CN107902994B - 一种早强型盾构壁后注浆材料 - Google Patents

一种早强型盾构壁后注浆材料 Download PDF

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Abstract

本发明属于地下工程领域，特别地是一种早强型盾构壁后注浆配方，包括如下重量份的各物质：细砂800‑1000重量份、膨润土35‑50重量份、粉煤灰110‑220重量份、硅酸盐水泥400‑600重量份、石膏70‑100重量份、早强剂5‑8重量份、水400‑600重量份。其不仅具有较快的凝结速度，还具有早起强度高的特性，同时还有效保障注浆后期强度和抗剪切性能，控制地层变形和管片上浮，减少管片破损。

Description

一种早强型盾构壁后注浆材料
技术领域
本发明属于地下工程领域，涉及一种注浆材料，具体涉及到一种适用于砾砂地层的早强型盾构壁后注浆的浆液，特别地是一种早强型盾构壁后注浆材料。
背景技术
目前，壁后注浆成为盾构施工中一项必不可少的工作内容。壁后注浆是把液相注浆材料泵压至管片背后的环形盾尾孔隙内，从而达到减小地层应力释放和变形的目的，因而理想情况下浆液应与地层保持一致的物理特性和状态。伴随着盾构隧道穿越地层愈加复杂，浆液往往不能在短时间内达到与地层一致的物理力学状态，由此引起的地层变形约占盾构施工过程中地层变形的30%-40%。尤其在砾砂地层中，浆液早期凝结时间过长、早期强度低带来的地层沉降、管片上浮等不良工程事故。同时，管片上浮会造成相邻管片之间的错动，使管片受到连接螺栓的剪切作用，从而造成管片的破损，严重危及隧道整体施工和营运。
现有技术中，盾构同步注浆所用注浆材料主要分为单液型和双液型两大类。单液型浆液与双液型浆液相比，具有施工施工方便、管理容易等优点。但单液型浆前期凝结时间较长引起地层变形、流动性差导致堵管清洗困难、早期强度低造成管片上浮以致破损等不良工况，是困扰工程人员亟待解决的重要难题。
发明内容
本申请提供一种早强型盾构壁后注浆材料，其不仅具有较快的凝结速度，还具有早期强度高的特性，同时还有效保障注浆后期强度和抗剪切性能，控制地层变形和管片上浮，减少管片破损。
为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为，一种早强型盾构壁后注浆材料，包括如下重量份的各物质：
细砂 800-1000重量份
膨润土 35-50重量份
粉煤灰 110-220重量份
硅酸盐水泥 400-600重量份
石膏 70-100重量份
早强剂 5-8重量份
水 400-600重量份。
作为本发明改进的技术方案，还包括10-20重量份的有机添加剂。
作为本发明改进的技术方案，所述有机添加剂包括甲基苯基硅树脂。
作为本发明改进的技术方案，所述有机添加剂包括甲基苯基硅树脂、硬脂酸钙与微晶纤维素，甲基苯基硅树脂、硬脂酸钙与微晶纤维素的重量比为1:0.8:0.6。其中甲基苯基硅树脂具有高度交联的立体网络结构，有效保障浆液后期强度和抗剪切性能。
作为本发明改进的技术方案，所述细砂为150-200目石英砂。
作为本发明改进的技术方案，所述膨润土为钠基膨润土，细度为200目，具体的是膨润土中200目的200目含量占98%以上。
作为本发明改进的技术方案，粉煤灰为F类Ⅱ级粉煤灰。
作为本发明改进的技术方案，所述石膏为无水石膏。
作为本发明改进的技术方案，所述早强剂包括三乙醇胺、氯化钠与甲酸钙，三乙醇胺、氯化钠与甲酸钙的重量比为1:1.2:0.8。
作为本发明改进的技术方案，所述浆液注浆工艺包括以下步骤：
步骤一：按配比依次称取膨润土、粉煤灰、硅酸盐水泥、石膏、配比量3/4的水、细砂、早强剂、有机添加剂、配比量1/4的水，在强制式砂浆搅拌机中进行拌制，搅拌时间为3~5分钟；
步骤二：浆液注浆压力设定在0.4~0.8MPa范围，流量控制在：50~120L/min范围，采用盾尾四点同时注浆，上下部比例为6.5:3.5，注入率125%~150%，并通过注浆孔压力传感器时刻监测调整注浆流量；当注浆压力达到0.7MPa时，流量控制在70L/min-90 L/min；
步骤三：注浆过程中，实时监测浆液凝结时间、流动度、无侧限强度与抗剪切强度指标。
本发明的有益之处在于：
早强剂中，三乙醇胺具有掺量少，副作用小，具有后期强度增强作用，但早强效果低于无机盐类；而氯化钠早强效果明显，但会导致钢筋腐蚀，对隧道管片耐久性产生不利影响。故采用三乙醇胺和氯化钠的组合不但能提高早期强度和后期强度，而且在甲酸钙的碱性缓冲作用下，起到保护管片不被腐蚀的作用。
