朱先發(fā)，宋普濤，杜峰，王軍，張偉，周永祥，冷發(fā)光

（1.南通城市軌道交通有限公司，江蘇 南通 226000；2.中國建筑科學(xué)研究院有限公司，北京 100013）

0 引 言

南通地鐵1 號線盾構(gòu)穿越地層以富水砂質(zhì)粉土夾粉砂及富水粉砂層為主，該類地層含水量豐富，滲透系數(shù)大，自穩(wěn)性差、承載能力低，盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，極易出現(xiàn)涌水、流砂等施工風(fēng)險[1-2]。在此地層環(huán)境下進(jìn)行盾構(gòu)同步注漿施工，存在同步注漿漿液不易凝結(jié)、注漿量大、注漿強(qiáng)度低、注漿填充效果差等問題。

工程開展初期，南通地鐵1 號線以采用商品漿液為主，調(diào)研發(fā)現(xiàn)，既有商品漿液大多為傳統(tǒng)的消石灰基惰性漿液，含水率豐富的盾構(gòu)區(qū)間時通過摻入一定比例的水泥（占膠凝材料總量的10%～20%）取代消石灰以縮短注漿材料漿體的凝結(jié)時間。現(xiàn)場取樣，試驗發(fā)現(xiàn)，該類商品漿液凝結(jié)時間長、強(qiáng)度低，注漿完成后3 d 時消石灰基注漿材料漿體幾乎無任何強(qiáng)度，水泥取代消石灰的水泥基注漿材料（占膠凝材料總量20%）的凝結(jié)時間有一定縮短，但3 d 強(qiáng)度依舊很低，且漿液抗水分散性很差?，F(xiàn)場注漿過程中普遍存在注漿填充量高居不下、結(jié)石率低等問題，在含水率較高的地層中管片偏移問題明顯，地表沉降較大。

調(diào)研發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)關(guān)于盾構(gòu)注漿材料的研究大多著眼于注漿材料的稠度、初凝時間、泌水率、抗壓強(qiáng)度、填充性能等基本性能，關(guān)于富水砂層下同步注漿材料的抗水分散性能研究較少，更鮮有將具有抗水分散性能的高性能同步注漿材料用于工程實踐的案例[3-6]。

因此，結(jié)合南通地鐵1 號線典型富水砂層特點，開發(fā)適用于富水砂層的高性能盾構(gòu)同步注漿材料并用于南通地鐵1 號線盾構(gòu)注漿施工，既能解決南通地鐵1 號線富水砂層盾構(gòu)同步注漿施工中注漿量大、注漿填充效果差、解決施工過程中的管片偏移及地表沉降問題，又能為國內(nèi)類似工程盾構(gòu)施工與應(yīng)用研究提供借鑒。

1 注漿材料關(guān)鍵性能試驗

1.1 原材料

水泥：P·O42.5 水泥，比表面積350 m2/kg；粉煤灰：Ⅱ級，45 μm 篩篩余16.7%，需水量比為98%；膨潤土：細(xì)度為200目的鈉基膨潤土；消石灰：氧化鈣和氧化鎂含量不宜低于85%；河砂：細(xì)度模數(shù)1.2，含泥量2%，表觀密度2670 kg/m3；新型盾構(gòu)注漿材料添加劑（Z205）：功能型復(fù)合添加劑，由聚羧酸系高性能減水劑、聚丙烯酸鈉、生物膠、纖維素醚等按照一定比例復(fù)合而成，具有減水、增稠、保塑、抗水分散等作用。水泥、粉煤灰的主要化學(xué)成分見表1。

表1 水泥與粉煤灰的主要化學(xué)成分 %

1.2 性能測試方法

（1）稠度、初凝時間試驗：參照J(rèn)GJ/T 70—2009《建筑砂漿基本性能試驗方法》進(jìn)行。

（2）泌水率試驗：參照GB/T 25182—2010《預(yù)應(yīng)力孔道灌漿劑》中常壓泌水率試驗方法進(jìn)行。

（3）抗壓強(qiáng)度試驗：參照GB/T 17671—1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗方法（ISO 法）》進(jìn)行，試件尺寸為40 mm×40 mm×160 mm。

（4）結(jié)石率、抗水分散性能試驗：參照T/CECS 563—2018《盾構(gòu)法隧道同步注漿材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》進(jìn)行，測試注漿材料的2 d 結(jié)石率，并用注漿材料的28 d 水陸強(qiáng)度比表征注漿材料的抗水分散性能。

