槐荣国， 黄思远， 钟小春， 陈旭泉， 胡一康
(1. 中铁五局集团有限公司， 湖南 长沙 410117；
2. 河海大学土木与交通学院， 江苏 南京 210098)
盾构施工技术以其适应性强、对周边环境扰动小、机械化程度高等特点在国内得到了广泛应用[1]。盾构开挖半径大于管片环外径而形成的盾尾空隙须进行充填注浆，这一施工过程被称为盾尾管片壁后同步注浆，是主动控制地层沉降、稳定管片和提高管片拼装质量的重要环节。目前，国内同步注浆所用浆液一般可分为单液惰性浆液、单液硬性浆液及双液浆[2]。
单液浆是以粉煤灰、膨润土、砂、外加剂和水等原材料为主的同步注浆浆液，是我国主要的同步注浆浆液[3]。文献[4-10]通过室内试验的方法对传统单液浆外加新型添加剂，并对该类新型单液浆开展大量物理力学测试，研究浆液各项组成成分对浆液性质的影响，得到工程最佳配比。目前，工程中大量应用单液浆进行同步注浆，并取得了良好的效果。然而，在全断面围岩地层中，单液浆难以克服易被水稀释、初凝时间长以及发生向开挖面前方窜浆导致盾尾空隙难以充填饱满等问题，管片拼装质量难以保证，从而影响地铁工程质量。
传统的双液浆一般指的是水泥砂浆-水玻璃(CS)双液浆[11-12]。国内学者对双液浆的研究也较为成熟：
Ryu等[13]认为碱性地层环境对双液浆结石体强度影响很大，在富水地层中，因为水的稀释作用，双液浆碱性降低，强度会逐渐下降，添加一定的碱性外加剂能有效提高结石体强度；
Bras等[14]通过大量的室内试验与现场调研发现，在注浆设计中粉料拌合方式和搅拌机类型对双液浆的流动性和稳定性影响非常大；
Kazemian等[15]开展了大量的室内试验，发现水玻璃因其高碱性有利于双液浆的强度发展；
丁向群等[16]的研究中往双液浆复掺三乙醇胺与硫酸铝，可进一步缩短初凝时间，最短可达4 min；
王成等[17]针对管片上浮问题，在双液浆中添加聚丙烯酰胺，发现聚丙烯酰胺能够让浆液长期处于塑性状态，大幅降低管片受到的浮力，减小上浮量。通过以上研究成果可以发现，双液浆在使用合理的外加剂条件下，能拥有较良好的物理力学性质，可以作为管片壁后同步注浆材料使用；
而传统的水泥净浆加水玻璃的双液浆，由于初凝时间只有10～30 s，极易发生堵管，难以广泛应用于同步注浆工艺中。
综上所述，为了提高全断面硬岩盾构管片拼装质量，克服硬岩地层同步注浆工艺中单液浆与传统双液浆的不足，本文开发出一种适用于同步注浆工艺的新型双液浆，其组分相较于传统双液浆，在水泥砂浆中添加A料(促强干粉)，并添加掺有缓凝剂的水玻璃为B料(液体激发剂)，通过开展大量的室内试验，获取各个组分掺比对新型同步双液浆的物理性质影响。最后，结合广州市中心城区地下综合管廊工程，评估新型同步双液浆在同步注浆工艺中对于提高管片拼装质量的积极作用。
1.1 试验材料及浆液制备
以传统壁后注浆用双液浆为基础，增添A料(促强干粉)、B料(液体激发剂)，组分材料如表1和图1所示。
表1 新型双液浆组分材料
(a) A料(促强干粉)
根据传统双液浆组分材料配比，设置新型双液浆基浆配比为粉煤灰∶水泥∶膨润土∶砂∶水=400∶180∶90∶430∶500。其中，为了研究A料和B料对双液浆性能的影响，将A料掺比设置9个水平，分别为0%、0.5%、1%、1.5%、2%、2.5%、3%、3.5%、4%；
将B料掺比设置11个水平，分别为0%、0.5%、1%、1.5%、2%、2.5%、3%、3.5%、4%、4.5%、5%(A料、B料掺比指占基浆质量比)。
1.2 新型双液浆初凝时间变化规律
