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减水剂掺量对盾构隧道同步注浆 浆液性能影响试验研究

摘要:为进一步探究掺入高性能减水剂对强透水砂卵石地层同步注浆浆液性能的影响规律,在室内配置了6组不同减水剂掺量的配合比进行试验。
  结果表明:减水剂的掺入能有效改善膨润土导致的浆液过稠、流动度严重不足问题,当减水剂掺量为9.0~10.8g/L时,不仅浆液的流动度、稠度得到改善,而且还能保持浆液具有较好的抗水分散性。
0  引言
  在盾构隧道施工过程中,同步注浆在充填盾尾间隙、维护围岩稳定性以及控制地表变形等方面都有着至关重要的作用。对于强透水砂卵石地层,地层含有大量地下水,普通浆液在注入地层后易出现被地下水稀释或跑浆的现象,从而折损注浆效果。因此,在强透水地层同步注浆浆液材料的选择上,要综合考虑各项外加剂对浆液流动度、抗水分散性及抗压强度的影响。
  工程实际中通常采用膨润土和减水剂来控制浆液的抗水分散性及流动性。其中,单一膨润土的掺入会增加浆液抗水分散性但会降低其流动性,往往难以满足浆液完全充填盾尾间隙的要求,严重时甚至出现堵管等现象,减水剂的加入则能有效增加浆液流动性,调节浆液性能,但减水剂掺量对浆液抗水分散性及稠度等方面性能相关文献较少。
  目前,关于同步注浆浆液材料对浆液性能的影响研究很多。陈金平等总结了注浆材料的现状和发展情况,总结了注浆材料的种类,分析了水泥、粉煤灰、水玻璃、硅灰含量及外加剂对浆液性能的影响。金立忠等探讨了不同的试验方法对浆液流动性的适用性和合理性,分析了浆液流动性的经时变化,提出了浆液流动性指标的控制范围。苑小镌等对保水剂在同步注浆中的作用进行了研究,对保水剂与膨润土中掺入减水剂进行了经济性比较。郭兆清等针对硬性浆液和惰性浆液的流动性、稳定性及强度进行对比研究。田焜提出了集防止管片上浮、抗水分散、抗渗、微膨胀等性能于一体的高性能同步注浆材料设计原则与方法。和有鹃以某工程为例,对富水地层盾构施工同步注浆技术进行了剖析。白杨以郑州市轨道交通5号线为例,给出了富水砂层中对应的一组注浆材料配合比。文献结合具体工程实际,采用正交实验方法进行室内试验,研究了各种原材料对注浆浆液性能指标的影响,给出了对应盾构隧道同步注浆浆液的最佳配比的建议。
  以往的研究主要集中在减水剂对浆液流动性和强度的影响,但减水剂对强透水砂卵石地层同步注浆浆液的抗水分散性的影响研究较少。鉴于此,本文采用室内试验的方法,探讨减水剂掺量的变化对浆液抗压强度、抗水分散性、流动度、稠度的影响,以此获得一个在强透水砂卵石地层最佳减水剂掺量的配比方案。
1  工程概况
  本文依托于洛阳市城市轨道交通1号 线 工 程史家 湾 站—杨湾站区间盾构隧道。区 间 全 长1623.0m,左、右线线间距为15.0m,隧道埋深为10.0m,地下稳定水位埋深为8.3~11.1m。区间共设两座联络通道,均处于卵石层。
  砂卵石地层是一种典型的不稳定地层,卵石块在地层中起骨架作用,其间充填各种砂层,使结构松散、无黏聚力,在盾构隧道同步注浆过程中,浆液易随水稀释、离析,从而使浆液出现早期强度低和胶凝时间长等现象。
  洛阳地铁隧道纵断面,见图1。
  本文通过室内试验对浆液性能进行研究,浆液原材料性能指标要求,见表1。
2  试验方案设计
2.1  浆液性能指标要求及测试仪器
  同步注浆材料的好坏会影响到整个隧道质量,因此,对浆液性能要求主要有:
  (1)充填性好,不会漏失到掌子面或围岩土体中。
  (2)流动性好,能够充分填充整个盾尾间隙。
  (3)稳定可塑性好,浆液静置基本无离析,适于长距离泵送。
  (4)盾尾间隙完成充填后能迅速获得适当早期强度。
  (5)浆液无污染,价格低。
  强透水砂卵石地层对浆液的稳定性要求更高,同时要求其具有快速填充、保水性能强以及良好的抗水分散性。
  因此,结合文献及工程实际,强透水砂卵石地层同步注浆浆液主要性能应满足以下指标:
  ①浆液流动度大于18cm;
  ②浆液稠度达到10~12cm;
  ③浆液结石率大于95%,即固结收缩率小于5%;
  ④浆液稳定性:离析率小于5%。
  浆液性能测试仪器及指标要求,见表2。
2.2  浆液配合比
  参照工程现场同步注浆材料配合比的调研结果以及前期的研究发现,当配比为水泥∶水∶粉煤灰∶砂∶膨润土=1∶3.56∶3.33∶10.39∶0.56时,浆液的流动度及抗水分散性无法满足在富水砂卵石地层的性能要求,工程中一般采用减水剂来增加浆液流动性。因此,在该配合比的基础上掺入减水剂使其满足要求,注浆浆液配合比,见表3。
