絮凝剂对过江盾构隧道同步注浆浆液性能的影响研究*

路开道

(中铁十四局集团大盾构工程有限公司，江苏 南京 211899)

0 引言

为满足城市发展和人口快速增长需要，以盾构隧道为主，大量轨道交通隧道得到建设[1]。近年来，隧道在施工过程中常遇高渗透性地层、富水岩溶环境及裂隙发育的富水岩质地层等大量含水的地质环境[2-6]，在这种特殊的地质环境下，盾尾间隙被地下水充填，可能造成同步注浆浆液稀释，从而导致注浆浆液胶凝时间延长，甚至造成浆液不凝结、胶凝材料流失、后期强度不足等[7]，将对盾构隧道注浆圈凝结后的物理力学性能和结构耐久性造成影响。因此，地下水丰富环境下的同步注浆浆液性能问题引起了越来越多的技术人员及学者的重视。

郝晨哲等[8]通过室内试验对同步注浆水泥浆液膨水比进行调整，得到了膨水比对浆液抗水分散性、稠度、流动度和早期强度的影响。田焜[9]针对武汉长江隧道管径大、断面水压高等特点，提出了性能优良的高性能同步注浆材料复合外加剂。董小龙等[10]基于控制变量法的原理，分析水玻璃、聚丙烯酰胺、氢氧化钙等外加剂对同步注浆浆液稠度、凝结时间、早期抗压及抗剪强度的影响，得到适宜富水复合地层的同步注浆配合比。李希宏等[11]通过数值模拟和实测数据相结合的方式，对福州地铁4号线在不同富水地层中泥水盾构施工同步注浆配合比、注浆量、注浆压力等掘进参数进行分析，有效指导了该地区盾构隧道施工。阮艳妹等[12]通过X射线、扫描电镜和光学显微镜，对新型水下聚凝充填材料微观形貌进行了分析，结合孔径分布及宏观力学性能，得到新型水下聚凝充填材料最佳配合比。周少东等[13]对膨润土、凹凸棒黏土、FDN减水剂、聚羧酸减水剂等外加剂进行复配，提出了高性能同步注浆材料专用外加剂HMA。刘玮等[14]和王静[15]针对富水复合地层盾构隧道同步浆液配合比开展了优化试验，要求注浆浆液能够达到保水性好、流变性好、强度高等性能要求。

在地下水丰富的环境下进行盾构隧道建设，对同步注浆浆液性能具有严格要求[16]，通过在普通注浆材料中加入絮凝剂的方式，能够改善浆液自身抵抗水稀释及冲洗的能力。由于实际工程所处环境千差万别，且絮凝剂种类繁多，性能存在差异，因此，开展不同絮凝剂对同步注浆浆液性能的影响研究。本文以常德沅江过江隧道工程为依托，研究絮凝剂聚丙烯酰胺、羟乙基纤维素、羟乙基甲基纤维素和羟丙基甲基纤维素对普通浆液性能的影响，以期为工程应用提供参考。

1 工程概况

常德沅江过江隧道位于常德市城区，全长2 240m，大体呈南北走向。其中过江段采用盾构法施工，长1 680m，盾构隧道内径10.3m、外径11.3m，最大埋深为河床下23m。隧道主要穿越高透水性砂层、圆砾层和卵石层，圆砾层含承压水，且与沅江江水贯通。经勘测，常德市城区下南门站沅江最高洪水水位39.860m，最低水位26.990m，平均水位29.690m。

2 试验材料与方法

2.1 浆液基本材料

结合现场施工情况，试验过程中浆液所用材料包括P·O 42.5普通硅酸盐水泥、Ⅱ级粉煤灰、当地普通河砂(细度模数2.2～2.8，粒径<5mm，堆积密度1 500kg/m3)、普通生活用水(pH测试值为7.9)。

2.2 絮凝剂材料

试验过程中选取目前应用较广泛的絮凝剂材料，基本参数如表1所示。

表1 絮凝剂基本参数

2.3 试验仪器与方法

对于水资源丰富的过江盾构隧道，絮凝剂的加入能否有效包裹同步注浆浆液颗粒、减少水环境下浆液的流失、保证浆液凝结后的强度是决定工程质量的关键。水泥基净浆性质是决定浆液性能的关键，因此，对水泥基净浆抗水分散性、流变性及扩展度进行研究。

