彭 飛

（北京市政路橋集團(tuán)（廣州） 建設(shè)有限公司， 廣東 廣州510700）

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展， 我國(guó)東部沿海城市的地下交通系統(tǒng)建設(shè)也越來(lái)越快。 在沿海城市地下隧道盾構(gòu)過(guò)程， 由于海水具有侵蝕性， 常規(guī)盾構(gòu)注漿材料不能完全適用于沿海地區(qū)地鐵隧道盾構(gòu)工程施工建設(shè)［1-3］。 因此， 研究開(kāi)發(fā)出一種能適用于沿海城市地鐵隧道盾構(gòu)工程的盾構(gòu)注漿材料具有重要意義。

在內(nèi)陸城市地鐵盾構(gòu)建設(shè)中， 由于地鐵工程建設(shè)要求， 盾構(gòu)注漿材料常具有優(yōu)越的充填性、良好的施工、 和易性和流動(dòng)性、 硬化快以及早期強(qiáng)度高的優(yōu)勢(shì)， 才能夠滿足地鐵隧道盾構(gòu)的要求［4-8］。 目前， 我國(guó)地鐵建設(shè)中常用的地鐵盾構(gòu)注漿材料有單液惰性注漿液、 單液硬性注漿液以及水泥-水玻璃雙液漿［9-12］。 然而， 現(xiàn)有注漿漿液均存在一定的局限性， 如， 單液惰性漿液硬化后的早期強(qiáng)度和后期強(qiáng)度低、 單液硬性漿液凝結(jié)硬化慢、 雙液注漿材料凝結(jié)時(shí)間難以控制等［13-15］。 此外， 由于海水的侵蝕性， 常規(guī)的注漿漿液并不能完全適用于沿海地區(qū)地鐵隧道盾構(gòu)工程施工建設(shè)中。 然而， 在現(xiàn)有研究成果中， 很少涉及到適用于沿海地區(qū)地鐵隧道盾構(gòu)工程施工盾構(gòu)注漿漿液的研究。 因此， 為研究開(kāi)發(fā)出能夠適應(yīng)海水環(huán)境的新型盾構(gòu)注漿材料， 室內(nèi)利用高爐礦渣粉末（BFSP） 替代常見(jiàn)注漿材料中的粉煤灰成分， 并對(duì)新型BFSP 改性盾構(gòu)注漿材料開(kāi)展了綜合性研究試驗(yàn)。 研究成果為我國(guó)沿海地鐵盾構(gòu)施工提供了一定的借鑒作用。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

本次試驗(yàn)研究所用的基礎(chǔ)盾構(gòu)注漿漿液為沿海地區(qū)某地鐵盾構(gòu)中所使用的一種高濃度單液惰性漿， 注漿材料的主要成分如下： （1） 細(xì)砂。 平均細(xì)度模數(shù)為2.5， 含泥量低于2%； （2） 水泥。P·O 42.5 級(jí)普通硅酸鹽水泥； （3） 熟石灰。 氫氧化鈣含量高于85%； （4） 粉煤灰。 F 類(lèi)、 II 級(jí)粉煤灰； （5） 膨潤(rùn)土。 200 目篩余量低于5%的膨潤(rùn)土； （6） 市政用水。 基礎(chǔ)盾構(gòu)漿液的配比如下表1 所示。 選用高爐礦渣粉末（BFSP） 作為改性材料， 對(duì)基礎(chǔ)盾構(gòu)注漿漿液進(jìn)行改性， 制備得到新型BFSP 改性盾構(gòu)注漿漿液。 BFSP 材料的密度為1.355 g／cm3， 整體呈乳白色， 主要成分如下表2 所示。 此外， 采用水玻璃和氫氧化鈉制備堿性激發(fā)劑溶液， 其中水玻璃的模數(shù)為3.27， 氫氧化鈉純度為98%。

表1 基礎(chǔ)盾構(gòu)注漿漿液配比Table 1 Proportion of grouting slurry for foundation shield ／kg

