浅析高速铁路隧道二次衬砌用注浆剂的研究现状及趋势

高妮　何文敏　郭博

摘要：文章以综述的形式阐述了高铁隧道二次衬砌用注浆剂的国内外发展现状及趋势，首先对衬砌用注浆料的发展进行了阐述，分析了目前国内注浆料存在的主要问题，总结了后期发展的趋势，为今后注浆料等相关领域的研究提供参考依据。

Abstract： In this paper， the development status and trend of grouting agent for secondary lining of high-speed railway tunnel at home and abroad are summarized. Firstly， the development of grouting material for lining is described， the main problems of grouting material in China at present are analyzed， and the development trend in later period is summarized， which provides reference for the research of grouting material and other related fields in the future.

关键词：高铁隧道;发展现状;发展趋势

Key words： high speed railway tunnel;development status;development trend

中图分类号：U455.4                                       文献标识码：A                                  文章編号：1006-4311（2020）05-0167-02

0  引言

我国高铁里程位居世界第一，占世界高铁总里程的60%以上，未来我国的高铁项目仍在不断加快建设之中。然而，由于种种原因，运营铁路隧道时有开裂、掉块、渗漏水等病害发生，成为铁路安全运营的最大威胁。在隧道衬砌混凝土灌注过程中，由于施工工艺差，喷射混凝土层平整度不够等原因，造成防水板铺设凸凹不平，防水板的脱落、混凝土振捣不密实、管理不到位以及人为判释错误等原因，常会出现拱顶衬砌局部厚度不足现象，从而引发拱顶衬砌脱空、空洞、开裂等质量缺陷。由于这种空隙缺陷的存在，会导致围岩松弛、衬砌荷载增大、地表下沉增加等问题，在列车运行的“活塞效应”下，衬砌混凝土就可能出现从开裂发展到掉块的危险，从而危及列车的行车安全。为提高铁路隧道衬砌质量，避免隧道拱顶出现空洞，当前我国的做法是：拱顶混凝土浇筑完成后，在隧道衬砌与防水板间的脱空区，借助高压注浆泵注入水泥净浆。虽然水泥净浆流动性好，但易分层离析，硬化后收缩大，强度不均匀，填筑后衬砌仍然存在很大的质量问题。因而，如何使注浆材料在保证流动性和泵送性的同时，又具有一定的微膨胀性、较高的早期强度和28d强度、较好的抗渗性以及与衬砌混凝土之间具有良好的结合性能，是当前亟待解决的关键问题。

1  国内外研究现状

国外学者对注浆材料的研究较早，1802年法国人开辟了注浆施工的先河[1]，到20世纪40年代各种注浆材料相继问世，注浆材料的研究应用及发展达到鼎盛时期[2]。由于水泥基注浆材料强度比较高、耐久性好、成本低等优点而逐渐得到青睐。国外学者对水泥基注浆材料的制备、性能研究、机理分析等方面做的工作相对较多，Kamal H.Khayat[3]通过试验得出结论：在水泥基注浆材料中加入水溶性聚合物增稠材料可以改善其和易性，从而改善耐久性和力学性能;M.Sahmaran和N.Zkan[4]等人通过试验发现在水泥基注浆材料中加入天然的浮石粉能改善其流变性能;M.Jamal Shannag[5]通过试验发现在水泥基注浆材料中掺加矿物掺合料和超塑化剂可以提高其工作性、耐久性、体积稳定性和强度;Lee Jaehyun[6]等通过在实际施工现场进行的人工水玻璃（LW）灌浆，研究了高CaO粉煤灰和硫酸盐激发剂对无胶结灌浆材料的影响。

我国对注浆材料和注浆技术的研究和应用起步较晚，但发展速度迅猛，某些方面已达到世界先进水平[7]。特别是有机外加剂的广泛应用，对水泥基注浆材料向高性能发展起到了极大的推动作用。

