富水砂层高性能盾构同步注浆材料的配制及现场注浆性能研究

朱先发，宋普涛，杜峰，王军，张伟，周永祥，冷发光

（1.南通城市轨道交通有限公司，江苏 南通 226000；2.中国建筑科学研究院有限公司，北京 100013）

0 引 言

南通地铁1 号线盾构穿越地层以富水砂质粉土夹粉砂及富水粉砂层为主，该类地层含水量丰富，渗透系数大，自稳性差、承载能力低，盾构掘进过程中，极易出现涌水、流砂等施工风险[1-2]。在此地层环境下进行盾构同步注浆施工，存在同步注浆浆液不易凝结、注浆量大、注浆强度低、注浆填充效果差等问题。

工程开展初期，南通地铁1 号线以采用商品浆液为主，调研发现，既有商品浆液大多为传统的消石灰基惰性浆液，含水率丰富的盾构区间时通过掺入一定比例的水泥（占胶凝材料总量的10%～20%）取代消石灰以缩短注浆材料浆体的凝结时间。现场取样，试验发现，该类商品浆液凝结时间长、强度低，注浆完成后3 d 时消石灰基注浆材料浆体几乎无任何强度，水泥取代消石灰的水泥基注浆材料（占胶凝材料总量20%）的凝结时间有一定缩短，但3 d 强度依旧很低，且浆液抗水分散性很差。现场注浆过程中普遍存在注浆填充量高居不下、结石率低等问题，在含水率较高的地层中管片偏移问题明显，地表沉降较大。

调研发现，国内关于盾构注浆材料的研究大多着眼于注浆材料的稠度、初凝时间、泌水率、抗压强度、填充性能等基本性能，关于富水砂层下同步注浆材料的抗水分散性能研究较少，更鲜有将具有抗水分散性能的高性能同步注浆材料用于工程实践的案例[3-6]。

因此，结合南通地铁1 号线典型富水砂层特点，开发适用于富水砂层的高性能盾构同步注浆材料并用于南通地铁1 号线盾构注浆施工，既能解决南通地铁1 号线富水砂层盾构同步注浆施工中注浆量大、注浆填充效果差、解决施工过程中的管片偏移及地表沉降问题，又能为国内类似工程盾构施工与应用研究提供借鉴。

1 注浆材料关键性能试验

1.1 原材料

水泥：P·O42.5 水泥，比表面积350 m2/kg；粉煤灰：Ⅱ级，45 μm 筛筛余16.7%，需水量比为98%；膨润土：细度为200目的钠基膨润土；消石灰：氧化钙和氧化镁含量不宜低于85%；河砂：细度模数1.2，含泥量2%，表观密度2670 kg/m3；新型盾构注浆材料添加剂（Z205）：功能型复合添加剂，由聚羧酸系高性能减水剂、聚丙烯酸钠、生物胶、纤维素醚等按照一定比例复合而成，具有减水、增稠、保塑、抗水分散等作用。水泥、粉煤灰的主要化学成分见表1。

表1 水泥与粉煤灰的主要化学成分 %

1.2 性能测试方法

（1）稠度、初凝时间试验：参照JGJ/T 70—2009《建筑砂浆基本性能试验方法》进行。

（2）泌水率试验：参照GB/T 25182—2010《预应力孔道灌浆剂》中常压泌水率试验方法进行。

（3）抗压强度试验：参照GB/T 17671—1999《水泥胶砂强度检验方法（ISO 法）》进行，试件尺寸为40 mm×40 mm×160 mm。

（4）结石率、抗水分散性能试验：参照T/CECS 563—2018《盾构法隧道同步注浆材料应用技术规程》进行，测试注浆材料的2 d 结石率，并用注浆材料的28 d 水陆强度比表征注浆材料的抗水分散性能。

1.3 配合比

以南通地铁盾构施工用消石灰基惰性注浆材料配合比Z0 作为基准配合比，Z1 在Z0 基础上采用胶凝材料总量20%的P·O42.5 水泥取代消石灰，作为富水砂层用传统注浆材料配合比。Z2～Z6 为不同配合比参数的高性能注浆材料试验配合比，随着膨润土掺量的降低和水胶比的降低，高性能同步注浆材料添加剂Z205 的掺量适当增加，以确保注浆材料初始稠度与基准组配合比相当。具体配合比见表2，其中基准配合比Z0 的原材料用量分别为：消石灰95 kg/m3、粉煤灰308 kg/m3、膨润土71 kg/m3、水379 kg/m3、砂947 kg/m3。

表2 注浆材料的配合比

2 性能对比及分析

不同配合比注浆材料的关键性能见表3。

表3 注浆材料的关键性能

2.1 凝结时间分析

由表3 可见：

（1）与基准组Z0 相比，Z1 组的凝结时间缩短64%，采用水泥替代消石灰可大幅降低注浆材料的凝结时间。

（2）与基准组Z0 相比，掺加0.03%～0.30%高性能同步注浆材料添加剂Z205 的试验组凝结时间缩短了71%～82%。

（3）降低膨润土掺量同时增加Z205 的掺量，可缩短注浆材料的凝结时间，对比Z1、Z2、Z3 可知，膨润土掺量由15%分别降低到10%、5%，凝结时间由26 h 分别缩短至21、17 h，凝结时间降低率（较基准组）由64%增长为71%及76%。

（4）水胶比的减小可进一步缩短注浆材料的凝结时间，对比Z4、Z5、Z6 可知，水胶比由0.8 分别减小到0.7、0.6，凝结时间由15 h 分别缩短至14、13 h，凝结时间降低率（较基准组）由79%增长为81%及82%。

