CN101774794A - 一种盾构隧道管片背后注浆用高性能惰性浆液 - Google Patents

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Abstract

本发明属于盾构隧道施工技术领域，主要提出的一种盾构隧道管片背后注浆用高性能惰性浆液,质量配比(kg/m3)为：消石灰：90，粉煤灰：410，河砂：780，水：465，钠基膨润土：105，FD-3高浓高效减水剂：3，其中，粉煤灰与消石灰的质量比为4.56∶1，粉煤灰采用II级粉煤灰；消石灰和粉煤灰的总用量与河砂的质量比为1.56；钠基膨润土的加入量占用水量的22.8％。本发明克服了现有惰性浆液凝结时间长，固结体强度低，体积收缩率大的缺点，实现了充填性、流动性、固结强度三者之间的良好匹配，且其施工方便，浆液质量容易控制，浆液配料简单，浆液单价较低，能明显降低工程成本，具有良好的经济效益和社会效益。

Description

一种盾构隧道管片背后注浆用高性能惰性浆液
技术领域
本发明属于盾构隧道施工技术领域，主要提出了一种盾构隧道管片背后注浆用高性能惰性浆液。
背景技术
盾构法是利用盾构机在地面以下掘进开挖隧道的一种施工方法。盾构施工过程中盾构机靠盾构前部的刀盘旋转掘削土体而掘进，由后部的管片安装机在盾壳保护下拼装管片形成隧道支护结构，盾壳脱出管片后，再由盾尾的背后注浆系统向管片与地层间的缝隙中注入浆液，以达到填充管片与地层之间空隙，减少盾构施工对周边土体扰动，防止隧道和地面的下沉，保护环境的目的。盾构法施工对城市地面环境影响小，施工速度快、安全性高，而成为在城市地铁隧道以及市政设施隧道施工的一种主要手段。而管片背后注浆技术是盾构法隧道施工中必不可少的关键技术，隧道管片背后注浆所采用浆材的选择，关系到工程的成本、施工控制、注浆效果和隧道的质量，对工程质量、安全有着重要作用。目前盾构隧道管片背后注浆材料主要分为两大类：双液型和单液型。
双液注浆浆液包含A液和B液两种浆液，其中A液是含有水泥的砂浆，B液是速凝剂(一般为水玻璃)，根据A液和B液的配比不同可以控制混合后浆液的硬化时间。双液型浆液是活性浆液，具有初凝时间短，早期强度大，防水性能良好等优点。但双液浆遇水后凝胶时间易改变，后期强度下降，注浆不均匀、注浆量过大，注浆效果难以控制，且施工时须对双液同时管理，拌浆、注浆设备复杂，管路清洗质量和频率要求高，易堵管，成本高；同时也存在着一定的适应性差的缺点。
单液型浆液根据浆液的性质又分为单液活性浆液和单液惰性浆液。单液活性浆液由粉煤灰、砂、水泥、水、外加剂等在搅拌机中一次拌合而成，具备一定的早期强度和后期强度。对于单液活性浆液，其初凝时间过短容易发生堵管现象，对施工控制要求较高。单液惰性浆液主要由粉煤灰、砂、膨润土、石灰膏、水和外加剂等拌合而成，浆液中没有掺加水泥等胶凝物质。
从成本控制和操作的难易程度看，单液浆优于双液浆，惰性浆液优于活性浆液。但经对现有技术和专利文献检索发现，国内外现有的惰性浆液均存在凝结时间长(10h以上)，固结体强度低(28d抗压强度＜1.0MPa)，体积收缩率(固结收缩率大于5％)大等缺点。因而不能很好的控制地表沉降，使管片结构不稳定。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种盾构隧道管片背后注浆用高性能惰性浆液。该浆液具有凝结时间短，固结强度高，流动性好，稳定性好(不离析、泌水率低)，固结体积收缩小，填充性好，能及时有效控制管片上浮，保持管片结构稳定。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明所提出的一种盾构隧道管片背后注浆用高性能惰性浆液质量配比(kg/m3)为：消石灰：90，粉煤灰：410，河砂：780，水：465，钠基膨润土：105，FD-3高浓高效减水剂：3，其中，粉煤灰与消石灰的质量比为4.56∶1，所述的粉煤灰采用II级粉煤灰；消石灰和粉煤灰的总用量与河砂的质量比为1.56；钠基膨润土的加入量占用水量的22.8％。