1987年，中国建材研究院[8]在研究膨胀剂的基础上研制成功无收缩超早强二次注浆系列产品，主要由高强胶结材料、膨胀剂、流化剂、调凝剂和石英砂复配而成。1990年，为完成冶金部、建设部下达的“设备注浆料系列产品研究”任务，冶金建筑研究总院研制成功CGM注浆材料。2016年，中铁十一局[9]研制出一种新的拱顶带模注浆充填材料，主要由P·O42.5普通硅酸盐水泥、石英砂、掺和料、聚羧酸减水剂以及辅助材料等组成。豆莹莹[10]等采用正交试验方法，以工作性、力学性能和体积稳定性等作为评价因素，设计了一种高性能聚合物水泥基灌浆材料，并研究了各原材料对灌浆材料性能的影响。寇佳亮[11]等选用32.5R复合硅酸盐水泥作为主要胶凝材料，通过正交试验，研究了水胶比、胶砂比、粉煤灰、硅灰、膨胀剂和减水剂对水泥基灌浆料基本力学性能的影响，得到的一种新型注浆料的材料。

2  目前存在的主要问题

2.1 国内单方面降低原材料成本，导致注浆料质量降低

我国从上世纪九十年代初开始引进国外注浆料，但因注浆料的价格较国内高，导致成本增加，因此，国产注浆料慢慢取代了国外注浆料。虽然国产的注浆料较国外的注浆料成本低，价格是国外注浆料的三分之一，具有明显的价格优势，但是在注浆料的质量方面要次于国外。主要表现在拌和的注浆料流体效应较差，搅拌过程中有小气泡产生，从而对注浆料的强度造成一定的影响，国内注浆料的早期强度仅是国外注浆料早期强度的一半。这对于工程施工、进度以及质量带来一定的负面影响。

影响注浆料质量的主要因素还是注浆料配制的原材料，国外注浆料中的水泥基本都采用52.5硅酸盐水泥，而国内注浆料中的水泥基本采用42.5硅酸盐水泥，水泥品质的差异是造成国内注浆料与国外注浆料在强度方面差异较大的主要原因之一。国内和国外注浆料中所用的减水剂在减水效果上也有较大的差异，国外注浆料中所用减水剂的减水率比国内的减水率要高，这对于注浆料的强度也有一定的影响。另外，注浆料中所使用的保塑成分也有一定的因素，国外注浆料中的保塑成分一般是采用高分子有机物，而国内注浆料中的保塑成分一般是木钙、糖钙类。所以国内注浆料的保塑成分加入量要控制好，加入过多会使注浆料的凝结时间较长，拌合后会产生较多的气泡，早期强度也不足;加入过少则会导致注浆料的保塑时间较短，达不到施工工艺要求。

2.2 注浆料生产工艺复杂、性能差

目前市面上的大部分产品由普通硅酸盐水泥、超细掺和料、聚羧酸减水剂、微膨胀剂、硅砂等组成，经均匀复合以后将混料装入塑封袋内，运输到施工现场进行浇筑。由于生产工艺、材料性能等各方面原因，使得普通水泥基注浆材料性能较差。

2.2.1 体积收缩较大  注浆砂浆的体积收缩会引起一定的微裂纹，导致粘结层与注浆材料之间粘结程度不够，造成耐久性降低，抗化学和物理侵蚀的能力降低。此外，大部分注浆剂由普通水泥制成，当水灰比过大时，造成强度低、泌水严重等现象，灌后出现残留裂缝，后期可能引起渗漏通道。

2.2.2 产品稳定性差、保质期短  由于目前所使用的注浆料，大部分是由胶凝材料、超细掺和料、减水剂、微膨胀剂、硅砂等组成的混合料包，这些料包运输到现场后加水拌和，制备成注浆砂浆，然而料包中的普通硅酸盐水泥的保质期只有3个月，3个月后要取样重新试验，凝结时间、强度等性能变差，不能正常使用，只能降级使用，严重影响工程质量。更有采用早强水泥的案例，而早强水泥的保质期只有45d，故产品的保质期只有45d。隧道拱顶施工对注浆料需求量不像混凝土一样巨大，考虑生产成本、工期等因素，多数施工单位一次采购注浆材料量大，长期存放，超过保质期，拱顶注浆材料的性能不稳定，导致施工效果较差。

