黃德楷，王小剛，夏正茂，阮 雷，魯茜茜，王士民

(1.西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，四川 成都 610031；2.中國(guó)水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 610213；3.中國(guó)電力建設(shè)股份有限公司 洛陽(yáng)分公司，河南 洛陽(yáng) 471000)

1 概 述

隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，地區(qū)經(jīng)濟(jì)文化交流更加頻繁，交通與發(fā)展的矛盾日益突出，迫切需要大力發(fā)展交通基礎(chǔ)工程，而城市地鐵的修建是解決該問(wèn)題的有效方法。其中，盾構(gòu)法憑借施工安全、掘進(jìn)速度快、適應(yīng)性強(qiáng)成為目前城市地下隧道和水下隧道施工的主要工法。盾構(gòu)法施工過(guò)程中利用同步注漿技術(shù)來(lái)填補(bǔ)盾尾間隙、控制地表沉降，而同步注漿漿液的配合比需根據(jù)地質(zhì)條件進(jìn)行配置。強(qiáng)透水砂卵石地層，由于地層含水量大，同步注漿過(guò)程中極易出現(xiàn)漿液稀釋或跑漿現(xiàn)象，導(dǎo)致地層坍塌，所以選用合適的漿液配合比對(duì)該地層盾構(gòu)施工尤為重要。粉煤灰作為注漿漿液重要的摻入料，在發(fā)揮減少水泥用量，改善漿液和易性作用的同時(shí)可使凝結(jié)混凝土均勻密實(shí)，進(jìn)而提高混凝土的耐久性，故盾構(gòu)注漿漿液摻入粉煤灰更加符合經(jīng)濟(jì)效益。

目前，對(duì)于盾構(gòu)隧道同步注漿漿液配合比和各類材料對(duì)漿液性能的影響已展開大量研究。文獻(xiàn)[1]綜合敘述了盾構(gòu)法同步注漿的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)，介紹了同步注漿的工藝技術(shù)，闡述了同步注漿中不同因素對(duì)漿液性質(zhì)的影響及不同材料的性質(zhì)與作用；文獻(xiàn)[2]利用正交設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)探究了注漿漿液中水/灰比、膨/水比、膠/砂比等因素對(duì)漿液工程性質(zhì)的影響，在此基礎(chǔ)上還運(yùn)用ANSYS軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，得到了漿液對(duì)地層變形規(guī)律的影響；文獻(xiàn)[3]通過(guò)注漿漿液中不同的材料影響因素與實(shí)驗(yàn)泌水率、流動(dòng)度、凝結(jié)時(shí)間和抗壓強(qiáng)度組成回歸方程，進(jìn)行單因素分析，得出了各因素與性能指標(biāo)之間的關(guān)系；文獻(xiàn)[4]則利用固定膠/砂比和水/膠比的試驗(yàn)方法，研究了大摻量粉煤灰在同步注漿漿液中的優(yōu)化作用，得到了粉煤灰摻量對(duì)漿液流動(dòng)度的影響規(guī)律；文獻(xiàn)[5]依托廣州某地鐵線路工程，對(duì)不同砂率和粉煤灰摻量進(jìn)行了和易性對(duì)比實(shí)驗(yàn)，找出了合理的砂率和粉煤灰摻量，解決了低強(qiáng)度混凝土和易性較低的問(wèn)題；文獻(xiàn)[6]通過(guò)粉煤灰—石灰—石膏體系的正交試驗(yàn)，對(duì)粉煤灰作為充填注漿材料進(jìn)行了研究，得到了該體系的最佳配合比，極大地激發(fā)了粉煤灰的活性，使其更好的對(duì)注漿漿液進(jìn)行改性；文獻(xiàn)[7]研究了粉煤灰對(duì)注漿材料性能的影響，得出了適量摻加粉煤灰可縮減漿液凝結(jié)時(shí)間、提高漿液凝結(jié)體后期強(qiáng)度以及大幅度降低漿液成本的結(jié)論；文獻(xiàn)[8]依托某富水地層工程，在保證漿液強(qiáng)度、抗水分散性、耐久性的前提下，研究了富水地層條件下的漿液配合比；文獻(xiàn)[9]則是對(duì)富水地層盾構(gòu)施工同步注漿技術(shù)進(jìn)行剖析，為地中海富水砂層盾構(gòu)注漿漿液選擇了一種與國(guó)內(nèi)完全不同的配合比，解決了該地層盾構(gòu)施工的難點(diǎn)。

