林文書，王紅喜，彭碧輝，許 可，王 彪，丁慶軍

(1.武漢地鐵集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430030;2.武漢理工大學(xué)，湖北武漢 430070)

0 引言

進(jìn)入21世紀(jì)以來，我國隧道和城市地下空間工程的發(fā)展日新月異，項(xiàng)目繁多，工程浩大。持續(xù)增加的地鐵隧道需要穿越大量的地下管線、建筑物以及各種復(fù)雜地層，尤其是當(dāng)遇到含水量高的軟黏土地層、高液化程度的砂層等時(shí)，地下隧道建設(shè)將面臨巨大的挑戰(zhàn)。同步注漿技術(shù)可以起到對(duì)地層的填充加固、防水堵漏等作用，是地下巖土工程建設(shè)中不可或缺的重要技術(shù)［1－2］，對(duì)地下空間的開發(fā)有著重要的意義。同步注漿材料作為同步注漿技術(shù)的關(guān)鍵要點(diǎn)之一，其性能的優(yōu)劣將直接影響到地下巖土工程的質(zhì)量，因此，對(duì)同步注漿材料進(jìn)行研究有著重要的意義。

盾構(gòu)泥砂是指在地下工程盾構(gòu)施工過程中，盾構(gòu)機(jī)在向前推進(jìn)的同時(shí)，被粉碎、切削、挖掘的土體隨著運(yùn)輸工具排出地下空間，排出的渣土經(jīng)過酸堿平衡或泥水分離處理，保留其中相對(duì)密度在1.15～1.35 t/m3的泥水作為覆蓋刀盤泥漿的部分原材料進(jìn)行循環(huán)利用;而相對(duì)密度大于1.35 t/m3的大顆粒泥砂則一般不能被利用，最終導(dǎo)致產(chǎn)生大量的廢棄泥砂。

盾構(gòu)泥砂和盾構(gòu)泥水屬于盾構(gòu)工程的廢棄物，目前工程界已有較成熟的盾構(gòu)泥水分離處理技術(shù)［3－4］，而盾構(gòu)泥砂的處理一直是困擾廣大專家學(xué)者與施工建設(shè)單位的一大難題，雖然存在對(duì)其進(jìn)行改良的手段［5］，但一直未能找到有效再利用的方法［6］。武漢理工大學(xué)的許可［7］率先利用盾構(gòu)泥砂制備了同步注漿材料，并研究了盾構(gòu)泥砂對(duì)同步注漿材料的工作性能及物理力學(xué)性能的影響，但其所取用的盾構(gòu)泥砂組成范圍波動(dòng)較小，未能研究不同地層盾構(gòu)泥砂制備的同步注漿材料的性能特性。本文將對(duì)不同地層盾構(gòu)泥砂以及盾構(gòu)泥砂的物理特性對(duì)同步注漿材料的工作性能及耐久性能的影響進(jìn)行系統(tǒng)和深入的研究。

1 原材料與試驗(yàn)方法

1.1 原材料與試驗(yàn)儀器

1.1.1 原材料

1)水泥。P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，華新水泥有限公司生產(chǎn)，堡壘牌，比表面積350 m2/kg，化學(xué)成分見表1。

2)粉煤灰。Ⅱ級(jí)粉煤灰，陽邏電廠生產(chǎn)，其化學(xué)組成見表1。

表1 原材料的化學(xué)組成Table 1 Chemical composition of raw material %

3)盾構(gòu)泥砂。武漢市軌道交通盾構(gòu)泥砂分別取自地鐵2號(hào)線寶通禪寺、青年路，4號(hào)線楊春湖、工業(yè)四路、岳家嘴等施工標(biāo)段。

4)外加劑。自制復(fù)合減水保塑抗水分散外加劑HMA －6。

1.1.2 試驗(yàn)儀器

JJ－5型水泥膠砂攪拌機(jī)、NLD－3型水泥膠砂流動(dòng)度測定儀、ZKS－100砂漿凝結(jié)時(shí)間測定儀、砂漿稠度儀、壓力試驗(yàn)機(jī)。

1.2 試驗(yàn)方法

1)抗壓強(qiáng)度參照 GB 177—1985《水泥膠砂強(qiáng)度檢測方法》進(jìn)行。

2)同步注漿材料的流動(dòng)度、稠度和凝結(jié)時(shí)間都可參考JGJ/T 70—2009《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行試驗(yàn)。

