摘要: 針對(duì)跨江海隧道地段高水壓飽和水地質(zhì)條件，研制出可在高壓富含水地層中使用的盾構(gòu)隧道同步注漿材料復(fù)合外加劑HBP，并利用HBP配制出具有抗水分散、可防止管片上浮、保塑等性能的同步注漿材料。研究結(jié)果表明：摻加HBP的新拌同步注漿材料抗水分散性好（PH值為8.3，28d水陸強(qiáng)度比為0.88）、粘稠性佳、不泌水（泌水率＜0.05%）、可防止管片上??；硬化漿體固結(jié)率高，結(jié)構(gòu)密實(shí)，抗?jié)B等級(jí)達(dá)S4，具有很好的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益。
關(guān)鍵詞:高壓富含水 同步注漿 抗水分散 復(fù)合外加劑
0 前言
同步注漿是地下隧道盾構(gòu)施工法中的壁后注漿工法之一，即在隧道內(nèi)將具有適當(dāng)?shù)脑缙诩昂笃趶?qiáng)度的材料，通過(guò)注漿泵及盾尾的注漿管，按規(guī)定的注漿壓力和注漿量在盾構(gòu)推進(jìn)的同時(shí)填入盾尾空隙內(nèi)的一種施工工藝，最終達(dá)到填充管片環(huán)外空隙、固結(jié)管片環(huán)位置、減小地面沉降、充當(dāng)環(huán)外第一道防水線的目的[1]。由于大多情況下跨江海隧道所經(jīng)地層軟硬不均、沿縱向地質(zhì)條件變化復(fù)雜，隧道長(zhǎng)、管徑大、斷面水壓高，如采用普通的注漿材料， 其拌合物的水膠比、組成等參數(shù)會(huì)發(fā)生巨大變化，嚴(yán)重影響硬化后注漿材料的力學(xué)性能和耐久性。同時(shí)，由于地層暗流的沖刷侵蝕作用，注漿材料極易被水沖稀，從而造成注漿材料的結(jié)構(gòu)破壞，迫使?jié){液不但不能起到填充、防水、加固等目的。另外，在高飽和水環(huán)境下，如果管片脫出盾尾后(一般情況2~3環(huán))，同步注漿材料不穩(wěn)定導(dǎo)致不能夠起到均勻填充的作用，隧道管片仍然可視為浸泡在液體之中，在浮力的作用下必然會(huì)產(chǎn)生上浮現(xiàn)象。普通的注漿材料在高水壓富含水條件下灌注不但達(dá)不到同步注漿所要求取得的效果，而且不能有效的防止管片的上浮。因此，需要研制出一種具有抗水分散、可防止管片上浮、減水、保塑等功能于一體的高性能同步注漿材料滿足注漿要求。
本文采用有機(jī)高分子絮凝劑和無(wú)機(jī)保水增強(qiáng)材料對(duì)注漿材料進(jìn)行改性，優(yōu)選出抗水分散性能佳的抗水分散外加劑；采用減水、保塑復(fù)合技術(shù)研制出新型抗水分散、減水、保塑復(fù)合外加劑；制備出可在高壓富含水地層中應(yīng)用的高性能同步注漿材料。
1 原材料與試驗(yàn)方法
1.1 原材料
水泥：江西產(chǎn)P·O42.5級(jí)水泥；細(xì)集料：中細(xì)河沙，細(xì)度模數(shù)2.45，表觀密度為2700kg/m3，堆積密度為1510 kg/m3，含泥量為3.0％；粉煤灰：武漢產(chǎn)Ⅱ級(jí)灰，需水量比為102％， 密度為2.7g/cm3，比表面積為380m2/kg；硅灰（SF）：SiO2含量大于95％，密度為2.2g/cm3，比表面積為2×104m2/kg；礦粉：比表面積為450m2/㎏；羥乙基纖維素（HEC）：白色無(wú)味粉末，溶于水，分子量約 6×104；聚丙烯酰胺（PAM）：白色無(wú)味粉末，易溶于水，分子量為800×104；膨潤(rùn)土（BE）： 鈉基膨潤(rùn)土。
1.2 試驗(yàn)方法
坍落度及流動(dòng)度試驗(yàn)方法按 JGJ70-90《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法》進(jìn)行。采用上圓為Φ70mm，下圓為Φ100mm，高60mm的截面錐筒進(jìn)行注漿材料流動(dòng)度和坍落度試驗(yàn)。錐筒置于平滑玻璃板上，將注漿材料裝入錐筒內(nèi)然后垂直提起錐筒，測(cè)砂漿高度損失即為坍落度；測(cè)砂漿不同垂直方向的攤開寬度即為流動(dòng)度。
