王晶 ，宋普濤 ，唐晶晶 ，王永海 ，馬郁 ，王慶濤

（1.中國建筑科學(xué)研究院有限公司，北京 100013；2.中國水利水電第十一工程局有限公司，河南 鄭州 450001）

0 前言

盾構(gòu)法是利用盾構(gòu)機在地面以下暗挖隧道的一種施工方法[1-2]。由于盾構(gòu)施工技術(shù)具有對地面交通影響小、噪聲小、施工快捷等優(yōu)點，在我國重大地下工程的應(yīng)用越來越廣泛，已成為隧道建設(shè)的主要方法。盾構(gòu)機完成開挖并鋪裝管片后，開挖面與襯砌管片之間形成100～140 mm的環(huán)狀間隙[3-4]，這個環(huán)狀間隙要在盾構(gòu)機向前推進的同時進行注漿填充，即同步注漿，以保證隧道與土層之間達到壓力平衡，控制地表沉降、管片上浮、隧道偏移等穩(wěn)定性問題[5-7]。

盾構(gòu)法同步注漿工藝對注漿材料具有較高的要求[8-10]，由于缺少相應(yīng)的技術(shù)指標要求和標準化試驗方法，目前研究和應(yīng)用的同步注漿材料普遍存在一些問題[11]。本文主要研究不同配合比關(guān)鍵參數(shù)的水泥基盾構(gòu)同步注漿材料的基本性能、填充性能和抗水分散性能，為確保工程盾構(gòu)施工質(zhì)量和完善試驗方法標準提供參考。

1 試驗配合比

1.1 試驗原材料

水泥：冀東P·O42.5水泥，比表面積340 m2/kg，28 d抗壓強度50.0 MPa；粉煤灰：Ⅲ級，山東鄒城電廠產(chǎn)；膨潤土：江蘇某廠生產(chǎn)的鈉基膨潤土，淡黃色粉末，密度3520 kg/m3，膨脹率18 mL/g；砂：山東某地生產(chǎn)的中粗河砂，細度模數(shù)2.4，表觀密度2680 kg/m3，堆積密度1540 kg/m3；減水劑：科之杰新材料集團有限公司生產(chǎn)的聚羧酸系高性能減水劑，白色粉末，減水率30%以上；拌合水：自來水。

1.2 配合比

通過對我國不同地區(qū)盾構(gòu)工程水泥基同步注漿材料應(yīng)用工程及研究成果的調(diào)研分析可知，目前的水泥基盾構(gòu)注漿材料現(xiàn)場施工配合比關(guān)鍵參數(shù)基本范圍為：水膠比0.45～0.80，膠砂比0.40～0.80，水泥占膠凝材料質(zhì)量的15%～30%，膨潤土占膠凝材料質(zhì)量的10%～20%。

參考工程現(xiàn)場盾構(gòu)注漿材料配合比的調(diào)研結(jié)果，選取不同的關(guān)鍵配合比參數(shù)進行盾構(gòu)注漿材料性能研究，選取的關(guān)鍵配合比參數(shù)為：水膠比 0.45、0.60、0.80，膠砂比 0.4、0.6、0.8，水泥占膠凝材料質(zhì)量的17%、21%、25%，膨潤土占膠凝材料質(zhì)量的10%、15%、20%，漿液設(shè)計密度1900 kg/m3。具體試驗配合比見表1，考慮使不同水膠比的注漿材料的漿液工作性能在可比范圍內(nèi)，水膠比0.45和0.60的注漿材料還摻加了一定量的減水劑，減水劑摻量按占膠凝材料總質(zhì)量計。

