盾構施工中同步注漿材料的制備及性能研究

唐夢蝶， 劉相華， 張啟琿， 徐志昊， 孫曉輝， 馬新偉

（1.哈爾濱工業大學海洋工程學院，山東 威海 264209；2.濟南城建集團有限公司，濟南 250031）

0 引言

近年來，隨著國內經濟的不斷發展，我國高等級公路建設正在以前所未有的速度發展。在施工建設過程中，碎石材料是最常見、也是使用數量最多的原料。而在這種原料的生產加工過程中，無疑會產生數量極為龐大的廢石粉[1]。若不加以利用，其加工、裝卸、運輸等成本將十分可觀，這些石粉往往作為廢棄料隨意丟棄，不僅造成了資源的浪費，還造成了環境污染。針對上述現狀，為解決在碎石加工過程中產生的石粉對環境的污染問題，提高石材的利用率。研究嘗試用廢石粉替代部分水泥，作為填充料摻入盾構壁后注漿材料中，研究其對注漿體性能指標的影響。

近年來，地鐵在城市建設中占據越來越重要的地位，在對地鐵隧道進行盾構施工時，控制其對周圍土層的擾動、降低對鄰近建（構）筑物的影響非常重要[2]。因此，文中對地鐵盾構隧道掘進中同步注漿材料的制備及性能進行了研究。

目前，在盾構壁后同步注漿的相關研究中，對注漿材料的研究相對較早，并且已成功將一些新型注漿材料應用在壁后注漿施工中[3]。目前多種類型的壁后注漿材料在我國隧道施工都有應用，對其的研究也沒停過，學者們仍積極地探索各種注漿材料。目前有兩大研究方向：一是研究已有的注漿料在不同地層條件下的力學性能，找到適用于不同條件的注漿材料及其配合比；二是對現有注漿料進行改進，研究出來源廣泛、無污染、成本低、施工方便和性能優越的注漿材料以滿足施工要求[4]。注漿材料及其配比不同，形成的漿液在強度、流動性、填充性、凝結時間、收縮率等方面存在較大差異，直接影響同步注漿加固質量[5，6]。一些學者通過材料試驗，采用控制變量法，研究在不同的配合比下，材料試塊的性能參數，篩選出性能優異的材料，從而改善施工質量[7，8]。有試驗表明加入膨潤土會明顯改善水泥砂漿的施工性能，在提高漿液穩定性的同時，能改善漿液的可泵性有效地防止注漿堵管[9]。陶成明采用正交試驗設計法，對盾構隧道同步注漿漿液配合比進行了試驗研究，以漿液稠度、固結體強度、結石率、穩定性和凝結時間等為指標進行了測試，得到質量比為水泥：砂：膨潤土：粉煤灰：水=1：2.17：0.44：2.28：2.44的漿液最優[10]。楊成針對蘭州地鐵下穿黃河砂卵石地層對注漿料工作性能的要求，配制了8組不同配合比的漿液，對漿液密度、流動度、稠度、凝結時間、抗水沖的分散試驗及抗壓強度等進行測試，得到最優漿液的配合比[11]。

文中沿用單液漿的基本思想，在以上研究基礎上，對注漿材料及其配合比進行改良，通過試驗得出壁后注漿體的工作性能和物理力學性能，明確不同用途的注漿料的配合比，并在實際工程中加以運用。

1 試驗設計

1.1 材料準備

1.1.1 水泥

試驗所用水泥PC32.5R復合硅酸鹽水泥，各項指標滿足標準要求。

1.1.2 砂

砂為普通河砂，試驗所用砂全部通過了2.36mm的方孔篩，氣干狀態，在配合比設計時不考慮其含水率。含泥量不能高于3%。試驗用的砂為三級配砂如表1。為了提高盾構壁后注漿材料的密實度和力學性能，砂的級配按顆粒緊密堆積理論進行了計算，得出不同粒級的砂子所占的比例。

