盾构快速掘进下同步注浆材料优化配合比设计

游永锋，梁奎生，谭华灵

(中铁隧道股份有限公司，郑州 450003)

0 引言

目前，盾构法施工广泛地应用于城市地铁、铁路、水工隧洞等，盾构法施工具有对地层适应性好、安全性高、施工速度快等特点，但在盾构快速施工过程中也暴露出了一些问题，如管片上浮量大、管片成型质量差等。同步注浆材料的性能对管片成型质量有着重要的影响，相关领域对注浆材料的研究也没有停止过。J.N.Shirlaw等［1］分析了浆液性能与隧道上浮的关系，指出盾尾浆液要能够裹紧隧道以抵抗其自身产生的浮力;张海涛［2］、田焜［3］针对注浆材料对浆液性能的影响，求取了不同龄期的强度、流动性、和易性、密度、泌水率等，并对注浆材料配合比进行了优化，取得了较好的效果;刘纯洁等［4］使用压底注浆的方法对管片变形进行了调整;在赵天石［5］的研究中，有机纤维、膨胀剂、钢渣等被作为抗水分散材料使用;李慎刚等［6］建立了浆液在均匀介质中的渗透模型;夏小亮［7］、许茜［8］分别采用硅粉、黏土、工业废渣和水玻璃作为抗水分散材料;王红喜等［9］对适宜于高压饱和水条件下的同步注浆材料性能进行了研究;陈奕江等［10］使用聚丙烯纤维提高了水泥砂浆的强度和抗渗性。在文献［5-8］的研究中，合成使用的抗水分散材料较罕见，施工成本较高;文献［4］和文献［10］中所配制的砂浆浆液强度和抗渗性较好，但凝结时间与本工程的掘进速度相冲突。结合这方面的研究思路，考虑泥水盾构的施工特点，如何既能有效地减小管片上浮，又可以在配合比的优化上不会增加更大的成本，最终满足管片的成型要求是本文研究的主要出发点。

本文从同步注浆配合比研究入手，在同步注浆材料中加入减水剂、絮凝剂及聚丙烯纤维等外加剂对砂浆性能进行综合研究，以提高浆液的抗水分散性、防渗抗裂和早期强度为目的，配制出了适用于高水压饱和水地质条件下盾构快速施工的同步注浆材料。

1 工程概况

台山核电站取水隧洞是我国第一条越海盾构隧洞，隧洞外径8.7 m，内径7.3 m，采用盾构管片和二次衬砌复合支护结构。其中1号隧洞全长4 061 m，盾构穿越海底地层主要为黏土、粉质黏土及砂层，总计长度为3 800 m左右，占整个隧洞的90%(砂层段占20%左右，黏土段占70%左右)。盾构通过该段地层时，掘进速度控制在25 mm/min，平均掘进指标达到566 m/月，最大掘进进度达到725.7 m/月，6个月实现盾构掘进3 400 m的好成绩，创造了国内大直径泥水盾构掘进的最高纪录。

2 同步注浆材料性能指标

结合现场施工情况，盾构机在1号隧洞软土地层快速掘进过程中，由于掘进速度快，造成同步注浆浆液离析、流失、灌注不均匀、不密实等现象，背后衬砌注浆效果差，致使盾尾渗水及管片上浮现象严重。经过大量试验研究及相关资料分析，在高水压软土地层盾构快速掘进过程中，同步注浆材料应具有能快速充填、保水性强、不离析、倾析率小等性能，性能指标如表1所示。

表1 同步注浆材料性能指标Table 1 Performance requirements of simultaneous grouting materials

3 原材料及配合比试验设计

3.1 原材料与试验方法

3.1.1 原材料选用

原材料的选用见表2。

3.1.2 试验方法

凝结时间、稠度、抗压强度及抗渗性能依据JGJ/T 70—2009《建筑砂浆基本性能试验方法标准》进行检验;抗折强度和抗压强度按GB/T 17671—1999《水泥胶砂强度检验方法》进行检验;浆液流动度按GB/T 8077—2000《混凝土外加剂匀质性试验方法》的规定采用微型塌落度筒进行试验;砂浆抗水分散性按DL/T 5117—2000《水下不分散混凝土试验规程》进行试验;水陆强度比是将70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm(长×宽×高)的砂浆试模放入水箱中，使水面高出试模30 cm，用下料导管将砂浆注入试模中，砂浆从试模中溢出后即可，成型后标准养护至规定龄期进行抗压强度试验，该强度试验为砂浆的水中强度;砂浆的陆地强度按JGJ/T 70—2009《建筑砂浆基本性能试验方法标准》中的抗压强度方法进行测试;水陆强度比为同一砂浆配合比在2种不同条件下成型后同一龄期的抗压强度比值，该强度比值可以判断砂浆的抗水分散性能;固结收缩率采用100 mL量筒，用玻璃片盖上，静置24 h后测量量筒上部的清水体积。