2.2 稠度分析

由表3 可见：

（1）与基准组Z0 相比，Z1 组的初始及2 h 稠度不变，4 h稠度降低10 mm，采用水泥替代消石灰会降低注浆材料的4 h稠度。

（2）对比Z1、Z2、Z3 可知，降低膨润土掺量同时增加Z205的掺量可确保注浆材料初始、2 h、4 h 稠度不变。

（3）对比Z4、Z5、Z6 可知，水胶比由0.8 分别减小至0.7、0.6，注浆材料的初始及2 h 稠度不变，4 h 稠度先保持不变，后降低10 mm。

（4）相对而言，高性能注浆材料配合比Z4～Z6 稠度损失较快，Z2、Z3 可达到与富水砂层用传统注浆材料配合比Z1 相同的稠度保持效果。

2.3 泌水率与结石率分析

由表3 可见：

（1）与基准组配合比Z0 相比，Z1 组的结石率降低2%，泌水率增大了2%，采用水泥替代消石灰会增加注浆材料的泌水率，同时降低注浆材料的结石率。

（2）降低膨润土掺量同时提高Z205 的掺量可降低注浆材料的泌水率，同时提高注浆材料的结石率，对比Z1、Z2、Z3可知，膨润土掺量由15%分别降低至10%、5%时，泌水率由10.5%分别降低至4.9%、4.5%，结石率由89.5%分别增大至95.1%、95.5%。

（3）水胶比的降低可进一步降低注浆材料的泌水率，提高注浆材料的结石率，对比Z4、Z5、Z6 可知，水胶比由0.8 分别降低至0.7、0.6，泌水率由4.2%分别降低至3.6%、2.9%，结石率由95.8%分别增大至96.4%、97.1%。

2.4 抗压强度分析

由表3 可见：

（1）与基准组配合比Z0 相比，Z1 组的3 d 抗压强度提高0.4 MPa，28 d 抗压强度提高1.5 MPa，采用水泥替代消石灰会提高注浆材料的抗压强度。

（2）降低膨润土掺量同时增加Z205 的掺量可提高注浆材料的抗压强度，对比Z1、Z2、Z3 可知，膨润土掺量由15%分别降低至10%及5%时，注浆材料的3 d 抗压强度分别提高0.4、0.6 MPa，28 d 抗压强度分别提高0.4、0.5 MPa。

（3）水胶比的降低可进一步提高注浆材料的抗压强度，对比Z4、Z5、Z6 可知，水胶比由0.8 分别降低至0.7、0.6 时，注浆材料3 d 抗压强度分别提高0.6、1.6 MPa，28 d 抗压强度分别提高1.1、3.4 MPa。

2.5 水陆强度比分析

由表3 可见：

（1）与基准组配合比Z0 相比，Z1 组的水陆强对比由0 提高至75%，采用水泥替代消石灰后注浆材料具有了一定的抗水分散性能。

（2）降低膨润土掺量同时增加Z205 的掺量可提高注浆材料的抗水分散性能，对比Z1、Z2、Z3 可知，膨润土掺量由15%分别降低至10%、5%，注浆材料的水陆强对比分别增加了5 个百分点及11 个百分点。

（3）水胶比的降低可进一步提高注浆材料的抗水分散性能，对比Z4、Z5、Z6 可知，水胶比由0.8 分别降低至0.7、0.6，注浆材料水陆强对比分别增加1 个百分点及4 个百分点。

3 现场注浆性能

选择南通地铁1 号线深南路站～城港路站区间为试验段，进行现场注浆性能对比试验。试验段全长1139 m，穿越地层均为粉砂与砂质粉土夹粉砂层，地层结构相对一致。选取试验段前100 环进行高性能注浆材料浆液注浆试验，后100 环进行既有商品浆液试注浆试验。高性能注浆材料选用配合比Z3 为施工配合比，既有商品浆液选择Z0 为施工配合比。对比测试2 种浆液的现场注浆性能，包括注浆速度、注浆压力、注浆量。为减少盾构始发及盾构结束过程对测试结果的影响，选取高性能注浆材料注浆后第20～80 环与既有商品浆液注浆后第20～80 环进行注浆性能对比，测试结果分别如图1～图3所示。

由图1 可知，Z0 组既有商品浆液注浆速度为40～55 mm/min，Z3 组高性能同步注浆材料浆液注浆速度为40～50 mm/min，采用高性能同步注浆材料后，注浆速度略有降低。

由图2 可知，Z0 组既有商品浆液注浆压力为0.20～0.35 MPa，Z3 组高性能同步注浆材料浆液注浆压力为0.3～0.4 MPa，采用高性能同步注浆材料后，注浆压力略有增大。

图2 同步注浆压力对比

由图3 可知，Z0 组既有商品浆液注浆量为5～6 m3，Z3 组高性能同步注浆材料浆液注浆量为4.5～5.0 m3，采用高性能同步注浆材料后，注浆量降低，最大注浆量可降低17%。

4 结 论

（1）通过配合比优化及高性能盾构注浆材料添加剂Z205的掺用，配制出了适用于南通地铁1 号线富水砂层的高性能盾构注浆材料。

（2）适当降低水胶比，降低膨润土掺量同时掺入一定比例的Z205，可不同程度地降低注浆材料的初凝时间、泌水率，提高注浆材料的结石率、抗压强度和水陆强度比。

（3）现场注浆对比试验结果表明，采用Z3 组配合比制备的高性能注浆材料对盾构注浆压力及注浆速度影响不大，但实际最大注浆量可降低17%。

（4）与Z3 组配合比相比，Z4～Z6 组配合比具有更高的结石率和水陆强度比，在对盾构注浆压力及注浆速度影响不大的前提下，预期最大注浆量可进一步降低。