魏廣造，王余德，李俊青，吳玲玲，陳 靖，彭龍貴

（1.中鐵十局三建公司，安徽 合肥 230000；2.西安工業(yè)大學(xué) 光電工程學(xué)院，陜西 西安 710021；3.西安科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054）

合肥地鐵盾構(gòu)施工漿液配比優(yōu)化試驗(yàn)研究

魏廣造1，王余德1，李俊青1，吳玲玲2，陳 靖2，彭龍貴3

（1.中鐵十局三建公司，安徽 合肥 230000；2.西安工業(yè)大學(xué) 光電工程學(xué)院，陜西 西安 710021；3.西安科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054）

盾構(gòu)施工中同步注漿即通過注漿泵及注漿管將漿液材料填入盾尾間隙，同步注漿材料是決定注漿成敗的關(guān)鍵因素之一，直接影響注漿成本、注漿效果、注漿工藝等。針對(duì)目前有關(guān)膨脹土層同步注漿漿液配比研究缺失這一問題，基于合肥特殊的工程地質(zhì)條件，以合肥地鐵1號(hào)線工程中使用的漿液材料為研究對(duì)象，通過室內(nèi)試驗(yàn)，采用單因素與正交設(shè)計(jì)相結(jié)合的試驗(yàn)方法，對(duì)漿液材料水泥、粉煤灰、砂、膨潤土、水不同配比下漿液的析水率、抗壓強(qiáng)度、黏度、結(jié)石率進(jìn)行極差分析。結(jié)果表明：同步注漿的配比是影響漿液抗壓強(qiáng)度和析水率的關(guān)鍵指標(biāo)，并提出了適合膨脹土地層條件下地鐵盾構(gòu)同步注漿漿液的優(yōu)化配方，對(duì)類似地層條件下漿液配比的選取具有參考價(jià)值。

盾構(gòu)施工；膨脹土；漿液配比優(yōu)化；極差分析

0 引 言

盾構(gòu)機(jī)在開挖隧道時(shí)，圍巖與管片之間存在間隙。盾構(gòu)施工中同步注漿即通過注漿泵及注漿管，在一定的注漿壓力下，將一定量的漿液材料填入盾尾間隙。及時(shí)注漿填充盾尾空隙，可使圍巖與管片形成整體，確保管片的穩(wěn)定，防止地層沉陷，保證施工環(huán)境安全，也可作盾構(gòu)隧道第一道防水層[1-2]。因此，盾構(gòu)法同步注漿要求注漿漿液必須具備較高的工作性能：填充性好、流動(dòng)性好、離析少、早期強(qiáng)度高、滲透系數(shù)小等。如果注漿漿液的工作性能差，則容易產(chǎn)生堵管、泌水、圍巖塌落、管片易位等不良現(xiàn)象，直接影響注漿效果及施工進(jìn)度[3]。合肥地鐵1號(hào)線盾構(gòu)區(qū)間將大面積在膨脹土及軟弱不均地層中近距離穿越鐵路、公路、橋梁、河道、規(guī)劃立交、機(jī)場、學(xué)校、住宅等建（構(gòu)）筑物，地質(zhì)條件、環(huán)境條件復(fù)雜。故其對(duì)于注漿材料的要求變得更為苛刻，就目前國內(nèi)外調(diào)研結(jié)果來看，鮮有膨脹土地層中盾構(gòu)施工中同步注漿的詳細(xì)報(bào)道或可借鑒研究成果[4]。文中針對(duì)合肥地區(qū)存在膨脹土這一現(xiàn)象，主要研究漿液各組成成分對(duì)漿液性能的影響規(guī)律，通過正交試驗(yàn)提出漿液配合比優(yōu)化方案，分析試驗(yàn)結(jié)果，綜合考慮地質(zhì)條件，為今后類似工程提供參考和依據(jù)。

1 試驗(yàn)過程

參考已有文獻(xiàn)及本工程中實(shí)際現(xiàn)用的漿液材料及配比，提出初選漿液材料配比方案，擬選漿液配方的析水率、抗壓強(qiáng)度、黏度、結(jié)石率為漿液性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)，確定試驗(yàn)方法及設(shè)備。