3  试验结果分析
  本试验通过跳桌、砂浆稠度测定仪及压力试验机分别测量6组不同减水剂掺量的浆液流动度、稠度及抗压强度。整理各项数据后得到减水剂对浆液流动性、稠度、强度及抗水分散性的影响。
3.1减水剂对浆液流动度的影响
  流动度及稠度均按照文献的步骤进行测定。减水剂与浆液流动度关系曲线,见图2。从图2可见:在减水剂掺量为最小的3.6g/L时,该浆液流动性就能够满足浆液流动度大于18cm的要求。同时,随着减水剂掺量的增加,浆液的流动性整体呈现出增大的趋势且幅度较大,当减水剂掺量为10.8g/L,流动度到达最大值26.1cm。
  当减水剂掺量超过10.8g/L后流动度有下降的趋势。由此可见,减水剂的添加对浆液流动度有显著影响, 且能明显增强浆液的流动性能。
3.2  减水剂对浆液稠度的影响
  利用砂浆稠度测定仪测量各组浆液的稠度,减水剂与浆液稠度关系曲线,见图3。由图3可见:随着减水剂的掺量增加,稠度呈现出“V”形低谷。当减水剂掺量为7.2g/L时,稠度出现最小值8.5cm;随着减水剂掺量超过7.2g/L后,浆液稠度逐渐增大,但增大幅度逐渐减小,曲线逐渐趋于平稳。由此可见,在一定范围内,减水剂对浆液的稠度具有显著影响,掺入减水剂能够改良稠度较低的浆液,过多减水剂的掺入会使得稠度变化不明显。减水剂掺量为9.0~12.6g/L时,浆液的稠度能够达到同步注浆浆液性能要求。
3.3  减水剂对浆液强度及抗水分散性的影响
  抗压强度测试是参照不分散混凝土相关试验方法进行。强度测定时,浆液入模的试块成型分为陆地和水下:陆地入模试块是在陆地采用70.7mm×70.7mm×70.7mm试模制作立方体标准试块,在室温20℃,相对湿度60%的条件下进行养护后得出;水下入模的试块则是在水温20℃±3℃,高度为150mm的水中,通过漏斗向完全浸入水中70.7mm×70.7mm×70.7mm的试模灌入浆液,并将表面抹平后放入水中带模养护3天,随后拆模继续放入水中养护后得出。通过压力试验机分别测得养护7天和28天后水下和陆地入模的试块抗压强度。
  减水剂掺量与浆液抗压强度的关系曲线,见图4。
  由图4可知:
  (1)在相同配比条件下,水下入模的试块强度小于陆地入模试块。
  (2)对于陆地入模的试块强度,随着减水剂的增加,强度总体呈现出先减小后增大的趋势,当减水剂掺量为9.0g/L时,陆地入模试块的抗压强度最低,7天抗压强度为1.32MPa,28天抗压强度为2.89MPa。
  (3)对于水下入模的试块强度,随减水剂掺量增加,7天抗压强度在1.0MPa上下波动,28天抗压强度在2.6MPa上下波动。综上所述,减水剂掺量变化对水下入模试块的抗压强度影响不大,影响幅度在0.3MPa左右,对陆地入模试块的抗压强度影响较大,这是由于水下入模试块减水剂用量被周围大量水稀释,导致其效果不明显。
  抗水分散性则是通过计算水陆抗压强度比来衡量,水陆抗压强度比i的计算式为
  式中:fm,cu水为水下入模试块抗压强度,MPa;fm,cu陆为陆地入模试块抗压强度,MPa。
  考虑到浆液28天后的抗压强度基本达到最大,可以通过计算浆液28天水陆抗压强度来计算水陆抗压强度比,得到的抗水分散性结果更为具有代表性。减水剂与浆液水陆抗压强度比的关系曲线,见图5。
  由图5可见:在一定范围内,浆液的水陆强度比呈现先下降后上升的趋势。当减水剂掺量为5.4g/L时水陆强度比达到最小,减水剂掺量为10.8g/L时水陆强度比达到最大。
当减水剂掺量为9.0~10.8g/L时,水陆强度比均在0.85以上,因此,可以认为减水剂掺量为9.0~10.8g/L时浆液的抗水分散性能优良。
4  结语
  本文通过试验,系统分析了减水剂对浆液的各项性能指标的影响,得到如下主要结论:
  (1)对于强透水砂卵石地层,减水剂的加入能够有效改善因加入膨润土等胶凝材料而导致的同步注浆浆液过稠、流动度严重不足等问题,对于实际工程施工,具有重要的参考价值。
  (2)一定范围内减水剂的掺入能够显著提高浆液的流动度以及稠度,但过多的减水剂会使浆液流动度以及稠度变化不明显。同时,减水剂掺量的增加对陆地入模试块抗压强度有较大影响,但对水下入模试块抗压强度影响不大。
  (3)综合考虑减水剂掺量对浆液流动性、稠度和抗水分散性的影响,建议本工程中盾构隧道同步注浆浆液中减水剂合理掺量为9.0~10.8g/L。
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