CN114180930A - 高水压超大直径水下盾构隧道双液注浆浆液及工艺与应用 - Google Patents

高水压超大直径水下盾构隧道双液注浆浆液及工艺与应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高水压超大直径水下盾构隧道双液注浆浆液及工艺与应用，浆液一原料为：水泥熟料35‑45份；矿渣15‑25份；粉煤灰24‑35份；钢渣15‑25份；膨润土5‑15份；石灰石尾矿4‑10份；减水剂0.3‑2份；纤维素0.5‑2.5份；浆液二原料为：短切纤维0.2‑3.8份；硅酸钠溶液96‑99份；粘性高聚物0.8‑4.8份。本发明形成了破碎‑筛分‑粉磨‑分组混合‑分组分速搅拌的双液浆制备工艺，注浆时浆液一、二体积比为1:1‑10:1，通过盾尾六点位、管片3+2+1拼接同步的注浆工艺将浆液注入盾构空隙，可应用于水压≥0.5MPa、直径≥14m的高水压超大直径水下盾构隧道。

Description

高水压超大直径水下盾构隧道双液注浆浆液及工艺与应用
技术领域
本发明涉及一种高水压超大直径水下盾构隧道双液注浆浆液及工艺与应用，具体涉及一种具有高压动水抗冲刷率高、泥水充填留存率高、高早强、高韧性、抗渗性良好、防止管片变形效果好的双液注浆浆液及工艺与应用，属于隧道及地下工程盾构注浆技术领域。
背景技术
随着交通基础设施及城市建设的不断高速发展，大直径盾构法施工越来越成为跨江、跨海、跨河等水下隧道及地下工程修建的主流方式。盾构法开挖后，盾构外壳和管片存在一定的间隙，当盾构外壳脱离管片时，其外壳和管片之间的间隙需要进行注浆填充加固，以防止底层扰动和管片上浮等不利现象。
目前水下盾构隧道壁后注浆分为两大类：单液浆和双液浆。单液浆可分为惰性浆和可硬性浆液。惰性浆液主要是由粉煤灰、砂、膨润土、水、外加剂组成。但由于没有水泥的组成，其浆液早期和后期强度较低、凝结时间较长，对水下盾构隧道的稳定性具有不利的影响。可硬性浆液主要是由水泥、粉煤灰、砂、膨润土、水、外加剂组成，具有一定的初期和终期的强度，是目前国内壁后注浆主要使用的一种方法，但这种浆液一般初凝时间较长，在较高水压的情况下容易被冲散，不满足跨江、跨海、跨河等高水压超大直径水下盾构隧道的施工要求。
双液浆则是由水泥基浆液和水玻璃溶液组成，通过水泥基浆液和水玻璃体积比的不同控制浆液的硬化时间，同时初凝时间短，早期强度较大，同时抗渗性能良好，从注浆效果来看，双液浆是一个比较理想的盾构壁后间隙注浆充填材料。虽然国内盾构注浆材料有一定研究基础，但国内高水压超大直径水下盾构隧道壁后双液注浆浆液尚不成熟，存在高水压动水冲散、泥水留存率低、易堵管、充填效果不佳、强度与韧性差、抗渗性差等问题。
基于目前高水压超大直径水下盾构隧道壁后双液注浆充填的实际工程难题，结合双液浆目前存在的问题，研究一种高压动水抗冲刷率高、泥水留存率高、不易堵管、充填效果好、高早强、高韧性、抗渗性能良好，适合江水、海水、河水等水下高水压软土地层的盾构同步双液注浆浆液十分必要。同时，高水压大直径水下盾构隧道双液浆这些良好性能的实现需要对其配方及制备工艺进行创新性的筛选，并需要创新性地开发配套高水压超大直径水下盾构隧道双液注浆应用工艺。
发明内容
超大直径盾构意味着在水下盾构施工过程中将会遇到更严重的不良地质影响，不仅如此，在跨江、跨海、跨河等水下软土地层中，常面临高水压动水、泥水等极为恶劣情况，这种情况下，涌水、涌砂、坍塌、地层大变形等事故往往频繁发生，一旦发生类似事故，不仅会造成施工人员严重伤亡，且造成盾构机具严重损毁、严重影响施工进度，因此，对高水压超大直径水下盾构隧道双液注浆浆液在抗高压动水、泥水高效充填、抗裂高韧性等方面有了新的要求。