1.1 試驗(yàn)材料

水泥能增加漿液的粘度，提高漿液的保水性，并有一定的凝結(jié)作用。水泥與水發(fā)生水化反應(yīng)，生成膠凝物質(zhì)，摻入一定量的水泥，可提高漿體的抗壓強(qiáng)度；粉煤灰是一種火山灰質(zhì)混合物，其化學(xué)成分與粘土相似，在流動(dòng)性不變的條件下有減水作用，同時(shí)可填充水泥孔隙起增密作用等；砂子在漿液中作為主要的填充骨料，可充填顆粒之間的空隙，提高漿液的密實(shí)性和強(qiáng)度，改善漿液的和易性，有效節(jié)約水泥用量；膨潤土在水中高度分散搭接成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使大量自由水轉(zhuǎn)變?yōu)榫W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的束縛水，提高漿液的保水性能及觸變性能[5-6]。表1為試驗(yàn)中依據(jù)本工程選取漿液材料的基本情況。

1.2 試驗(yàn)方法及設(shè)備

本工程所用同步注漿漿液屬于單液硬性漿，早期強(qiáng)度高，流動(dòng)性充填性都很好。但因膨脹土的存在，在進(jìn)行同步注漿漿液配比優(yōu)化時(shí)除了應(yīng)滿足普通地層中的要求外還應(yīng)考慮用水量這一重要參數(shù)，即盡量減小漿液的用水量，且漿液的泌水性不能過大，從而減輕對(duì)于周圍膨脹土體的擾動(dòng)，消減因膨脹土遇水后產(chǎn)生的膨脹力對(duì)管片穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。根據(jù)前人的研究和對(duì)該工程上所用注漿材料的分析，確定同步注漿漿液的影響因素分別是：粉煤灰、砂、膨潤土、水泥、水[7-8]。為了研究膨潤土、粉煤灰、砂和水對(duì)漿液黏度及試件強(qiáng)度等的影響，并在此基礎(chǔ)上選擇適合本工程地質(zhì)條件的漿液配比，將水泥取為定量，應(yīng)用正交試驗(yàn)方法，根據(jù)分析，采用五因素四水平進(jìn)行試驗(yàn)，影響因素及水平見表2，采用L16（45）型試驗(yàn)表。目的在于充分利用各種原材料的優(yōu)點(diǎn)，以便在含膨脹土地層中漿液達(dá)到最好的注漿效果。

表2 同步注漿漿液

1.2.1 試驗(yàn)方法

由于析水和顆粒沉淀相伴相生，析水使得漿液流動(dòng)性變差，出現(xiàn)堵管等現(xiàn)象，且影響結(jié)石強(qiáng)度的均勻性，再者由于本工程地質(zhì)條件的特殊性，同步注漿漿液析水性過大將會(huì)對(duì)膨脹土層產(chǎn)生較大的影響[9]。強(qiáng)度問題是漿液性能的內(nèi)容之一，漿液注入空隙后若沒有一定強(qiáng)度，則引起隧道管片周圍土體坍塌，造成管片錯(cuò)臺(tái)、地面沉陷等不良現(xiàn)象。漿液黏度可表征漿液的流動(dòng)性，同步注漿漿液黏度影響漿液的可泵性及充填性[10]。漿液黏度過低或過高都不滿足施工要求。結(jié)石率影響圍巖的加固效果及管片與圍巖間隙的填充效果[11]。故初步確定將漿液析水率、抗壓強(qiáng)度、黏度、結(jié)石率作為評(píng)價(jià)漿液性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

1）漿液析水率：用容量筒量出一定體積漿液，靜置若干小時(shí)，待析水量趨于穩(wěn)定后，計(jì)算上浮水體積與漿液總體積的比值；

2）抗壓強(qiáng)度：按照《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法》進(jìn)行測定；

3）黏度：按照J(rèn)GJ70-90《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法》中規(guī)定的方法；

4）結(jié)石率：按照體積法測試，即實(shí)際體積和試模標(biāo)準(zhǔn)容積之比。

1.2.2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)設(shè)備有攪拌機(jī)、黏度計(jì)、壓力試驗(yàn)機(jī)、標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱、砂漿試模、水泥凈漿標(biāo)準(zhǔn)試模、天平、量筒、分選篩等。試驗(yàn)主要儀器設(shè)備如圖1所示。