石膏水化产生针棒状钙矾石(AFt)，起到构成浆液骨架、降低体积收缩的作用，可有效提高整个体系的力学强度，且无水石膏较β石膏和二水石膏具有可控的膨胀性和较高的后期强度。
硬脂酸钙除了自身具有悬浮分散、不产生离析沉淀作用外，与微晶纤维素结合在一起，对浆液体系产生增稠润滑的效果。一方面，浆液中的固体颗粒表面润滑使得小颗粒更容易填补大颗粒之间的空隙，使浆液具有更好的密实性；另一方面，该组合与甲基苯基硅树脂并用具有协同作用，可以提高浆液的热稳定性，提高凝胶化速度。
甲基苯基硅树脂由于苯环和硅原子的存在，具有高度交联的空间网状结构，稳定性和强度较高。粉煤灰具有较高的孔隙率，细砂可以填充粉煤灰的多孔结构，同时粉煤灰颗粒可以镶嵌在甲基苯基硅树脂的高度交联的网状空间结构中组成高聚结构，大大提高强度和抗剪切性能。且这种高聚结构与石膏水化后的骨架具有良好的和易性，协同保障浆液的后期强度和抗剪切性能。
考虑到本发明中浆液具有良好的流动性和润滑性，盾尾四点同时注浆上下部比例设置为6.5:3.5，注浆压力和流量设置较大，使得浆液短时间内达到密实充填的状态，防止注浆过程中与地层或管片发生粘结而产生空隙；由于注浆压力指的是注浆口出压力传感器的压力，故当注浆压力达到0.7MPa时，为防止对管片产生破坏，将注浆流量稳定在80L/min左右；同时对浆液凝结时间、流动度、无侧限强度和抗剪切强度等指标实时监测，有效实现对注浆压力和流量的调节。
与现有浆液材料相比，本发明充分利用了早强水泥凝结速度快、早期强度高的特性和有机添加剂的聚合结构性能，能够较早达到地层强度值，且后期固结强度持续增长。同时，在保证流动度、泌水率、稠度满足施工作业要求外，浆液凝结时间短，且能够较早地达到不小于地层的强度标准，且后期强度和抗剪切强度稳定增长，能够良好的控制地层沉降和管片上浮的情况，防止管片破损等事故的发生，保障盾构施工和运营的顺利进行，且浆液配料简单、成本低廉，流动性好、抗渗性强、方便施工管理，尤其适用于砾砂地层的盾构施工中。
具体实施方式
以下将结合实施例对本发明的构思及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。
实施例1
一种早强型盾构壁后注浆材料，包括按重量份的各物质混合而成：150目石英砂800重量份、200目钠基膨润土40重量份、F类Ⅱ级粉煤灰110重量份、硅酸盐水泥460重量份、石膏80重量份、早强剂5重量份、有机添加剂10重量份、水400重量份。
其中，早强剂包括三乙醇胺、氯化钠与甲酸钙，三乙醇胺、氯化钠与甲酸钙的重量比为1:1.2:0.8；有机添加剂包括甲基苯基硅树脂、硬脂酸钙与微晶纤维素，甲基苯基硅树脂、硬脂酸钙与微晶纤维素的重量比为1:0.8:0.6；搅拌时间为4min，注浆压力为0.6MPa左右，注浆流量100L/min左右，四点注浆上下比例6.5:3.5，注入率140%。
采用该配方配制的浆液密度为1.92g/cm3，流动性为26.8cm，初凝时间为44min，1天强度为0.45MPa，7天强度为2.19MPa，抗剪切强度为1.3MPa，符合工程施工要求。
本实施例中，硅酸盐水泥选用普通硅酸盐水泥或者复合硅酸盐水泥。石膏选用无水石膏或者二水石膏，这里为了使得水的用量可控，优选为无水石膏。
所述200目钠基膨润土，具体的是膨润土中200目的含量占98%以上。
对比例1
一种早强型盾构壁后注浆材料，包括按重量份的各物质混合而成：150目普通砂石800重量份、200目有机膨润土40重量份、F类Ⅱ级粉煤灰110重量份、硅酸盐水泥460重量份、石膏80重量份、氯盐类早强剂5重量份、甲基苯基硅树脂10重量份、水400重量份。
其中，搅拌时间为4min，注浆压力为0.6MPa左右，注浆流量100L/min左右，四点注浆上下比例6.5:3.5，注入率140%。
采用该配方配制的浆液密度为1.92g/cm3，流动性为26.0cm，初凝时间为50min，1天强度为0.40MPa，7天强度为2.09MPa，抗剪切强度为1.13MPa。
实施例2
一种早强型盾构壁后注浆材料，包括按重量份的各物质混合而成：200目石英砂900重量份、200目钠基膨润土35重量份、F类Ⅱ级粉煤灰170重量份、普通硅酸盐水泥400重量份、无水石膏70重量份、三乙醇胺2.4重量份、甲酸钙1.92重量份、氯化钠2.88份，早强剂7.2重量份、甲基苯基硅树脂6.67重量份、硬脂酸钙5.33重量份、微晶纤维素4重量份、水540重量份。搅拌时间为4min，注浆压力为0.6MPa左右，注浆流量100L/min左右，四点注浆上下比例6.5:3.5，注入率140%。