1.3 配合比

以南通地鐵盾構(gòu)施工用消石灰基惰性注漿材料配合比Z0 作為基準(zhǔn)配合比，Z1 在Z0 基礎(chǔ)上采用膠凝材料總量20%的P·O42.5 水泥取代消石灰，作為富水砂層用傳統(tǒng)注漿材料配合比。Z2～Z6 為不同配合比參數(shù)的高性能注漿材料試驗配合比，隨著膨潤土摻量的降低和水膠比的降低，高性能同步注漿材料添加劑Z205 的摻量適當(dāng)增加，以確保注漿材料初始稠度與基準(zhǔn)組配合比相當(dāng)。具體配合比見表2，其中基準(zhǔn)配合比Z0 的原材料用量分別為：消石灰95 kg/m3、粉煤灰308 kg/m3、膨潤土71 kg/m3、水379 kg/m3、砂947 kg/m3。

表2 注漿材料的配合比

2 性能對比及分析

不同配合比注漿材料的關(guān)鍵性能見表3。

表3 注漿材料的關(guān)鍵性能

2.1 凝結(jié)時間分析

由表3 可見：

（1）與基準(zhǔn)組Z0 相比，Z1 組的凝結(jié)時間縮短64%，采用水泥替代消石灰可大幅降低注漿材料的凝結(jié)時間。

（2）與基準(zhǔn)組Z0 相比，摻加0.03%～0.30%高性能同步注漿材料添加劑Z205 的試驗組凝結(jié)時間縮短了71%～82%。

（3）降低膨潤土摻量同時增加Z205 的摻量，可縮短注漿材料的凝結(jié)時間，對比Z1、Z2、Z3 可知，膨潤土摻量由15%分別降低到10%、5%，凝結(jié)時間由26 h 分別縮短至21、17 h，凝結(jié)時間降低率（較基準(zhǔn)組）由64%增長為71%及76%。

（4）水膠比的減小可進(jìn)一步縮短注漿材料的凝結(jié)時間，對比Z4、Z5、Z6 可知，水膠比由0.8 分別減小到0.7、0.6，凝結(jié)時間由15 h 分別縮短至14、13 h，凝結(jié)時間降低率（較基準(zhǔn)組）由79%增長為81%及82%。

2.2 稠度分析

由表3 可見：

（1）與基準(zhǔn)組Z0 相比，Z1 組的初始及2 h 稠度不變，4 h稠度降低10 mm，采用水泥替代消石灰會降低注漿材料的4 h稠度。

（2）對比Z1、Z2、Z3 可知，降低膨潤土摻量同時增加Z205的摻量可確保注漿材料初始、2 h、4 h 稠度不變。

（3）對比Z4、Z5、Z6 可知，水膠比由0.8 分別減小至0.7、0.6，注漿材料的初始及2 h 稠度不變，4 h 稠度先保持不變，后降低10 mm。

（4）相對而言，高性能注漿材料配合比Z4～Z6 稠度損失較快，Z2、Z3 可達(dá)到與富水砂層用傳統(tǒng)注漿材料配合比Z1 相同的稠度保持效果。

2.3 泌水率與結(jié)石率分析

由表3 可見：

（1）與基準(zhǔn)組配合比Z0 相比，Z1 組的結(jié)石率降低2%，泌水率增大了2%，采用水泥替代消石灰會增加注漿材料的泌水率，同時降低注漿材料的結(jié)石率。

（2）降低膨潤土摻量同時提高Z205 的摻量可降低注漿材料的泌水率，同時提高注漿材料的結(jié)石率，對比Z1、Z2、Z3可知，膨潤土摻量由15%分別降低至10%、5%時，泌水率由10.5%分別降低至4.9%、4.5%，結(jié)石率由89.5%分別增大至95.1%、95.5%。

（3）水膠比的降低可進(jìn)一步降低注漿材料的泌水率，提高注漿材料的結(jié)石率，對比Z4、Z5、Z6 可知，水膠比由0.8 分別降低至0.7、0.6，泌水率由4.2%分別降低至3.6%、2.9%，結(jié)石率由95.8%分別增大至96.4%、97.1%。

2.4 抗壓強(qiáng)度分析

由表3 可見：

（1）與基準(zhǔn)組配合比Z0 相比，Z1 組的3 d 抗壓強(qiáng)度提高0.4 MPa，28 d 抗壓強(qiáng)度提高1.5 MPa，采用水泥替代消石灰會提高注漿材料的抗壓強(qiáng)度。

