促凝材料对同步注浆凝结时间的影响

武林栋，李 豪，王林飞，李子钧

(1.中铁七局集团武汉工程有限公司，湖北武汉430074；2.合肥工业大学土木与水利工程学院，安徽合肥230009)

地下空间利用逐渐成为城市发展的趋势，尤其是城市地铁隧道的建设，但盾构法隧道施工过程中一般会引起地表沉降，其中以管片壁后空隙沉降为主。控制管片壁后沉降的关键在对管片壁后进行有效充填，因此需从盾尾向壁后充填同步注浆浆液。适宜的同步注浆浆液凝结时间对控制盾构法施工管片稳定至关重要。吴全立根据室内试验结果选择同步注浆浆液材料合理的配合比；罗云峰等利用现场原材料进行同步注浆浆液配比优化试验，实现了较好的注浆效果；肖立等通过室内与现场试验，研制了一种工程特性较好的同步注浆浆液，并给出了浆液的具体配比；矫伟刚等通过室内材料试验与力学实验，对盾构新型同步注浆浆液与传统浆液的性能进行对比分析，得到了新型浆液与传统浆液的性能差异；吴克雄等将废弃泥浆作为盾构同步注浆浆液材料，研究泥浆对同步注浆浆液性能的影响，结果表明用废弃泥浆配制的同步注浆浆液在凝结时间和流动性上能够满足注浆要求。

普通同步注浆浆液的凝结时间过长，不仅不利于及时抑制盾构施工管片上浮，还易造成管片错台、破损、渗水等质量缺陷，同时限制盾构施工效率。在普通同步浆液中掺入促凝材料(AB料)，能加快同步注浆浆液的凝结。鉴于此，探讨促凝材料(AB)料用量对新型同步注浆浆液凝结时间的影响，得到最优的同步注浆浆液配比，并将其应用于合肥轨道交通4号线伊宁路至巢湖路区间，取得了良好的工程效果。

1 试验

1.1 促凝材料的光谱分析试验

促凝材料(AB料)是一种同步注浆浆液的促凝剂，包括A料和B料，A料呈灰黑色粉末，B料为乳白色晶体粉末。A料的作用是促凝促强，B料的作用是活性激发。

对AB 料样品分别进行压片，设计两组平行试验，采用X 射线荧光光谱仪(X ray fluorescence，XRF)分析AB料的化学成分，结果如表1，2。其中：w，w分别为第一次与第二次试验过程中各元素的质量分数；w为元素的质量分数。

表1 促凝材料A光谱分析试验结果Tab.1 XRF test results of A materials

表2 促凝材料B光谱分析试验结果Tab.2 XRF test results of liquid B

由表1，2可知：A料的主要化学元素为Ca，S，O，Al，Si，Fe，Zn，C；B料的主要化学元素为S，O，Al，Ca，C。

1.2 同步注浆浆液凝结时间试验

1.2.1 试验材料

普通同步注浆浆液材料为水、水泥、粉煤灰、砂和膨润土，试验过程中，设置一组普通同步注浆浆液(普通-1)的初始配比，各材料用量如表3。

表3 普通同步注浆浆液配比Tab.3 Mixing proportion of ordinary synchronous grouting

将B料与水同质量比配制成B液，将B液注入混有A料的普通同步注浆浆液中。在普通同步注浆浆液的初始配比中掺入A料与B液，称为新型同步注浆浆液。为找到合适的A料与B液用量，将两者用量分开考察，先控制A料用量15 kg/m，B液用量分别为15，20，25，30，35 kg/m，编号依次为B-1，B-2，B-3，B-4，B-5。其他材料用量采用普通同步注浆浆液配比，B液用量变化时新型同步注浆浆液配比如表4。

表4 B液用量变化时新型同步注浆浆液配比Tab.4 Mixing proportion of new synchronous grouting at changing the amount of liquid B

通过表4所示5组配比试验得到适宜的B液用量，记为m。设置A料用量5，10，15，20，25 kg/m，编号依次为A-1，A-2，A-3，A-4，A-5。其他材料用量采用普通同步注浆浆液配比，以寻找适宜的A料用量，A料用量变化时新型同步注浆浆液配比如表5。