采用该配方配制的浆液密度为1.95g/cm3，流动性为23.6cm，初凝时间为39min，1天强度为0.48MPa，7天强度为2.15MPa，抗剪切强度为1.34MPa，符合工程施工要求。
实施例3
一种早强型盾构壁后注浆材料，包括按重量份的各物质混合而成：180目石英砂1000重量份、200目钠基膨润土50重量份、F类Ⅱ级粉煤灰220重量份、普通硅酸盐水泥600重量份、无水石膏100重量份、早强剂8重量份、甲基苯基硅树脂20重量份、水600重量份；其中，早强剂包括三乙醇胺、氯化钠与甲酸钙，三乙醇胺、氯化钠与甲酸钙的重量比为1:1.2:0.8。
其中，搅拌时间为4min，注浆压力为0.6MPa左右，注浆流量100L/min左右，四点注浆上下比例6.5:3.5，注入率140%。
采用该配方配制的浆液密度为1.91g/cm3，流动性为27.4cm，初凝时间为41min，1天强度为0.46MPa，7天强度为2.13MPa，抗剪切强度为1.42MPa，符合工程施工要求。
对比例2
一种早强型盾构壁后注浆材料，包括按重量份的各物质混合而成：普通砂石1000重量份、200目钠基膨润土50重量份、粉煤灰220重量份、普通硅酸盐水泥600重量份、无水石膏100重量份、三乙醇胺8重量份、水600重量份。
其中，搅拌时间为4min，注浆压力为0.6MPa左右，注浆流量100L/min左右，四点注浆上下比例6.5:3.5，注入率140%。
采用该配方配制的浆液密度为1.90g/cm3，流动性为27.3cm，初凝时间为41min，1天强度为0.45MPa，7天强度为2.0MPa，抗剪切强度为1.2MPa。
对比例3
一种早强型盾构壁后注浆材料，包括按重量份的各物质混合而成：180目石英砂1000重量份、膨润土50重量份、粉煤灰220重量份、普通硅酸盐水泥600重量份、无水石膏100重量份、亚硝酸钠8重量份、聚酰胺树脂20重量份、水600重量份。
其中，搅拌时间为4min，注浆压力为0.6MPa左右，注浆流量100L/min左右，四点注浆上下比例6.5:3.5，注入率140%。
采用该配方配制的浆液密度为1.905g/cm3，流动性为27.3cm，初凝时间为41min，1天强度为0.45MPa，7天强度为2.01MPa，抗剪切强度为1.21MPa。
实施例4
一种早强型盾构壁后注浆材料，包括按重量份的各物质混合而成：200目石英砂900重量份、200目钠基膨润土35重量份、F类Ⅱ级粉煤灰170重量份、普通硅酸盐水泥400重量份、无水石膏70重量份、三乙醇胺2.4重量份、甲酸钙1.92重量份、氯化钠2.88份，早强剂7.2重量份、甲基苯基硅树脂6.67重量份、硬脂酸钙5.33重量份、微晶纤维素4重量份、水540重量份。
其中，搅拌时间为4min，注浆压力为0.6MPa左右，注浆流量100L/min左右，四点注浆上下比例6.5:3.5，注入率140%。
采用该配方配制的浆液密度为1.95g/cm3，流动性为23.6cm，初凝时间为39min，1天强度为0.48MPa，7天强度为2.15MPa，抗剪切强度为1.34MPa，符合工程施工要求。
对比例4
一种早强型盾构壁后注浆材料，包括按重量份的各物质混合而成：200目石英砂900重量份、200目钠基膨润土35重量份、F类Ⅱ级粉煤灰170重量份、普通硅酸盐水泥400重量份、无水石膏70重量份、三乙醇胺2.4重量份、甲酸钙1.92重量份、氯化钠2.88份，早强剂7.2重量份、甲基苯基硅树脂6.67重量份、硬脂酸钙5.33重量份、微晶纤维素4重量份、水540重量份。
搅拌时间为3min，注浆压力为0.3MPa左右，注浆流量40L/min左右，四点注浆上下比例6:4，注入率120%。
采用该配方配制的浆液密度为1.95g/cm3，流动性为23.6cm，初凝时间为39min，1天强度为0.38MPa，7天强度为1.85MPa，抗剪切强度为1.12MPa。
本发明的利用了早强型水泥材料凝结速度快和早期强度高的特性、有机添加剂水化后空间结构与无机材料的协同特性，有效保障注浆后期强度和抗剪切性能，控制地层变形和管片上浮，减少管片破损。
本发明包括但不限于上述实施方式，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (1)

