盾构隧道壁后注浆C-S双液浆性能研究*

沈树勋，於昌荣，包 华

(1.南通经济技术开发区综合执法局，江苏 南通 226009; 2.江苏省隧道与地下工程技术研究中心，江苏 南京 210041； 3.南通大学交通与土木工程学院，江苏 南通 226019)

0 引言

在隧道盾构施工过程中，常遇含水砂层、动水砂层等不良地质条件，如果处理不当，易导致工程事故。因此常采用盾构壁后同步注浆填充盾尾间隙，防止土体松弛、地层变形和土粒流失，提高隧道抗渗防水性能，确保管片衬砌早期受力均匀和稳定[1]。据统计，盾构隧道同步注浆采用单液浆较多，但双液浆凭借其凝结时间短、强度高、固结体积稳定等优点，将得到越来越多的应用[2-3]。

以水泥和水玻璃为主剂，二者按一定比例以双液方式注入，必要时加入附加剂组成注浆材料，称之为水泥-水玻璃浆，即C-S双液浆，其克服了单液浆凝结时间长且不易控制、结石率低等缺点，提高了注浆效果，适用于含水量大、渗透性高、软弱不均地层。

目前，关于C-S双液浆的研究主要集中于注浆参数控制、壁后注浆评价等。本文通过试验，研究不同水泥品种、水玻璃模数、配合比对C-S双液浆性能的影响。

1 C-S双液浆填充加固机理

C-S双液浆填充加固是物理作用与化学反应的综合结果。

1.1 C-S双液浆反应机理

水泥凝结和硬化主要由水泥水化析出胶凝体引起，在硅酸三钙水化过程中产生氢氧化钙，当水泥浆液中加入水玻璃后，水玻璃与新生成的氢氧化钙反应，生成具有一定强度的胶凝体-水化硅酸钙。水玻璃与氢氧化钙反应速率较快，随着氢氧化钙逐步消耗，水泥水化反应随之加快，析出的水化硅酸钙越来越多。随着反应的进行，浆液失去塑性和流动性，进一步成为具有一定强度的结石。C-S双液浆初期强度主要由水玻璃与氢氧化钙反应物提供，后期强度主要由水泥水化反应物提供。水泥水化生成氢氧化钙的量是有限的，过剩的水玻璃使整个胶凝体系稀释，凝结时间延长，强度下降，反而是无益的。

1.2 C-S双液浆扩散机制

C-S双液浆通过压力系统注入管片壁后，通过扩散的方式完成填充过程，其扩散方式可归纳为填充注浆、渗透注浆、压密注浆及劈裂注浆阶段[4]。填充注浆阶段将浆液填充到盾尾间隙直到充满；渗透注浆阶段利用浆液将土体颗粒间的空气和水挤出；压密注浆阶段利用浆液挤压土体和管片，土体产生塑性变形；在劈裂注浆阶段，当注浆压力大到一定程度，浆液在地层中发生劈裂流动，形成条带状或脉状胶结体。

C-S双液浆扩散过程中，A液(水泥浆液)和B液(水玻璃浆液)混合，变为胶态溶液，混合液黏性随时间的增加而增大，随之进入流动态固结区，然后经可塑态固结区达凝固区。

2 C-S双液浆性能要求

由C-S双液浆扩散机制可知，为达到较好的壁后同步注浆效果，C-S双液浆应满足稳定性好(不分散、不离析)、流动性好、填充性好(具有一定强度、胶凝体体积稳定)、防流失性好(不流失、不被稀释、不被冲走)、耐久性好、成本低、无公害等性能要求[5-6]。本文基于C-S双液浆反应机理，通过组分材料与配合比设计，优化C-S双液浆技术参数，控制水化反应和水玻璃反应速率，控制胶凝体(水化硅酸钙)生成速度和生成量，使C-S双液浆技术指标满足性能要求。

3 试验概况

试验目的是测试不同水泥品种、水玻璃模数、配合比的C-S双液浆技术指标，包括塑性黏度、黏聚力(静切力和动切力，其中静切力包括初切力、终切力)、凝结时间及初凝强度。

3.1 原材料

综合考虑凝胶时间、施工技术及成本影响，选用P·O 42.5普通硅酸盐水泥和P·C 32.5复合硅酸盐水泥，将水泥、膨润土、水按质量比450∶75∶785混合搅拌，制成水灰比约为1∶1.75的A液。采用模数为2.30，2.85，3.50的水玻璃，将3种水玻璃与水泥浆液分别按体积配合比0.05∶1，0.08∶1，0.10∶1，0.12∶1，0.15∶1，0.20∶1制成C-S双液浆试样。