圖1 漿液性能試驗(yàn)過程Fig.1 Process of slurry performance experiment

2 同步注漿材料對(duì)注漿性能的影響

2.1 注漿材料對(duì)漿液抗壓強(qiáng)度影響分析

目前有關(guān)地鐵盾構(gòu)同步注漿的工法和材料有很多，但在實(shí)際運(yùn)用中由于對(duì)注漿控制地層變形的機(jī)理或地質(zhì)條件與漿液材料的匹配性缺乏深入思考，往往因注漿不當(dāng)導(dǎo)致較大變形[12]。盾尾與地層間隙分布不均勻，漿液注入填充整個(gè)空隙的過程復(fù)雜。由現(xiàn)場資料發(fā)現(xiàn)，注漿孔往往先把橫斷面填充滿，然后填充縱向斷面，這期間隧道圍巖與漿液擠壓，如果漿液抗壓強(qiáng)度不夠，則會(huì)影響管片的穩(wěn)定性等[13]。故漿液初期的抗壓強(qiáng)度是決定注漿效果的一個(gè)重要指標(biāo)。

圖2 粉煤灰用量對(duì)于漿液抗壓強(qiáng)度影響Fig.2 Effect of the dosage of fly ash on slurry compressive strength

圖3 砂用量對(duì)于漿液抗壓強(qiáng)度影響 Fig.3 Effect of the amount of sand on slurry compressive strength

圖4 膨潤土用量對(duì)于漿液抗壓強(qiáng)度影響Fig.4 Effect of the bentonite on slurry compressive strength

圖2～圖4為同步注漿材料各組成對(duì)漿液抗壓強(qiáng)度的影響結(jié)果?？梢钥闯?，在其他各組分不變的條件下，在一定范圍內(nèi)增加粉煤灰及砂的用量可以提高漿液的抗壓強(qiáng)度，而在一定范圍內(nèi)增加膨潤土的用量則減小漿液的抗壓強(qiáng)度。當(dāng)漿液抗壓強(qiáng)度不滿足工程需求時(shí)，故可依據(jù)此試驗(yàn)結(jié)果對(duì)漿液組分用量進(jìn)行微調(diào)。

2.2 注漿材料單因素對(duì)漿液析水性影響分析

為保證漿液質(zhì)量，通常在施工中應(yīng)根據(jù)地層的實(shí)際情況選擇漿液配合比[14]。合肥地鐵施工中存在膨脹土特殊地層條件及周邊條件等，通過現(xiàn)場資料結(jié)合理論研究發(fā)現(xiàn)，該條件下對(duì)于漿液析水性要求較高，故通過室內(nèi)試驗(yàn)研究了各因素對(duì)于漿液析水性的影響。圖5～圖7為同步注漿材料各組成對(duì)漿液析水性的影響結(jié)果。

圖5 粉煤灰用量對(duì)于漿液析水性影響Fig.5 Effect of the dosage of fly ash on slurry water separating performance

圖6 砂用量對(duì)于漿液析水性影響Fig.6 Effect of the amount of sand on slurry water separating performance

圖7 膨潤土用量對(duì)于漿液析水性影響Fig.7 Effect of the bentonite onslurry water separating performance

可以看出，在其他各組分不變的條件下，在一定范圍內(nèi)增加粉煤灰、砂、膨潤土的用量可以減小漿液的析水性。當(dāng)漿液析水性不滿足工程需求時(shí)，故可依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)漿液組分用量微調(diào)。

3 正交試驗(yàn)結(jié)果及分析

為選擇出性能優(yōu)良，且滿足設(shè)計(jì)和施工要求的砂漿配合比，本研究小組針對(duì)合肥地鐵一號(hào)線五標(biāo)段盾構(gòu)同步注漿漿液進(jìn)行了試驗(yàn)研究，通過正交試驗(yàn)[15]，測試了各配合比的相關(guān)性能指標(biāo)見表3.

通過極差分析得出，影響漿液結(jié)石率的因素主次順序?yàn)榕驖櫷?水>粉煤灰=砂；影響漿液抗壓強(qiáng)度的因素主次順序?yàn)樗?粉煤灰>膨潤土>砂；影響漿液析水率的因素主次順序?yàn)榕驖櫷?水>砂>粉煤灰；影響漿液黏度的因素主次順序?yàn)榕驖櫷?水>粉煤灰>砂。漿液析水率和黏度是反應(yīng)漿液流動(dòng)性的重要參數(shù)，漿液的抗壓強(qiáng)度和結(jié)石率將直接影響圍巖的加固效果。對(duì)比16組初選配方，各配方試樣的28單軸抗壓強(qiáng)度最小值為25.64 MPa，大于合肥地鐵盾構(gòu)所穿越土層的所要求的地基承載力，充分滿足抗壓強(qiáng)度的要求。但有些配比的析水率大于5%，結(jié)石率小于90%，不能滿足工程要求。