浆液各组分说明如下：
上述所说的消石灰，其中Ca(OH)2含量≥95.0％，水分＜1.0％，粒径≤0.15mm颗粒含量≥95％，粒径≤0.075mm颗粒含量≥90％。消石灰在浆液中与粉煤灰中活性SiO2及Al2O3发生火山灰反应，提供一定的固结强度，并且消石灰本身能增加浆液的粘度。同时Ca(OH)2微溶于水，溶于水时放热，随着其与粉煤灰中活性成分反应的进行，消石灰不断的溶解于水中，放出的热量也越来越多，从而可大大加快浆液的凝结硬化，缩短浆液的凝结时间。但是消石灰的用量也不是任意的，一方面因其与粉煤灰发生火山灰反应，其用量与粉煤灰的用量成一定比例时，浆液的抗压强度才能达到最高值，低于或高于此比值时，浆液的抗压强度均会降低，在本发明中所用原料中，两者的质量比为4.56时，火山灰反应最充分，浆液的固结强度最高；另一方面，消石灰与粉煤灰的总用量也是有限制的，因为两者在浆液中会发生反应，有一定的固结作用，两者的体积不稳定，发生收缩，所以当其总用量较大时，浆液的体积也不稳定，导致浆液固结后体积收缩率较大。综合这些影响因素，本发明每方浆液控制两者的总用量为500kg，即消石灰质量为90kg。
上述所说的钠基膨润土吸水率大于200％，膨胀指数大于15ml/2g，粒径≤0.075mm的颗粒质量分数≥85％。钠基膨润土的胶质价高(膨润土与水按比例混合后，加适量氧化镁，使其凝聚形成的凝胶体的体积，称为胶质价。胶质价显示试样颗粒分散与水化程度，是分散性、亲水性和膨胀性的综合表现，是评价膨润土形成胶体体系及其稳定性的一种指标，它的大小与膨润土矿的属型和蒙脱石含量密切相关，钠基比钙基、酸性膨润土的胶质价高，同一属型的膨润土，含蒙脱石愈多，胶质价愈高。)，同时钠基膨润土膨胀容高，钠基膨润土的添加可以增加浆体稳定性，增大浆体乳度，阻碍砂粒下沉，减缓浆液的材料分离，降低泌水率，使得浆液保水性能较好，在一定程度上，它可以增大同步注浆的可泵性，防止堵泵、堵管现象；另外由于膨润土的吸水性、膨胀性，使浆液中自由水减少，有利于降低浆液的固结收缩率；但同时膨润土会降低浆液流动性，加快流动性损失，并且对浆液的抗压强度也会产生影响。因此当膨润土的掺量较小时，其对浆液的有利作用得不到充分发挥，而其掺量较大时不仅会使浆液流动性损失过快，而且会降低浆液的固结体强度，综合考虑膨润土对浆液性能的影响规律，本发明每方浆液钠基膨润土最佳掺量为水用量的22.6％。
上述所说的粉煤灰实际采用II级粉煤灰，细度(0.045mm筛余)≤15％，需水量比为96％。因粉煤灰中的化学成份含有大量活性SiO2及Al2O3，火山灰活性高，在浆液中能与上述消石灰中的有效成分Ca(OH)2发生火山灰反应，生成一种低钙硅比的凝胶，即CSH(I)，使得浆液具有一定的固结强度，当粉煤灰与消石灰的质量比在一个合适的范围时，浆液具有较高的固结强度。不同的粉煤灰与不同的消石灰的合适质量比并不一样，这与粉煤灰中活性成分SiO2及Al2O3含量以及消石灰中Ca(OH)2含量有关。在本发明中，粉煤灰与消石灰的质量比在4.56时，此时浆液的固结强度较高。另一方面由于II粉煤灰细度小，能作为填充料填充浆液孔隙，使浆液更致密，提高浆体的固结率，即降低浆体的固结收缩率，可起到耐久性和体积稳定性的效果。
上述所说的河砂实际细度模数为0.6～1.2，属于特细砂，含泥量小于1.2％。为了满足施工的可泵性和可注性要求，同步注浆用砂一般使用细砂或特细砂比较合适。