2.3.1水泥基净浆抗水分散性

为更直观地表现不同絮凝剂品种、掺量对水泥基净浆防水分散效果的影响，测试浆液流变性后开展抗水分散性试验，步骤如下：①使用300mL量程的干净烧杯量取300mL洁净水，并置于桌面上确保水面静止；②在拌合完成的水泥基净浆中利用针筒抽取30mL浆液，将针筒口伸入水面下方1cm左右，并将浆液匀速缓慢注入水中；③待浆液完全注入水中后静置1min，观察水体浑浊度及水面漂浮物。

2.3.2流变性

试验过程中采用LVDV-2型旋转黏度计测试水泥基净浆流变性[17]，该仪器可测量浆液塑性黏度及剪切应力。

2.3.3扩展度

水泥基净浆扩展度测试流程参照GB/T 8077—2012《混凝土外加剂匀质性试验方法》进行[18]，具体过程为：①将玻璃板(400mm×400mm×5mm)置于水平位置，使用湿布抹擦玻璃板、截锥圆模，将圆模置于玻璃板中央，并覆盖湿布待用；②将拌合完成的净浆迅速注入截锥圆模内，利用刮刀刮平，将截锥圆模沿垂直方向提起，同时开启秒表计时至30s；③利用直尺量取流淌部分相互垂直的2个方向最大直径，取平均值作为净浆扩展度，如图1所示。

图1 净浆扩展度测量

3 试验结果与分析

试验过程中水泥基净浆均采用统一配合比作为基础配合比，基础配合比中水胶比为1∶1、水灰比为0.7∶1。

3.1 净浆抗水分散性

在掺加聚丙烯酰胺的水泥基净浆配制过程中，发现随着净浆的不断搅拌，净浆由稀浆状逐渐转变为果冻状，如图2a所示。成为果冻状的净浆已基本丧失流变性，将其置于装有300mL水的烧杯中，发现水中几乎无浑浊物，如图2b所示，这表明掺加聚丙烯酰胺的水泥基净浆具有较好的抗水分散性，但基本丧失流变性，不具备可注性，不适用于同步注浆，因此不再讨论聚丙烯酰胺的影响。

图2 掺加聚丙烯酰胺的水泥基净浆

开展水泥基净浆抗水分散性试验过程中，絮凝剂掺量由0.3%增至1.29%。试验组数虽较多，但随着掺量的增加，掺加不同絮凝剂的水泥基净浆抗水分散性变化规律较一致，因此以羟乙基纤维素为例进行分析，结果如图3所示。

图3 掺加羟乙基纤维素的水泥基净浆抗水分散性试验结果

由图3可知，当羟乙基纤维素掺量由0.3%逐渐增至0.75%时，试验水样浑浊物逐渐减少，透明程度逐渐增加，由较浑浊状态逐渐变为清亮透明；掺量由0.75%增至1.29%时，试验水样一直保持清亮透明状态。由此，可认为当掺加羟乙基纤维素时，对于水泥基净浆抗水分散性而言，黏度100 000mPa·s羟乙基纤维素临界掺量(水样变至清亮透明的最低絮凝剂掺量)为0.75%。试验得到黏度100 000mPa·s羟乙基甲基纤维素、黏度100 000mPa·s羟丙基甲基纤维素、黏度200 000mPa·s羟丙基甲基纤维素临界掺量分别为0.66%，0.93%，0.84%。

3.2 净浆流变性

净浆流变性指净浆在恒定荷载作用下的变形及流动性质，通过LVDV-2型旋转黏度计测得的塑性黏度和剪切应力表征。试验水泥基净浆塑性黏度剪切应力变化曲线如图4所示。由图4可知，不同净浆塑性黏度和剪切应力整体变化趋势基本一致，净浆塑性黏度和剪切应力基本随着絮凝剂掺量的增加而增大。塑性黏度和剪切应力变化速率可反映絮凝剂有效包裹净浆颗粒的能力。结合试验水样透明度和试验结果可知，达到临界掺量前，随着絮凝剂掺量的增加，试验水样透明度不断增加，净浆塑性黏度和剪切应力不断增加。当絮凝剂掺量超过临界掺量时，试验水样保持清亮透明状态，塑性黏度和剪切应力基本继续增加。由此可见，净浆塑性黏度和剪切应力在一定范围内能够表征浆液抗水分散性。

