建筑工程中同步注浆新材料的实验研究

苏良琪 江苏梦润建设有限公司

1 前言

同步注浆技术能够在地铁工程施工过程中起到质量控制的作用，当应用盾构法时，难以避免的会从盾构尾部位置出现缝隙，一方面会对工程整体的稳定性造成影响，另一方面也会使地铁工程未来出现沉降问题。同步注浆技术就是在地铁盾构施工的同时，将专用的注浆材料通过外界压力泵送到缝隙当中，以此削减因地铁盾构施工所出现的缝隙，从而实现质量控制的目的。同步注浆技术的优点较为明显，其应用原理简单，综合成本较低，且能够直接解决盾构施工所带来的缝隙问题。但当前传统材料以细石混凝土和水泥砂浆为主，对细微缝隙的处理存在局限性，同时也可能使盾构设备尾部密封造成破坏，注浆设备管道更易堵塞。

2 同步注浆新材料的应用要求

对注浆材料的要求主要有以下几点。

（1）具有足够的流动性，能够确保在缝隙填补过程中的质量稳定，尤其对于盾构尾部的细小位置可实现全面处理。（2）需具备一定的可操作时间，确保在材料准备完成后，有充足的时间供注浆操作。（3）注浆材料的早期强度应大于土壤强度，这样才能够保证缝隙填补的效果。（4）需具备一定的体积稳定性，避免在硬化后或后期使用阶段发生严重的体积收缩，从而使缝隙重新显露。（5）注浆材料的选择需考虑地下水的影响，需注意其被地下水稀释后，不会造成严重的性能折损问题。

3 原注浆浆液的特性及缺点

为了便于说明各个浆液的应用特征，本文中引用了一工程实例。该工程是上海地铁隧道工程，其地下施工深度范围为10m～20m。根据统计数据，上海地区地下土层在20m范围内，一般为粉土、灰土和黏土。为了保障地铁隧道工程在盾构开挖过程中的质量稳定，避免形成了缝隙，对工程质量及地质成交造成影响，需在该工程开展的同时进行同步注浆作业。

惰性泥浆是当前上海地铁工程中所应用的泥浆材料，该泥浆同样已经过创新设计。该泥浆的主要组分与普通细石混凝土类似，在泥浆中含有黏土成分，同时增添了具有惰性成分的外加剂，能够使泥浆材料的可操作时间更长，流动性更好，同时其硬化凝结强度不会受到影响。这种惰性泥浆最为显著的特点就是施工便捷，相比于传统所应用的水泥砂浆或细石混凝土，能够解决在同步注浆过程中管道容易出现堵塞的问题。

但正因其具有惰性，该材料的应用缺点也应运而生。首先是其凝结硬化时间，较长的硬化时间虽能够使其施工过程容易，但施工后的管控维护工作变得困难，同时在施工后制泥浆应付的过程中，可能受到外界环境或地下水的侵蚀影响，从而造成施工效果甚微；其次，由于该泥浆中含有黏土成分，而黏土作为一种体积稳定性不良且易于自身结合的材料，若施工后不加以严格管控，也可能出现泥浆中黏土析出沉底的情况，同样不利于工程质量。此外黏土材料的力学性能不佳，抗液化能力较弱，同样在地铁工程施工中，可能存在质量隐患。

基于当前使用的惰性泥浆特点，在进行新型材料研究过程中，可从以下两个角度出发：一是需要考虑同步注浆技术在应用过程中潜在的设备损坏和管道堵塞问题，对于泥浆材料的流动性提出一定要求；二是要保障其易于施工，但泥浆的硬化时间在合理范围之内，同时硬化后的强度性能可满足工程需要。

4 新型惰性浆液的研究

为了解决传统注浆材料所存在的诸多问题，该案例工程的施工方展开了对新型注浆材料的研究。首先应明确注浆作业与盾构作业同步进行，而注浆的主要作用是改善土力学特性，避免质量问题的发生，这就需要考虑土层自身地质情况，确保注浆材料使用之后与自然土壤有良好的合理性。

