预拌水泥基盾构注浆料的研究与应用

引言目前,全国已有44座城市批复建设城市轨道交通线路,总投资2.4万亿元,规划建设线路总长度也将超过运营线路总里程。随着我国城镇化水平的不断提高与城市人口规模上升,全国轨道交通建设将进入新的高峰期。盾构法施工在地铁隧道等暗挖工程中得到广泛应用,在盾构法施工中,盾构注浆是一项必不可少的施工程序[1-5]。盾构管片拼装好后,为防止盾构管片周围土体的松动,同时加强土体对盾构管片衬砌结构的包裹作用,避免管片结构因缺少抗力作用出现局部应力集中的现象,需在管片与土体间的间隙灌入盾构注浆料进行填充。等待注浆料固结硬化后,注浆料起到填充壁后空隙并能提供一定的承载能力来稳定管片衬砌的作用,从而提高盾构隧道在施工过程中的稳定性及地表环境的安全性[6-9]。目前常用的盾构注浆料均由施工单位现场拌制,为了进一步推进建筑业技术进步和施工方式转变,提高城市文明绿色施工程度,盾构注浆料由现场拌制转化为预拌生产将是必然趋势[10-11]。与现场搅拌注浆料相比,预拌盾构注浆料具有较多优势:预拌盾构注浆料的生产有科学的实验室试配,

严格的性能检验,精确的计量设备,大规模自动化生产,全程电脑控制,搅拌均匀度高,质量稳可定靠;在施工中使用预拌盾构注浆料,不需要水泥、砂的运输,也不需要原材料堆放场地,施工场地占用小,噪声小、粉尘排放量小,减少了对道路和周边环境的污染,有利于文明绿色施工;不存在水泥、砂遗漏问题,也没有现场搅拌的损耗,材料和成品的损耗、浪费将大大减少。因此,本文对预拌水泥基盾构注浆料进行研究,并将其成功应用到天津市地铁10号线一期工程中。1、试验原材料与方法

1.1

原材料

水泥:天津地区常用的振兴P·O42.5水泥;粉煤灰:天津海得润滋生产的Ⅱ级粉煤灰;膨润土:

细度为200目的钠基膨润土;河砂:细度模数1.3;外加剂:液体,具有减水、引气、保塑等作用。

1.2

试验方法(1)流动度试验:参照

GB/T50448—2015《水泥基灌浆材料应用技术规范》的有关规定进行。

(2)泌水率试验:参照按JTS/T236—2019《水运工程混凝土试验检测技术规范》中10.20节灌浆用新拌水泥

(砂)浆膨胀和泌水试验中泌水试验的有关规定进行。

(3)表观密度试验:参照JGJ/T70—2019《建筑砂浆基本性能试验方法标准》的有关规定进行。(4)抗压强度试验:参考JGJ/T70—2019《建筑砂浆基本性能试验方法标准》的有关规进行。2、试验结果及分析

2.1

水泥掺量对注浆料强度的影响

为了满足盾构法同步注浆工艺要求,注浆料应尽可能早地获得高于地层的早期强度,而水泥掺量是影响注浆料强度的关键因素,因此配制不同水泥掺量的注浆料,具体配合比见表1。如图1所示,随着注浆料水泥掺量增加,其抗压强度逐渐增加。水泥掺量由25%增加到37%

时,注浆料3d、7d及28d抗压强度分别增加了183%、138%及85%。表1

注浆料配合比图1

水泥掺量对注浆料强度的影响2.2

膨润土掺量对注浆料性能的影响

配制不同膨润土掺量的注浆料,具体配合比见表2,研究膨润土掺量对注浆料性能的影响。如图2所示,虽然注浆料的水胶比逐渐增大,但随着膨润土掺量的增加,其流动度及泌水率逐渐降低。分析其原因:膨润土为类似蒙脱石的硅酸盐,为溶胀材料,可吸附8~15倍于自身体积的水量,体积膨胀可达数倍至30倍,因此,随着膨润土掺量的增加,注浆料的流动度降低。此外,

膨润土可以减缓浆液的材料分离,进而降低注浆料的泌水率。表2

不同膨润土掺量注浆料配合比图2

膨润土掺量对注浆料性能的影响2.3

外加剂掺量对注浆料性能的影响

配制不同外加剂掺量的注浆料,具体配合比见表3,研究外加剂掺量对注浆料性能的影响。表3

不同外加剂掺量注浆料配合比

如图3所示,由于外加剂具有减水、保塑性能,随着注浆料中外加剂掺量的增加,其流动度及3h流动度逐渐增加;如图4所示,由于外加剂具有引气性能,随着注浆料中外加剂掺量的增加,其表观密度及28d抗压强度逐渐降低。图3

外加剂掺量对注浆料工作性能的影响图4

外加剂掺量对注浆料表观密度及强度的影响2.4

细骨料对注浆料性能的影响

试验中,用相同细度模数的机制砂代替河砂,研究机制砂对注浆料性能的影响。由于机制砂密度比河砂大,因此相较于河砂,机制砂配制的注浆料表观密度大;机制砂棱角分明,在新拌注浆料中易机械咬合,产生较大内摩擦力,导致注浆料的流动度降低;相较于河砂,机制砂的总级配合理,骨料与浆料间的填充不充分,进而导致注浆料的强度降低,见表4。表4

注浆料配合比及性能

2.5

天津地铁应用天津地铁10号线一期工程柳林路站

(不含)—环宇道站

(不含),共1区间。区间线路自柳林路站出发,沿规划沙柳路东西两侧敷设,穿越天津市精神卫生中心、航道处柳林基地、下穿规划台儿庄路、海河、海河东路后,

最后到达环宇道路,

左线区间长1093.331m,

右线区间长

1031.102m。区间采用盾构法施工,区间纵断面为V字形坡,线路最大纵坡28‰,最小纵坡3‰,

区间结构顶部覆土厚度为10.8~21.1m,下穿海河段覆土最小埋深为9.4m。拟采用直径6.41m

盾构机掘进。由于存在穿海河的工程作业,该地层含水量丰富,渗透系数大,自稳性差、承载能力低,盾构掘进过程中,易出现涌水等施工风险。在此地层环境下进行盾构同步注浆施工,存在盾构注浆料不易凝结、注浆量大、注浆强度低、注浆填充效果差等问题。通过优化配合比,配制出满足盾构法同步注浆工艺要求的注浆料,具体配合比及性能见表5。表5

注浆料应用配合比及性能

图5为预拌水泥基盾构注浆料的生产及运输过程,该预拌盾构注浆料在混凝土搅拌站实现大规模自动化生产,全程电脑控制,搅拌均匀度高,质量稳定可靠,施工过程中减少了二次灌浆的可能,满足了施工单位的相关技术要求。

图5

盾构注浆料生产及运输3、结论

通过对预拌水泥基盾构注浆料的研究及应用,得到以下结论:(1)随着注浆料中水泥掺量的增加,其抗压强度逐渐增加。水泥掺量由25%增加到37%时,

注浆料3d、7d及28d抗压强度分别增加了183%、138%及85%。(2)随着注浆料中膨润土掺量的增加,其流动度及泌