针对这一问题，本发明提供了一种高水压超大直径水下盾构隧道双液注浆浆液，该双液注浆浆液通过原料成分及优化剂（减水剂、纤维素、粘性高聚物）的优配、含量的优化筛选，具有抗高压动水分散性强、凝胶时间快、泥水充填留存率高、强度高、抗裂高韧性、抗渗性强等优点，同时本发明双液浆可有效解决双液堵管、难以清洗难题，能够有效防止管片上浮，保持水下土层整体稳定，可广泛应用于跨江、跨海、跨河等水下高水压软土地层超大直径盾构隧道双液注浆工程。
本发明具体技术方案如下：
一种高水压超大直径水下盾构隧道双液注浆浆液，该双液注浆浆液由浆液一和浆液二组成，所述浆液一由以下重量份的原料制成：硅酸盐水泥熟料35-45 份，粒化高炉矿渣15-25份，粉煤灰24-35 份，钢渣15-25 份，膨润土5-15份，石灰石尾矿粉4-10份，减水剂0.3-2份，纤维素0.5-2.5份，水用量满足水灰比为0.8:1-1.5:1；所述浆液二由以下重量份的原料制成：短切纤维0.2-3.8 份、硅酸钠溶液96-99份、粘性高聚物0.8-4.8份。
进一步的，所述高水压一般指的是承水压力大于等于0.5MPa，超大直径一般指的是盾构直径大于等于14m，所述水下盾构地层一般为富水砂土地层、富水粉质黏土层等富水软土地层。
进一步的，浆液一中，水灰比为0.8:1-1.5:1，所述灰指的是硅酸盐水泥熟料、粒化高炉矿渣、粉煤灰、钢渣、膨润土、石灰石尾矿粉的总质量，水灰比为水和灰的质量比。
进一步的，在使用过程中，所述浆液一和浆液二的体积比为1:1-10:1，在此范围内，能够确保浆液较好的抗水分散性、泥水留存充填率与较短的凝胶时间。基于浆液快速充填加固的效果以及强度的要求，浆液一与浆液二的体积比优选为3:1-10:1。
进一步的，所述硅酸盐水泥熟料细度满足：经80 µm筛筛余≤4 %。硅酸盐水泥熟料为优质的水硬性胶凝材料，其水化产物主要又水化硅酸钙凝胶（CSH凝胶）及钙凡石等矿物，CSH凝胶是水泥结石体强度的主要来源，水泥熟料水化后强度高，并能够与砂层及砂土体紧密胶结在一起，提高加固体抗渗性。
进一步的，所述粒化高炉矿渣密度≥2.8 g/cm3，比表面积≥400 m2/kg，含水量≤1%；所述粉煤灰为二级灰，其经45 µm筛筛余为12~20%，需水量比为95~100 %，含水量≤1%。
进一步的，所述钢渣微粉比表面积≥350 m2/kg，游离氧化钙的含量≤3 %。若钢渣微粉等量取代硅酸盐水泥熟料，复合胶凝材料的水化产物和硅酸盐水泥水化产物种类基本相同，水泥所产生的Ca(OH)2促进了钢渣玻璃体的解离，随着水化龄期的增长，水化产物Ca(OH)2不断的被钢渣微粉所消耗，这样有利于浆液一后期强度的提高，同时可以降低材料成本。
进一步的，所述膨润土以蒙脱石为主要矿物成分，表面具有大量OH-、Si-O基等活性基团，在浆液一中水解后能形成卡屋结构，可提高浆液一的泵送稳定性、降低泌水率。所述膨润土优选为钠基膨润土。
进一步的，所述石灰石尾矿粉中碳酸钙质量分数≥80 %，氧化铝质量分数≤2 %。石灰石尾矿粉主要的化学成分为CaCO3，石灰石尾矿粉具有一定的水化活性，CaCO3对C3A和C4AF的水化反应具有加速作用。不仅如此，石灰石尾矿粉颗粒粒径比水泥小，可以充填水泥基浆液和界面过渡区的空隙中，使水泥基浆液更加致密，减小了孔隙率和孔隙直径，改善了孔的结构，从而提高强度，同时也可以降低材料成本。
在实际施工过程中，高水压超大直径水下盾构隧道会经历各种各样的突发问题，若突发问题不能够及时解决，残留在输送管中的浆液一将会最终凝结，导致堵塞管道。因此在浆液一中加入减水剂可以提高浆液流动性，从而在合理的范围内适当延长凝结时间，使浆液不易堵管；减水剂与纤维素搭配既能够提高浆液一中悬浮颗粒的分散性，又能够增加高水压软土地层中浆液一的抗水冲刷性，降低浆液一的泌水率，同时能够增大泥水环境中浆液一的留存充填率。
进一步的，所述减水剂为萘系减水剂或/和聚羧酸减水剂，若为萘系减水剂和聚羧酸减水剂的混合物，优选质量比为3:1-2。
优选的，所述纤维素为粘度为10万的工业羟丙基甲基纤维素。