3.2 试验设备

C-S双液浆塑性黏度采用ZNN-D6型旋转塑性黏度计测定，室温控制在(20±5)℃，初凝、终凝时间采用标准稠度测定仪测定，结石体初凝抗压强度采用GDS静力三轴试验仪测试。

4 试验结果与分析

4.1 掺加P·O 42.5水泥的双液浆塑性黏度与黏聚力

试验过程中发现掺加P·O 42.5水泥的双液浆近似呈Bingham塑性流体，测得其塑性黏度、动切力、初切力、终切力分别如图1～4所示。由图1可知，随着体积配合比的增大，不同水玻璃模数试样塑性黏度均增大，增幅随着水玻璃模数的增大而提高。由图2～4可知，随着体积配合比的增大，不同水玻璃模数试样黏聚力基本增大，其中水玻璃模数为3.50的试样黏聚力增幅最大，水玻璃模数为2.30的试样黏聚力变化较小，受配合比的影响较小。综上所述，掺加P·O 42.5水泥的双液浆试样在相同配合比下，水玻璃模数较大时，塑性黏度和黏聚力均较大。

图1 掺加P·O 42.5水泥的双液浆塑性黏度变化曲线

图2 掺加P·O 42.5水泥的双液浆动切力变化曲线

图3 掺加P·O 42.5水泥的双液浆初切力变化曲线

图4 掺加P·O 42.5水泥的双液浆终切力变化曲线

双液浆需满足稳定性要求，即具备一定切力，尤其是静切力。动切力和静切力较高时，有利于双液浆中的固相颗粒发挥悬浮作用。如果静切力太小，易造成固相颗粒沉淀。

4.2 掺加P·C 32.5水泥的双液浆塑性黏度与稠度系数

试验过程中发现掺加P·C 32.5水泥的双液浆较符合假塑性流体，测得其塑性黏度如图5所示。由图5可知，随着体积配合比的增大，不同水玻璃模数试样塑性黏度基本增大。由于该双液浆符合假塑性流体，可用稠度系数表示塑性黏度，如图6所示。由图6可知，不同水玻璃模数试样稠度系数变化规律可分为2种趋势：①对于水玻璃模数较大的试样，稠度系数随着配合比的增大而增大；②对于水玻璃模数较小的试样，稠度系数随着配合比的增大略有减小。

图5 掺加P·C 32.5水泥的双液浆塑性黏度变化曲线

图6 掺加P·C 32.5水泥的双液浆稠度系数变化曲线

试验研究发现，通过调整双液浆配合比，可在一定范围内增加浆液塑性黏度和黏聚力，可提高浆液抗冲刷能力，但过分提高浆液塑性黏度，对浆液流动性具有一定影响。

4.3 掺加P·O 42.5水泥的双液浆初凝、终凝时间

试验测得掺加P·O 42.5水泥的双液浆初凝、终凝时间变化曲线分别如图7，8所示。由图7，8可知，随着体积配合比的增大，不同水玻璃模数试样初凝、终凝时间均缩短，并趋于稳定，变化过程大致分为以下阶段：①急剧变化阶段 当配合比<0.10∶1时，试样初凝时间随着配合比的增大迅速缩短；当配合比<0.12∶1时，试样终凝时间随着配合比的增大迅速缩短。②缓慢变化阶段 当配合比>0.10∶1时，试样初凝时间受配合比的影响较小；当配合比>0.12∶1时，终凝时间随着配合比的增大缓慢缩短。

图7 掺加P·O 42.5水泥的双液浆初凝时间变化曲线

当配合比相同时，对于水玻璃模数较大的试样，初凝、终凝时间较短；对于水玻璃模数较小的试样，初凝、终凝时间较长。

图8 掺加P·O 42.5水泥的双液浆终凝时间变化曲线

4.4 掺加P·C 32.5水泥的双液浆初凝、终凝时间

试验测得掺加P·C 32.5水泥的双液浆初凝、终凝时间变化曲线分别如图9，10所示。由图9可知，随着体积配合比的增大，不同水玻璃模数试样初凝时间变化曲线表现出缩短、缓增、激增阶段。当配合比为0.05∶1～0.10∶1时，不同水玻璃模数试样初凝时间均随着配合比的增大而缩短，此为缩短阶段。对于水玻璃模数较大的试样，当配合比为0.10∶1～0.12∶1时，初凝时间随着配合比的增大缓慢增长；对于水玻璃模数较小的试样，当配合比为0.10∶1～0.15∶1时，初凝时间随着配合比的增大缓慢增长，此为缓增阶段。对于水玻璃模数较大的试样，当配合比>0.12∶1时，初凝时间急剧增长；对于水玻璃模数较小的试样，当配合比>0.15∶1时，初凝时间急剧增长，此为激增阶段。