上述研究主要集中于不同注漿材料對(duì)盾構(gòu)注漿漿液性能的影響，在一定程度上可為強(qiáng)透水砂卵石地層盾構(gòu)注漿漿液配比提供借鑒，但由于盾構(gòu)注漿漿液與地層條件密切相關(guān)，而目前針對(duì)強(qiáng)透水砂卵石的地層同步注漿漿液配合的研究相對(duì)較少。鑒于此，研究粉/灰比(粉煤灰與水泥配比)對(duì)漿液抗壓強(qiáng)度、抗水分散性、流動(dòng)度、稠度的影響規(guī)律，選出合適的粉煤灰摻量，得到其優(yōu)化的同步注漿漿液配合比，以期為注漿工程提供參考。

2 試驗(yàn)方案

2.1 試驗(yàn)材料

根據(jù)目前工程實(shí)踐中盾構(gòu)隧道同步注漿漿液的應(yīng)用狀況，主要選取水泥、粉煤灰、膨潤(rùn)土、砂、水作為試驗(yàn)基材，具體規(guī)格及參數(shù)見表1。

表1 試驗(yàn)基材

2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)過(guò)程中，固定漿液配合比中水/膠比為0.82，在此基礎(chǔ)上改變粉/灰比，設(shè)計(jì)一組對(duì)照組和9組實(shí)驗(yàn)組。表2為對(duì)照組和實(shí)驗(yàn)組漿液配合比方案。

表2 漿液基準(zhǔn)配合比

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 粉煤灰對(duì)漿液稠度的影響

依照J(rèn)GJ70—90《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法》，利用砂漿稠度測(cè)定儀測(cè)定實(shí)驗(yàn)漿液稠度，泥漿粘度隨粉/灰比變化曲線如圖1所示。

圖1 漿液稠度—粉/灰比變化曲線

由圖1可知，隨著粉/灰比的增大，水泥摻量的減少，漿液稠度變化表現(xiàn)為三大趨勢(shì)：

(1)當(dāng)粉/灰比小于1(5∶5)時(shí)，隨著粉/灰比的增加，漿液稠度先減小后增大，但漿液稠度始終小于不摻粉煤灰時(shí)漿液稠度；當(dāng)粉/灰比為3∶7時(shí)，漿液稠度達(dá)到最小，為8.4 cm，相比不摻粉煤灰時(shí)漿液稠度10.3 cm縮減了22.6%；

(2)當(dāng)粉/灰比大于1(5∶5)小于4(8∶2)時(shí)，隨著粉/灰比的增加，漿液稠度先增大后減小，但漿液稠度始終大于不摻粉煤灰時(shí)漿液稠度，當(dāng)粉/灰比為7∶3時(shí)，漿液稠度最大為10.8 cm，相比不摻粉煤灰時(shí)漿液稠度增加了4.9%；

(3)當(dāng)粉/灰比大于4(8∶2)時(shí)，隨著粉/灰比增加，漿液稠度開始大幅降低，且遠(yuǎn)小于不摻粉煤灰時(shí)漿液稠度。

由上述分析可見，粉/灰比在1～4，即5∶5～8∶2時(shí)起到增加漿液稠度的作用，而其他粉/灰比條件下，粉煤灰均起到降低漿液稠度的作用，且后者作用效果更為顯著，但在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，漿液稠度始終在8.1～10.8 cm范圍內(nèi)變化，表明粉/灰比變化對(duì)漿液稠度影響較小。由于在實(shí)際工程應(yīng)用中，注漿漿液需滿足10.5～11.5 cm稠度標(biāo)準(zhǔn)，基于圖1可選擇粉/灰比為5∶5～8∶2的漿液，滿足漿液稠度要求。

3.2 粉煤灰對(duì)漿液流通性的影響

依照J(rèn)GJ70—90 《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法》，利用跳桌測(cè)定試驗(yàn)漿液流動(dòng)度。圖2為漿液流動(dòng)度隨粉/灰比變化曲線。