注漿材料抗水分散試驗(yàn)參照 DL/T5117-2000《水下不分散混凝土實(shí)驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行。將300ml的新拌砂漿注入1000ml的純凈水中后，靜置5min，采用精確pH試紙測(cè)量上層清水的pH值。將70.7mm×70.7mm×70.7mm的注漿材料試模放入水池中，使水面高出模具20cm，然后用導(dǎo)管將注漿材料注入模具中，注漿材料從模具中溢出后，將模具取出水池進(jìn)行振動(dòng)成型，然后標(biāo)養(yǎng)至規(guī)定齡期進(jìn)行抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)，按這種方法測(cè)試的強(qiáng)度為注漿材料的水中強(qiáng)度；按JGJ70-90《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法》中抗壓強(qiáng)度方法測(cè)試的強(qiáng)度為注漿材料的陸地強(qiáng)度；水陸強(qiáng)度比則為同一配比注漿材料在兩種不同條件下成型后同一齡期的強(qiáng)度比值，該比值可以定量判斷注漿材料的抗水分散性能。一般認(rèn)為當(dāng)注漿材料水陸強(qiáng)度比大于0.8時(shí)，則該注漿材料具有優(yōu)良的抗水分散性能。
2 試驗(yàn)結(jié)果與分析
2.1 新型復(fù)合外加劑的研制
1) 抗水分散組分優(yōu)選
本文采用 SF、礦粉、HEC、HEC等無(wú)機(jī)、有機(jī)材料對(duì)基準(zhǔn)配合比漿液進(jìn)行單摻摻膨潤(rùn)土的同步注漿普通單液漿液抗水分散性能和工作性能對(duì)比，其結(jié)果如表1。
試驗(yàn)，研究其抗水分散性能和工作性能，并與
同步注漿單液漿液的固結(jié)強(qiáng)度只要求與隧道圍巖土體的強(qiáng)度相當(dāng)，一般 28d抗壓強(qiáng)度控制在2.5MPa以上。表1試驗(yàn)結(jié)果表明，上述漿液配比除摻HEC的3號(hào)試樣外都能保證同步注漿單液漿液的固結(jié)強(qiáng)度。
摻BE的同步注漿普通單液漿液盡管具有很好的工作性能和固結(jié)強(qiáng)度，但其抗水分散性能極差,28d水陸強(qiáng)度比僅為0.58。分析認(rèn)為，膨潤(rùn)土屬于蒙脫石族礦物，表面含有大量的“HO－”和“SiO－”基等活性基團(tuán)，具有吸水性、膨脹性、觸變性等特性，其水解后會(huì)在漿液中形成卡屋結(jié)構(gòu)，可以增加漿體穩(wěn)定性，增大漿體黏度，阻礙砂粒下沉，一般認(rèn)為其保水性能較好，但當(dāng)其達(dá)到水飽和時(shí)，再在外界水的作用下，利用其制備的同步注漿漿液抗水分散性能則會(huì)大幅度下降。當(dāng)采用SF和礦粉無(wú)機(jī)材料摻入漿液時(shí)，1、2號(hào)試樣的3d、7d、28d水陸強(qiáng)度均較只摻BE 的0號(hào)試樣強(qiáng)度要高，其28d的水陸強(qiáng)度比分別為0.73、0.71，比摻BE的漿液水陸強(qiáng)度比分別提高0.15、0.13；但摻入SF的漿液工作性能優(yōu)于摻礦粉漿液的工作性能。分析認(rèn)為，SF、礦粉雖然都具有較高比表面積，但是由于SF的顆粒形狀呈球形，有助于漿液的流動(dòng)性能，從而改善了漿液的工作性能；而礦粉的顆粒表面呈多角形不規(guī)則形狀，不具備“滾珠效應(yīng)”，不利于漿液的流動(dòng)性能， 反而劣化漿液的工作性能。摻SF的1 號(hào)試樣依靠其超大的比表面積來(lái)吸附水和水泥、粉煤灰顆粒，達(dá)到絮凝效果，使得其抗水分散性能較摻膨潤(rùn)土和礦粉的0、2號(hào)試樣均要好。