（2）降低膨潤土摻量同時增加Z205 的摻量可提高注漿材料的抗壓強(qiáng)度，對比Z1、Z2、Z3 可知，膨潤土摻量由15%分別降低至10%及5%時，注漿材料的3 d 抗壓強(qiáng)度分別提高0.4、0.6 MPa，28 d 抗壓強(qiáng)度分別提高0.4、0.5 MPa。

（3）水膠比的降低可進(jìn)一步提高注漿材料的抗壓強(qiáng)度，對比Z4、Z5、Z6 可知，水膠比由0.8 分別降低至0.7、0.6 時，注漿材料3 d 抗壓強(qiáng)度分別提高0.6、1.6 MPa，28 d 抗壓強(qiáng)度分別提高1.1、3.4 MPa。

2.5 水陸強(qiáng)度比分析

由表3 可見：

（1）與基準(zhǔn)組配合比Z0 相比，Z1 組的水陸強(qiáng)對比由0 提高至75%，采用水泥替代消石灰后注漿材料具有了一定的抗水分散性能。

（2）降低膨潤土摻量同時增加Z205 的摻量可提高注漿材料的抗水分散性能，對比Z1、Z2、Z3 可知，膨潤土摻量由15%分別降低至10%、5%，注漿材料的水陸強(qiáng)對比分別增加了5 個百分點及11 個百分點。

（3）水膠比的降低可進(jìn)一步提高注漿材料的抗水分散性能，對比Z4、Z5、Z6 可知，水膠比由0.8 分別降低至0.7、0.6，注漿材料水陸強(qiáng)對比分別增加1 個百分點及4 個百分點。

3 現(xiàn)場注漿性能

選擇南通地鐵1 號線深南路站～城港路站區(qū)間為試驗段，進(jìn)行現(xiàn)場注漿性能對比試驗。試驗段全長1139 m，穿越地層均為粉砂與砂質(zhì)粉土夾粉砂層，地層結(jié)構(gòu)相對一致。選取試驗段前100 環(huán)進(jìn)行高性能注漿材料漿液注漿試驗，后100 環(huán)進(jìn)行既有商品漿液試注漿試驗。高性能注漿材料選用配合比Z3 為施工配合比，既有商品漿液選擇Z0 為施工配合比。對比測試2 種漿液的現(xiàn)場注漿性能，包括注漿速度、注漿壓力、注漿量。為減少盾構(gòu)始發(fā)及盾構(gòu)結(jié)束過程對測試結(jié)果的影響，選取高性能注漿材料注漿后第20～80 環(huán)與既有商品漿液注漿后第20～80 環(huán)進(jìn)行注漿性能對比，測試結(jié)果分別如圖1～圖3所示。

由圖1 可知，Z0 組既有商品漿液注漿速度為40～55 mm/min，Z3 組高性能同步注漿材料漿液注漿速度為40～50 mm/min，采用高性能同步注漿材料后，注漿速度略有降低。

由圖2 可知，Z0 組既有商品漿液注漿壓力為0.20～0.35 MPa，Z3 組高性能同步注漿材料漿液注漿壓力為0.3～0.4 MPa，采用高性能同步注漿材料后，注漿壓力略有增大。

圖2 同步注漿壓力對比

由圖3 可知，Z0 組既有商品漿液注漿量為5～6 m3，Z3 組高性能同步注漿材料漿液注漿量為4.5～5.0 m3，采用高性能同步注漿材料后，注漿量降低，最大注漿量可降低17%。

4 結(jié) 論

（1）通過配合比優(yōu)化及高性能盾構(gòu)注漿材料添加劑Z205的摻用，配制出了適用于南通地鐵1 號線富水砂層的高性能盾構(gòu)注漿材料。

（2）適當(dāng)降低水膠比，降低膨潤土摻量同時摻入一定比例的Z205，可不同程度地降低注漿材料的初凝時間、泌水率，提高注漿材料的結(jié)石率、抗壓強(qiáng)度和水陸強(qiáng)度比。

（3）現(xiàn)場注漿對比試驗結(jié)果表明，采用Z3 組配合比制備的高性能注漿材料對盾構(gòu)注漿壓力及注漿速度影響不大，但實際最大注漿量可降低17%。

（4）與Z3 組配合比相比，Z4～Z6 組配合比具有更高的結(jié)石率和水陸強(qiáng)度比，在對盾構(gòu)注漿壓力及注漿速度影響不大的前提下，預(yù)期最大注漿量可進(jìn)一步降低。