盾构注浆浆液的试验与研究

盾构注浆浆液的试验与研究

龚建秋葛国华李德洋孟祥涛刘小龙

北京市市政四建设工程有限责任公司北京100000

摘要：对水玻璃系双浆液注浆组成成分材料进行了逐步深入的分析，并通过实验，总结了浆液材料对浆液的粘稠度，固化时间、工作性、强度、收缩等性能的影响，并且结合施工实际情况，总结归纳出经验配比，以满足施工条件要求。

盾构施工中，注浆技术是有效填充管片与土体间空隙、控制地表沉降、轴线偏移以及隧道防水的重要措施。施工过程需在实验的基础上确定配合比参数（其包括粘度、呼吸率（泌水）胶凝时间、强度），根据测量监控数据及施工防水对配合参数进行调整。注浆管理的内容有两类，一是注浆参数：其包括注浆量和注浆压力；二是注浆材料：水泥、水玻璃浆液，两者按一定的比例以双液浆形式注入。

双液浆用于防渗和加固注浆是目前隧道施工中比较成熟的技术，它的堵水效果可以说是“立竿见影”，同时造价又比较理想，它克服了注水泥单液浆由于凝结时间过长，从而易形成泌水通道的缺点。

注入双液浆施工难度较大，目前无现行盾构壁后注浆规范，为保证浆液满足本工程盾构施工需要,需进行了盾构浆液配比试验研究,保证浆液较短时间凝结,满足现有设备注浆能力要求，满足不同施工段、不同掘进条件与不同气候条件下的盾构施工浆液配比。

1注浆目的与浆液性能的要求

1.1注浆的目的

盾构挖掘后土体与管片之间空隙。需通过及时的浆液填充，保证达到以下目的。

防止地面沉降：浆液及时填充管片与洞体之间空隙，达到抑制隧道周围地层松弛，防止变形导致地面沉降。

保证管片稳定：浆液注入到管片外壁，固结后具备一定强度从而达到稳定管片作用，同时形成管片与土壤之间的刚-柔过度区，减小管片的应力和变形，避免造成外力应力集中，使得盾构姿态易于控制。

防水：浆液固结后的结石体包裹在管片外周，形成第一道防水屏障。

1.2浆液性能要求

为达到盾构注浆目的，浆液应具有以下特性：

具有良好的填充性；

在满足注浆施工前提下，尽可能早的获得高于地层的早期强度；

具有良好的稳定性及流动性，保证适当的初凝时间；以适应盾构施工及浆液的长远距离输送；

浆液在地下水中，不易发生稀释；

浆液固结后体积收缩率小，泌水率小。

1.3浆液性能参数

根据浆液性能要求，确定合理的性能参数，对浆液进行参数试验。

粘度

水泥浆液的粘度主要表现为流动性，可采用漏洞式粘度计量器测量。粘度值越高，浆液越稠，流动性越差。影响浆液泵送与填充；粘度值过低（含水量大），将产生严重的泌水现象，

体积收缩较大，固化时间较长。

固化时间

是指双液浆从混合到塑态固化所需时间，根据盾构施工情况（掘进地层、地下水）进行调配。

强度

浆液结石体要具有高于地层的早期强度。

体积收缩

液态固化后，其体积发生收缩，而收缩率的大小直接影响到结石体的强度、地表沉降量及二次注浆参数。

2水玻璃系浆液固化机理分析

水玻璃系浆液由水泥浆液（A液）与水玻璃浆液（B液）组成，注入时双浆液混合，加快了水泥浆液的固化时间，有利于围岩的稳定。同时可通过调节凝胶时间，满足不同施工要求。

2.1浆液组成成分

（1）A液组成材料主要有水泥（C）、粉煤灰（F）、膨润土浆、缓凝剂水。

（2）B液就是水玻璃的水溶液（S）。

2.2浆液固化过程

A液与B液混合之前称之为原态。原态浆液混合后达到胶态（Ⅰ）能够流动，但粘度越来越大，逐渐进入流动固态（Ⅱ），此时浆液用漏洞式粘度计已经测不出来。但在自重状态下仍然呈现流动状态；随着时间增加，浆液进入可塑的固结状态（Ⅲ）其外观已显凝结，但在一定的外力作用下可发生塑形，变形，或又重新出现流动状态；此后浆液趋向稳定固结，即加压也不再流动，形成一定强度，并逐渐增强，呈现硬化状态（Ⅳ）。浆液固化过程见图2.1

2.3结石体强度的形成

水泥含有多种成分，化学反应比较复杂。双液注浆中发生化学反应有关成分：硅酸三钙大约占50%~60%、硅酸二钙约占20%。水泥的凝结硬化，大致经过溶解期、凝结期与硬化期三个阶段，所发生的化学、物理反应基本一致，只是不同阶段所占比列不同。以硅酸三钙为例，水化学反应如下：

2(3CaO•SiO2)+6H2O=3CaO•2SiO2•3H2O+3Ca(0H)2

由反应式可以看出，反应最终生成硅酸钙水化物与氢氧化钙。在反应全过程中，水分逐渐减少，生成物逐渐增多,逐渐形成凝胶体直至析出稳定的结晶体，强度逐渐增长。由于氢氧化钙结晶体生成缓慢，且在水中溶解度极低，因此氢氧化钙饱和使本应该很快的水化反应速度减慢。加入水玻璃后产生如下反应：

Ca(0H)2+Na20•nSiO2+mH2O=CaO•2SiO2•mH2O+2NaOH

生成了具有一定强度的胶凝体——水化硅酸钙，同时消耗了浆液体系中的强氧化钙，使硅酸三钙等的水化反应速度加快。

3浆液配比实验研究

分别进行A液、B液与双浆液混合实验，分析不同配比对浆液的性能影响，最终根据不同区段、不同环境条件和不同作业条件，确定浆液配比。

3.1水泥浆液原材料用量对浆液性能的影响

在其他原材料用量不变的前提下，分别改变水泥、粉煤灰、膨润土浆及缓凝剂的用量，来分析水泥浆原材料用量对浆液性能影响的程度。

3.1.1水泥及粉煤灰

水泥为胶凝材料，粉煤灰为非活性填充料。水泥主要针对浆液固化时间、强度与流动性等产生影响。在不添加膨润土浆液与缓凝剂的条件下，试验中只改变粉煤灰(F)与水泥（C）的用量比例（F/C，重量比），得到A液与B液体积比（VA/VB）分别为6、8、10的实验数据。

对固化时间的影响

减少粉煤灰的用量或增加水泥的用量，可使浆液固化速度提高；但粉煤灰水泥比减至F/C=1时再减少粉煤灰的量对固化时间的缩短影响并不大。此时改变Va/Vb对固化时间影响也不大。见表2.1

ofCivilEngineers1996.

[2]小泉淳，等.シールド工法の調査•設計と施工[M]

[3]日本京都；地盤工学会.中国建筑工业出版社;第1版2008.