富水复合砂层大直径盾构掘进同步注浆性能配比试验研究

刘　玮,谢佳伟,赖友君,傅金阳,阳军生

(1.广东华隧建设股份有限公司,广州　510620； 2.中南大学土木工程学院,长沙　410075)

1　概述

盾构管片背后同步注浆可有效充填盾尾空隙，控制地面下沉、管片上浮等问题，对盾构隧道施工控制起关键作用。考虑到同步注浆的注浆成本、工艺、效果等问题，选择合适的材料和配比显得尤为重要。

在不同的地层条件下，盾构隧道盾尾注浆需要满足不同的性能要求，同时，浆液的特性还需要满足现场设备的要求，因此需要对影响浆液性能的各因素进行深入的试验研究。根据浆液不同的性质，可将其划分为惰性浆液和活性浆液。惰性浆液中不含水泥等凝胶物质，强度较低，活性浆液的强度相对较高。考虑到工程的最优技术经济指标，对于特定的地质条件和施工条件需要选择特定的注浆方案，目前注浆材料发展迅速，种类庞杂，如何选用合适的材料和配比成为了注浆工艺中的关键问题。

广佛环城际铁路陈村2号隧道工程盾构段采用两台直径为8.84 m的土压平衡盾构机开挖，管片外径8.5 m，内径7.7 m，宽1.6 m。盾构穿越地层条件复杂，包括细砂～粉砂层、淤泥～泥岩地层，且多处为复合地层。广州南站段隧道上覆地层为富水复合地层，地下水位埋深较浅。由于存在盾构直径大、穿越地层条件复杂、地下水含量丰富等不利因素，使得陈村2号隧道盾构段施工风险大为增加。尤其是盾构穿越的为武广客运专线高架桥，属于变形敏感建筑结构物。因此，控制地表沉降成为了本项目的关键之处，要求同步注浆浆材具有充填速度快，保水性好，离析率低等性能。另外，浆液在高压富含水的条件下灌注可能会部分流失，导致浆体出现离析，密度不均匀等问题[1]。

本研究主要探讨同步注浆采用的活性单液浆材料配比优化的问题，通过优化设计的方法，对比不同配比浆液的性能指标，综合多种因素得到最优性能的浆液材料配比，并及时运用到现场同步注浆施工中去，以期对控制地表沉降有一定作用，获得更高的工程效益，并可为类似工程提供借鉴。

2　浆液配比试验

2.1　浆材要求

经过大量试验研究及相关资料分析，在富水复合地层盾构快速掘进中，同步注浆要求浆材满足以下要求[2]：充填性能好，能快速、饱满地填充盾尾空隙；和易性较好，离析率低，保水性强；初凝时间较短，并可根据需要进行调节；浆液硬化后的体积变化较小，具有较好的不透水性；应有合适的稠度，以便不被泥水稀释；注浆不堵管，无公害，价格低。本项目的具体技术性能要求见表1。

表1　浆液性能指标

2.2　试验方法

(1)浆液的组成成分。浆液材料主要采用以水泥(华润散装水泥，规格为P.O32.5R)、粉煤灰(珠江电力Ⅱ级粉煤灰)、膨润土(飞来峰钙基膨润土)、细砂(惠州金业生产的细河沙)和水为原料的可硬性活性浆液，其保水能力强、抗水分散性较好、体积收缩率低。外加剂为康特尔聚羟酸系高效减水剂和昊欣9 mm聚丙烯纤维[3]。

(2)均匀试验设计。注浆材料单液硬性浆的主要影响因子可分为：膨水比、水胶比、粉灰比、胶砂比。其中膨水比为膨润土与水的用量之比，水胶比为减水剂与胶凝材料的用量之比，粉灰比为粉煤灰与水泥的用量之比。本次试验探究各影响因子对浆液性能的影响程度，并据此找出适用于富水复合地层的活性单液浆配合比。传统正交设计[4]的试验方法进行各影响因子对比将需要巨大的试验量，试验周期长且成本较大，故本研究采用了均匀设计的试验方法。