图9 掺加P·C 32.5水泥的双液浆初凝时间变化曲线

由图10可知，随着体积配合比的增大，不同水玻璃模数试样终凝时间变化曲线基本表现出缩短、缓增、激增阶段。当配合比为0.05∶1～0.08∶1时，不同水玻璃模数试样终凝时间均随着配合比的增大而急剧缩短，此为缩短阶段。对于水玻璃模数较大的试样，当配合比为0.08∶1～0.12∶1时，终凝时间随着配合比的增大缓慢增长；对于水玻璃模数较小的试样，当配合比为0.08∶1～0.15∶1时，终凝时间随着配合比的增大呈波动式增长，此为缓增阶段。对于水玻璃模数较大的试样，当配合比>0.12∶1时，终凝时间急剧增长；对于水玻璃模数较小的试样，当配合比>0.15∶1时，终凝时间急剧增长，此为激增阶段。

图10 掺加P·C 32.5水泥的双液浆终凝时间变化曲线

由图9，10可知，当配合比为0.10∶1时，出现最短初凝时间；当配合比为0.08∶1时，出现最短终凝时间。

浆液初凝、终凝时间影响其填充性及防流失性，同步注浆过程中，当浆液渗透或扩散半径(距离)较远时，要求C-S双液浆凝结时间足够长；当有地下水运动时，防止浆液过分稀释或被冲走，要求浆液在注入过程中快速凝结，缩短初凝时间。

4.5 初凝强度

对水玻璃模数为2.85，3.50，水玻璃与水泥浆液体积配合比为0.05∶1，0.08∶1，0.15∶1，0.20∶1的C-S双液浆试样结石体早期初凝强度进行了测试。每种配合比下制作3个试件，试件制作完成后在(20±5)℃养护箱内养护(24±1)h，然后利用三轴仪进行加载试验，破坏后的试样如图11所示。

图11 破坏后的试样

试样结石体早期初凝强度(取平均值)变化曲线如图12所示。由图12可知，掺加P·O 42.5水泥的双液浆试样结石体早期初凝强度基本随着配合比的增大而增大；掺加P·C 32.5水泥的双液浆试样结石体早期初凝强度基本随着配合比的增大先增大后减小。

图12 试样结石体早期初凝强度变化曲线

5 C-S双液浆配合比设计

对于常规C-S双液浆，由于凝结时间短，易造成注浆管堵塞、盾尾刷损坏等问题[7]，且存在浆液流动性、强度、填充性难以协调等问题[8]，因此未被作为同步浆液而广泛采用。本试验设计的C-S双液浆可较大幅度地延长凝结时间，可应用于盾构隧道壁后同步注浆施工中。

5.1 注意事项

1)协调流动性与稳定性问题

如果C-S双液浆流动性好，可进行长距离压送(尤其是垂直输送)，但流动性好的双液浆易出现离析、材料分离等稳定性问题，在注入扩散过程中易被地下水稀释，影响整体注浆效果。

2)协调流动性与防流失性问题

为提高填充效果，应使C-S双液浆具有较好的流动性，但易造成注浆液流至工作面或尾隙以外的区域等，易导致隧道管片壁顶部出现无浆液填充的现象。

3)协调流动性与填充性问题

一般情况下，如果C-S双液浆流动性好，可达到良好填充效果，但会造成特殊部位填充性差(如管片壁顶部等)。填充性要求C-S双液浆初凝时间短、胶凝体早期强度不小于原状土、结石体体积收缩率小，而这些要求不利于浆液达到良好流动性。

本试验得到的C-S双液浆塑性黏度变化曲线、凝结时间变化曲线及初凝强度变化曲线，为配合比优化设计提供了依据。通过组分材料与配合比设计，满足同步注浆性能要求[8-9]。