由施工经验可知，一般砂越细浆液的可泵性和可注性越好，且砂越细，浆液因各组分比重差别太大而产生的离析现象越少，因此本发明采用特细砂为填充料，有利于提高浆液的抗离析性；另外在浆液中，砂一般不发生化学反应，吸水率很小，其体积稳定性好，一定用量的砂对保持浆液体积稳定性起到了相当大的作用，从这种意义上说，要求浆液中砂的含量越多，浆液的体积稳定性越好，但是过多的砂用量，因为砂粒没有足够的浆体包裹，使得砂粒间的摩擦力增大，降低浆液的流动性，且此时即使浆液流动度不大仍然会出现离析现象，因此砂的用量与浆液中的粉料消石灰和粉煤灰的总用量存在一定的比例关系，当其比例偏低或偏高时，浆液的性能均会受到影响，尤其对浆液的稠度、抗压强度和固结收缩率率将产生不良影响；同时浆液的密度很大程度上取决于砂的密度，可以通过调节砂的用量来控制浆液的表观密度，一般盾构隧道管片背后注浆用浆液的表观密度≥1800kg/m3。综上所述，每方浆液砂用量与消石灰和粉煤灰的总用量之比控制在1.56时，即每方浆液砂的最佳用量为780kg，此时既可以保证浆液的流动性，也可以控制浆液固结收缩率，同时还能保证浆液的密度满足要求。
上述所说的水为生活用水。水的用量对惰性浆液的性能影响比较大。在其它组分用量一定的情况下，水用量越大，浆液的流动性越好，但同时浆液的凝结时间也越长，泌水率越大，离析现象越严重，抗压强度越低，固结收缩率越大。反之，亦然。因此合适的用水量对控制浆液的性能是非常重要的。通过试验验证，综合以上对其它组分用量的探讨，本发明每方浆液水的最佳用量为465kg，当用量低于此用量时，浆液的流动性较差，不符合注浆材料的可泵性和可注性要求，而高于此用量时，浆液中因为游离水太多，导致浆液的泌水率很高，离析现象严重，浆液固结后体积收缩率高，同时使得浆液的凝结时间延长。
上述所说的FD-3高浓高效减水剂为水剂，其密度1.17±0.02g/cm3，减水率≥12％。通过调节FD-3的掺量可以改善浆液的粘稠度，提高抗离析性，增加润滑性，并且能提高浆液固结体强度。但是当其掺量过大时，由于其减水效应，会增大浆液的泌水率，不利于浆液的稳定，另外会延长浆液的凝结时间。因此在以上消石灰、粉煤灰、砂、膨润土、水的用量基础上，本发明每方浆液FD-3高浓高效减水剂的用佳用量为3kg。根据以上材料配比，浆液所能达到的性能指标为(见表1)
表1
  项目   指标
  密度   1850kg/m3
  稠度   10.9cm
  泌水率   0.8％
  流动度   118mm
  固结收缩率   0.75％
  项目   指标
  初凝时间   6h48min
  28d抗压强度   5.7MPa
  浆液价格   130元/m3
上述密度、稠度、抗压强度的试验方法均按照“建筑砂浆基本性能试验方法”(JGJ/T70-90)进行试验。
上述抗压强度的试验方法JGJ/70-2009《建筑砂浆基本性能试验方法标准》中规定的方法进行。
上述凝结时间是按照“水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检测方法”(GB/T1346-2001)中水泥净浆凝结时间的测试方法进行试验。这是考虑到浆液中砂子为特细砂，粒度很细，忽略它的阻力，采用测试水泥初、终凝时间的方法测试砂浆的凝结时间。
上述流动度的测试方法是按“水泥胶砂流动度测定方法”(T0507-2005)将浆液装入锥筒内垂直提起锥筒后，待浆液流动停止，测浆液不同垂直方向的摊开宽度并取其平均值即为浆液的流动度。
上述泌水率是指拌制浆液后用容量筒量出一定体积浆液，静置若干小时待析水量趋于稳定后，再测量浆液上浮水的体积，并计算上浮水体积与浆液总体积的比值。泌水率是衡量浆液稳定性的指标之一。泌水率的大小反映了浆液抗离析性能的高低，泌水率越大，表示浆液抗离析性越差，浆液稳定性越差。
上述固结收缩率按照体积法测试：用游标卡尺测量一组28d龄期的浆液试件尺寸，并计算实际体积，试模标准容积和实际体积值的差值与试模标准容积之比即为浆液的固结收缩率。
本发明具有合适的粘稠度，使得浆液在扩散过程中能控制在一定的范围内，有较好的充填性，且不易被泥水或地下水稀释；固结体强度高，凝结时间较短并且可调性好，浆液硬化后体积收缩小即固结收缩率小，同时密度大，注浆后能使隧道管片与围岩共同作用形成一体化的构筑物，保持管片结构稳定，从而能及时有效控制管片上浮。