表2 同步注浆原材料的选用Table 2 Selection of simultaneous grouting materials

3.2 砂浆配合比的优化

3.2.1 砂浆凝结时间的优化试验

盾构快速施工条件下，砂浆凝结时间既要满足输送和浆液在衬砌背后流动充填的时间要求，又不可过长，试验研究成果如表3和表4所示。

表3 壁后注浆配合比Table 3 Mixing proportions of grout kg/m3

表4 壁后注浆砂浆性能Table 4 Performance of grout

试验结果表明:只通过改变普通壁后注浆砂浆的水胶比和胶砂比，在盾构快速掘进条件下很难解决砂浆快速凝结以此控制管片上浮的问题，即使通过调整浆液的水胶比和胶砂比后能满足施工要求，也将会导致胶凝材料用量增大，成本提高;而掺入适量的减水剂后砂浆的拌合物性能得到提高，可满足施工要求。由于减水剂是一种高分子表面活性剂，减水剂分子能定向吸附于水泥颗粒表面，使水泥颗粒表面带有同一种负电荷，形成静电排斥效应，促使水泥颗粒相互分散，破坏絮凝结构，释放出被包裹的部分水来参与流动，从而有效地提高砂浆拌合物的流动性，且可以减少用水量，增强砂浆强度。掺入减水剂后通过调整胶凝材料的用量，凝结时间会发生明显的改变，同时减水剂对砂浆的稠度影响较大，会随减水剂掺量的增大而增大。当减水剂掺量为0.6%时，砂浆和易性较好，但初凝时间较短，不利于砂浆的泵送性;当减水剂掺量为0.7%时，砂浆和易性较好，且凝结时间满足施工要求;但当减水剂掺量为0.8%时，砂浆出现离析现象，凝结时间延长，如施工速度较快时，将无法满足施工要求。因此，减水剂掺量选择0.7%(占胶凝材料的百分比)为宜。

3.2.2 聚丙烯纤维的优化试验

聚丙烯纤维较大的比表面积能使其与砂浆基体增大接触面积，使砂浆与纤维能牢固结合，共同承担荷载，有助于提高砂浆的抗冲击性，在纤维体积率为0.05%～0.2%时有明显的抗裂与增韧效果。

为提高砂浆的抗水分散性及其初期强度，改善注浆效果，试验中通过掺加不同掺量的聚丙烯纤维，研究其对砂浆浆液性能的影响，得出适用于该岩体、施工条件等因素影响下的最佳掺入量，试验情况如表5和表6所示。

表5 聚丙烯纤维掺量优化试验Table 5 Optimization test on polypropylene fiber quantity kg/m3

表6 聚丙烯纤维掺量优化试验性能结果Table 6 Performance of grout with optimized polypropylene fiber quantity

试验结果表明:砂浆的坍落度和流动度随着纤维量的增加而降低，即砂浆的稠度随纤维量的增加而提高，说明砂浆在掺入聚丙烯纤维后，抑制了砂浆的离析和泌水;同时，随着纤维掺量的增大，砂浆基体的密实性增大，阻止外界水份侵入的能力增强，即混凝土砂浆的抗渗等级得到了提高。

依据现场施工情况，分别对掺加纤维前和掺加纤维后砂浆混凝土试块进行了1 d和28 d的抗折和抗压强度试验。

掺加纤维前，试块1 d抗折、抗压强度为0.25 MPa和0.86 MPa，28 d抗折、抗压强度为2.95 MPa和14.2 MPa;掺加0.3 kg/m3纤维后，试块1 d抗折、抗压强度为0.32 MPa和1.09 MPa，28 d抗折、抗压强度为3.78 MPa和18.5 MPa;掺加0.5 kg/m3纤维后，试块1 d抗折、抗压强度为0.45 MPa和1.22 MPa，28 d抗折、抗压强度为3.98 MPa和20.7 MPa。