表2 BFSP 化學(xué)成分及含量Table 2 Chemical composition and content of BFSP ／%

1.2 注漿材料制備

根據(jù)試驗(yàn)配比方案中不同的粉料比例稱(chēng)量出所需的每種原材料粉料， 將其置于JJ-5 型行星式水泥攪拌機(jī)中干攪5 min， 使粉料之間充分混合均勻。 然后， 按照相應(yīng)的液固比向粉料中緩慢加入配置好的激發(fā)劑溶液， 繼續(xù)攪拌3 min。 攪拌完成后， 將混合均勻的膠凝材料漿液分別倒入尺寸為40 mm ×40 mm ×160 mm 三聯(lián)試模中澆筑試樣， 用以測(cè)試其抗壓及抗折強(qiáng)度； 倒入尺寸為50 mm ×100 mm 的圓柱型試模中澆筑試樣， 用以測(cè)試其彈性模量。 澆筑完成的試樣在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下（溫度20±2 ℃、 相對(duì)濕度≥95%） 養(yǎng)護(hù)24 h后脫模， 脫模后繼續(xù)在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)至試驗(yàn)齡期， 然后進(jìn)行抗折和抗壓強(qiáng)度以及彈性模量測(cè)試， 養(yǎng)護(hù)齡期分別為3 d、 7 d 和28 d。

1.3 試驗(yàn)方案

為研究高爐礦渣粉末摻量以及海水對(duì)盾構(gòu)注漿漿液工程性能的影響， 本次試驗(yàn)共分為兩個(gè)部分， 具體如下：

（1） 第一組試驗(yàn)。 第一組試驗(yàn)的研究目的在于評(píng)價(jià)海水（表3） 對(duì)注漿材料性能的影響， 因此， 分別利用市政淡水和海水拌制注漿材料， 并對(duì)不同試樣展開(kāi)坍落度試驗(yàn)、 凝結(jié)時(shí)間試驗(yàn)和十字板剪切試驗(yàn)， 獲取不同試樣的注漿性能參數(shù)。

據(jù)白德勝(2018年)等[16]研究，槐樹(shù)坪金礦成礦流體具有明顯的深源特征，流體類(lèi)型為H2O-Na+-CO2-Cl-型，成礦溫度經(jīng)均一法測(cè)溫，結(jié)果在199℃～348℃[3，5]之間，屬中低溫，可以推斷本礦床成礦是在中-低溫狀態(tài)下進(jìn)行的。

表3 海水水質(zhì)檢測(cè)結(jié)果Table 3 Seawater quality test results ／ （mg／L）

2017年，必和必拓公司在厄瓜多爾設(shè)立了辦公室，并在9月份購(gòu)買(mǎi)了索爾黃金公司(SolGold)部分股份，一個(gè)月后將所持股份擴(kuò)大了一倍，與新峰礦業(yè)公司(Newcrest Mining)展開(kāi)股權(quán)爭(zhēng)奪。

（3） 淡水拌制漿液的剪切屈服強(qiáng)度為0.36 kPa，而海水拌制漿液的剪切屈服強(qiáng)度僅為0.28 kPa， 較淡水拌制漿液降低22.22%， 下降幅度非常明顯。 由此可見(jiàn)， 在海水對(duì)同步注漿過(guò)程中， 由于海水對(duì)注漿漿液抗剪切屈服強(qiáng)度具有劣化作用， 因此管片抵抗上浮的能力變?nèi)酰?對(duì)沿海地區(qū)盾構(gòu)工程建設(shè)帶來(lái)很大的挑戰(zhàn)。

2 海水影響分析

圖3 展示了不同BFSP 摻量條件下新型盾構(gòu)注漿材料凝固后抗壓強(qiáng)度及抗折強(qiáng)度的變化規(guī)律，由圖3 可知， BFSP 材料的摻入導(dǎo)致新型注漿漿液的抗壓強(qiáng)度得到了明顯的提升。 以養(yǎng)護(hù)時(shí)間為3 d的試樣為例， 對(duì)于基礎(chǔ)盾構(gòu)注漿漿液（0BFSP）而言， 其硬化試樣的抗壓強(qiáng)度為8.95 MPa； 隨著B(niǎo)FSP 材料摻量的增加， 其抗壓強(qiáng)度分別達(dá)到13.11 MPa、 21.15 MPa、 22.65 MPa、 23.51 MPa以及25.07 MPa。 分析認(rèn)為， 這主要是由于激發(fā)劑濃度的增大增加了漿液體系的堿度， 有助于促進(jìn)堿激發(fā)反應(yīng)的進(jìn)行和膠凝粉料的顆粒的溶解， 從而生成更多的凝膠產(chǎn)物， 提高了硬化漿體的密實(shí)性和降低了基體的空隙率， 因此其抗壓強(qiáng)度隨BFSP 摻量的增大而逐漸增大。

