水玻璃溶液对同步注浆浆液强度的影响规律研究

李伟 刘旭 王鑫 李跃强 李美群

（1.中交三公局第一工程有限公司 北京 100012；2.中铁上海设计院集团有限公司 上海 200000）

随着城市地下空间的不断发展与利用，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［1-2］。

同步注浆技术作为盾构法的主要施工工序之一［3］，其注浆材料的好坏对盾构施工效率及质量等有着重要影响，尤其在富水粉细砂地层，对同步注浆浆液的好坏有着很高的要求。在富水粉细砂地层施工时，由于地层含有大量地下水，浆液不宜凝结，浆液性能差，跑浆现象时常发生，需要注入大量浆液才能形成有效支护形式，造成不必要的资源浪费；而且，粉细砂地层有着较差的稳定性及胶结性差等缺点，若不及时进行注浆处理，容易发生较大施工沉降，影响施工进程的同时，存在较大的施工风险。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—玻璃浆液的凝结时间可控。

刘思作［4］以水泥—水玻璃浆液为研究对象，在考虑了两种浆液的体积比、水泥浆的水灰比、侵蚀程度等多种情况下进行室内试验，研究其无侧限抗压强度、动弹性模量、表观特征等性能劣化试验指标的变化规律的差异，并对各评价指标与水灰比、侵蚀溶液种类和浓度的关系，以及各评价指标之间的相关性进行初步研究。巫茂寅［5］等人充分考虑传统水泥—水玻璃浆液的优缺点，在其基础上提出复合水泥基—水玻璃注浆材料，以复合水泥基—水玻璃浆液为研究对象，对其凝结时间和28d抗压强度展开相关研究，以水玻璃掺量、波美度和矿物掺量比例等为变量，研究其对水泥砂浆凝结时间和28d 抗压强度的影响规律。Yoon J［6］等人通过对水泥砂浆的性能进行研究，发现加入粉煤灰对胶凝物质的产生作用较小，反而使得浆液的空隙增加，强度降低。但是，粉煤灰能够有效增加浆液的流动性能，在浆液中添加粉煤灰，能够发乎其微粒作用，起到润滑效果。研究得出结论，掺加粉煤灰和适宜水胶比是0.5～0.6，粉煤灰的含量应在10%～20%。蒋春霞［7］通过室内试验，以水泥砂浆为研究对象，制作水泥砂浆试件，研究其在不同掺加剂以及不同养护时间条件下，水泥砂浆试件的抗压强度和抗拉弹性模量等因素的影响规律，发现随着浆液试件养护时间的增加，试件的抗拉强度和抗拉弹性模量呈现出线性增长模式，掺加剂对水泥砂浆试件的抗拉强度和抗拉弹性模量有影响，通过掺入矿粉和粉煤灰，能够有效降低砂浆试件的抗拉强度和弹性模量。

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，分析水玻璃波美度和水灰比等条件对浆液的影响规律。

1 工程概况

本项目依托于天津地铁11号线04标段，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

盾构穿越地层为较为复杂主要包括黏土、粉质黏土、粘质粉土、粉质砂土等地质条件，而且地下水较为丰富，其地质断面图如图1 所示。本文以穿越富水粉细砂地层为实例展开相关浆液性能研究。

图1 区间地质断面图

2 试验方案

通过相关规范要求，结合大量文献［8-12］，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，不同水灰比情况下，水泥—水玻璃砂浆力学性能展开研究，分析不同水灰比情况下，水泥—水玻璃双浆液力学性能影响规律；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，水泥—水玻璃砂浆试件无侧限抗压强度的影响规律。

根据规范《建筑砂浆基本性能试验方法》（JGJ 70-2009）［13］相关要求，进行砂浆试件的制作，试件模具采用70.7mm×70.7mm×70.7mm 三联砂浆模具，制作流程见图2。养护方式为水中养护，如图3所示。

图2 砂浆试件制作

图3 水中养护试验图

抗压强度试验采用TAW2000 试验仪器，如图4 所示，其计算公式为：

图4 无侧限抗压强度试验图

式中：fm，cu为砂浆立方体抗压强度，单位为MPa；F为立方体破坏压力，单位为N；A为试件承压面积，单位为mm2。

3 结果分析

图5 为抗压强度变化试验曲线，主要表示不同养护周期下，不同波美度及水灰比对无侧限抗压强度的影响规律。对其进行整体分析可得知，试件强度性能随着其波美度的增加逐渐增大，最后趋于稳定状态。其原因在于水玻璃波美度能够使得水泥与水充分反应，其产物越多，抗压强度越大。从图中可以看出，38波美度和42 波美度时，其强度无明显变化，说明波美度对抗压强度的影响有峰值效应，并不是成正比例关系。

图5 抗压强度变化曲线

水灰比的增加，其强度逐渐减小，主要原因为浆液中水泥含量减小，胶凝材料少，生成水化产物减少，且结石体易产生孔隙，诸多因素共同影响其强度，导致强度降低；养护时间对试件的影响为，其时间延长，试件抗压强度增大。随着养护时间增加，水泥、水玻璃和水的反应能够更加彻底，产生大量水化产物，使得试件强度增加。

4 结论

（1）对水泥—水玻璃双浆液注浆材料进行分析，其试件抗压强度与水玻璃波美度有直接关系，其大小随波美度的增加而增加，最后趋于稳定。最终，当波美度达到42 时，其强度不再增加，说明波美度对抗压强度的影响有峰值效应。

（2）通过水灰比及养护时间对双浆液注浆材料强度的影响分析可知，水灰比增大，试件强度逐渐减小，养护的时间延长，试件抗压强度逐渐增大。

（3）通过对比分析，水泥—水玻璃双浆液配合比见表3所示。

表3 最优配合比