表1 各級配砂質量百分數

1.1.3 膨潤土

膨潤土為Ⅱ級鈉基膨潤土，因其獨特的層狀分子結構，具有很強的吸水性，能夠吸附注漿材料中多余的水分，增強其保水性、減小其泌水率，增強注漿漿液的穩定性。對遇水膨脹后的膨潤土進行激光粒徑分析得到的粒度曲線如圖1所示。該膨潤土的粒徑主要分布在0.646～92.75μm之間，整體粒徑分布均勻。

圖1 Ⅱ級膨潤土粒徑分析

1.1.4 石粉

試驗采用的石粉是熱拌瀝青混合料再生產過程中所產生的，因石粉顆粒對水的吸附力較弱，加入石粉可減小用水量；在不減小用水量時還可以增大注漿液的流動性，石粉的粒徑分布范圍從0.205～329.6μm，石粉粒徑分析如圖2所示。

圖2 石粉粒徑分析

1.2 試驗裝置和方法

測試儀器包括砂漿稠度儀、量筒、萬能試驗機。同步注漿材料的強度、稠度和凝結時間參考JGJ/T 70-2009《建筑砂漿基本性能試驗方法標準》[12]進行試驗;流動度測試參考GB T-2419-2005《水泥膠砂流動度測定方法》[13]；泌水率測定參考 GB/T 50080-2002《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》[14]。

1.3 正交試驗方案

目前對于盾構壁后注漿材料的配合比計算也沒有明確的理論計算公式，文中通過正交試驗確定了注漿材料的較優配合比方案，希望能對實際工程實踐起到一定的參考作用。就試驗對注漿料性能有直接影響的因素包括水膠比、水泥質量分數（水泥與膠結料總量比值）、膨潤土質量分數（膨潤土與膠結料總量的比值）、膠結料總量。石粉質量分數不作為一個獨立的變量，當水泥和膨潤土的量確定后，石粉的量自然就確定了。根據正交試驗原理，基于前期試驗探索后決定，每個因素考慮三個水平，設計了四因素三水平的正交試驗，各因素三個水平的取值如表2所示，四因素三水平正交表如表3所示。

表2 正交試驗因素水平表

表3 正交試驗四因素三水平正交

砂的總質量按照體積法計算求得。

砂的總質量得到后，依據表1中的比例，計算求得粗、中、細砂的質量。

2 試驗結果與分析

對于單指標正交試驗來說，最終較優配合比方案即單指標極差分析的結果，但文中研究的正交試驗為多指標正交試驗，而各個試驗指標對應的優方案和因素主次順序不同，為確定最終的較優配合比方案，需根據各指標的極差分析結果進行綜合平衡分析。

2.1 試驗結果

根據上述正交試驗設計方法，形成9組試驗，9組試驗配合比如表4所示。

表4 kg·m3正交試驗各試驗組配合比

2.2 各指標極差分析

對正交試驗結果進行綜合平衡分析的前提是先對每個試驗指標進行單指標分析。極差分析法與方差分析法都可以用于正交試驗結果的單指標處理分析。極差分析法有數據處理過程簡易、數據處理結果直觀明了等優點，成為最常用的方法[15]?；谡辉囼灲Y果進行單指標極差分析，得出各試驗指標的影響因素主次順序和各試驗指標所對應的優方案，同時得出各試驗指標關于各因素各水平的變化規律趨勢圖。每組試驗分別對注漿料的稠度、泌水率、3d強度、28d強度進行試驗，得到試驗結果如表5所示。

表5 試驗結果匯總

2.2.1 稠度極差分析

基于表5中正交試驗結果進行極差分析，分別計算每一個影響因素不同水平條件下的稠度試驗結果如圖3所示。

圖3 各因素對稠度的影響趨勢

從圖3中可以看出，隨著四個因素水平的不斷增加，稠度隨水膠比的整體變化幅度最大。各因素影響程度主次順序為：水膠比＞膠結料總量＞水泥質量分數＞膨潤土質量分數。對于注漿料來說，稠度要求適中，若漿液太稀會導致注漿材料泌水嚴重，保水性變差，同時注漿體的后期收縮也會變大；若注漿材料較稠，則會導致漿液的流動性變差，雖然保水性較好，收縮變形也很小，卻不易于現場施工泵送。單從稠度指標來說，優選方案是水膠比取0.6、水泥質量分數取0.30、膨潤土質量分數0.04、膠結料總量取650kg/m3較為理想。