本试验采取的新型同步双液浆是一种非牛顿流体，初凝时间较短，因此，可采取倒杯法测试其初凝时间变化规律[18]。按对应质量比称取粉煤灰、水泥、砂、膨润土、水、A料，配置A液，置于杯中，将B料和水按1∶1配置成B液，置于另一杯中。A液、B液混合后开始计时，以1 s来回倒1 次的频率进行倒杯，直至杯口倾角呈45°而浆液不再流出且呈啫喱状时停止计时，记录初凝时间。初凝时间测试如图2所示。
(a) 试验过程
由图2可以看出：
A料、B料对于双液浆的初凝时间影响很大，没有加入A料、B料的浆液经过90 min后还没有达到良好的初凝效果，甚至存在离析现象；
而加入A料、B料的双液浆，仅在30 min便达到了较好的初凝效果，并且整个过程几乎不泌水。
为了研究A料、B料掺比对新型双液浆初凝时间的影响规律，按照前述设置水平设计2个试验(为了避免组分之间相互影响带来的误差，在试验中控制另一组分材料掺比为2个水平，作为次影响因素)，如表2和表3所示，试验结果如图3所示。
表2 新型双液浆初凝时间试验(考虑B料掺比影响)
表3 新型双液浆初凝时间试验(考虑A料掺比影响)
图3 新型双液浆初凝时间变化规律
由图3可以看出A料、B料对新型双液浆初凝时间的影响：
1)A料掺比变化对该新型双液浆影响很小，仅在B料掺比为1.5%时，随着A料掺比大于2.5%后，初凝时间发生小幅度缩短，缩短幅度为9.8%；
2)B料掺比在0%～3%时对新型双液浆初凝时间影响非常大，初凝时间大大缩短，掺比大于3%后对初凝时间几乎没有影响。出现以上变化规律的原因是B料的主要成分是掺有缓凝剂的水玻璃，含有大量的硫酸根离子，增强了水泥中硅酸三钙的溶解，可以大幅缩短初凝时间，但是相比于传统无缓凝剂的双液浆，因为缓凝剂的存在，初凝时间并没有缩短到10～30 s，同时基浆水泥含量有限，当B料添加过量后，初凝时间趋于稳定；
而A料的主要成分为硅灰，仅对强度有所影响，因此A料对新型双液浆初凝时间影响不大。
1.3 新型双液浆流动度变化规律
采用跳桌试验测试新型双液浆的流动度[19]。试验设计参照表2和表3，后按照配比制备双液浆，并测试配置3 min时的双液浆流动度。进行跳桌试验之前，要保证跳桌面干净平滑。将拌好的新型双液浆迅速倒入2 层试模中，并用刮刀轻轻在浆液四周捣固，使浆液填充满试模。捣固完毕后将第2 层试模轻轻从第1 层试模上移走，注意不要扰动第1层试模内的浆液，用刮刀刮去第1 层试模表面多余的浆液，开动跳桌，以1 s/次的频率完成25 次跳动。3 min后测定双液浆2个垂直方向上的直径，取算术平均值，精确至1 mm。跳桌试验如图4所示。
图4 跳桌试验
新型双液浆流动度变化规律如图5所示。可以看出A料、B料对新型双液浆流动度的影响：
1)当A料掺比小于1.5%时，双液浆流动度较大，易超出跳桌量程(30 cm)；
当A料掺比大于1.5%后，双液浆流动度变化不大，仅在26～30 cm波动。2)B料掺比对双液浆流动度的影响规律类似A料，当掺比大于3%后，双液浆流动度变化不大，仅在24～30 cm波动。出现流动度变化不明显的原因是采用制备完后3 min的新型双液浆进行流动度试验，此时浆液远远没有达到初凝时间，因此具有较稳定的流动性。
图5 新型双液浆流动度变化规律
1.4 新型双液浆结石体强度变化规律
新型双液浆结石体强度参照规范相关试验进行测定[20]，试验设计参照表2和表3，试验如图6所示。
(a) 结石体试件
新型双液浆结石体强度变化规律如图7所示。可以发现新型双液浆结石体强度普遍较大，基本满足7 d强度不小于0.7 MPa的规范值[21]。同时，可以看出A料、B料对新型双液浆结石体强度的影响：
1)随着A料掺比增加，双液浆结石体强度呈先增大后趋于稳定的规律；
当A料掺比小于1.5%时，结石体强度整体呈现变大趋势；
当A料掺比大于1.5%后，结石体强度趋于稳定，28 d最大强度可达3.59 MPa。2)随着B料掺比增加，双液浆结石体强度呈先增大后减小的趋势；