3)同步注漿材料泌水率的測定參照GB/T 3183—1997《砌筑水泥》的附錄A方法進(jìn)行。

4)漿液抗水分散試驗(yàn)參照DL/T 5177—2000《水下不分散混凝土實(shí)驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 盾構(gòu)泥砂對(duì)同步注漿材料性能的影響

控制含砂量為40%，調(diào)節(jié)黏粒含量，采用不同黏粒含量的盾構(gòu)泥砂制備同步注漿材料，控制水膠比為0.7，水泥粉煤灰質(zhì)量比為1∶1，膠砂比為0.4，HMA －6摻量為4%，試驗(yàn)與測試結(jié)果如下。

圖1為黏粒含量對(duì)注漿材料流動(dòng)性能的影響。從圖1中可以看出:漿液的初始流動(dòng)度與1 h后的流動(dòng)度隨著黏粒含量的增加均呈現(xiàn)馬鞍形，即存在先增大后減小的趨勢(shì);在黏粒含量為10% ～20%時(shí)，漿液的流動(dòng)度達(dá)到最大值，初始流動(dòng)度超過210 mm，1 h后流動(dòng)度超過190 mm，而黏粒含量的過低與過高都會(huì)導(dǎo)致漿液流動(dòng)性能的下降。

圖1 黏粒含量對(duì)流動(dòng)度的影響Fig.1 Influence of clay content on fluidity

圖2為黏粒含量對(duì)注漿材料穩(wěn)定性能的影響。從稠度隨黏粒含量變化曲線中可以看出:漿液的稠度值隨著黏粒含量的增加而不斷降低，漿液逐漸變稠;黏粒含量在40%以內(nèi)時(shí)，能夠滿足設(shè)計(jì)稠度(9～10.5 cm);黏粒含量大于40%時(shí)，漿液過于黏稠，不利于泵送施工。從泌水率隨黏粒含量變化曲線中可以看出:在黏粒含量變化過程中，漿液泌水率始終滿足小于2%的設(shè)計(jì)要求;在黏粒含量由0增加到20%的過程中，漿液的泌水率有較明顯的減小趨勢(shì);黏粒含量超過20%后，泌水率接近0，且變化不明顯。

圖2 黏粒含量對(duì)稠度與泌水率的影響Fig.2 Influence of clay content on consistence and bleeding rate

圖3為黏粒含量對(duì)注漿材料力學(xué)性能與抗水分散性能的影響。從圖3中可以看出:注漿材料的抗壓強(qiáng)度隨著黏粒含量的增加變化不明顯，基本保持在6 MPa左右;水陸強(qiáng)度比隨著黏粒含量的增加存在注漿增大的趨勢(shì)，但程度不明顯。

圖3 黏粒含量對(duì)28 d抗壓強(qiáng)度及水陸強(qiáng)度比的影響Fig.3 Influence of clay content on 28 d compressive strength and wet-dry strength ratio

綜合評(píng)價(jià)流動(dòng)性能、穩(wěn)定性能、力學(xué)性能與抗水分散性能，黏粒含量在10% ～30%時(shí)，制備出的同步注漿材料具有良好的流動(dòng)性能，能滿足“膏”狀穩(wěn)定性，力學(xué)性能達(dá)標(biāo)且抗水分散性優(yōu)異，其中尤以黏粒含量為20%時(shí)為最優(yōu)含量，各項(xiàng)性能均處于最佳值。

控制黏粒含量為20%，調(diào)節(jié)含砂量，采用不同含砂量的盾構(gòu)泥砂制備同步注漿材料，控制水膠比為0.7，水泥粉煤灰質(zhì)量比為1∶1，膠砂比為0.4，HMA －6摻量為4%，得出了試驗(yàn)與測試結(jié)果。

圖4為含砂量對(duì)注漿材料流動(dòng)性的影響。從圖4中可以看出:漿液的初始流動(dòng)度與1 h后流動(dòng)度都隨著含砂量的增大而增大，在含砂量小于40%時(shí)增大幅度明顯，而含砂量大于40%時(shí)，流動(dòng)度達(dá)到210 mm左右后，變化幅度變小;含砂量在0～20%的泥砂制備的同步注漿材料流動(dòng)性能極差，初始流動(dòng)度不足176 mm，很容易導(dǎo)致堵管事故，不適宜用來制備同步注漿材料。