结果显示，从实验室制备试件的情况来看，掺加纤维可以改善砂浆混凝土的抗折、抗压强度，随着掺量的增加，砂浆混凝土的抗折、抗压强度逐渐提高，但当掺量大于0.9 kg/m3时，掺量的变化对混凝土抗折、抗压强度影响较小。综合考虑聚丙烯纤维掺量选择0.16%(占胶凝材料的百分比)为宜。

3.2.3 絮凝剂的优化试验

同步注浆要求浆液具有能快速充填、保水性强、不离析、倾析率小、抗水分散性好等性能，因此，制浆过程中需考虑添加抗水分散剂，掺量过高或过低可能导致浆液早期不凝结或抗水分散性能差。试验依据多组配合比砂浆性能综合分析，在选取聚丙烯纤维优选配合比(纤维掺量为0.9 kg/m3)的基础上进行抗水分散剂聚丙烯酰胺(PAM)的优化，控制单一变量的方法研究其工作性能。砂浆配合比参数及基本性能如表7和表8所示。

表7 抗水分散剂掺量优化试验Table 7 Optimization test on water-resistant dispersant quantity kg/m3

表8 抗水分散剂掺量优化试验性能结果Table 8 Performance of grout with optimized water-resistant dispersant quantity

试验结果表明:砂浆的稠度随PAM的减小而降低。PAM聚合物与水形成乳胶液，生成许多微小润滑膜，减小了砂子之间的摩擦力，起到表面分散作用，改善砂浆的流动性。当PAM掺量达到胶凝材料质量的0.1%后，吸湿作用超过其润滑作用，砂浆的流动性大大降低。

从水陆强度比数据可以看出，PAM的掺入不仅可以提高砂浆的抗水分散性能，而且使砂浆的强度得到保障。实际施工对抗水分散性PAM掺量要求固结体强度1 d≥0.2 MPa，28 d≥2.5 MPa。依据试块力学性能试验，由于水泥、粉煤灰配比量及纤维的影响，其砂浆1 d和28 d抗压强度均能达到施工要求。因此，抗水分散剂PAM的掺量主要依据其物理性能决定。从成本及砂浆性能指标考虑，絮凝剂的掺量选择0.2%(占胶凝材料的百分比)较适宜。

3.2.4 优化配合比

盾构隧道同步注浆材料的性能受岩体条件、盾构施工形式、施工条件等因素的影响，通过大量的试验，对不同添加剂的作用进行分析，得出优化配合比如表9所示。该配合比能有效地控制盾构快速施工引起的质量问题，满足注浆需要并达到良好的填充效果。

表9 优化配合比Table 9 Optimized mixing proportion kg/m3

4 现场施工使用情况

1#隧洞软土层起始段盾构快速掘进时，盾尾曾出现漏浆现象，对管片姿态的测量频率为1次/d，上浮严重的地段测量频率为2次/d。隧洞管片相对上浮曲线如图1所示，盾构快速穿越软土地层段前100环，管片上浮较为明显，最大上浮量达到18 cm，平均上浮量高达13.8 cm左右，严重超标，个别管片错台达到40～50 mm。

图1 优化前隧洞管片相对上浮曲线Fig.1 Curve of relative uplifting of segment lining before mixing proportion optimization

为确保盾构快速掘进施工质量，通过添加减水剂、絮凝剂及聚酯纤维对同步注浆材料性能进行有针对性的优化。根据试验所得的配合比及选取的材料进行现场配制砂浆，并与实际施工相结合，注浆过程顺利完成，注浆后的盾尾、管片环接缝处未出现渗水现象，管片上浮得到了有效控制，如图2所示，最大上浮量为4.2 cm，达到了较好的注浆效果。

图2 优化后隧洞管片相对上浮曲线Fig.2 Curve of relative uplifting of segment lining after mixing proportion optimization

5 结论与讨论

在本工程中，试验得出的优化配合比能较好地满足盾构快速施工下同步注浆的工艺要求。按其所配制的砂浆具有良好的泵送性、抗水分散性和抗渗性，能避免注浆堵管现象，注浆后的盾尾、管片环未出现渗水现象，管片上浮得到了有效控制，达到了较好的注浆效果，具有很好的经济效益和社会效益。

本文提到的配合比设计与原材料的性能有很大关系，类似工程可在参考经验的基础上，通过试验制定有针对性的配合比。

同步注浆材料配合比的调整只能减小管片的上浮量，无法彻底解决管片的上浮问题，但在管片上浮量较小的情况下，管片的成型质量、渗漏水情况可以得到有效控制。

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