HEC、PAM有機(jī)絮凝劑摻入基準(zhǔn)配比漿液中時(shí)，可以很好保證漿液的抗水分散性能。3、4號(hào)試樣的 3d、28d水陸強(qiáng)度比分別達(dá)到0.95、0.88，比摻BE的漿液水陸強(qiáng)度比分別提高0.24、0.30。分析分為，HEC、PAM主要是利用其長(zhǎng)分子主鏈、側(cè)鏈在漿體中起到吸附、橋架作用，通過(guò)分子鏈相互搭接，形成立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，將漿液的各個(gè)組成部分束縛在一起，使水泥、骨料在水中下落時(shí)不分散、不離析，從而保證了漿液在水中成型后的抗壓強(qiáng)度。
從上述5種外加劑對(duì)漿液抗水分散性能改善效果的比較可以看出，其抗水分散性能優(yōu)劣順序?yàn)椋篐EC＞PAM＞SF＞礦粉＞BE。
從pH值的變化也可看出此順序。
由上面單摻外加劑對(duì)同步注漿漿液抗水分散性能、抗壓強(qiáng)度和工作性能試驗(yàn)結(jié)果可知，HEC、PAM、SF三種材料對(duì)同步注漿漿液的抗水分散性能、抗壓強(qiáng)度和工作性能在不同方面都有很好的改善作用。但僅用SF改性同步注漿漿液，其水陸強(qiáng)度比仍然低于80%；僅用HEC改性同步注漿漿液，其水、陸抗壓強(qiáng)度值大幅度下降，其28d水、陸抗壓強(qiáng)度值與摻BE的0號(hào)漿液試樣相比， 強(qiáng)度損失分別達(dá)到63%和75%；僅用PAM改性同步注漿漿液，雖然可以滿足水陸強(qiáng)度比和固結(jié)強(qiáng)度的要求，但其工作性能 又不能滿足注漿要求。因此，考慮將SF、HEC、PAM三種外加劑進(jìn)行復(fù)摻后對(duì)同步注漿漿液進(jìn)行改性，研究外加劑復(fù)摻對(duì)漿液抗水分散性能的影響。
PAM是一種極易溶于水的高聚合物，具有超高吸濕容量， 吸放濕速度慢， 表面規(guī)整致密，成膜性好，具有分散、增稠、吸附、絮凝作用。一般認(rèn)為PAM聚合物與水形成乳膠液，生成許多微小潤(rùn)滑膜，減小了砂子之間的摩擦力，起到表面分散作用，可明顯改善漿液的流動(dòng)性。但單摻外加劑試驗(yàn)研究表明，PAM摻量達(dá)到膠凝材料質(zhì)量的0.15%后，PAM的吸濕作用會(huì)超過(guò)其“潤(rùn)滑”作用， 使得漿液的流動(dòng)性大大降低。另一方面，表3-4試驗(yàn)結(jié)果表明，HEC摻量為膠凝材料的0.4時(shí)，其抗壓強(qiáng)度損失嚴(yán)重。因此，復(fù)摻試驗(yàn)將HEC、PAM摻量分別控制在0.3%和0.1%以內(nèi)，見表2。
分析比較SF、HEC、PAM雙摻、三摻對(duì)漿液的環(huán)境pH值、水/陸強(qiáng)度比數(shù)據(jù)，可以看出SF、HEC、PAM復(fù)摻不僅可以提高PAM是一種極易溶于水的高聚合物，具有超高吸濕容量， 吸放濕速度慢， 表面規(guī)整致密，成膜性好，具有分散、增稠、吸附、絮凝作用。一般認(rèn)為PAM聚合物與水形成乳膠液，生成許多微小潤(rùn)滑膜，減小了砂子之間的摩擦力，起到表面分散作用，可明顯改善漿液的流動(dòng)性。但單摻外加劑試驗(yàn)研究表明，PAM摻量達(dá)到膠凝材料質(zhì)量的0.15%后，PAM的吸濕作用會(huì)超過(guò)其“潤(rùn)滑”作用， 使得漿液的流動(dòng)性大大降低。另一方面，表3-4試驗(yàn)結(jié)果表明，HEC摻量為膠凝材料的0.4時(shí)，其抗壓強(qiáng)度損失嚴(yán)重。因此，復(fù)摻試驗(yàn)將HEC、PAM摻量分別控制在0.3%和0.1%以內(nèi)，見表2。
分析比較SF、HEC、PAM雙摻、三摻對(duì)漿液的環(huán)境pH值、水/陸強(qiáng)度比數(shù)據(jù)，可以看出SF、HEC、PAM復(fù)摻不僅可以提高2）高效減水、保塑、抗水分散復(fù)合外加劑的研制 采用上節(jié)研制出的WHT-1與膨潤(rùn)土、高效減水、保塑、抗水分散復(fù)合外加劑的研制 采用上節(jié)研制出的WHT-1與膨潤(rùn)土、