5.2 组分材料与配合比

同步注浆C-S双液浆的主要性能指标一般要求为：塑性黏度≤45×10-3Pa，凝结时间为3～10h，1d结石体早期初凝强度≥0.2MPa。

进行C-S双液浆组分选择时，一般首先考虑采用凝结时间满足要求的材料。采用P·O 42.5，P·C 32.5水泥及模数为2.30，2.85，3.50水玻璃配制的C-S双液浆，可在一定配合比下满足3～10h凝结时间的要求。根据试验结果，对于掺加P·O 42.5水泥的双液浆，当配合比为0.05∶1～0.10∶1时，凝结时间变化幅度大，且凝结时间>10h，不符合双液浆性能要求；当配合比>0.15∶1时，凝结时间虽满足要求，但经济性较差；当配合比为0.10∶1～0.15∶1时，凝结时间<10h，且凝结时间变化小，满足双液浆性能要求。对于掺加P·C 32.5水泥的双液浆，仅在配合比为0.08∶1时终凝时间基本满足性能要求。

确定C-S双液浆组分材料与配合比后，应考察双液浆塑性黏度是否满足要求。根据试验结果，对于掺加P·O 42.5水泥的双液浆，当配合比为0.10∶1～0.15∶1时，水玻璃模数为3.50的浆液塑性黏度>45×10-3Pa·s，不符合性能要求；而水玻璃模数为2.30，2.85的浆液塑性黏度基本符合性能要求。对于掺加P·C 32.5水泥的双液浆，当配合比为0.08∶1时，水玻璃模数为3.50的浆液塑性黏度>45×10-3Pa·s，不符合性能要求；而水玻璃模数为2.30，2.85的浆液塑性黏度基本符合性能要求。

经筛选，得到基本符合C-S双液浆性能要求的组分、配合比及性能指标，如表1所示。由表1可知，大模数(3.5)水玻璃配制的C-S双液浆塑性黏度大、稳定性好、强度高，但流动性差，不适用于配制同步注浆浆液。强度等级较高的P·O 42.5水泥配制的C-S双液浆，可调节的配合比范围较大；强度等级较低的P·C 32.5水泥配制的C-S双液浆，可调节的配合比范围较小。相比而言，P·O 42.5水泥更适用于配制A液。大配合比的C-S双液浆塑性黏度大、稳定性好，但流动性差，结石体早期初凝强度不稳定，成本高，建议配合比为0.08∶1～0.15∶1。

表1 C-S双液浆组分、配合比及性能指标

需要说明的是，C-S双液浆性能指标随A液水灰比的变化而变化，增大A液水灰比可降低塑性黏度，提高流动性，降低凝结强度。实际工程应用时，应考虑温度、时效性对C-S双液浆的影响。必要时可添加外加剂，以改善C-S双液浆性能[10]。

6 结语

1)掺加P·O 42.5水泥的双液浆近似呈Bingham塑性流体，其塑性黏度与黏聚力随着配合比的增大而增大。在相同配合比下，水玻璃模数较大时，浆液塑性黏度和黏聚力均较大。

2)掺加P·C 32.5水泥的双液浆较符合假塑性流体，随着配合比的增大，不同水玻璃模数浆液塑性黏度基本增大。对于水玻璃模数较大的浆液，稠度系数随着配合比的增大而增大；对于水玻璃模数较小的浆液，稠度系数略有减小。

3)对于掺加P·O 42.5水泥的双液浆，随着配合比的增大，不同水玻璃模数浆液初凝、终凝时间均缩短，并趋于稳定，变化过程大致分为急剧变化阶段、缓慢变化阶段。当配合比相同时，对于水玻璃模数较大的浆液，初凝、终凝时间较短；对于水玻璃模数较小的浆液，初凝、终凝时间较长。

4)对于掺加P·C 32.5水泥的双液浆，随着配合比的增大，不同水玻璃模数浆液初凝时间变化表现出缩短、缓增、激增阶段。

5)掺加P·O 42.5水泥的双液浆结石体早期初凝强度基本随着配合比的增大而增大；掺加P·C 32.5水泥的双液浆结石体早期初凝强度随着配合比的增大先增大后减小。

6)大模数(3.5)水玻璃配制的C-S双液浆塑性黏度大、稳定性好、强度高，但流动性差，不适用于配制同步注浆浆液。

7)强度等级较高的P·O 42.5水泥配制的C-S双液浆，可调节的配合比范围较大；强度等级较低的P·C 32.5水泥配制的C-S双液浆，可调节的配合比范围较小。相比而言，P·O 42.5水泥更适用于配制A液。

8)大配合比的C-S双液浆塑性黏度大、稳定性好，但流动性差，结石体早期初凝强度不稳定，成本高，建议配合比为0.08∶1～0.15∶1。