新型惰性浆液材料的主要成分是黏土、泥浆与砂石，同时辅以外加剂。该材料中所应用的砂石材料杂质含量极低，颗粒级配符合工程需要，与泥浆的共同作用下，实现了强度与流动性坚固的特点。还添加了外加剂，其主要作用是缓凝，在其可操作时间内，使泥浆材料的流动性更佳，对远距离输送和延长可操作时间有着积极促进作用。

通过实验明确黏土的使用量，实验中通过改变黏土含量测算其各个指标，具体的实验数据如表1所示。

Φ——内摩擦角；

C——土力学粘聚力；

a1-2——压缩系数，压缩曲线上压应力由p1=100kPa、p2=200kPa两点所连直线的斜率；

E1-2代表100kPa～200kPa的压缩模量。

表1 黏土使用量实验数据

为使上述实验更有说服力，通过资料收集查找到了上海地区自然土壤的物理特性指标，见表2。

表2 上海地区自然土壤的物理特性指标

通过实验数据与自然土壤的性能指标数据对比不难看出，本阶段所配置的注浆泥浆在力学性能方面是有优势的，能够明显增强自然土体的承载能力，同时根据相似相容的特性也能确保同步注浆所应用的泥浆，可与自然土体良好结合，也能够对开挖过程中的液化问题及沉降问题起到缓和作用。

为全面验证该新型泥浆的实际应用特性，后续案例工程施工过程中某一客运段采取该材料进行实际应用。通过实践检验，该注浆材料在同步注浆施工过程中表现良好，其流动性和可操作时间能够满足工程需要，也不会出现损害设备和堵塞管道的情况。施工完成7d 后测试其沉降量，沉降数值为30mm，已经满足工程实际需要，此阶段可初步证实该材料具有一定应用价值。

在初次实验中所应用的工程范围较小，同时并未采取持续观测的形式。为了全面了解该新型材料的实际应用性能，案例工程在后续施工中对该材料进行了小范围的应用，以便全面知悉其在不同地质环境和应用条件下的具体表现。通过观察地表沉降，最大沉降位置可达90mm，而这种与初次实验截然不同的结果也印证了该材料是需要良好土质环境作为前置条件的。

经初步分析，主要是因为在初次实验时，其土壤中的主要成分为沙土，而二次实验时，有一区段黏土的含量较高。在年度环境下，该材料由于较强的流动性出现了渗漏的问题，使其并未作用到正确施工位置，这也是该材料的缺点所在。

5 双液型浆液的应用

为了保障后续工程施工作业的稳定性，工程项目中也应用了双液型浆液作为同步注浆的材料。该浆液主要由A 液和B 液两部分构成，A 液为水泥砂浆，B液为水玻璃。A液水泥砂浆主要提供强度与流动性，也是注浆浆料的重要性能体现；B 液所应用的水玻璃主要起到速凝剂的作用，可通过调整添加比例，实现控制初凝时间和初凝强度的作用。各个组分材料的详细比例见表3。

表3 两组材料的比例

有两种浆液混合而成的新型双液型浆液，在应用上最为明显的特点就是，能够根据工程的实际情况及需求调整B液的比例，从而实现控制初凝时间与初凝强度的目的，对于地铁工程施工过程中复杂的因素变化，这种可调节的形式对于实际应用而言会有更多的适用场景。以上述两个实验场景为例，当土质为沙土时，即可适当减少水玻璃的使用量，能够全面满足工程需要；当土质为黏土时，可适当增加水玻璃的添加量，这样使其凝固时间缩短、凝固强度增加，从而实现了在不良地质中控制施工质量的目的。

在实际应用方面，与传统注浆材料相比，可简单理解为在水泥砂浆的基础上添加了水玻璃。但水玻璃通过加压设备进行泵送过程中，可能出现硬化凝结过早或析出的情况，造成管道堵塞问题，也会使整体施工受阻。同时也需明确的问题是，该混合材料的综合成本较高，水玻璃在地铁工程中大面积应用并不利于工程造价管理。