图4 净浆流变参数变化曲线

3.3 净浆扩展度

净浆扩展度可反映浆液流动能力，主要影响注浆可操作性及难易程度等。试验测得净浆扩展度变化曲线如图5所示。由图5可知，随着絮凝剂掺量的增加，净浆扩展度呈递减趋势。这是由于随着絮凝剂掺量的增加，净浆塑性黏度和剪切应力增大，使净浆颗粒间的黏结能力增强，从而导致净浆在重力作用下自由流动的能力减弱，削弱了浆体流变性，可知水泥基净浆塑性黏度、剪切应力与流变性呈负相关关系。

图5 净浆扩展度变化曲线

综上所述，掺加聚丙烯酰胺的净浆具有较好的抗水分散性，但已丧失流变性，难以注浆，不适用于同步注浆作业中；羟乙基纤维素易溶于冷水，且能够均匀溶解，但溶解后会出现大量块状物，造成浆液性能不稳定；黏度100 000mPa·s羟乙基甲基纤维素临界掺量最小，利于施工成本控制，完全溶于水后不会出现块状物，且流变性较好；黏度100 000，200 000mPa·s羟丙基甲基纤维素临界掺量相对偏大，不利于施工成本控制，相同掺量下黏度200 000mPa·s羟丙基甲基纤维素塑性黏度和剪切应力更大，流变性更差。

因此，根据试验结果，黏度100 000mPa·s羟乙基甲基纤维素最符合实际应用需求，可在地下水丰富的过江盾构隧道工程中使用。

4 工程应用

根据试验结果，在满足流变性、稳定性、抗水分散性及后期强度的条件下配制同步注浆浆液，得到抗水分散性浆液最优配合比为水泥∶水∶粉煤灰∶砂∶羟乙基甲基纤维素∶聚羧酸减水剂=141∶444∶352∶704∶2.79∶0.28kg/m3，流动度29～30cm，泌水率0～0.1%，水中1d强度0.11MPa，陆上1d强度0.13MPa，水中7d强度0.62MPa，陆上7d强度0.64MPa。

该抗水分散性同步注浆浆液经拌合、运输、注浆控制后成功应用于常德沅江过江盾构隧道部分富水区段，地表监测表明该富水区段地层沉降控制在20mm内，同步注浆完成后管片无渗漏、破损现象，取得良好施工效果。

5 结语

依托常德沅江过江盾构隧道工程，采用室内试验的研究方法，开展较常用絮凝剂对普通浆液性能的影响研究。

1)净浆抗水分散性试验结果表明，不同絮凝剂净浆表现出相似规律，即随着絮凝剂掺量的增加，试验水样均表现出由浑浊逐渐变为清亮透明的状态，继续增加絮凝剂掺量，水样仍处于清亮透明状态。

2)净浆塑性黏度、剪切应力及扩展度试验结果表明，随着絮凝剂掺量的增加，净浆塑性黏度和剪切应力呈增大趋势，扩展度呈递减趋势。净浆塑性黏度和剪切应力的增加，使净浆颗粒间的黏结能力增强，导致净浆在重力作用下自由流动的能力减弱，削弱浆体流变性。

3)本次试验综合考虑了絮凝剂对净浆抗水分散性、可操作性、和易性、施工成本等的影响，试验结果表明黏度100 000mPa·s羟乙基甲基纤维素临界掺量最小，完全溶于水后不会出现块状物，且相同掺量下其塑性黏度和剪切应力适中，符合实际应用需求。

4)通过室内和现场配合比试验，得到适合常德沅江富水地层的同步注浆浆液配合比为：水泥∶水∶粉煤灰∶砂∶羟乙基甲基纤维素∶聚羧酸减水剂=141∶444∶352∶704∶2.79∶0.28kg/m3，该配合比满足富水地层性能指标要求，实际应用效果较好。