針對(duì)合肥地鐵隧道存在膨脹土層這一現(xiàn)象，在各個(gè)指標(biāo)均滿足普通同步注漿漿液要求的基礎(chǔ)上，應(yīng)嚴(yán)格控制漿液的析水率和抗壓強(qiáng)度及用水量。綜合考慮配制的漿液用于合肥地鐵含膨脹土層盾構(gòu)同步注漿，故以漿液固結(jié)后析水率作為主要指標(biāo)，抗壓強(qiáng)度作為輔助指標(biāo)，黏度采用較小值，結(jié)石率采用較大值，另外還應(yīng)重視用水量。

依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分別對(duì)4個(gè)指標(biāo)，各個(gè)因素進(jìn)行極差分析計(jì)算，根據(jù)析水率選擇最優(yōu)配比為C4D1B4A4，該配比用水量小，根據(jù)抗壓強(qiáng)度選擇最優(yōu)配比為D1A4C1B4，采用綜合平衡法對(duì)2個(gè)指標(biāo)的較優(yōu)條件綜合平衡，找出兼顧每個(gè)指標(biāo)和其他因素及性價(jià)比的條件，從而提出一個(gè)最有利于這2個(gè)指標(biāo)的漿液配比。擬選取漿液最優(yōu)配比C3D1B4A4E，即0.52∶3.86∶6.52∶4.02∶2.00，其性能滿足工程要求。

表3 同步漿液配比試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié) 論

1）目前，關(guān)于盾構(gòu)隧道同步注漿漿液的研究較多，但針對(duì)膨脹土地層提出的同步注漿漿液研究寥寥無幾，為了指導(dǎo)類似特殊地質(zhì)下盾構(gòu)同步注漿漿液材料配比選取，結(jié)合合肥地鐵隧道盾構(gòu)同步注漿漿液的單因素影響及正交試驗(yàn)，進(jìn)行了同步注漿材料優(yōu)化配比研究，確定了該地層下影響注漿效果的2個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)：漿液抗壓強(qiáng)度及析水率，提出了適合膨脹土地層條件下地鐵盾構(gòu)同步注漿漿液的優(yōu)化配比。

2）由于時(shí)間條件限制，不足之處在于未研究外加劑對(duì)于注漿漿液性能的影響。而外加劑的使用可以大大改善漿液的性能，今后可以選擇一些外加性劑進(jìn)行配比優(yōu)化試驗(yàn)，結(jié)合外加劑的性能研究，調(diào)配出更高性能的適合膨脹土等特殊地層的同步注漿材料。

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Synchronous grouting material optimization of the shield construction in Hefei subway

WEI Guang-zao1，WANG Yu-de1，LI Jun-qing1，WU Ling-ling2，CHEN Jing2，Peng Long-gui3

（1.ChinaRailwayTenBureauGroupThirdConstructionCo.,Ltd.，Hefei230000，China； 2.CollegeofOptoelectronicEngineering，Xi’anTechnologicalUniversity，Xi’an710021，China； 3.CollegeofMaterialsScienceandEngineering,Xi’anUniversityofScienceandTechnology,Xi’an710054,China）

Grout shield construction material is that filled with slurry shield tail grouting gap by injection pump and pipe.Synchronous grouting material is one of the key factors to decide the success or failure of grouting，it affects the grouting cost，grouting process，grouting effect etc.At present，there are few studies on rate of synchronous grouting material in expansive soil.Based on the special engineering geological conditions of Hefei，taking grouting material used in Hefei subway line 1 project as a research object，through laboratory tests，combined with single factor and orthogonal design test method，we study the separating water，compressive strength，viscosity，stones rate of synchronization grout by range analysis under different ratio materials with the slurry cement，fly ash，sand，bentonite，and water.The results show that the synchronous grouting ratio is a key index for slurry’s compressive strength and bleeding rate.We put forward the optimization ratio for shield synchronous grouting in condition of swelling soil，providing a reference value for the slurry ratio selection under similar geological conditions.

shield construction；expansive soil；the slurry ratio optimization；range analysis

2015-06-15 責(zé)任編輯：高 佳

陜西省教育廳科學(xué)研究計(jì)劃項(xiàng)目（11JK0779） ；陜西省科技廳工業(yè)攻關(guān)項(xiàng)目（2014k10-22）

魏廣造（1975-），男，安徽淮南人，高級(jí)工程師，E-mail：wgzhn2006@163.com

10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2015.0514

1672-9315（2015）05-0611-06

U 455.43

A