本发明与现有技术相比，其最大的特点是克服了现有惰性浆液凝结时间长，固结体强度低，体积收缩率大的缺点，实现了充填性、流动性、固结强度三者之间的良好匹配，浆液性能已达到单液活性浆液的性能，属于高性能惰性浆液。与活性浆液(包括双液浆和单液活性浆)相比，本发明除了具有活性浆液的优点外，还有其自身的特点，其施工方便，浆液质量容易控制，不容易发生堵管现象，浆液配料简单，浆液单价较低，能明显降低工程成本，具有良好的经济效益和社会效益。
具体实施方式
下面对本发明的实施例进行详细说明。实施例浆液拌制过程：先按照浆液配合比称量原材料，将所有的粉料和砂加入拌浆桶，干拌45sec左右，使干料混合均匀，然后加入水、膨润土溶液和添加剂，继续搅拌1.5min左右，检测浆液质量达到浆液指标后送入储浆槽。
以上所述的原材料中消石灰、粉煤灰不能有结块现象。严格控制砂颗粒粒径，细度模数0.6～1.2。
以上所述的原材料计量误差要控制在规范要求范围内；
以上所述钠基膨润土应提前一天拌制成溶液，再与其他原材料进行混合时，材料混合的总用水量应扣除该溶液中的用水量。
以上所述浆液搅拌要充分均匀，搅拌要连续，总的搅拌时间控制在2min左右，浆液不能有成团结块现象。
实施例1
某地铁区间隧道施工，该隧道长1343公里，盾构隧道穿越地层主要为淤泥质粘土、粘土、粉质粘土(局部夹多量粉性土)，该土层灵敏度高，受扰动后易沉降。该隧道采用土压平衡式盾构机，注浆方式为同步注浆。
浆液配比(kg/m3)为：消石灰：90，钠基膨润土：105，粉煤灰：410，细砂：780，水：465，FD-3：3。
采用该配比得到的浆液性能指标为：密度为1850kg/m3，稠度为10.9cm，凝结时间为6h48min，泌水率为0.8％，流动度为118mm，固结收缩率为0.75％，28天抗压强度为5.7MPa。
实际效果比较：
应用本实施例，隧道管片表面干燥，没有明显的漏浆和渗漏水现象；浆液具有较好的保水润滑性，在注浆期间未出现堵管现象；使用区间未进行二次注浆，浆液有效地控制了地面沉降，保持了管片稳定，沉降量在+2mm～-15mm，管片没有上浮现象，因此本发明注浆效果良好。在经济方面，本发明浆液价格为130元/m3较原施工方案同步注浆采用的单液活性浆液价格为160元/m3，明显便宜，因此本发明成本较低，具有更好的经济性。

Claims (7)

1.一种盾构隧道管片背后注浆用高性能惰性浆液，其特征在于：本发明所提出的一种盾构隧道管片背后注浆用高性能惰性浆液质量配比(kg/m3)为：消石灰：90，粉煤灰：410，河砂：780，水：465，钠基膨润土：105，FD-3高浓高效减水剂：3，其中，粉煤灰与消石灰的质量比为4.56∶1，所述的粉煤灰采用II级粉煤灰；消石灰和粉煤灰的总用量与河砂的质量比为1.56；钠基膨润土的加入量占用水量的22.8％。
2.根据权利要求1所述的一种盾构隧道管片背后注浆用高性能惰性浆液，其特征在于：所用消石灰，Ca(OH)2含量≥95.0％，水分＜1.0％，粒径≤0.15mm颗粒含量≥95％，粒径≤0.075mm颗粒含量≥90％。
3.根据权利要求1所述的一种盾构隧道管片背后注浆用高性能惰性浆液，其特征在于：所用膨润土吸水率(2h)≥200，膨胀指数≥10ml/2g。
4.根据权利要求1所述的一种盾构隧道管片背后注浆用高性能惰性浆液，其特征在于：所用粉煤灰细度(0.045mm筛余)≤15％。
5.根据权利要求1所述的一种盾构隧道管片背后注浆用高性能惰性浆液，其特征在于：所用河砂为特细砂，其细度模数为0.6～1.2，含泥量小于1.2％。
6.根据权利要求1所述的一种盾构隧道管片背后注浆用高性能惰性浆液，其特征在于：所用水为生活用水。
7.根据权利要求1所述的一种盾构隧道管片背后注浆用高性能惰性浆液，其特征在于：FD-3，密度1.17±0.02g/cm3，减水率≥12％。
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