2.2.2 泌水率極差分析

據表5所示的泌水率試驗結果，分別計算每個影響因素不同水平條件下稠度的極差，從圖4中可以看出各因素影響程度主次順序為：水膠比＞膠結料總量＞膨潤土質量分數＞水泥質量分數。對于盾構壁后注漿體來說，泌水率越小越好，因泌水率越小說明注漿體的保水性能越好，在施工和運輸的過程中不易發生嚴重離析和分層現象。對于泌水率來說，優方案為水膠比取0.6、水泥質量分數取0.40、膨潤土質量分數取0.06、膠結料總量取650kg/m3。

圖4 各因素對泌水率的影響趨勢

2.2.3 3d強度極差分析

據表5中數值可知3d強度試驗結果，分別計算每一個影響因素不同水平條件下3d強度的極差，如圖5所示。

圖5 各因素對3d強度的影響趨勢

從圖5中可看出，影響注漿材料3d強度的因素主要有水膠比、水泥質量分數，隨著水膠比水平的增大，3d強度在整體上呈現出幅度較大的下降趨勢；隨水泥質量分數的水平的增大，3d強度呈現出幅度較大的增加。對注漿材料而言3d強度越大越好。對3d強度而已，優方案為水膠比取0.6、水泥質量分數取0.40、膨潤土質量分數取0.08、膠結料總量取650kg/m3。

2.2.4 28d強度極差分析

從圖6中可看出隨著水膠比的增大，28d強度呈現出幅度較大的下降，屬于顯著因素；隨著水泥質量分數和膠結料總量這兩個因素的水平的增加，28d強度呈現出增加趨勢，屬次顯著因素；膨潤土用量對28d強度沒有顯著影響，其影響主要是由成型效果導致的。對于28d強度來說，最優方案為水膠比取0.6、水泥質量分數取0.40、膨潤土質量分數取0.04、膠結料總量取750kg/m3。

圖6 各因素對28d強度的影響趨勢

2.2.5 綜合分析

依據以上諸影響因素對4個方面性能影響的分析規律可以看出，各因素的變化對不同性能指標的影響規律不盡相同。但從強度來看，水膠比0.6～0.7時均能滿足28d強度不低于2～3MPa的質量要求，雖然水膠比0.6能夠獲得更高的強度，但相應的材料成本會有所提高；另一方面，對于注漿料來說，并非強度越高越好。水膠比的提高會導致泌水率的增大，故水膠比的適宜取值為0.65。膠結料中水泥的質量分數在0.35～0.40之間較為適宜，靠近0.40越優，強度均能滿足要求，且對稠度和泌水量影響不大。膨潤土的摻量多少對強度影響不明顯，適宜摻量為0.07～0.08，越接近0.08越優。膠結料總量在650～700kg/m3，強度均能滿足工程使用要求，從施工性能和充分利用石粉的角度，以700kg/m3為宜。

3 結語

（1）石粉在制備盾構壁后注漿液時能夠起到增大漿液流動性、減小漿液粘度的作用，加入石粉不僅能提高漿液性能，還能充分利用工業廢棄物，節能減排和降低工程成本。

（2）利用廢棄石粉以較大比例代替水泥作為膠結材料，在滿足注漿體強度要求的同時，可大量使用石粉，石粉在膠結料中比例最高可達65%。

（3）文中采用四因素三水平正交試驗，通過單指標極差分析和多指標綜合平衡分析，得到盾構壁后同步注漿材料的合理配合比范圍。

（4）水膠比和膠結料總量是影響壁后注漿砂漿稠度、流動度和泌水率的主要因素。

（5）通過控制水膠比和水泥質量分數和可以配制出工作性能和強度性能良好的壁后注漿材料。