当B料掺比小于3.5%时，结石体强度整体呈现增大趋势；
当B料掺比大于3.5%后，结石体强度呈现下降趋势，并且结石体28 d强度在B料掺比为3.5%时最大可达2.89 MPa。出现以上变化规律的原因是A料主要成分为硅灰，是一种细骨料填充物，能很好地充填结石体中的微孔隙，提高强度，因此相比B料，A料对结石体强度影响更加明显。而出现B料掺比增加过量导致结石体强度减小的原因是B料是一种液体激发剂，含有减水剂成分，当其掺比过大后，减水剂会破坏水泥与骨料间薄弱黏结，浆液发生一定离析，使得各个组分间不能协调作用，最终导致结石体强度发生降低。
(a) A料掺比对结石体强度影响(B料掺比1.5%)
2.1 新型双液浆工程要求性质
根据前述分析可知，双液浆在同步注浆工艺中存在着天然的矛盾，即泵送性与充填性之间的矛盾，尤其在硬性地层中，这一矛盾更为突出。因此，结合前述试验结果与实际工程调研资料，对硬性地层所用的新型同步双液浆进行最优配比选型。
在硬性地层施工时，1 环管片的施工时间约为150 min，分3 次循环施工完成，每次掘进20 min，同时进行同步注浆，20 min后渣土车基本装满，停止掘进注浆，渣土车将渣土运输至地面返回，渣土车来回及卸货时间约为30 min，待渣土车归位后启动第2 次掘进注浆，循环3 次后完成1 环管片宽度的掘进工作。考虑到渣土车运输期间停止注浆，故同步注浆所用浆液的初凝时间应大于渣土车的运输时间，即1 800 s。同时结合以往工程经验，将初凝时间的上限值定为3 600 s[21]。
2.2 新型双液浆最优配比讨论
结合以上分析与试验结果，得到新型双液浆配比选型图如图8所示。
(a) 考虑初凝时间的配比选型
由图8(a)可知：
新型双液浆的初凝时间几乎不受A料掺比影响，仅在B料掺比增大后，增大A料掺比(大于2.5%)导致初凝时间略微下降；
新型双液浆受B料掺比影响较大，因此在忽略A料的影响下，考虑实际同步注浆工艺所需的时间(1 800 s)，可以得到B料最优掺比范围。进一步地，在图8(c)中对该范围处理可以得到考虑初凝时间的B料最优掺比为0.13%～2.22%(该范围受A料掺比控制)，其余掺比易发生堵管、注浆压力偏大等情况，会对管片姿态产生极大的不良影响。
由图8(b)可知，A料掺比与B料掺比较大时对新型双液浆的流动度没有太大影响，基本稳定在24～30 cm，因此，在该掺比范围内可认定新型双液浆具有一定的流动性，能够满足泵送要求[20]。对于结石体强度而言，可以看出双液浆结石体强度普遍偏高，7 d强度均大于0.7 MPa，基本满足规范要求。A料掺比大于1.5%、B料掺比大于1%时，结石体强度进入稳定阶段，并在B料掺比大于3.5%后结石体强度降低，因此，考虑强度的新型双液浆最优配比为：
A料掺比取1.5%～4%，B料掺比取1%～3.5%。
进一步地，综合考虑初凝时间、结石体强度的条件下，可以得到新型双液浆综合最优配比，如图8(c)所示，即图8(a)和图8(b)得到的最优配比交集：
A料掺比为1.5%～3.71%、B料掺比为1%～2.2%(确定配比还需要结合具体工程)。
3.1 工程概况
广州市中心城区地下综合管廊工程呈环形线路，全部采用地下铺设方式，管廊采用直径为6 250 mm的盾构施工，全长48 km(单线)，全线共设46 座出地面井。盾构穿越地质断面示意图如图9所示，该区间地层多为岩层，主要为强风化含砾砂岩、中风化含砾砂岩等。
图9 盾构穿越地质断面示意图(单位：
m)
3.2 新型双液浆工程效果
在35#～36#区间内前半段施工中，因为同步注浆为单液浆，盾构管片出现较为严重的上浮、接缝渗漏、错台等现象，严重影响了施工质量，因此，在区间后半段施工中使用了新型双液浆作为同步注浆材料。采用的新型双液浆配比为粉煤灰∶水泥∶膨润土∶砂∶水=400∶180∶90∶430∶500，A料掺比为1.5%，B料掺比为1.25%。35#～36#区间内所有管片质量如图10和图11所示。