进一步的，所述的短切纤维为玄武岩纤维或/和聚丙烯纤维，优选的为质量比为2-3:1的短切玄武岩纤维和短切聚丙烯纤维的混合物。
进一步的，所述玄武岩纤维直径为7-20 µm ，单丝长度为5-20 mm，密度为2-3g/cm3，聚丙烯纤维直径为9-30 µm，单丝长度为3-8 mm，密度为1-2 g/cm3。
进一步的，所述硅酸钠溶液的波美度优选为35-40°Bé。
进一步的，所述粘性高聚物为丙烯酸酯聚合物、乙烯-醋酸乙烯共聚物和聚乙烯醇中的至少一种，所述丙烯酸酯聚合物平均分子量大于等于2000，所述乙烯-醋酸乙烯共聚物平均分子量大于等于2000，所述聚乙烯醇平均分子量大于等于110000，优选的为质量比为1:1:1-1:2:1的丙烯酸酯聚合物、乙烯-醋酸乙烯共聚物和聚乙烯醇的混合物。
丙烯酸酯聚合物、乙烯-醋酸乙烯共聚物及聚乙烯醇能与浆液一中的水化产物发生交联反应，形成空间三维网状结构，均能够填补浆液一结石体中较大的空/孔隙；丙烯酸酯聚合物能够增强聚合物-水泥界面的防水渗透效果，乙烯-醋酸乙烯共聚物能够提高其与浆液一结石体的界面黏结力与界面强度；聚乙烯醇溶于水、成膜性好，可起到水溶性胶粘增稠作用；粘性高聚物够提高盾构壁后双液浆结石体的断裂韧性与抗渗性。此外，粘性高聚物与短切纤维搭配能够进一步提高盾构壁后双液浆结石体的抗拉/抗折强度及断裂韧性，进一步减少结石体及充填体有害裂纹的数量，使充填加固体趋于整体性而不易局部破裂失效，更有利于防控盾构管片上浮及地层变形。
本发明还提供了上述高水压超大直径水下盾构隧道双液注浆浆液的制备工艺，其包括以下步骤：
（1）将硅酸盐水泥熟料、高炉矿渣、钢渣及石灰石尾矿分别破碎，球磨至最大粒径小于120 μm，然后分别干燥常温放置，备用；
（2）将粉磨后的硅酸盐水泥熟料微粉和粒化高炉矿渣微粉混合，在150-250r/min下搅拌60-80 s，得到均匀的混合物Ⅰ；
（3）将粉煤灰、钢渣微粉、膨润土、石灰石尾矿粉混合，在150-250r/min下搅拌60-80 s，得到均匀的混合物Ⅱ；
（4）将减水剂与部分水混合，在350-450r/min下搅拌20-30s，得到外加剂1溶液。将纤维素与部分水混合，在350-450r/min下搅拌20-30s，得到外加剂2溶液；
（5）将剩余的水、混合物Ⅰ和混合物Ⅱ混合，在450-550 r/min下搅拌120-140s，得到混合物Ⅲ；
（6）将外加剂1溶液和外加剂2溶液加入步骤（5）的混合物Ⅲ中，在450-550 r/min下搅拌120-180s，混合均匀，得浆液一；
（7）在硅酸钠溶液中加入粘性高聚物，在550-700 r/min下搅拌120-150s，得到液体混合物IV；
（8）在液体混合物IV中加入短切纤维，在550-700 r/min下搅拌150-180s，得到浆液二；
进一步的，本发明还提供了上述水下盾构隧道双液注浆浆液在高水压超大直径水下盾构隧道掘进施工中的应用，地下水压大于等于0.5MPa，盾构机直径大于等于14m，该双液注浆浆液具有抗高压动水分散性强、泥水充填留存率高、强度高、抗裂高韧性、抗渗性强等特点，可有效解决双液堵管、难以清洗难题，能够有效防止管片上浮、保持水下土层整体稳定，满足施工要求。
进一步的，本发明高水压超大直径水下盾构隧道双液注浆浆液适用于跨江、跨海、跨河、跨湖等水下盾构隧道工程中的高水压细-中-粗砂地层、高水压黏性土地层、高水压粉质砂土地层等高水压软土地层。
本发明还提供了上述高水压超大直径水下盾构隧道双液注浆浆液的水下盾构隧道壁后双液注浆工艺，该工艺包括将上述高水压超大直径水下盾构隧道双液注浆浆液加入同步注浆系统中进行同步注浆的流程。