表1 水泥基盾構(gòu)注漿材料的配合比

2 漿液的基本性能

2.1 試驗方法

注漿材料攪拌方法與攪拌機的選擇參照JGJ/T 70—2009《建筑砂漿基本性能試驗方法》的規(guī)定；注漿材料漿液的表觀密度、稠度、稠度經(jīng)時損失、分層度參考JGJ/T 70—2009進行測試；注漿材料的流動度和流動度經(jīng)時損失參照GB/T 50448—2015《水泥基灌漿材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》進行測試；泌水率試驗方法參考GB/T 25182—2010《預(yù)應(yīng)力孔道灌漿劑》的規(guī)定，測試盾構(gòu)注漿材料自加水起3 h后的泌水率；水泥基同步注漿材料抗壓強度試驗參考JGJ/T 70—2009成型70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm立方體試件，按照JGJ/T 233—2011《水泥土配合比設(shè)計規(guī)程》中無側(cè)限抗壓強度試驗方法進行；壓力試驗機應(yīng)符合GB/T 3159—2008《液壓式萬能試驗機》和GB/T 2611—2007《試驗機通用技術(shù)要求》的規(guī)定，試件加載速率宜控制在0.07～0.70 kN/s，精確至0.01 kN，抗壓強度測試結(jié)果精確至0.01 MPa。

2.2 注漿材料的基本性能測試結(jié)果與分析

表2為不同水膠比（C3、C12和C19）注漿材料漿液的稠度和流動度。

表2 不同水膠比注漿材料漿液的稠度和流動度

由表2可知，隨著水膠比的增大，漿液的稠度逐漸增大，而2 h稠度損失變化不大。由于使用減水劑的緣故，流動度的測試結(jié)果與稠度變化規(guī)律并不一致，使用減水劑能夠一定程度增大漿液的流動度，提高注漿材料的流動性，其流動度經(jīng)時損失也相對較小，易于施工。

表3為注漿材料分層度及結(jié)石率測試結(jié)果。

表3 注漿材料的分層度及結(jié)石率

由表3可見，對于不同水膠比的C3、C12和C19注漿材料，其分層度分別為6、5、4 mm，水膠比對分層度影響較小。根據(jù)全系列注漿材料的分層度試驗結(jié)果可知，注漿材料的分層度變化范圍較小，基本在3～6 mm。

表4為注漿材料漿液的泌水率測試結(jié)果。

表4 注漿材料漿液的泌水率

由表4可見，對于不同水膠比的C3、C12和C19注漿材料，漿液泌水率隨著水膠比的增大呈增大趨勢。在水膠比為0.80條件下，對于不同膨潤土摻量的C16、C17和C18注漿材料，漿液的泌水率隨著膨潤土摻量的增加有一定的降低，這是由膨潤土自身吸水膨脹特性決定的。

表5為注漿材料抗壓強度測試結(jié)果。

表5 注漿材料的抗壓強度

由表5可見，對于不同水膠比的C3、C12和C19注漿材料，其2 d、28 d齡期抗壓強度隨著水膠比的增大呈降低的趨勢；在水膠比為0.60條件下，對于不同膨潤土摻量的C11、C12和C15注漿材料，其2 d抗壓強度隨著膨潤土摻量的增加逐漸降低，而28 d抗壓強度則隨著膨潤土摻量的增加先提高后降低，在膨潤土摻量為15%時達到最大值。

3 注漿材料的填充性能

3.1 試驗方法

注漿材料結(jié)石率采用體積為250 ml的量筒進行試驗，量筒應(yīng)配備密封蓋。將量筒放置在水平面上，向量筒灌入同步注漿材料漿液，注漿材料漿面高度控制在（245l±5）ml刻度范圍內(nèi)，靜置1 min后，及時測量并記錄漿液初始高度a1，然后加蓋靜置。3 d時測量注漿材料漿面高度a2，3 d時漿面高度與初始漿面高度的比值作為注漿材料的結(jié)石率，用于評價注漿材料的填充性能。

3.2 注漿材料的填充性能測試結(jié)果與分析

注漿材料的結(jié)石率測試結(jié)果見表3。

對比表3及表4中不同水膠比（C3、C12和C19）注漿材料的泌水率和結(jié)石率可知，不同水膠比條件下，注漿材料的結(jié)石率與泌水率呈負相關(guān)，隨著注漿材料水膠比的增大，泌水率逐漸增大，而結(jié)石率逐漸減小。