均匀试验设计方法源于数论方法中的“伪蒙特卡罗方法”，在多因素多水平试验设计方面有着巨大的优势。周梅等[6]用均匀试验设计方法探讨了各成分配比对自密实混凝土的性能影响，胡小勇等[7]用均匀试验的方法揭示了配比参数对充填料浆及胶结体性能的影响。本方法的原理为将数据点在高维空间内充分均匀分散，提高数据的代表性，可以显著精简试验次数，适用于复杂科研课题的研究，为了方便建模和优化，通常根据试验目的仅在重点试验因素上设置典型试验。

根据现场已有配比情况取水泥质量范围在100～180 kg，粉煤灰取值范围在320～480 kg，膨润土取值范围在40～120 kg，砂的取值范围在650～850 kg，水的取值范围在300～400 kg，设计了以水泥、粉煤灰、膨润土、砂、水的含量为基础的均匀试验，根据均匀试验的原理安排15组试验，即5因素15水平均匀设计，选用U15(55)均匀设计表来安排试验，具体试验设计见表2。

表2　各试验浆液材料配比参数

为了排除试验的偶然因素干扰，每组配比同时制作了3个对比试块，取各参数平均值进行数据统计，根据均匀试验的需求，制作了15组试验试块，如图1所示。

2.3　试验结果分析

根据上述均匀试验，得出的试验结果见表3。

图1　均匀试验试块分组

表3　均匀设计试验结果

根据试验结果可以看出：浆液泌水率与水胶比成正比关系，与胶砂比、粉灰比、膨水比则成反比关系。泌水率与膨水比的关系曲线见图2。

图2　泌水率与膨水比关系变化曲线

浆液凝结时间与粉灰比成正比关系，与胶砂比成反比关系；当水胶比、膨水比较小，凝结时间与之成反比关系，但变化不明显，达到一定值后，与之成正比关系，呈非线性变化，具体见图3和图4。

图3　凝结时间与胶砂比关系变化曲线

图4　凝结时间与膨水比关系变化曲线

在给定的试验范围内，浆液流动度随时间增加而减小，浆液在前2 h内流动度的经时损失较大，在2～8 h内流动度经时损失比较均匀。流动度经时损失性变化曲线如图5所示。

实际施工中，刚配制的浆液短时间内便明显降低流动度，并可能残存于注浆管道中造成堵管，因此，需要根据施工条件适当调整浆液的流动度经时损失性。另外，流动度受水胶比、胶砂比、膨水比影响较大，粉灰比影响则相对较小，流动度与水胶比、粉灰比成正相关的关系，与胶砂比、膨水比成负相关的关系。

浆液中水泥的含量和等级对硬化后的强度影响很大，在相同水泥等级条件下，浆液强度就取决于浆液中水泥的含量，由于粉煤灰的强度很低，当粉灰比增大，水泥的含量相对变小，浆液的强度随着粉灰比的增大而减小。

图5　流动度的经时损失性

2.4　配比优化

盾构管片背后同步注浆要求浆液短时间内满足良好的可泵性，快速充分地填充相应的空隙，具有一定的早期强度，同时达到一定的经济效益。为了同时满足以上多个目标的要求，求解得到同步注浆材料的最优配合比，需要采用多目标规划方法。多目标规划方法广泛运用于将复杂问题量化决策，本次试验采用Matlab软件进行优化求解。

对于此类任何多目标规划问题，都由两个基本部分组成[9]：

(1)两个以上的目标函数；

(2)若干个约束条件。

根据每个目标函数的约束条件，对每个目标函数先分别假定一个合理的期望值，最终试验结果应该使每个目标函数尽可能地接近该期望值，用Matlab优化工具使得各级目标的偏差变量达到最小。

可硬性浆液在实际施工中，浆液达到以下要求，即可认为浆液的性能达到最优[10]：

(1)浆液的初始稠度应介于9～13 cm；

(2)浆液的初始流动度值应大于25 cm；

(3)浆液4 h后的流动度值应不小于20 cm，8 h后的流动度值不小于16 cm；

(4)浆液泌水率应小于5%；

(5)浆液的1 d强度应大于0.2 MPa；

(6)浆液的28 d强度应大于2.5 MPa。

根据浆液最佳凝结时间，得到目标函数：

min|f凝结时间-8|=125.102-182.38x1-

88.432x1x3+111.207x2x3+6.202x2x4+

实际施工中，每环的注浆量按方量来计算，本试验各配比的浆液的密度在2.03～2.16 kg/L，较为接近，因此，本报告将每环的注浆量近似按照质量计算，得到每1 000 kg浆液各材料组分的质量为(水泥、粉煤灰、膨润土、砂、水的质量分别用C、F、B、S、W表示)。