1.一种早强型盾构壁后注浆材料，其特征在于，包括如下重量份的各物质：
细砂800-1000重量份
膨润土35-50重量份
粉煤灰110-220重量份
硅酸盐水泥400-600重量份
石膏70-100重量份
早强剂5-8重量份
水400-600重量份，其中所述膨润土为钠基膨润土，细度为200目；所述早强剂包括三乙醇胺、氯化钠与甲酸钙，三乙醇胺、氯化钠与甲酸钙的重量比为1:1.2:0.8；
还包括10-20重量份的有机添加剂，所述有机添加剂包括甲基苯基硅树脂、硬脂酸钙与微晶纤维素，甲基苯基硅树脂、硬脂酸钙与微晶纤维素的重量比为1:0.8:0.6；
所述细砂为150-200目石英砂；
粉煤灰为F类Ⅱ级粉煤灰；
所述石膏为无水石膏；
注浆工艺包括以下步骤：
步骤一：按配比依次称取膨润土、粉煤灰、硅酸盐水泥、石膏、配比量3/4的水、细砂、早强剂、有机添加剂、配比量1/4的水，在强制式砂浆搅拌机中进行拌制，搅拌时间为3~5分钟；
步骤二：浆液注浆压力设定在0.4~0.8MPa范围，流量控制在：50~120L/min范围，采用盾尾四点同时注浆，上下部比例为6.5:3.5，注入率125%~150%，并通过注浆孔压力传感器时刻监测调整注浆流量；当注浆压力达到0.7MPa时，流量控制在70L/min-90L/min；
步骤三：注浆过程中，实时监测浆液凝结时间、流动度、无侧限强度与抗剪切强度指标。
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Application publication date: 20180413

Assignee: Nanjing tungtong Construction Technology Co.,Ltd.

Assignor: HOHAI University

Contract record no.: X2020980009745

Denomination of invention: An early strength grouting material behind shield wall

Granted publication date: 20201030

License type: Common License

Record date: 20201222

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