圖4 含砂量對(duì)流動(dòng)性能的影響Fig.4 Influence of sand content on fluidity

圖5為含砂量對(duì)注漿材料穩(wěn)定性的影響。從圖5中可以看出:漿液的稠度值與泌水率都有隨著含砂量的增大而增大的趨勢(shì);含砂量在20% ～60%時(shí)，制備的漿液稠度值能滿足設(shè)計(jì)要求(9～10.5 cm);含砂量在70%以下時(shí)，制備的漿液泌水率都能滿足設(shè)計(jì)要求(小于2%)。

圖5 含砂量對(duì)稠度與泌水率的影響Fig.5 Influence of sand content on consistence and bleeding rate

圖6為含砂量對(duì)注漿材料力學(xué)性能與抗水分散性能的影響。從圖6中可以看出:注漿材料的28 d陸地抗壓強(qiáng)度隨含砂量的增大有先增大后減小的趨勢(shì)，且在含砂量為60%時(shí)達(dá)到最大值(6.81 MPa)，而水陸強(qiáng)度比則隨著含砂量的增大而減小;含砂量為80%時(shí)，注漿材料28 d水陸強(qiáng)度比僅為0.73，抗水分散性能較差。

綜合評(píng)價(jià)流動(dòng)性能、穩(wěn)定性能、力學(xué)性能與抗水分散性能，含砂量在40% ～70%時(shí)，制備出的同步注漿材料具有良好的流動(dòng)性能，滿足“膏”狀穩(wěn)定性，力學(xué)性能達(dá)標(biāo)且抗水分散性優(yōu)異，各項(xiàng)性能均處于最佳值，所配制漿液的密度為1 500～1 600 kg/m3。

圖6 含砂量對(duì)28 d抗壓強(qiáng)度及抗水分散性能的影響Fig.6 Influence of sand content on 28 d compressive strength and wet-dry strength ratio

綜上所述，黏粒含量為10% ～30%、含砂量為40%～70%的盾構(gòu)泥砂制備的同步注漿材料的流動(dòng)性、穩(wěn)定性、力學(xué)性能與抗水分散性能均能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，適宜于武漢地區(qū)地下工程的盾構(gòu)施工。

2.2 盾構(gòu)泥砂制備高性能同步注漿材料

通過2.1節(jié)的研究不難發(fā)現(xiàn)，不同盾構(gòu)泥砂顆粒組成對(duì)同步注漿材料性能的影響與盾構(gòu)泥砂的顆粒組成含量存在直接關(guān)系，為了配置各項(xiàng)性能符合要求的同步注漿材料，必須提出盾構(gòu)泥砂高性能同步注漿材料的設(shè)計(jì)方法。

2.1 節(jié)的研究認(rèn)為，黏粒含量為10% ～30%、含砂量為40%～70%的盾構(gòu)泥砂適宜用來制備高性能同步注漿材料，然而，現(xiàn)實(shí)施工過程中，不同地段、不同地層的盾構(gòu)泥砂顆粒組成與塑性具有較大差別。以武漢地鐵不同施工區(qū)間為例，寶通禪寺區(qū)間掘出的盾構(gòu)泥砂屬黏土層，其黏粒含量≥95%，幾乎不含砂粒與粉粒，塑性指數(shù)高達(dá)27.2;而過江隧道區(qū)間掘出的盾構(gòu)泥砂屬于粉砂層，其含砂量大，黏粒僅為5.6%，塑性指數(shù)僅為8.5。因此，對(duì)于顆粒組分與塑性不適宜制備高性能同步注漿材料的盾構(gòu)泥砂而言，必須提出矯正方法，在盡可能多地利用盾構(gòu)泥砂的前提下，改善其各項(xiàng)性能。