（2） 第二試驗(yàn)組。 采用BFSP 替代原注漿材料中的粉煤灰成分， 替代比例分別為0 （對(duì)照組）、10%、 20%、 30%、 40%和50%， 按照制備流程得到試樣。 此外， 第二試驗(yàn)組全部采用海水拌制。為綜合判斷新型BFSP 改性盾構(gòu)注漿漿液的性能，室內(nèi)展開(kāi)了流動(dòng)度試驗(yàn)、 凝結(jié)時(shí)間試驗(yàn)、 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)以及抗折強(qiáng)度試驗(yàn)， 全面評(píng)價(jià)新型注漿材料的注漿性能。

表4 不同拌制方式下盾構(gòu)漿液注漿性能參數(shù)對(duì)比Table 4 Comparison of grouting performance parameters of shield slurry under different mixing methods

圖1 展示了不同BFSP 摻量條件下新型盾構(gòu)注漿漿液坍落度變化規(guī)律， 由圖1 可知， BFSP 材料的摻入導(dǎo)致新型注漿漿液的流動(dòng)能力顯著弱化。對(duì)于基礎(chǔ)盾構(gòu)注漿漿液（0BFSP） 而言， 其坍落度可以達(dá)到135 mm， 而隨著B(niǎo)FSP 摻量的逐漸增大， 新型注漿漿液的坍落度逐漸降低， 分別為134 mm、132 mm、 114 mm、 102 mm 和85 mm， 相較于基礎(chǔ)盾構(gòu)注漿漿液分別下降0.74%、 2.22%、15.56%、 24.44%以及37.04%。 分析認(rèn)為， 在膠凝材料中摻入一定量的BFSP 材料后， 由于不同混合物之間粉料（BFSP／粉煤灰） 物理性質(zhì)具有差異， 因此其與膠凝材料發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)也存在差異性。 現(xiàn)有成果表明： 粉煤灰顆粒呈圓球狀， 有益于膠凝材料的流動(dòng)性； 礦渣顆粒是無(wú)規(guī)則棱角狀， 不利于膠凝材料的流動(dòng)性。 因此， 隨著注漿材料中BFSP 替代摻量的增加， 新型盾構(gòu)注漿漿液的坍落度也逐漸減小。 此外， 進(jìn)一步觀察可以得知， 當(dāng)BSFP 的替代量低于20%時(shí)， 注漿漿液的坍落度損失速度較慢； 而當(dāng)BSFP 的替代量大于20%時(shí)， 注漿漿液的坍落度損失率迅速增大。 因此，選用10%或20%的BFSP 部分替代粉煤灰制備新型盾構(gòu)注漿漿液是較為合理的。

（2） 淡水拌制漿液的初凝時(shí)間和終凝時(shí)間分別為105 min 和195 min， 海水拌制漿液的初凝時(shí)間和終凝時(shí)間分別為91 min 和172 min， 這表明海水拌制漿液較淡水拌制漿液的凝結(jié)時(shí)間較短， 分析認(rèn)為， 這是由于海水中的氯鹽具有早強(qiáng)作用。

表5 展示了新型盾構(gòu)注漿漿液凝結(jié)時(shí)間隨BFSP 替代摻量條件下變化關(guān)系， 由表5 可知，BFSP 材料的摻入顯著的縮短了新型注漿漿液的凝結(jié)時(shí)間， 加快了注漿漿液的凝結(jié)速度。 對(duì)于基礎(chǔ)盾構(gòu)注漿漿液（0BFSP） 而言， 其初凝時(shí)間（t0）和終凝時(shí)間（ts） 分為105 min 和195 min， 而隨著B(niǎo)FSP 摻量的逐漸增大， 新型注漿漿液的凝結(jié)時(shí)間也逐漸縮短。 不同BFSP 替代摻量條件下， 新型盾構(gòu)注漿漿液初凝時(shí)間分別縮短至90 min、 60 min、51 min、 42 min 和35 min， 終凝時(shí)間分別縮短至150 min、 109 min、 95 min、 70 min 以及55 min。分析認(rèn)為， 由表5 可知BFSP 中氧化鈣成分含量較高， 因此， 當(dāng)用BFSP 替代粉煤灰摻入膠凝材料后， 整個(gè)膠凝粉料體系中鈣元素的含量產(chǎn)生了一定量的增加。 根據(jù)現(xiàn)有研究可知， 在注漿材料制備過(guò)程中， 發(fā)生堿激發(fā)反應(yīng)是鈣離子會(huì)從粉料中快速溶解出來(lái)并產(chǎn)生C- （A） -S-H 凝膠物。 而正是C- （A） -S-H 凝膠的不斷析出和絮凝， 組成了凝膠產(chǎn)物的基本骨架， 決定了膠凝材料的凝結(jié)時(shí)間。 此外， C- （A） -S-H 凝膠的不斷析出需要消耗體系中釋放出的鈣離子， 從而會(huì)加速粉料顆粒的不斷溶解。 因此， 用BFSP 材料替代粉煤灰后， 膠凝材料體系中鈣含量的增高， 造成大量的C- （A） -S-H 凝膠在短時(shí)間內(nèi)快速生成， 既而縮短了盾構(gòu)注漿漿液在常溫下的凝結(jié)速率。

