富水粉细砂地层同步注浆浆液性能优化研究

王鑫

（中交三公局第一工程有限公司 北京 100000）

随着城市地下空间的不断发展与利用［1］，其中，城市地铁项目逐渐成为轨道交通的主流。盾构法施工以其施工快、适用性广、对周围土体影响小等优点广泛应用于地下隧道工程［2-3］。

盾构法施工可分为掘进和支护两部分。其中，支护部分分为管片拼接和同步注浆两部分［4］。同步注浆过程中，注浆材料对盾构法施工有着重要的影响［5］，能够直接影响施工效率和施工质量。富水粉细砂地层由于地层的特殊性，即地层还有大量地下水以及地层胶结性、差稳定性差，对注浆施工有着很高的要求。富水粉细砂地层施工时，由于地层的特殊性质，浆液不宜凝结，浆液性能差，容易发生跑浆现象，经过后期监测，在盾构施工影响范围内很难发现注浆层的存在，存在施工安全隐患及容易发生较大施工沉降，影响施工进程的同时，有较大的施工风险，还会造成不必要的资源浪费。目前，针对于富水地层盾构注浆，常采用水泥—水玻璃双浆液进行注浆，其原因在于，水泥—水玻璃浆液其凝结时间可控。马金池［6］以深圳地铁7 号线为依托，通过理论研究、室内试验和现场测定等方法，研究管片同步注浆双浆液使用方案，对类似施工有一定借鉴意义。郄向光等人［7］以大量的工程背景为依托，阐明浆液的类型与分类及格分类条件下的浆液特点，分析双浆液在北京砂卵石地层、可硬性浆液和新型浆液在苏州、上海等软土地层应用的实例，为以后类似施工的浆液选取提供一定借鉴意义。M.Jamal Shannag［8-9］对水泥基注浆材料的研究表明，通过向浆液中加入矿物掺合料，主要包括粉煤灰、矿渣等和高效减水剂，能够明显改善材料的耐久性和力学性能。

本文以天津地铁11号线一期工程04标段为依托，开展相关研究，分析富水粉细砂地层浆液性能的影响规律，确定合理配合比。

1 工程概况

本项目依托于天津地铁11号线04标段工程，该标段主要包括两站、三区间，本文选其中一个区间，即陈塘站—东江道站区间为例，展开相关浆液性能研究。区间采用盾构法施工，盾构机参数如表1所示。

表1 所用土压平衡盾构机参数表

2 试验方案

通过相关规范要求，结合大量文献［8，10-14］，并通过与现场实际结合，试验设计如表2所示。其中，水泥砂浆与水玻璃的比例设计按照5∶1进行。

表2 试验设计

本试验将采用控制变量法进行整体设计。首先，对不同水灰比情况下水泥砂浆基本性能展开研究，分析不睡水灰比条件对浆液胶凝时间、稳定性、流动性三方面性能的影响规律；其次，与不同波美度情况下的水玻璃进行组合试验设计，分析不同情况下对砂浆基本性能的影响。

根据规范《建筑砂浆基本性能试验方法》（JGJ 70-2009）［15］相关要求，进行流动度、胶凝时间和析水率的试验测定。

流动度试验采用截面锥桶进行测定，将锥桶放置于表面光滑的玻璃板中，将拌制好的水泥砂浆贯入试模内后，迅速提起试模，一定时间后，测量不同方向摊铺直径，取最大值。

凝结时间采用砂浆凝结时间测定仪（如图1所示）进行测量，按照试验流程进行。

图1 砂浆胶凝时间测定仪

析水率采用500mL 的量筒进行测定，将拌制好的一定质量的水泥砂浆贯入量筒中，量筒上部采用保鲜膜覆盖，防止水分蒸发。在室温条件下放置3h或者水泥砂浆水分不析出后，进行记录相应数值，泌水率计算式如下：

式中，P为浆液泌水率（%）；v0为泌出水的体积（mL）；v为浆液的体积（mL）。

3 结果分析

3.1 对胶凝时间的影响

图2为凝结时间在不同条件下试验曲线图。从图中不难看出，其他条件不变，凝结时间随波美度的增加而减小，最后趋于一个稳定的数值。从其反应机理Ca（OH）2+Na20·nSi02+mH20→Ca·nSi02·mH20+2NaOH不难看出，波美度的增加，导致Na20·nSi02元素增多，与原料中剩余的Ca（OH）2继续反应。后期，随着波美度的增加，凝结时间无变化的原因是原料中的已完全反应，无多余元素继续合成。所以，从施工成本方面进行考虑，波美度不宜过大，过大时，不仅增加成本，而且对浆液凝结性能无改善作用。

图2 凝结时间试验关系曲线图

仅改变水灰比情况下，凝结时间与随水灰比的增加而增加，主要原因为胶凝材料减少，水含量增加；其数值为1和1.2时，试验结果相差较大。对于富水地层注浆，往往对凝结时间要求较为严格，波美度在32～35之间时，其幅度波动最大。

3.2 析水率分析

图3为析水率在不同条件下试验关系曲线。从图3 中可看出，随着时间的增加，析出水分增加，析水率变大，最终趋于稳定。水灰比越小，即0.6∶1 和0.8∶1，曲线增长缓慢，斜率变化小，无明显波动，析水率较为稳定，浆液稳定性强。主要原因为：水灰比增加，浆液中胶凝材料减少，自由水变多，与水反应的胶凝材料少，随着时间增加，析出水分增多。

图3 析水率试验关系曲线图

3.3 流动度分析

图4为不同条件下浆液流动度试验曲线图。从图中可知，针对于水泥浆液而言，波美度增加，浆液流动度减小，其原因是波美度增加，水玻璃与水泥砂浆反应产物的Na2O·nSiO2增多，其反应时间减小，波美度越高，同一时间内，产生Ca2SiO2越多，导致其流动性下降。

图4 流动度试验关系曲线图

水灰比增加，流动度增加，其原因在于：水灰比增加，浆液中凝结材料减少，自由水增加，其稠度降低，自由水还起到润滑作用。

4 结语

（1）其他条件相同，波美度增加，浆液凝结时间减小；其他条件相同，改变水灰比，凝结时间与其成正比。施工过程中，应注意水灰比为1和1.2两种情况。

（2）浆液的析水率随着时间的延长而逐渐增大，最终趋于稳定。主要是因为：随着水灰比的增大，浆液中的自由水变多，浆液胶凝材料减少。