沿海地区地铁盾构施工注浆材料设计研究

彭 飞

（北京市政路桥集团（广州） 建设有限公司， 广东 广州510700）

0 引言

随着经济的高速发展， 我国东部沿海城市的地下交通系统建设也越来越快。 在沿海城市地下隧道盾构过程， 由于海水具有侵蚀性， 常规盾构注浆材料不能完全适用于沿海地区地铁隧道盾构工程施工建设［1-3］。 因此， 研究开发出一种能适用于沿海城市地铁隧道盾构工程的盾构注浆材料具有重要意义。

在内陆城市地铁盾构建设中， 由于地铁工程建设要求， 盾构注浆材料常具有优越的充填性、良好的施工、 和易性和流动性、 硬化快以及早期强度高的优势， 才能够满足地铁隧道盾构的要求［4-8］。 目前， 我国地铁建设中常用的地铁盾构注浆材料有单液惰性注浆液、 单液硬性注浆液以及水泥-水玻璃双液浆［9-12］。 然而， 现有注浆浆液均存在一定的局限性， 如， 单液惰性浆液硬化后的早期强度和后期强度低、 单液硬性浆液凝结硬化慢、 双液注浆材料凝结时间难以控制等［13-15］。 此外， 由于海水的侵蚀性， 常规的注浆浆液并不能完全适用于沿海地区地铁隧道盾构工程施工建设中。 然而， 在现有研究成果中， 很少涉及到适用于沿海地区地铁隧道盾构工程施工盾构注浆浆液的研究。 因此， 为研究开发出能够适应海水环境的新型盾构注浆材料， 室内利用高炉矿渣粉末（BFSP） 替代常见注浆材料中的粉煤灰成分， 并对新型BFSP 改性盾构注浆材料开展了综合性研究试验。 研究成果为我国沿海地铁盾构施工提供了一定的借鉴作用。

1 试验

1.1 原材料

本次试验研究所用的基础盾构注浆浆液为沿海地区某地铁盾构中所使用的一种高浓度单液惰性浆， 注浆材料的主要成分如下： （1） 细砂。 平均细度模数为2.5， 含泥量低于2%； （2） 水泥。P·O 42.5 级普通硅酸盐水泥； （3） 熟石灰。 氢氧化钙含量高于85%； （4） 粉煤灰。 F 类、 II 级粉煤灰； （5） 膨润土。 200 目筛余量低于5%的膨润土； （6） 市政用水。 基础盾构浆液的配比如下表1 所示。 选用高炉矿渣粉末（BFSP） 作为改性材料， 对基础盾构注浆浆液进行改性， 制备得到新型BFSP 改性盾构注浆浆液。 BFSP 材料的密度为1.355 g／cm3， 整体呈乳白色， 主要成分如下表2 所示。 此外， 采用水玻璃和氢氧化钠制备碱性激发剂溶液， 其中水玻璃的模数为3.27， 氢氧化钠纯度为98%。

表1 基础盾构注浆浆液配比Table 1 Proportion of grouting slurry for foundation shield ／kg

表2 BFSP 化学成分及含量Table 2 Chemical composition and content of BFSP ／%

1.2 注浆材料制备

根据试验配比方案中不同的粉料比例称量出所需的每种原材料粉料， 将其置于JJ-5 型行星式水泥搅拌机中干搅5 min， 使粉料之间充分混合均匀。 然后， 按照相应的液固比向粉料中缓慢加入配置好的激发剂溶液， 继续搅拌3 min。 搅拌完成后， 将混合均匀的胶凝材料浆液分别倒入尺寸为40 mm ×40 mm ×160 mm 三联试模中浇筑试样， 用以测试其抗压及抗折强度； 倒入尺寸为50 mm ×100 mm 的圆柱型试模中浇筑试样， 用以测试其弹性模量。 浇筑完成的试样在标准养护条件下（温度20±2 ℃、 相对湿度≥95%） 养护24 h后脱模， 脱模后继续在标准养护条件下养护至试验龄期， 然后进行抗折和抗压强度以及弹性模量测试， 养护龄期分别为3 d、 7 d 和28 d。