由表3中C1～C22的結(jié)石率測試結(jié)果可知，結(jié)石率與水膠比呈負相關(guān)，在稠度相差不大的情況下，結(jié)石率隨水膠比的增加而降低。采用結(jié)石率作為注漿材料填充性的評價方法可行，水泥基注漿材料水膠比在0.45～0.8內(nèi)變化時，其結(jié)石率基本在95%～98%內(nèi)波動，滿足一般設(shè)計要求。

4 注漿材料的抗水分散性能

4.1 試驗方法

水陸強度比試驗：參照水下不分散混凝土的相關(guān)試驗方法，在水溫（20±3）℃，高度（100±5）mm 的水中，通過漏斗向70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm立方體試模中灌入注漿材料，灌注完畢后將灌滿注漿材料的試模從水中取出，靜置5～10min，抹平表面后繼續(xù)放入水中帶模養(yǎng)護2～3d，拆模后繼續(xù)放入水中養(yǎng)護至28d齡期進行強度測試。在水中成型的試件抗壓強度與正常成型試件的抗壓強度比值為水陸強度比，可間接表征注漿材料的抗水分散性能，水陸強度比越高，抗水分散性能則越好。

水下pH值測試：在250 mL燒杯中加入200 mL水，然后將100 g注漿材料分成10等份，用小鏟將每1份盾構(gòu)注漿材料從水面緩慢地自由落下，在20 s內(nèi)操作完成，在靜置過程中，按照GB/T 6920—1986《水質(zhì)pH值的測定玻璃電極法》的規(guī)定測試不同靜置時間溶液的pH值。pH值越小表明其抗水分散性能越好。

4.2 注漿材料的抗水分散性能測試結(jié)果與分析

按照上述試驗方法測試C3、C12和C19不同水膠比注漿材料的水陸強度比及C12的pH值，結(jié)果分別見表6、表7。

表6 注漿材料的抗水分散性能

表7 C12試件的水下pH值

由表6可知，隨著水膠比的增大，水陸強度比呈增大趨勢，試驗過程中注漿材料外部環(huán)境中的水會有部分進入注漿材料漿液中，其實際水膠比會大于設(shè)計水膠比。水膠比越低，水膠比的波動對抗壓強度的影響就會越大，因此在水膠比為0.45時，其水陸強度比最小。

由表7可知，注漿材料剛完成投料，液體處于渾濁狀態(tài)，此時測得的pH值較高，靜置1 min后其pH值降為9，靜置10 min后已和空白水樣pH一致。該試驗結(jié)果受靜置時間影響較大，而且實際工程環(huán)境中以動水環(huán)境為主，與試驗靜水條件差異較大，該方法的科學(xué)性還有待商榷。

5 結(jié)論

（1）隨著水膠比的增大，水泥基注漿材料漿液的稠度呈增大的趨勢；聚羧酸系高性能減水劑的摻加能增大漿液的流動度，提高其可施工性。

（2）水膠比對水泥基注漿材料漿液的分層度影響較小，在水膠比為0.45～0.80內(nèi)變化時，注漿材料的分層度無明顯的變化規(guī)律，分層度基本在3～6 mm。

（3）隨著水膠比的增大，水泥基注漿材料漿液泌水率呈增大趨勢；膨潤土摻量的增加能一定程度降低漿液的泌水率。

（4）隨著水膠比的增大，水泥基注漿材料的2 d和28 d齡期的抗壓強度呈降低的趨勢。

（5）可采用結(jié)石率作為注漿材料填充性能的評價方法，水泥基注漿材料水膠比在0.45～0.80內(nèi)變化時，其結(jié)石率基本在95%～98%內(nèi)波動。

（6）水陸強度比作為評價注漿材料的抗水分散性指標具有一定的科學(xué)性和可操作性，而pH值試驗結(jié)果受靜置時間影響較大，用于評價注漿材料的抗水分散性暫不成熟。