在酸奶、Mozzarella干酪的發(fā)酵過(guò)程中、混合菌株間的共生作用讓蛋白水解以促進(jìn)菌株的生長(zhǎng)；由圖2可知：試驗(yàn)采用傳統(tǒng)發(fā)酵菌嗜熱鏈球菌、瑞士乳桿菌及篩選的高產(chǎn)抗氧化肽菌株副干酪按不同比例進(jìn)行復(fù)配，發(fā)現(xiàn)1∶1∶2的比率能有效促進(jìn)山羊乳蛋白水解且具有較強(qiáng)的抗氧化活力。

其中，Ek為父節(jié)點(diǎn)剩余能量，在本系統(tǒng)中用節(jié)點(diǎn)電壓表示，且其值可以直接由傳感器芯片獲得；RSSIk為節(jié)點(diǎn)到父節(jié)點(diǎn)的接收信號(hào)強(qiáng)度；Nk為上一輪該父節(jié)點(diǎn)的子節(jié)數(shù)，初始值設(shè)為0；Hk為父節(jié)點(diǎn)跳數(shù)。

3 新型盾構(gòu)漿液設(shè)計(jì)

3.1 坍落度

（1） 淡水拌制漿液的坍落度為126 mm， 海水拌制漿液的坍落度為135 mm， 這表明海水拌制漿液的流動(dòng)性強(qiáng)于淡水拌制漿液， 分析認(rèn)為， 這是由于海水中的氯鹽起到了一定程度的減水劑作用，因此， 海水拌制漿液流動(dòng)性要強(qiáng)于淡水拌制的漿液。

圖1 不同BFSP 摻量條件下新型盾構(gòu)注漿漿液坍落度變化Fig.1 Slump change of grouting slurry for new shield under different BFSP content

圖2 新型盾構(gòu)注漿材料結(jié)石試樣抗壓強(qiáng)度及抗折強(qiáng)度的變化規(guī)律Fig.2 Change law of compression strength and flexural strength of stone sample of new shield grouting material

3.2 凝結(jié)時(shí)間

圖1所示為鋁基復(fù)合材料安裝架結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)長(zhǎng)660mm，寬448mm，高550mm?？蚣芙Y(jié)構(gòu)由U型和L型型材通過(guò)鋁質(zhì)角鐵和螺栓連接而成。框架底部由作用在2條長(zhǎng)的U型型材下部的壓板將其固定在地面上。對(duì)安裝架結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)試驗(yàn)，布置52個(gè)x向測(cè)點(diǎn)、54個(gè)y向測(cè)點(diǎn)，總共106個(gè)測(cè)點(diǎn)(圖2)。

表5 不同BFSP 替代摻量條件下新型盾構(gòu)注漿漿液凝結(jié)時(shí)間Table 5 Setting time of new type shield grouting slurry under different BFSP substitutions

3.3 抗壓強(qiáng)度與抗折強(qiáng)度

表4 展示了不同拌制方式下盾構(gòu)漿液注漿性能參數(shù)對(duì)比結(jié)果， 由表4 可知， 在兩種不同拌制方式下， 盾構(gòu)漿液的參數(shù)存在較大的差異， 具體如下：