1.3 试验方案

为研究高炉矿渣粉末掺量以及海水对盾构注浆浆液工程性能的影响， 本次试验共分为两个部分， 具体如下：

（1） 第一组试验。 第一组试验的研究目的在于评价海水（表3） 对注浆材料性能的影响， 因此， 分别利用市政淡水和海水拌制注浆材料， 并对不同试样展开坍落度试验、 凝结时间试验和十字板剪切试验， 获取不同试样的注浆性能参数。

据白德胜(2018年)等[16]研究，槐树坪金矿成矿流体具有明显的深源特征，流体类型为H2O-Na+-CO2-Cl-型，成矿温度经均一法测温，结果在199℃～348℃[3，5]之间，属中低温，可以推断本矿床成矿是在中-低温状态下进行的。

表3 海水水质检测结果Table 3 Seawater quality test results ／ （mg／L）

2017年，必和必拓公司在厄瓜多尔设立了办公室，并在9月份购买了索尔黄金公司(SolGold)部分股份，一个月后将所持股份扩大了一倍，与新峰矿业公司(Newcrest Mining)展开股权争夺。

（3） 淡水拌制浆液的剪切屈服强度为0.36 kPa，而海水拌制浆液的剪切屈服强度仅为0.28 kPa， 较淡水拌制浆液降低22.22%， 下降幅度非常明显。 由此可见， 在海水对同步注浆过程中， 由于海水对注浆浆液抗剪切屈服强度具有劣化作用， 因此管片抵抗上浮的能力变弱， 对沿海地区盾构工程建设带来很大的挑战。

2 海水影响分析

图3 展示了不同BFSP 掺量条件下新型盾构注浆材料凝固后抗压强度及抗折强度的变化规律，由图3 可知， BFSP 材料的掺入导致新型注浆浆液的抗压强度得到了明显的提升。 以养护时间为3 d的试样为例， 对于基础盾构注浆浆液（0BFSP）而言， 其硬化试样的抗压强度为8.95 MPa； 随着BFSP 材料掺量的增加， 其抗压强度分别达到13.11 MPa、 21.15 MPa、 22.65 MPa、 23.51 MPa以及25.07 MPa。 分析认为， 这主要是由于激发剂浓度的增大增加了浆液体系的碱度， 有助于促进碱激发反应的进行和胶凝粉料的颗粒的溶解， 从而生成更多的凝胶产物， 提高了硬化浆体的密实性和降低了基体的空隙率， 因此其抗压强度随BFSP 掺量的增大而逐渐增大。

（2） 第二试验组。 采用BFSP 替代原注浆材料中的粉煤灰成分， 替代比例分别为0 （对照组）、10%、 20%、 30%、 40%和50%， 按照制备流程得到试样。 此外， 第二试验组全部采用海水拌制。为综合判断新型BFSP 改性盾构注浆浆液的性能，室内展开了流动度试验、 凝结时间试验、 抗压强度试验以及抗折强度试验， 全面评价新型注浆材料的注浆性能。

表4 不同拌制方式下盾构浆液注浆性能参数对比Table 4 Comparison of grouting performance parameters of shield slurry under different mixing methods

图1 展示了不同BFSP 掺量条件下新型盾构注浆浆液坍落度变化规律， 由图1 可知， BFSP 材料的掺入导致新型注浆浆液的流动能力显著弱化。对于基础盾构注浆浆液（0BFSP） 而言， 其坍落度可以达到135 mm， 而随着BFSP 掺量的逐渐增大， 新型注浆浆液的坍落度逐渐降低， 分别为134 mm、132 mm、 114 mm、 102 mm 和85 mm， 相较于基础盾构注浆浆液分别下降0.74%、 2.22%、15.56%、 24.44%以及37.04%。 分析认为， 在胶凝材料中掺入一定量的BFSP 材料后， 由于不同混合物之间粉料（BFSP／粉煤灰） 物理性质具有差异， 因此其与胶凝材料发生的化学反应也存在差异性。 现有成果表明： 粉煤灰颗粒呈圆球状， 有益于胶凝材料的流动性； 矿渣颗粒是无规则棱角状， 不利于胶凝材料的流动性。 因此， 随着注浆材料中BFSP 替代掺量的增加， 新型盾构注浆浆液的坍落度也逐渐减小。 此外， 进一步观察可以得知， 当BSFP 的替代量低于20%时， 注浆浆液的坍落度损失速度较慢； 而当BSFP 的替代量大于20%时， 注浆浆液的坍落度损失率迅速增大。 因此，选用10%或20%的BFSP 部分替代粉煤灰制备新型盾构注浆浆液是较为合理的。