表5 A料用量变化时新型同步注浆浆液配比Tab.5 Mixing proportion of new synchronous grouting at changing the amount of A materials

1.2.2 试验步骤

参考《建筑砂浆基本性能试验方法标准》(JGJ/T 70—2009)进行同步注浆浆液凝结时间试验。将制备的同步注浆浆液放入容器，在(20±2)℃条件下保存,贯入阻力，成型后采用砂浆凝结时间测定仪测定浆液的凝结时间。测定贯入阻力时，用截面为30 mm的贯入试针与浆液表面接触，10 s内缓慢而均匀地垂直压入浆液内部25 mm深。每次贯入时记录仪表读数，贯入杆离开容器边缘或已贯入部位至少12 mm；每隔30 min测定1次，至贯入阻力达到0.3 MPa，每15 min测定1次，直至贯入阻力达0.7 MPa为止。

浆液贯入阻力f计算公式如下

式中：N 为贯入深度至25 mm时的静压力；A 为贯入试针的截面积，即30 mm。

对于浆液凝结时间的测定，分别取两个试样，以两个试验结果的平均值作为浆液的凝结时间，两次试验结果的误差不应大于30 min，否则重新测定。

分别记录凝结时间和相应贯入阻力，根据试验所得各阶段贯入阻力与时间的关系图，求出贯入阻力达0.5 MPa 的所需时间t。此时的t 为浆液的凝结时间，在关系图中采用内插法确定t，具体计算过程：根据式(1)可知，贯入阻力达0.5 MPa时，贯入的静压力为15 kN，记F=15 kN。在得到的贯入静压力与时间的数据中，取贯入静压力靠近F的两组数据，设F＜F＜F，对应的时间分别为t和t。根据两点(t,F)，(t,F)，采用线性内插求当F=15 kN时对应的砂浆凝结时间t，则

因此

2 试验结果与分析

2.1 凝结时间试验结果分析

B液用量与新型同步注浆浆液的凝结时间变化关系如图1。由图1 可看出，随B 液用量的增加，新型同步注浆浆液的凝结时间先减小后增加，说明B 液可与含A 料的同步注浆浆液充分反应，迅速使同步注浆浆液凝固。B 液用量增加的同时，同步注浆浆液中水的用量也增加，因此B 液用量增加到一定程度，反而使同步注浆浆液的凝结时间变长。对于同步注浆浆液凝结时间最短的B 液用量为25 kg/m，取m=25 kg/m。

m为25 kg/m，A 料用量与新型同步注浆浆液的凝结时间变化关系如图2。由图2 可看出：随A料用量的增加，新型同步注浆浆液的凝结时间由330 min 减小至153 min，但减小的速率随A 料用量的增加有所放缓；A料用量变化时，新型同步注浆浆液的凝结时间的变化幅度甚大。对比普通同步注浆浆液的凝结时间452 min可知，掺入促凝材料(AB料)的新型同步注浆浆液在凝结时间的缩短上有巨大优势，考虑A料用量的经济性，取A料用量20 kg/m。

根据上述分析，掺入促凝材料(AB料)的新型同步注浆浆液最佳配比如表6。

图1 B液用量与凝结时间关系Fig.1 Relationship between the setting time of slurry and the amount of liquid B

图2 A料用量与凝结时间关系Fig.2 Relationship between the setting time of slurry and the amount of A materials

表6 新型同步注浆浆液最佳配比单位：kg/m3Tab.6 Optimal new synchronous grouting material ratio and slurry setting timeunit：kg/m3

2.2 硬化同步注浆微观分析

采用偏光显微镜(59XB)观察硬化同步注浆薄片的微观结构。A料用量变化时28 d硬化同步注浆的微观结构如图3。

图3 A料用量变化时硬化同步注浆的微观结构Fig.3 Microstructure of hardening synchronous grouting with the change of A materials

