水泥基盾构同步注浆材料的性能研究

王晶 ，宋普涛 ，唐晶晶 ，王永海 ，马郁 ，王庆涛

（1.中国建筑科学研究院有限公司，北京 100013；2.中国水利水电第十一工程局有限公司，河南 郑州 450001）

0 前言

盾构法是利用盾构机在地面以下暗挖隧道的一种施工方法[1-2]。由于盾构施工技术具有对地面交通影响小、噪声小、施工快捷等优点，在我国重大地下工程的应用越来越广泛，已成为隧道建设的主要方法。盾构机完成开挖并铺装管片后，开挖面与衬砌管片之间形成100～140 mm的环状间隙[3-4]，这个环状间隙要在盾构机向前推进的同时进行注浆填充，即同步注浆，以保证隧道与土层之间达到压力平衡，控制地表沉降、管片上浮、隧道偏移等稳定性问题[5-7]。

盾构法同步注浆工艺对注浆材料具有较高的要求[8-10]，由于缺少相应的技术指标要求和标准化试验方法，目前研究和应用的同步注浆材料普遍存在一些问题[11]。本文主要研究不同配合比关键参数的水泥基盾构同步注浆材料的基本性能、填充性能和抗水分散性能，为确保工程盾构施工质量和完善试验方法标准提供参考。

1 试验配合比

1.1 试验原材料

水泥：冀东P·O42.5水泥，比表面积340 m2/kg，28 d抗压强度50.0 MPa；粉煤灰：Ⅲ级，山东邹城电厂产；膨润土：江苏某厂生产的钠基膨润土，淡黄色粉末，密度3520 kg/m3，膨胀率18 mL/g；砂：山东某地生产的中粗河砂，细度模数2.4，表观密度2680 kg/m3，堆积密度1540 kg/m3；减水剂：科之杰新材料集团有限公司生产的聚羧酸系高性能减水剂，白色粉末，减水率30%以上；拌合水：自来水。

1.2 配合比

通过对我国不同地区盾构工程水泥基同步注浆材料应用工程及研究成果的调研分析可知，目前的水泥基盾构注浆材料现场施工配合比关键参数基本范围为：水胶比0.45～0.80，胶砂比0.40～0.80，水泥占胶凝材料质量的15%～30%，膨润土占胶凝材料质量的10%～20%。

参考工程现场盾构注浆材料配合比的调研结果，选取不同的关键配合比参数进行盾构注浆材料性能研究，选取的关键配合比参数为：水胶比 0.45、0.60、0.80，胶砂比 0.4、0.6、0.8，水泥占胶凝材料质量的17%、21%、25%，膨润土占胶凝材料质量的10%、15%、20%，浆液设计密度1900 kg/m3。具体试验配合比见表1，考虑使不同水胶比的注浆材料的浆液工作性能在可比范围内，水胶比0.45和0.60的注浆材料还掺加了一定量的减水剂，减水剂掺量按占胶凝材料总质量计。

表1 水泥基盾构注浆材料的配合比

2 浆液的基本性能

2.1 试验方法

注浆材料搅拌方法与搅拌机的选择参照JGJ/T 70—2009《建筑砂浆基本性能试验方法》的规定；注浆材料浆液的表观密度、稠度、稠度经时损失、分层度参考JGJ/T 70—2009进行测试；注浆材料的流动度和流动度经时损失参照GB/T 50448—2015《水泥基灌浆材料应用技术规范》进行测试；泌水率试验方法参考GB/T 25182—2010《预应力孔道灌浆剂》的规定，测试盾构注浆材料自加水起3 h后的泌水率；水泥基同步注浆材料抗压强度试验参考JGJ/T 70—2009成型70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm立方体试件，按照JGJ/T 233—2011《水泥土配合比设计规程》中无侧限抗压强度试验方法进行；压力试验机应符合GB/T 3159—2008《液压式万能试验机》和GB/T 2611—2007《试验机通用技术要求》的规定，试件加载速率宜控制在0.07～0.70 kN/s，精确至0.01 kN，抗压强度测试结果精确至0.01 MPa。

2.2 注浆材料的基本性能测试结果与分析

表2为不同水胶比（C3、C12和C19）注浆材料浆液的稠度和流动度。

表2 不同水胶比注浆材料浆液的稠度和流动度

由表2可知，随着水胶比的增大，浆液的稠度逐渐增大，而2 h稠度损失变化不大。由于使用减水剂的缘故，流动度的测试结果与稠度变化规律并不一致，使用减水剂能够一定程度增大浆液的流动度，提高注浆材料的流动性，其流动度经时损失也相对较小，易于施工。

表3为注浆材料分层度及结石率测试结果。

表3 注浆材料的分层度及结石率

由表3可见，对于不同水胶比的C3、C12和C19注浆材料，其分层度分别为6、5、4 mm，水胶比对分层度影响较小。根据全系列注浆材料的分层度试验结果可知，注浆材料的分层度变化范围较小，基本在3～6 mm。