（2） 淡水拌制浆液的初凝时间和终凝时间分别为105 min 和195 min， 海水拌制浆液的初凝时间和终凝时间分别为91 min 和172 min， 这表明海水拌制浆液较淡水拌制浆液的凝结时间较短， 分析认为， 这是由于海水中的氯盐具有早强作用。

表5 展示了新型盾构注浆浆液凝结时间随BFSP 替代掺量条件下变化关系， 由表5 可知，BFSP 材料的掺入显著的缩短了新型注浆浆液的凝结时间， 加快了注浆浆液的凝结速度。 对于基础盾构注浆浆液（0BFSP） 而言， 其初凝时间（t0）和终凝时间（ts） 分为105 min 和195 min， 而随着BFSP 掺量的逐渐增大， 新型注浆浆液的凝结时间也逐渐缩短。 不同BFSP 替代掺量条件下， 新型盾构注浆浆液初凝时间分别缩短至90 min、 60 min、51 min、 42 min 和35 min， 终凝时间分别缩短至150 min、 109 min、 95 min、 70 min 以及55 min。分析认为， 由表5 可知BFSP 中氧化钙成分含量较高， 因此， 当用BFSP 替代粉煤灰掺入胶凝材料后， 整个胶凝粉料体系中钙元素的含量产生了一定量的增加。 根据现有研究可知， 在注浆材料制备过程中， 发生碱激发反应是钙离子会从粉料中快速溶解出来并产生C- （A） -S-H 凝胶物。 而正是C- （A） -S-H 凝胶的不断析出和絮凝， 组成了凝胶产物的基本骨架， 决定了胶凝材料的凝结时间。 此外， C- （A） -S-H 凝胶的不断析出需要消耗体系中释放出的钙离子， 从而会加速粉料颗粒的不断溶解。 因此， 用BFSP 材料替代粉煤灰后， 胶凝材料体系中钙含量的增高， 造成大量的C- （A） -S-H 凝胶在短时间内快速生成， 既而缩短了盾构注浆浆液在常温下的凝结速率。

在酸奶、Mozzarella干酪的发酵过程中、混合菌株间的共生作用让蛋白水解以促进菌株的生长；由图2可知：试验采用传统发酵菌嗜热链球菌、瑞士乳杆菌及筛选的高产抗氧化肽菌株副干酪按不同比例进行复配，发现1∶1∶2的比率能有效促进山羊乳蛋白水解且具有较强的抗氧化活力。

其中，Ek为父节点剩余能量，在本系统中用节点电压表示，且其值可以直接由传感器芯片获得；RSSIk为节点到父节点的接收信号强度；Nk为上一轮该父节点的子节数，初始值设为0；Hk为父节点跳数。

3 新型盾构浆液设计

3.1 坍落度

（1） 淡水拌制浆液的坍落度为126 mm， 海水拌制浆液的坍落度为135 mm， 这表明海水拌制浆液的流动性强于淡水拌制浆液， 分析认为， 这是由于海水中的氯盐起到了一定程度的减水剂作用，因此， 海水拌制浆液流动性要强于淡水拌制的浆液。

图1 不同BFSP 掺量条件下新型盾构注浆浆液坍落度变化Fig.1 Slump change of grouting slurry for new shield under different BFSP content

图2 新型盾构注浆材料结石试样抗压强度及抗折强度的变化规律Fig.2 Change law of compression strength and flexural strength of stone sample of new shield grouting material