圖2 漿液流動(dòng)度—粉/灰比變化曲線

由圖2可知，隨著粉/灰比的增加，漿液流動(dòng)度呈區(qū)段波動(dòng)：當(dāng)粉/灰比在0～3∶7時(shí)，隨著粉/灰比增加，漿液流動(dòng)度逐漸減小，粉/灰比達(dá)到3∶7時(shí)，漿液流動(dòng)度為22.9 cm，相比對(duì)照組(未摻粉煤灰)的24 cm，漿液流動(dòng)度縮減了4.8%；當(dāng)粉/灰比在3∶7～7∶3時(shí)，漿液流動(dòng)度與粉/灰比呈正相關(guān)，粉/灰比為7∶3時(shí)漿液流動(dòng)度到達(dá)23.9 cm，相比對(duì)照組漿液流動(dòng)度縮減了0.1 cm；當(dāng)粉/灰比大于7∶3時(shí)，漿液流動(dòng)度與粉/灰比呈負(fù)相關(guān)，粉/灰比達(dá)到9∶1時(shí)，漿液流動(dòng)度達(dá)到整個(gè)實(shí)驗(yàn)組最低值為20.8 cm，相比對(duì)照組漿液流動(dòng)度減低了15%。

由于漿液摻入粉煤灰后的流動(dòng)度均略小于未摻入時(shí)，可見粉煤灰可起到降低漿液流動(dòng)性的作用，但作用效果不夠明顯。實(shí)際工程應(yīng)用中，為使盾構(gòu)注漿漿液易于泵送且不產(chǎn)生離析現(xiàn)象，漿液流動(dòng)度應(yīng)保持在22～24 cm之間。基于圖2，可將粉/灰比控制在0～8∶2范圍內(nèi)，滿足漿液流動(dòng)度要求。

3.3 粉煤灰對(duì)漿液抗壓強(qiáng)度的影響

依照J(rèn)GJ/T70—2009《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法》，利用壓力試驗(yàn)機(jī)測(cè)定水泥試件砂漿抗壓強(qiáng)度。為了能夠較全面地分析研究粉煤灰對(duì)漿液強(qiáng)度的影響規(guī)律，選取入模7 d和28 d的實(shí)驗(yàn)混凝土抗壓強(qiáng)度大小作為抗壓強(qiáng)度評(píng)價(jià)指標(biāo)。圖3為漿液抗壓強(qiáng)度—粉/灰比變化曲線。

圖3 漿液抗壓強(qiáng)度—粉/灰比變化曲線

從圖3中可以看出，隨著粉/灰比增加，漿液的7 d和28 d抗壓強(qiáng)度均呈減小趨勢(shì)，且抗壓強(qiáng)度減小速度逐漸放緩。同時(shí)，隨著粉/灰比的逐漸增加，不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間導(dǎo)致的漿液抗壓強(qiáng)度之間的差異逐漸增大，而入模方式導(dǎo)致的漿液抗壓強(qiáng)度之間的差異逐漸減小。例如，粉/灰比為1∶9時(shí)28 d的陸上入模漿液抗壓強(qiáng)度12.7 MPa，相比28 d的水下入模漿液抗壓強(qiáng)度10.4 MPa增加了22%，相比7 d的陸上入模和水下入?？箟簭?qiáng)度8.7 MPa和6.4 MPa，分別增加了46%和63%；隨著粉/灰比增加到5∶5，28 d的陸上入模漿液抗壓強(qiáng)度降低到4.2 MPa，相比28 d的水下入模漿液抗壓強(qiáng)度4.1 MPa增加了2%，相比7 d的陸上入模和水下入模2.3 MPa和2.2 MPa，分別增加了83%和86%，可見隨著粉/灰比的逐漸增加，漿液養(yǎng)護(hù)時(shí)間對(duì)漿液抗壓強(qiáng)度的影響更為顯著，但漿液入模方式對(duì)漿液抗壓強(qiáng)度影響逐漸減小。