而對(duì)于新型盾構(gòu)注漿材料凝固后抗折強(qiáng)度，由圖3 可知， 隨著B(niǎo)FSP 摻量的增大， 不同養(yǎng)護(hù)齡期下硬化試樣的抗折強(qiáng)度表現(xiàn)出不同的變化趨勢(shì)。當(dāng)養(yǎng)護(hù)時(shí)間為3 d 時(shí)， 硬化試樣的抗折強(qiáng)度隨著B(niǎo)FSP 材料摻量的增加而逐漸增大； 當(dāng)養(yǎng)護(hù)時(shí)間為7 d 和28 d 時(shí)， 硬化試樣的抗折強(qiáng)度均呈現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢(shì)且最大抗折強(qiáng)度分別出現(xiàn)在40%BFSP 摻量組以及30%BFSP 摻量組。

3.4 最優(yōu)配比設(shè)計(jì)

根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果可知， 在不同的BFSP 材料摻量的條件下， 新型盾構(gòu)注漿材料性質(zhì)存在較大的差異。 一方面， BFSP 材料摻量的增加， 會(huì)提升新型盾構(gòu)注漿材料的凝結(jié)速度和抗壓強(qiáng)度； 另一方面， BFSP 材料的流動(dòng)性則呈現(xiàn)出明顯的劣化。此外， 當(dāng)養(yǎng)護(hù)時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)， 硬化試樣的抗折強(qiáng)度則呈現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢(shì)。 在綜合考慮各項(xiàng)參數(shù)的情況下， 當(dāng)BFSP 摻量為20%時(shí)新型盾構(gòu)注漿材料的綜合性能最佳， 此時(shí)其坍落度為123 mm，初凝時(shí)間為60 min， 終凝時(shí)間為109 min，28 d 抗壓強(qiáng)度為38.82 MPa， 28 d 抗折強(qiáng)度為4.68 MPa。

4 結(jié)論

（1） 不同用水環(huán)境下， 海水拌制漿液的流動(dòng)性強(qiáng)于淡水拌制漿液， 凝結(jié)時(shí)間較短， 剪切強(qiáng)度更低。 淡／海水拌制漿液的坍落度分別為126 mm、135 mm， 初凝時(shí)間分別為105 min 和91 min， 終凝時(shí)間分別為195 min 和172 min， 剪切屈服強(qiáng)度分別為0.36 kPa 和0.28 kPa。

該方式所采用的土體磚模方式在施工較大厚度大面積板體在施工過(guò)程中具有以下優(yōu)勢(shì)：①成功避免了大面積支撐系統(tǒng)安裝過(guò)程中的質(zhì)量不可控問(wèn)題，提高了結(jié)構(gòu)澆筑施工安全性；②土體本身的穩(wěn)定性、承載力和平整度相較于滿堂模板支架系統(tǒng)均更加穩(wěn)定，避免板體不均勻沉降產(chǎn)生裂縫的風(fēng)險(xiǎn)；③減少了支撐和支護(hù)系統(tǒng)的使用，降低了施工成本，縮減了施工時(shí)間；④施工場(chǎng)地在地面，布置方便，便于施工組織。

（2） 對(duì)于基礎(chǔ)盾構(gòu)注漿漿液（0BFSP） 而言，其坍落度可以達(dá)到135 mm， 而隨著B(niǎo)FSP 摻量的逐漸增大， 新型注漿漿液的坍落度逐漸降低， 分別為134 mm、 132 mm、 114 mm、 102 mm 和85 mm，相較于基礎(chǔ)盾構(gòu)注漿漿液分別下降0.74%、2.22%、 15.56%、 24.44%以及37.04%。

（3） 對(duì)于基礎(chǔ)盾構(gòu)注漿漿液（0%BFSP） 而言，其初凝時(shí)間和終凝時(shí)間分為105 min 和195 min， 而隨著B(niǎo)FSP 摻量的逐漸增大， 新型盾構(gòu)注漿漿液初凝時(shí)間分別縮短至90 min、 60 min、 51 min、 42 min 和35 min， 終凝時(shí)間分別縮短至150 min、 109 min、95 min、70 min 以及55 min。

（4） 當(dāng)BFSP 摻量為20%時(shí)新型盾構(gòu)注漿材料的綜合性能最佳， 此時(shí)其坍落度為123 mm， 初凝時(shí)間為60 min， 終凝時(shí)間為109 min， 28 d 抗壓強(qiáng)度為38.82 MPa， 28 d 抗折強(qiáng)度為4.68 MPa。