由图3可知：28 d硬化同步注浆中有大量的胶状水化硅酸钙(C—S—H)生成，C—S—H分布在大颗粒(骨料)之间；随着A 料用量的增加，C—S—H 颜色越深，说明硬化同步注浆的结构更致密和连续。为直观观察C—S—H的分布范围，采用Matlab软件对偏光图像进行阈值分割技术处理，得到每组原图的灰度值直方图和二值化图，结果如图4。

图4 A料用量变化时硬化同步注浆图像处理Fig.4 Image processing of hardening synchronous grouting with the change of A materials

由图4可知，A料用量增加到一定程度时，胶状水化硅酸钙在大颗粒(骨料)之间的分布更均匀，说明掺入A料能够改善骨料的空间分布，加速同步注浆浆液的凝结硬化，使硬化同步注浆形成更加致密的结构。

B液用量变化时28 d硬化同步注浆的微观结构如图5。由图5可知，随B液用量的增加，分布在胶状水化硅酸钙(C—S—H)内部的气泡量明显减少，说明B液能够极大地降低同步注浆内部的孔隙率，改善同步注浆的渗透性能。

图5 B液用量变化时硬化同步注浆的微观结构Fig.5 Microstructure of hardening synchronous grouting with the change of liquid B

3 工程应用

合肥市轨道交通4号线伊宁路至巢湖路区间，采用盾构法施工。如图6所示，区间从伊宁路出发向北下穿地块(该地块正在进行住宅项目开发)后，以一组半径为400 m的平面曲线转到当涂路，再由当涂路向北敷设到巢湖路。两台盾构机分别从伊宁路站大里程端头井始发，掘进至巢湖路小里程端盾构井吊出。本区间为两条单洞单线圆形隧道，穿越土层主要为黏土层，各土层厚度与土体物理力学参数如表7。

图6 伊宁路至巢湖路区间平面图Fig.6 Plan view of Yichao shield section

表7 伊巢区间盾构隧道土层状况Tab.7 Soil layer condition of shield tunnel in Yichao section

采用未掺入促凝材料(AB料)的普通同步注浆浆液与最优配比的新型同步注浆浆液进行壁后充填，现场监测每一环管片掘进完成后的上浮量，结果如图7，8。

图7 未掺入促凝材料时管片上浮量Fig.7 Floating amount of shield segmentat no coagulant materials added

图8 掺入促凝材料时管片上浮量Fig.8 Floating amount of shield segment at adding coagulant materials

由图7，8 可知：采用未掺入促凝材料(AB 料)的普通同步注浆浆液时，管片上浮量最大91 mm，最小18 mm，平均53.54 mm；采用掺入促凝材料(AB 料)的新型同步注浆浆液时，管片上浮量最大25 mm，最小4 mm，平均15.79 mm。采用掺入促凝材料(AB料)的新型同步注浆浆液能够大幅度地降低盾构管片上浮量，与未掺入促凝材料(AB料)的普通同步注浆浆液相比，管片上浮量均值降幅达70.5%。表明采用掺入促凝材料(AB料)的新型同步注浆浆液能够有效减小管片上浮，保障该区间盾构施工质量。

4 结论

1)随A料用量增加，浆液凝结时间大幅缩短；随B液用量增加，浆液凝结时间先缩短后延长。

2)与普通同步注浆相比，掺入促凝材料(AB料)的新型同步注浆浆液凝结时间大幅降低，最佳新型同步注浆浆液各材料用量为水410 kg/m、水泥220 kg/m、粉煤灰330 kg/m、砂850 kg/m、膨润土60 kg/m、A 料20 kg/m、B液25 kg/m，其浆液凝结时间为153 min。

3)随A料用量增加，胶状水化硅酸钙分布更均匀，且其表面结构更致密和连续；随B液用量增加，胶状水化硅酸钙分布无明显变化，但其内部气泡量减少，可极大改善硬化同步注浆的渗透性。

4)将普通同步注浆浆液和最优配比的新型同步注浆浆液应用于合肥轨道交通4号线伊宁路至巢湖路区间隧道右线，与普通同步注浆浆液相比，使用最优配比的新型同步注浆液时管片上浮量均值降幅达70.5%，提高了隧道成型质量，取得了良好的工程效果。