表4为注浆材料浆液的泌水率测试结果。

表4 注浆材料浆液的泌水率

由表4可见，对于不同水胶比的C3、C12和C19注浆材料，浆液泌水率随着水胶比的增大呈增大趋势。在水胶比为0.80条件下，对于不同膨润土掺量的C16、C17和C18注浆材料，浆液的泌水率随着膨润土掺量的增加有一定的降低，这是由膨润土自身吸水膨胀特性决定的。

表5为注浆材料抗压强度测试结果。

表5 注浆材料的抗压强度

由表5可见，对于不同水胶比的C3、C12和C19注浆材料，其2 d、28 d龄期抗压强度随着水胶比的增大呈降低的趋势；在水胶比为0.60条件下，对于不同膨润土掺量的C11、C12和C15注浆材料，其2 d抗压强度随着膨润土掺量的增加逐渐降低，而28 d抗压强度则随着膨润土掺量的增加先提高后降低，在膨润土掺量为15%时达到最大值。

3 注浆材料的填充性能

3.1 试验方法

注浆材料结石率采用体积为250 ml的量筒进行试验，量筒应配备密封盖。将量筒放置在水平面上，向量筒灌入同步注浆材料浆液，注浆材料浆面高度控制在（245l±5）ml刻度范围内，静置1 min后，及时测量并记录浆液初始高度a1，然后加盖静置。3 d时测量注浆材料浆面高度a2，3 d时浆面高度与初始浆面高度的比值作为注浆材料的结石率，用于评价注浆材料的填充性能。

3.2 注浆材料的填充性能测试结果与分析

注浆材料的结石率测试结果见表3。

对比表3及表4中不同水胶比（C3、C12和C19）注浆材料的泌水率和结石率可知，不同水胶比条件下，注浆材料的结石率与泌水率呈负相关，随着注浆材料水胶比的增大，泌水率逐渐增大，而结石率逐渐减小。

由表3中C1～C22的结石率测试结果可知，结石率与水胶比呈负相关，在稠度相差不大的情况下，结石率随水胶比的增加而降低。采用结石率作为注浆材料填充性的评价方法可行，水泥基注浆材料水胶比在0.45～0.8内变化时，其结石率基本在95%～98%内波动，满足一般设计要求。

4 注浆材料的抗水分散性能

4.1 试验方法

水陆强度比试验：参照水下不分散混凝土的相关试验方法，在水温（20±3）℃，高度（100±5）mm 的水中，通过漏斗向70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm立方体试模中灌入注浆材料，灌注完毕后将灌满注浆材料的试模从水中取出，静置5～10min，抹平表面后继续放入水中带模养护2～3d，拆模后继续放入水中养护至28d龄期进行强度测试。在水中成型的试件抗压强度与正常成型试件的抗压强度比值为水陆强度比，可间接表征注浆材料的抗水分散性能，水陆强度比越高，抗水分散性能则越好。

水下pH值测试：在250 mL烧杯中加入200 mL水，然后将100 g注浆材料分成10等份，用小铲将每1份盾构注浆材料从水面缓慢地自由落下，在20 s内操作完成，在静置过程中，按照GB/T 6920—1986《水质pH值的测定玻璃电极法》的规定测试不同静置时间溶液的pH值。pH值越小表明其抗水分散性能越好。

4.2 注浆材料的抗水分散性能测试结果与分析

按照上述试验方法测试C3、C12和C19不同水胶比注浆材料的水陆强度比及C12的pH值，结果分别见表6、表7。

表6 注浆材料的抗水分散性能

表7 C12试件的水下pH值

由表6可知，随着水胶比的增大，水陆强度比呈增大趋势，试验过程中注浆材料外部环境中的水会有部分进入注浆材料浆液中，其实际水胶比会大于设计水胶比。水胶比越低，水胶比的波动对抗压强度的影响就会越大，因此在水胶比为0.45时，其水陆强度比最小。

由表7可知，注浆材料刚完成投料，液体处于浑浊状态，此时测得的pH值较高，静置1 min后其pH值降为9，静置10 min后已和空白水样pH一致。该试验结果受静置时间影响较大，而且实际工程环境中以动水环境为主，与试验静水条件差异较大，该方法的科学性还有待商榷。

5 结论

（1）随着水胶比的增大，水泥基注浆材料浆液的稠度呈增大的趋势；聚羧酸系高性能减水剂的掺加能增大浆液的流动度，提高其可施工性。

（2）水胶比对水泥基注浆材料浆液的分层度影响较小，在水胶比为0.45～0.80内变化时，注浆材料的分层度无明显的变化规律，分层度基本在3～6 mm。

（3）随着水胶比的增大，水泥基注浆材料浆液泌水率呈增大趋势；膨润土掺量的增加能一定程度降低浆液的泌水率。

（4）随着水胶比的增大，水泥基注浆材料的2 d和28 d龄期的抗压强度呈降低的趋势。

（5）可采用结石率作为注浆材料填充性能的评价方法，水泥基注浆材料水胶比在0.45～0.80内变化时，其结石率基本在95%～98%内波动。

（6）水陆强度比作为评价注浆材料的抗水分散性指标具有一定的科学性和可操作性，而pH值试验结果受静置时间影响较大，用于评价注浆材料的抗水分散性暂不成熟。