在漿液抗壓強(qiáng)度量值上，由于入模7 d和入模28 d變化趨勢(shì)相同，在此取入模7 d漿液抗壓強(qiáng)度進(jìn)行分析。隨著粉/灰比的增加，7天的陸上入模強(qiáng)度從9.5 MPa逐漸減小到0.5 MPa，漿液抗壓強(qiáng)度減小了18倍；同等養(yǎng)護(hù)時(shí)間的水下入模強(qiáng)度也從7.3 MPa減小到0.45 MPa，漿液抗壓強(qiáng)度減小了15倍，兩種入模方式的強(qiáng)度降低都很顯著，表明粉/灰比對(duì)漿液的抗壓強(qiáng)度有著顯著的影響。

從經(jīng)濟(jì)角度考慮，實(shí)際施工過(guò)程中，盾構(gòu)注漿漿液入模28 d抗壓強(qiáng)度位于2～5 MPa即可滿足施工要求?；趫D3可選擇粉/灰比在5∶5～8∶2范圍內(nèi)的漿液，滿足漿液強(qiáng)度要求。

3.4 粉煤灰對(duì)漿液抗水分散性的影響

在強(qiáng)透水的砂卵石地層，為避免注漿漿液出現(xiàn)稀釋或跑漿現(xiàn)象，研究漿液抗水分散性就顯得尤為重要。為了探究粉/灰比對(duì)漿液抗水分散性的影響規(guī)律，引入28 d水陸入?？箟簭?qiáng)度比作為漿液抗水分散性評(píng)價(jià)指標(biāo)。具體計(jì)算公式如下：

水陸入?？箟簭?qiáng)度比越接近于1，表明漿液的抗水分散性越好，反之則越差。實(shí)驗(yàn)具體計(jì)算結(jié)果見圖4。

圖4表明隨著粉/灰比的逐漸增大，28 d水陸入?？箟簭?qiáng)度比整體呈上下波動(dòng)狀態(tài)，但均大于對(duì)照組28 d水陸入?？箟簭?qiáng)度比，表明粉煤灰的摻入能起到增強(qiáng)漿液抗水分散性的作用，但隨著粉/灰比的增加，漿液28 d水陸入?？箟簭?qiáng)度比始終在0.83～0.95之間，并無(wú)較大的差值，表明粉/灰比的增加對(duì)注漿漿液抗水分散性改善作用不夠顯著。

實(shí)際施工過(guò)程中，盾構(gòu)注漿漿液28 d水陸入模抗壓強(qiáng)度比不小于0.8即可滿足施工要求，基于圖4可選擇粉/灰比為1∶9～9∶1范圍內(nèi)的漿液，滿足漿液抗水分散性要求。

4 結(jié) 論

(1)粉/灰比在5∶5～8∶2時(shí)可起到增加漿液稠度的作用，其他粉/灰比條件下，起到降低漿液稠度的作用，且后者作用效果更為顯著，但在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，粉/灰比對(duì)漿液稠度影響較小，粉/灰比在5∶5～8∶2時(shí)可滿足漿液稠度要求。

(2)粉煤灰可發(fā)揮降低漿液流動(dòng)度作用，但作用效果不夠顯著，粉/灰比控制在0～8∶2范圍內(nèi)可滿足漿液流動(dòng)度要求。

(3)隨著粉/灰比增加，漿液抗壓強(qiáng)度均呈減小趨勢(shì)，且減小速度逐漸放緩；同時(shí)，隨著漿液粉/灰比增加，漿液養(yǎng)護(hù)時(shí)間對(duì)漿液抗壓強(qiáng)度的影響更為顯著，但漿液入模方式對(duì)漿液抗壓強(qiáng)度影響逐漸減小，粉/灰比控制在5∶5～8∶2范圍內(nèi)可滿足漿液抗壓強(qiáng)度要求。

(4)粉煤灰能起到微弱的增強(qiáng)漿液抗水分散性的作用，粉/灰比控制在1∶9～9∶1范圍內(nèi)可滿足漿液抗水分散性要求。

(5)綜合考慮注漿漿液本身所需要的稠度、流動(dòng)度、抗壓強(qiáng)度以及抗水分散性，選擇泥漿粉/灰比在5∶5～8∶2范圍內(nèi)，可滿足工程泥漿各項(xiàng)性能指標(biāo)要求。