3.2 凝结时间

图1所示为铝基复合材料安装架结构，结构长660mm，宽448mm，高550mm。框架结构由U型和L型型材通过铝质角铁和螺栓连接而成。框架底部由作用在2条长的U型型材下部的压板将其固定在地面上。对安装架结构进行模态试验，布置52个x向测点、54个y向测点，总共106个测点(图2)。

表5 不同BFSP 替代掺量条件下新型盾构注浆浆液凝结时间Table 5 Setting time of new type shield grouting slurry under different BFSP substitutions

3.3 抗压强度与抗折强度

表4 展示了不同拌制方式下盾构浆液注浆性能参数对比结果， 由表4 可知， 在两种不同拌制方式下， 盾构浆液的参数存在较大的差异， 具体如下：

而对于新型盾构注浆材料凝固后抗折强度，由图3 可知， 随着BFSP 掺量的增大， 不同养护龄期下硬化试样的抗折强度表现出不同的变化趋势。当养护时间为3 d 时， 硬化试样的抗折强度随着BFSP 材料掺量的增加而逐渐增大； 当养护时间为7 d 和28 d 时， 硬化试样的抗折强度均呈现出先增大后减小的变化趋势且最大抗折强度分别出现在40%BFSP 掺量组以及30%BFSP 掺量组。

3.4 最优配比设计

根据上述试验结果可知， 在不同的BFSP 材料掺量的条件下， 新型盾构注浆材料性质存在较大的差异。 一方面， BFSP 材料掺量的增加， 会提升新型盾构注浆材料的凝结速度和抗压强度； 另一方面， BFSP 材料的流动性则呈现出明显的劣化。此外， 当养护时间较长时， 硬化试样的抗折强度则呈现出先增大后减小的变化趋势。 在综合考虑各项参数的情况下， 当BFSP 掺量为20%时新型盾构注浆材料的综合性能最佳， 此时其坍落度为123 mm，初凝时间为60 min， 终凝时间为109 min，28 d 抗压强度为38.82 MPa， 28 d 抗折强度为4.68 MPa。

4 结论

（1） 不同用水环境下， 海水拌制浆液的流动性强于淡水拌制浆液， 凝结时间较短， 剪切强度更低。 淡／海水拌制浆液的坍落度分别为126 mm、135 mm， 初凝时间分别为105 min 和91 min， 终凝时间分别为195 min 和172 min， 剪切屈服强度分别为0.36 kPa 和0.28 kPa。

该方式所采用的土体砖模方式在施工较大厚度大面积板体在施工过程中具有以下优势：①成功避免了大面积支撑系统安装过程中的质量不可控问题，提高了结构浇筑施工安全性；②土体本身的稳定性、承载力和平整度相较于满堂模板支架系统均更加稳定，避免板体不均匀沉降产生裂缝的风险；③减少了支撑和支护系统的使用，降低了施工成本，缩减了施工时间；④施工场地在地面，布置方便，便于施工组织。

（2） 对于基础盾构注浆浆液（0BFSP） 而言，其坍落度可以达到135 mm， 而随着BFSP 掺量的逐渐增大， 新型注浆浆液的坍落度逐渐降低， 分别为134 mm、 132 mm、 114 mm、 102 mm 和85 mm，相较于基础盾构注浆浆液分别下降0.74%、2.22%、 15.56%、 24.44%以及37.04%。

（3） 对于基础盾构注浆浆液（0%BFSP） 而言，其初凝时间和终凝时间分为105 min 和195 min， 而随着BFSP 掺量的逐渐增大， 新型盾构注浆浆液初凝时间分别缩短至90 min、 60 min、 51 min、 42 min 和35 min， 终凝时间分别缩短至150 min、 109 min、95 min、70 min 以及55 min。

（4） 当BFSP 掺量为20%时新型盾构注浆材料的综合性能最佳， 此时其坍落度为123 mm， 初凝时间为60 min， 终凝时间为109 min， 28 d 抗压强度为38.82 MPa， 28 d 抗折强度为4.68 MPa。