考虑优化配比后的砂浆成本不高于现场原设计采用砂浆配比的注浆成本。水泥的市场价格为290元/t，密度2.60 g/cm3；粉煤灰244元/t，密度2.40 g/cm3；膨润土330元/t，密度2.20 g/cm3；砂122元/m3，密度2.50 g/cm3。原设计采用的单液型活性水泥砂浆的成本为123.7元/t，对应的同步注浆材料成本

c成本=

在Matlab中，调用多目标规划算法，输入以上约束条件，得出浆液的优化配比见表4。

表4　浆液最优配合比

该配比的注浆成本为115.9元/t，相对现场采用的单液型活性水泥砂浆节省成本7.8元/t。

3　配合比优化结果

分别采用优化后的配比和现场原设计采用的配合比进行砂浆试验，以验证配比优化试验的正确性和有效性，试验结果见表5。

表5　最优配合比验证试验结果

与现场原设计采用的配合比相比，采用最优配合比砂浆的流动度、凝结时间、抗压强度性能均有明显改善，泌水率则略有增大，但小于5%。现场设计配比砂浆的流动度经时损失性较大，无法满足表1提出的注浆浆液的各项物理性能指标要求，最优配比的试验结果则达到了以上要求。优化配比试验的正确性与有效性获得了验证，可为现场应用提供有益参考。

4　结语

通过上述试验，得出以下结论。

(1)在浆液的物理性能方面：流动度的经时损失性受含水率影响较大，需要根据施工条件适当调整浆液的流动度经时损失性，尽量做到浆液随用随配。浆液泌水率与水胶比成正比关系，与胶砂比、粉灰比、膨水比成反比关系。在一定范围内，浆液凝结时间与胶砂比成反比，与粉灰比成正比，随水胶比、膨水比的增大先缩短再增加。

(2)在浆液的力学性能方面，由试验结果可知，在一定范围内，浆液的强度与胶砂比成正比，与水胶比、粉灰比成反比。

(3)根据均匀试验的结果，对于本地区类似富水复合地层大直径盾构掘进工况，推荐选用质量比为水泥∶粉煤灰∶黏土∶生石灰∶硫酸∶钠∶水=1∶2.56∶0.30∶4.90∶2.32的配合比的浆液。

(4)最优配合比砂浆的流动度、凝结时间、抗压强度性能相对于原设计配比砂浆均有明显改善，可弥补其流动度经时损失性不满足要求的不足。

参考文献：

[1]孙立功，金花，庞旭卿，等.广州地铁3号线盾构区间同步注浆施工技术[J].铁道标准设计，2010(10)：125-128.

[2]周智.浅埋砂层中土压平衡盾构机土仓压力和同步注浆量与地表沉降的关系浅析[J].铁道标准设计，2010(S1)：125-126.

[3]周少东，林文书，王红喜，等.高性能同步注浆材料专用外加剂的研制[J].隧道建设，2014(3)：205-211.

[4]杨秀竹，王星华，雷金山.正交法在注浆材料优化设计中的应用[J].探矿工程(岩土钻掘工程)，2004(3)：7-9.

[5]王元，方开泰.关于均匀分布与试验设计(数论方法)[J].科学通报，1981(2)：65-70.

[6]周梅，周钢，朱涵，等.基于均匀试验设计的自密实混凝土性能研究[J].硅酸盐通报，2008(2)：285-291.

[7]胡小勇，刘浪，李广辉，等.基于均匀试验的矿山充填料浆配比优化研究[J].矿业研究与开发，2015(3)：7-12.

[8]孙彩霞，刘涛，万莹莹.降低水泥净浆流动度经时损失方法的研究[C]∥公路交通与建设论坛论文集，2003.

[9]张士刚.基于Matlab语言的多目标优化抗裂混凝土配合比设计研究[D].长沙：中南大学，2012.

[10] 贺雄飞，王光辉.单液活性同步注浆浆液的配合比试验[J].隧道建设，2010(1)：9-14，23.