者的研究為提升雙液漿材料的性能提供了參考，但在實際應用方面，還有需要優化的部分。基于此，參考文獻［5］、文獻［6］研究的方法，嘗試制備了一種雙液漿材料，并對其實際工程應用效果進行研究。

1 試驗部分

1.1 材料與設備

主要材料：減水劑（AR）， 焌烽化工；鈉基膨潤土（標準級 雍聯新材料）；黃原膠（Ⅱ級），玖宇生物科技；水泥（P·O42.5 康輝耐材）；粉煤灰（Ⅱ級），嘉功礦產品；偏高嶺土（Ⅰ級），科旭建材；水玻璃（標準級），原易化工。

主要設備：JJ-5型水泥砂漿攪拌機（鑫科建筑儀器）；MX-B型萬能試驗機（臺碩檢測儀器）；SS-15型砂漿抗滲儀（盛世慧科）。

1.2 雙液漿材料的制備

雙液漿材料主要分為2部分：A部分為水泥漿料，B部分為水玻璃，二者混合后，得到目標雙液漿材料。具體制備過程為：

（1）依次在提前清潔過的攪拌鍋內放入80%水，1%減水劑、4%填料（鈉基膨潤土+黃原膠）和15%粉料，打開攪拌機，設置模式為快攪模式進行混合，攪拌時間為3 min，得到水泥漿料。水泥漿料主料配比見表1；

（2）按照設計的水玻璃與水泥漿料的（CS）體積比量取適量的水玻璃與水泥漿料進行混合，得到目標雙液漿材料。設置CS體積比為0.25、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8；

（3）將雙液漿材料倒入提前刷油的模具內，室溫養護1 d后拆模編號，然后在標準養護條件下養護至指定齡期。

1.3 性能測試

抗壓強度：

參照JGJ/T 70—2009中的方法，通過萬能試驗機對抗壓強度進行測試［7-8］。

抗滲性能：

參照JGJ/T 70—2009中的方法，通過砂漿抗滲儀對水泥砂漿試件的不透水系數進行測試，表征材料的抗滲性能。

泌水率：

通過對漿液中澄清水體積的測定，計算雙液漿材料的泌水率。

流動度：

參照GB/T 8077—2012中的方法對雙液漿材料的流動度進行測試［9-10］。

膠凝時間：

膠凝時間為雙液漿材料的凝固時間。

1.4 工程應用

1.4.1 工程概況

以某鐵路區間開挖的隧道工程為依托，其開挖斷面寬度和高度分別為6.5 m和6.9 m，基巖為強風化巖石地層［11-13］。在隧道開挖中同時存在給水、雨水、污水。

1.4.2 注漿方案

注漿漿液分別為水泥砂漿和本試驗自制的雙液漿材料，以注漿后鉆孔滲水情況對隧道加固效果進行評價［14-16］。

2 結果與討論

2.1 配比優化

2.1.1 水泥漿料主料配比優化

由于水泥漿料配比主要對雙液漿材料的抗壓強度產生影響，因此以抗壓強度為指標，對水泥漿料主料配比進行優化，結果見圖1。

由圖1可知，在3種水泥漿料主料配比中，C組配比制備的樣品在7 d和28 d抗壓強度均明顯高于其余2組，表現出良好的抗壓性能。這是因為主料中含有的成分活性不同，因此激發點也不相同，在養護早期，偏高嶺土在水玻璃激發作用下，生成類沸石物質，對體系內部結構的密實性有增強作用，進而增強了注漿試件的早期強度［17］。在養護后期，主要發生粉煤灰火山灰反應，進一步生成膠凝性物質，進一步增加了雙液漿材料的強度［18］。綜上，選擇適合的水泥漿料主料配比為水泥質量分數9%，粉煤灰質量分數3%，偏高嶺土質量分數為3%。

2.1.2 CS體積比優化

CS體積比主要對抗滲性能產生影響，因此以抗滲性能為指標，對CS體積比進行優化，結果見圖2。

由圖2可知，隨CS體積比的增加，樣品的不透水指數表現出先增加，后平衡，再下降的變化趨勢。當CS體積比為0.5時，結石體不透水性指數達到最高9.11，表現出良好的抗滲性能。而CS體積比越大，水玻璃用量越多，對偏高嶺土的激發作用越好，對材料內部的毛細孔的填充作用越好，減少了孔隙連接通道，增加了材料的抗滲性能［19-20］。而體系內水玻璃含量過多時，對水泥漿料有一定稀釋作用，對膠凝材料的水泥水化反應產生影響，使得材料抗滲性能有一定降低。因此，選擇適合的CS體積比為0.5。

2.1.3 水玻璃模數優化

圖3為水玻璃模數對抗壓強度的影響。

由圖3可知，水玻璃模數為3.32制備的雙液漿材料抗壓強度較佳，且在養護后期，這種差異更加明顯。這是因為水玻璃模數過高時，溶液黏度較高，液相離子活性降低，削弱了水玻璃對水泥漿料的激發效果，使其抗壓強度有一定下降。在后續試驗中，選擇水玻璃模數為3.32。

2.1.4 黃原膠用量優化

黃原膠在體系內是作為一種高能增稠劑使用，因此主要對體系的泌水性產生影響。以泌水率為指標，對黃原膠用量進行優化，結果見圖4。

由圖4可知，隨黃原膠用量的增加，雙液漿材料泌水率表現出先不變，后上升，最后下降的變化趨勢。實際工程中，雙液漿材料的泌水率需要控制在 5%以內，因此選擇適合的黃原膠用量為0.1%。

2.2 基礎性能測試

對優化配比后的雙液漿材料的基礎性能進行分析，結果見表2。

由表2可知，試驗制備的雙液漿材料流動度為292.5 mm，泌水率為4.2%，膠凝時間為110 s，7 d和28 d抗壓強度分別為19.5 MPa和21.5 MPa，不透水性系數為9.1，滿足DB11/T 1608—2018標準，表現出良好的綜合性能。

2.3 實際工程應用

水泥漿液和雙液漿材料對富水砂層隧道進行加固處理，以鉆孔出水量為指標，對加固效果進行評價，結果見圖5。

由圖5可知，經過水泥砂漿注漿處理后，孔出水量雖然降至0.1 L/（min·m）以下，但幾乎所有孔洞均出現線狀流水的情況，達不到無水作用要求。而經過雙液漿材料進行加固處理后，孔出水量幾乎降至0，且孔洞不出現明顯滲水現象，滿足工程需求，表現出良好的加固效果。試驗制備的雙液漿材料具備較好的流動度和較短的膠凝時間，既能滿足注漿需求，又能達到較好的加固效果。

3 結語

（1）在偏高嶺土和粉煤灰的共同作用下，雙液漿材料的抗壓強度得到有效增強;

（2）水玻璃用量和CS體積比對雙液漿材料的抗滲性能產生影響;

（3）水玻璃模數過高時，溶液黏度較高，液相離子活性降低，削弱了水玻璃對水泥漿料的激發效果，對抗壓強度產生不良影響;

（4）黃原膠可有效提升雙液漿材料的泌水率，當黃原膠用量為0.1%時，材料泌水率低于5%，滿足工程需求;

（5）優化配比后的雙液漿材料各個性能均滿足DB11/T 1608—2018標準，表現出良好的綜合性能;

（6）雙液漿材料具備較好的流動度和較短的膠凝時間，既能滿足注漿需求，又能達到較好的加固效果，可以在隧道加固工程中發揮作用。

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