由图10可知：
在30～164 环同步注浆采用单液浆，其中在Ⅰ区间(30～118 环管片)内，管片上浮量基本维持在6～100 mm，满足规范要求的高程控制标准(管片上浮界限值±100 mm)。管片出现下沉的原因是单液硬性浆液充填性不足，不能很好地充填盾尾空隙，管片在没有足够支撑的情况下发生下沉。在Ⅱ区间(118～164 环管片)继续使用单液浆作为同步注浆材料，管片上浮量处于100～140 mm，超出管片上浮界限值，不满足规范要求。经过现场调研，发现这是因为隧道周围突然涌进大量地下水，原本的单液浆在受到水的冲击和稀释作用下不能在管片周围及时初凝，一部分浆液流失进地层，剩余的浆液不能很好地稳定管片且产生较大的浮力，致使管片发生较大上浮。这就需要更换初凝时间更短的新型同步注浆浆液，故采用本文开发的新型双液浆。在Ⅲ区间(164～224 环管片)使用同步注浆工艺的注浆材料，管片上浮量30～85 mm，满足规范要求的管片上浮界限值，且相较于Ⅱ区间最大上浮量减少了39.3%，最小上浮量减少了70%，相较于Ⅰ区间没有出现管片下沉现象，说明新型同步双液浆的充填效果较好，可以有效地减少管片上浮。
图10 管片上浮量
由图11可知：
在整个35#～36#区间内，纵缝错台量较为稳定，保持在1～5 mm，仅在Ⅰ区间(0～164 环管片)内出现小范围错台量超出规范要求(管片纵缝错台界限值5 mm)的情况；
在Ⅱ区间(164～224 环管片)内同步注浆浆液由单液浆更换为新型双液浆后，纵缝错台量基本控制在规范要求的范围内。相对地，在使用新型双液浆之前，管片环缝整体错台量较大，最大错台量达到10 mm，远远超出规范要求(管片环缝错台界限值6 mm)，这对整个施工及后续运营期的隧道防水是十分不利的；
更换为新型双液浆后，管片环缝的错台量得到了良好的控制，基本稳定在1～6 mm，满足规范要求。
4.1 结论
本文针对传统同步注浆浆液的不足，开发了一种可调节初凝时间的新型双液浆，并将该新型双液浆应用于广州市中心城区地下综合管廊工程盾构同步注浆工艺中，得到以下结论。
1)通过合理调制外加剂(A料、B料)配比，可以达到控制初凝时间的效果，能解决传统同步注浆浆液泵送性与充填性的矛盾，以及全断面围岩地层普遍存在的沿着围岩与盾壳间缝隙向开挖面和压力舱发生窜浆的施工难题。
2)新型双液浆初凝时间、流动度主要受B料(液体激发剂)控制。B料掺比在0%～3%，新型双液浆初凝时间与流动度随着B料掺比增大快速减小，掺比大于3%后，初凝时间、流动度趋于稳定。
3)新型双液浆结石体强度由A料和B料共同控制。A料掺比在0%～1.5%，新型双液浆结石体强度随着A料掺比增大而增加，并在大于1.5%时趋于稳定，达到最大强度3.59 MPa(龄期28 d)。B料掺比在0%～3.5%，新型双液浆结石体强度随着B料掺比增大而缓慢增加，达到最大强度2.89 MPa(龄期28 d)；
B料掺比大于3.5%后，结石体强度减小。
4)新型双液浆A料、B料的最优配比为：
A料掺比为1.5%～3.71%，B料掺比为1%～2.2%。
5)在广州市中心城区地下综合管廊工程采用新型双液浆作为同步注浆材料，相较于单液浆，管片的上浮量、错台量得到了良好的控制，上浮量基本稳定在30～85 mm，纵缝错台、环缝错台分别稳定在1～5 mm和1～6 mm。
4.2 讨论
盾构施工实际地层条件极其复杂，尤其是弱酸性地层，对双液浆结石体强度影响非常大，可能会影响其长期强度，今后应加强这方面的研究工作。
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