表4、圖1數(shù)據(jù)結(jié)果顯示，HBP復(fù)合外加劑能將普通硅酸鹽水泥同步注漿材料的凝膠時(shí)間延長(zhǎng)至8～11h，流動(dòng)度較大，其中HBP-2、HBP-4、HBP-5的流動(dòng)經(jīng)時(shí)損失小，說(shuō)明這三種外加劑具有很好的保塑性，適合配制長(zhǎng)時(shí)間可用的注漿材料以滿足泵送要求。從漿液的坍落度和稠度可以看出，摻加HBP-4和HBP-5配制出的注漿材料滿足防 止管片上浮要求的材料性能指標(biāo)，即稠度在9～10.5cm之間，坍落度在3～4cm之間； 分析減水率和泌水率可以看出HBP復(fù)合外加劑對(duì)水泥具有很好的相容性；pH值、水陸強(qiáng)度比數(shù)據(jù)表明采用有機(jī)-無(wú)機(jī)技術(shù)研制的復(fù)合外加劑可以發(fā)揮其絮凝、聚合、減水、保塑等功能，增強(qiáng)漿液的抗水分散性能；強(qiáng)度數(shù)據(jù)也表明復(fù)合外加劑對(duì)漿液強(qiáng)度沒有負(fù)效應(yīng)。因此HBP復(fù)合外加劑具有高抗水分散、高效減水、保塑多重功效，能滿足高水壓飽水背襯注漿材料的性能要求。
綜合分析得出：HBP-5復(fù)合外加劑的抗水分散性能和減水保塑性能最好，用它配制出來(lái)的同步注漿材料類似“膏”狀，可以用來(lái)防止 管片上浮。圖2、3表明，摻加HBP-5的漿液按照測(cè)PH值的方式，倒入量筒后上層呈清水透明狀，而普通漿液倒入量筒后上層渾濁，不具有抗水分散性能。
2.2 高壓富含水地層用盾構(gòu)隧道同步注漿材料的制備
利用本文研制的HBP-5復(fù)合外加劑制備高壓富含水地層用盾構(gòu)隧道同步注漿材料的配合比如表5所示：
表6、表7試驗(yàn)結(jié)果表明：利用該配合比制備出的的同步注漿材料流動(dòng)性好、基本不泌水、抗?jié)B等級(jí)達(dá)到P4，PH值為8.3、28d水陸強(qiáng)度比達(dá)到0.88，能夠滿足高壓富含水地層同步注漿使用條件。
2.3 經(jīng)濟(jì)效益分析
這種富含水地層用盾構(gòu)隧道同步注漿 材料與普通單液同步注漿材料漿液相比，不但在性能上遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于普通漿液，而且可以帶來(lái)很好的經(jīng)濟(jì)效益。表8為同步注漿材料與普通單液同步注漿材料漿液經(jīng)濟(jì)效益對(duì)比。
如表8所示，高性能同步注漿材料中的HBP-5復(fù)合外加劑的單價(jià)與普通單液同步注漿材料中的膨潤(rùn)土價(jià)格相當(dāng)，但在相同工況條件下，普通單液同步注漿材料中粉料與集料用量要高于高性能同步注漿材料。所以，高性能同步注漿材料的單方價(jià)格要低于普通單液同步注漿材料，由于它具有良好的抗水分散性、抗?jié)B性與抗溶蝕性，能有效防止管片上浮，填充地層且遇水不分散，確保管片的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，因而具有很好的社會(huì)效益。
3 結(jié)論
(1) 采用2%~2.5%SF、0.2%~0.3%HEC、0.05%~0.1%PAM三種物質(zhì)復(fù)摻得到的抗水分散劑WHT-1復(fù)合氨基磺酸鹽、FDN減水劑、葡萄糖酸鈉研制出的抗水分散、高效減水保塑新型復(fù)合外加劑HBP-5能夠充分發(fā)揮其絮凝、聚合、減水、保塑的功能；
(2) 采用本文研制的復(fù)合外加劑HBP-5制備出的高性能同步注漿材料流動(dòng)性好、不泌水、抗?jié)B等級(jí)達(dá)到P4，PH值為8.3、28d水陸強(qiáng)度比達(dá)到0.88，28d抗壓強(qiáng)度達(dá)到4.3 Mpa，可有效防止管片上浮，注漿材料單方造價(jià)比普通同步注漿材料低5~10元，具有很好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。
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