6 新型结硬型材料

为了探索适用范围广、施工可行性强的新型材料，案例施工单位继续对同步注浆作业材料展开探索。基于双液型浆液的启发，明确了水泥砂浆材料在同步注浆过程中的应用地位，故考虑在双液型浆液A 液的基础上进行改良。本次探究改良的目标是能够满足工程实际需要，同时适应多种地质情况，在进行泵送和施工的过程中也易于操作，减少设备损坏和管道堵塞的问题发生。

为了达成这一特性，提出以下思路：在上述A 液的基础上添加硬结材料，不同的添加比例会使混合材料呈现不同的性能，如控制凝结硬度和凝结时间。由于是直接添加到水泥砂浆当中，整体材料仍以水泥为主，该材料属单液型浆液。经过全面探究，在原浆液中通过添加粉煤灰的形式进行改良。粉煤灰材料与水泥材料有着类似的物理化学特性，在凝结时间和凝结硬度上性能更加优良，通过水泥材料与粉煤灰材料的平衡与变更，即初步实现了控制初凝时间与初凝强度的目的，也能够适用于更为广泛的地质条件。

为了探究其具体施工特性，保障其广泛的应用场景。案例工程组建了试验系统，对该材料的可操作性进行试验。主要原理是通过调节阀门压力控制浆液流量，同时测量浆液压力。从而知悉在不同的施工环境和施工场景下，其是否会发生管道堵塞与设备损坏的问题。压力对比如表4所示。

表4 两种材料压力对比

本实验数据可清晰得知，在高强度的测试下，新型结硬性浆液的施工表现仍然良好。虽相比于原浆液，在泵送过程中的黏滞系数提高，但实际应用性能仍在合理范围内，也并未发生管路堵塞的情况。

7 各种材料的对比与总结

（1）原浆液。原浆液具有良好的流动性，在施工过程中也较为简单，同时成本可控。但其体积稳定性和强度不能够适用于实际工程。（2）改进型的惰性浆液。改进型的惰性浆液原浆液的体积稳定性及早期强度问题，但通过多次实验发现该浆液不适用于黏土环境。而案例过程中黏土地质条件较多，也导致该材料具有一定的应用局限性。（3）双液型浆液。双液型浆液作为一种复合材料，在使用性能上更为理想，对于注浆材料中所提出的流动性要求和强度要求其均具备，施工后的体积较为稳定，同时强度更大。此外，该材料的显著优势就是具有优良的防水性与耐腐蚀性，即使在地下水冲淋区也能够保证自身性质稳定。作为注浆材料，这种材料的应用效果较为理想，但应用前期的技术管理较为复杂，同样对于施工环境和外界因素有着较高的限制，施工成本也是亟待解决的问题。（4）新型硬结材料。新型硬结材料其组分由单一浆液构成，单从固化强度方面来看，其性能优于其他几种材料，但其质量影响因素多也是一个不争的事实。该材料的主要优势体现在施工后期，在体积稳定性和防止振动液化方面表现良好，施工过程的成本较低。但也必须明确该材料的施工工艺较为复杂，同时对施工环境的地理地质状况有较高要求。实际施工过程中，若环境因素及地质因素满足要求，可考虑应用此种类型的浆料。

8 结束语

同步注浆技术对于地铁工程的质量控制是十分重要的，这种技术形式应用简单，成本可控，效果明显，但传统注浆材料的使用问题也是值得引起重视的。本文主要以新型注浆材料为研究对象，最常见的几种新型材料实际应用价值展开研究，同时在本文中引入了上海地铁工程的实例，侧面印证了各种材料在实际应用过程中的可行性。多种注浆材料并无优劣之分，其自身特性和适用场景并不相同，在工程开展过程中需根据工程项目的实际需求选取恰当的注浆材料，以实现工程质量控制的目的。事实上在行业中对于同步注浆新型材料的探索从未停止，在未来也会有更多更先进的注浆材料，被应用到地铁施工缝隙处理之中，为提高工程质量与安全性提供解决方案。