2.2.3 产品生产厂房占地面积大、生产设备昂贵  根据调研，以某型干混砂浆自动生产线及配套运输设备为例，年产30万吨，注浆材料生产线项目投资见表1，设备总投资额为1500万。除此之外，还需生产人员30-60人。因此，产品生产厂房占地面积大、生产设备昂贵，导致成本增加。

3  今后发展趋势

前面的研究都给施工带来了很大的方便，提高了施工质量，但由于一步注浆工艺，运输成本高，材料储存时间短等特点，极大地提高了工程造价。因此，如何在降低成本的基础上，选择合适的原材料和设备，设计合理的施工工艺以保证注浆质量，是目前亟待解决的关键问题。

3.1 继续探索新的注浆料产品

目前关于注浆料的研究相对已经成熟，国内的几个品牌的产品已经能够满足施工要求，并能保证应用性能，但是如何在降低成本的前提下，研发性能优异的注浆料将是后期工作的重点。

3.2 改善注浆剂生产工艺

目前水泥基注浆料性能的影响因素多，涉及到的原材料品种多，配方复杂，注浆料必须先将砂烘干，然后与除水外的所有其它材料混合均匀，分包后运输至施工现场，与水混合均匀后泵送使用。混合料运输量大，而且注浆料包的保质期有限，后期研究中可根据各掺和料特点，复配出一种外加剂料包，运输到现场后，根据现场砂石材料特点，再掺加适当的胶凝材料，配制出带模注浆砂浆，通过简单调试后就能满足现场施工需求。外加剂料包独立包装，降低了现场调试难度，随用随拌注浆料，不仅可以减少浪费，延长了材料使用寿命。同时由于水泥、砂子采用现场材料，将大大延长外加剂料包的存放周期，降低因材料过期而造成的产品质量问题。

3.3 改善注浆剂生产设备

可借鉴混凝土生产工艺特点，设计自动化粉体混合一体机，确定了注浆剂配比后，引用粉体混合自动化生产线，自动计量配料、混合、包装，实现大规模自动化生产注浆剂料包生产。

参考文献：

[1]MTDrys dale. Behavior of Fully Grouted Reinforced Concrete Masonry Shear Walls Failing in Flexure[J]. Journal of Structural Engineering， 2008，134（11）：1754-1767.

[2]Little G S. Chemical Grouting[J]. Ground Engineering， 1995（2）：31-34.

[3]Kamal.H.Khayat.Viscosity-Enhancing Admixtures for Cement-Based Materials-An Overview. Cement and Concrete Composites.20 ，1998：171-188.

[4]M.Sahmaran， N.zkan， B.Keskin， B.Uzald， Yaman Erdem. Evaluation of natural zeolite as  viscosity-modifying agent for cement-based grouts[J]. Cement and Concrete Research， 2008（38）：930-937.

[5]M.Jamal Shannag. High-performance cementitious grouts for structural repair.Cement and Concrete Research .32 ，2002： 803-808.

[6]Lee Jaehyun，Lee Taegyu. Effects of High CaO Fly Ash and Sulfate Activator as a Finer Binder for Cementless Grouting Material.[J]. Materials （Basel， Switzerland），2019，12（22）.

[7]蘭英静.高性能水泥基灌浆材料的配制与性能研究[D].内蒙古科技大学，2012.

[8]陈富银，游宝坤.无收缩超早强灌浆剂的性能及其应用[J].中国建筑材料科学研究院学报，1991（2）：76-82.

[9]吕彪.隧道衬砌拱顶带模注浆新材料的相容性和结合性试验研究[J].铁道建筑技术，2017（02）：18-21，26.

[10]豆莹莹，李晓民，魏定邦.高性能聚合物水泥基灌浆材料设计及性能验证[J].硅酸盐通报，2019，38（05）：1448-1455.

[11]寇佳亮，于丹红，张浩博.高强度水泥基灌浆料基本力学性能正交试验研究[J].建筑结构，2019，49（02）：64-69.