2.2.1 含砂量過低的矯正方法

盾構(gòu)泥砂的含砂量過低會(huì)導(dǎo)致注漿材料的流動(dòng)性能大幅下降，同時(shí)還會(huì)對(duì)材料的力學(xué)性能產(chǎn)生一定影響;因此，可以通過使用河砂等質(zhì)量替代盾構(gòu)泥砂及增大水泥摻量2種方法對(duì)其流動(dòng)性能與力學(xué)性能進(jìn)行改進(jìn)，最終滿足設(shè)計(jì)與施工要求。選取含砂量小于10%的盾構(gòu)泥砂，利用50%的河砂等質(zhì)量取代盾構(gòu)泥砂，水泥與粉煤灰質(zhì)量比由1∶1提升為2∶1，其矯正結(jié)果如圖7和圖8所示。

圖7 配比矯正對(duì)流動(dòng)性的影響Fig.7 Influence of mixing ratio correction on fluidity

圖8 配比矯正對(duì)力學(xué)性能的影響Fig.8 Influence of mixing ratio correction on mechanical performance

2.2.2 黏粒含量過低的矯正方法

盾構(gòu)泥砂的黏粒含量過低會(huì)導(dǎo)致注漿材料的黏稠度大幅下降，會(huì)在一定程度上影響漿液的穩(wěn)定性與泵送性能;因此，可以通過增大HMA高效復(fù)合外加劑的摻量來對(duì)其穩(wěn)定性與泵送性能進(jìn)行改進(jìn)，最終滿足設(shè)計(jì)與施工要求。選取黏粒含量小于5%的盾構(gòu)泥砂，HMA－6摻量由0.4提高至0.5，控制用水量，其矯正結(jié)果如表2所示。

表2 配比矯正對(duì)漿材穩(wěn)定性與泵送性能的影響Table 2 Influence of mixing ratio correction on stability and pumping performance

針對(duì)不同施工區(qū)間掘出的不同盾構(gòu)泥砂，采用上述的泥砂矯正方法配置出的注漿材料具有良好的流動(dòng)性能，流動(dòng)度大于190 mm;具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性與黏聚性，稠度處于9～10.5 mm，泌水率＜2%;具有適宜的可用時(shí)間，凝結(jié)時(shí)間＞8 h;具有良好的力學(xué)性能，28 d抗壓強(qiáng)度達(dá)到4 MPa以上;具有非常好的抗水分散性能，水陸強(qiáng)度比 ＞0.85。

制備的盾構(gòu)泥砂高性能同步注漿材料應(yīng)用于武漢地鐵2號(hào)線和4號(hào)線相應(yīng)的施工標(biāo)段，應(yīng)用結(jié)果表明，盾構(gòu)掘進(jìn)軸線精度控制在5 cm以內(nèi)，管片上浮和地表沉降都小于3 cm，注漿效果良好。

3 結(jié)論與討論

1)盾構(gòu)泥砂同步注漿材料的流動(dòng)性在黏粒含量為10%～20%時(shí)達(dá)到最大值，并隨含砂量的增大而增大;含砂量大于40%后流動(dòng)性能較好，且增幅減小。

2)盾構(gòu)泥砂同步注漿材料的抗壓強(qiáng)度與黏粒含量的關(guān)系較小，但隨著含砂量的增大先增大后減小，在含砂量為60%左右時(shí)達(dá)到最大值。

3)盾構(gòu)泥砂同步注漿材料的抗水分散性能隨黏粒含量的增大而增強(qiáng)，隨含砂量的增大而減弱;含砂量大于80%后，漿液的抗水分散性能差。

4)采用河砂等質(zhì)量替代、增大水泥用量及提高HMA高效復(fù)合外加劑的用量等方法對(duì)不處于可應(yīng)用范圍的盾構(gòu)泥砂進(jìn)行矯正，能配置出具有良好的流動(dòng)性能與可用時(shí)間、較強(qiáng)的穩(wěn)定性與黏聚性、良好的力學(xué)性能與抗水分散性能的高性能盾構(gòu)泥砂同步注漿新材料。

制備的同步注漿材料應(yīng)用于武漢地鐵2號(hào)線和4號(hào)線相應(yīng)的施工標(biāo)段，結(jié)果表明，盾構(gòu)掘進(jìn)軸線精度控制在5 cm以內(nèi)，管片上浮和地表沉降都小于3 cm，注漿效果良好。該研究為進(jìn)一步解決大量工程廢棄渣土對(duì)城市環(huán)境的影響提供了技術(shù)支撐，符合可持續(xù)發(fā)展與構(gòu)建和諧社會(huì)任務(wù)的要求。

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