进一步的，所用同步注浆系统包括6个同步注浆单元，每个同步注浆单元包括一根双液浆输送管，所述双液浆输送管上设有浆液一入口和冲刷液入口，浆液一入口和冲刷液入口分别与浆液一输送管和冲刷液输送管相连，浆液一输送管与浆液二储罐相连，冲刷液输送管与冲刷液储罐相连；所述浆液一输送管上设有浆液二入口，所述浆液二入口与浆液二输送管相连，浆液二输送管与浆液二储罐相连，浆液二输送管的出液口处设有第一注浆口；所述双液浆输送管中设有能沿双液浆输送管移动的混合搅拌泵，混合搅拌泵的顶部设有入料口，混合搅拌泵与浆液输送方向相同的一侧设有出料口，出料口上设有第二注浆口。
进一步的，浆液一入口和冲刷液入口分别位于双液输送管的两侧，且浆液一入口比冲刷液入口离双液输送管的出液口更近。
进一步的，混合搅拌泵的外径与双液浆输送管的内径尺寸相当。
进一步的，所述浆液一输送管、浆液二输送管和冲刷液输送管上都设有转料泵。
进一步的，所述双液浆输送管位于土体（或水）和管片之间的间隙中，用于将双液浆充填在土体（或水）和管片的空隙中。
进一步的，各同步注浆单元均匀分布，围绕成一个圆形，各同步注浆单元的双液浆输送管也围绕成一个圆形，各双液浆输送管均匀分布，位于土体（或水）和管片之间的间隙中。注浆时，将浆液一和浆液二分别加入各同步注浆单元的浆液一储罐和浆液二储罐中，浆液一和浆液二按照1:1-10:1的体积比在混合搅拌泵中进行混合，混合后的双液浆从6个双液浆输送管中同时流出，注浆后，将混合搅拌泵移至双液浆输送管的出液口处，将冲刷液泵入浆液一输送管。注浆压力为0.5-0.9 MPa，注浆量控制在100-200 L/min。
进一步的，浆液一和浆液二的体积比优选为3:1-10:1。
进一步的，本发明开发了盾尾同步六点位的双液注浆工艺，该注浆工艺与管片3+2+1拼接模式相同步对应，双液注浆充填效果良好。同时控制注浆压力在0.5-0.9 MPa，注浆量控制在100-200 L/min，每环注浆率达150-250%。
本发明具有以下有益效果：
1、本发明通过配方中各原料的协同搭配，得到了性能优异的双液注浆浆液，硅酸盐水泥熟料和高炉矿渣遇水发生水化反应，形成了水化硅酸钙胶凝及钙凡石等矿物，其中，高炉矿渣优化了水泥基浆液的孔结构，提高了抗渗性能，并形成更多的钙凡石，减少了体内的Ca（OH）2，提高了抗渗性及耐久性。当混合物Ⅱ与混合物Ⅰ发生反应时，混合物Ⅰ中的Ca（OH）2会不断促进混合物Ⅱ中的钢渣微粉的解离，随着水化时间的增长，水化产物中的Ca（OH）2不断的被钢渣微粉消耗，不仅提高了浆液后期的强度，还进一步提高了抗渗、抗离子侵蚀的能力，另一方面，由于混合物Ⅱ中的石灰石尾矿粉化学成分为CaCO3，CaCO3具有一定的水化活性，有利于促进混合物Ⅰ中的反应，同时，石灰石尾矿粉比混合物Ⅰ水化产物的孔隙小，充填了该混合物Ⅰ水化产物的孔隙，使注浆浆液更加致密，提高了该浆液的强度。进一步的，混合物Ⅱ中的粉煤灰改变了混合物Ⅰ中的流变性质和初始结构，使该浆液能够更加润滑，提高其流动性。进一步的，混合物Ⅱ中的膨润土的颗粒填充效果、吸水特性等可以降低浆液的孔隙率，能够增加泥水环境充填留存率，更好地填充、细化水化产物中的孔隙，起到了更好的充填、防水、抗渗的作用。
2、本发明在浆液一中加入复合优化剂，包括减水剂及纤维素。减水剂可以提高浆液流动性，保证了浆液一长期流动在管道中，可使浆液一的凝结时间控制在合理范围内，能够防止浆液一堵管、难以清洗等难题。减水剂与纤维素的合理搭配既能够提高浆液一的泵送性，又能够增强软土地层中浆液一的抗高压动水冲刷性，同时能够增大泥水环境中浆液一的结石率与留存充填率。三者的合理搭配能够使双液浆均匀包裹在管片周围，浆液一的泵送流动性、抗动水分散性、结石率及胶凝时间等均能达到施工要求。
3、跨江、跨海、跨河等高水压超大直径水下盾构隧道双液注浆过程中，双液浆充填体为脆性体，亟需进行增韧、抗裂、抗变形、防渗优化处理。浆液二以硅酸钠溶液为基体，加入短切玄武岩纤维或聚丙烯纤维或玄武岩纤维和聚丙烯纤维的混合物，以及粘性高聚物；以上优化搭配不仅能够使双液浆迅速凝结-留存-充填、提高充填体的抗拉/抗折/抗弯强度、断裂韧性，而且能够提高充填体的防水渗透效果，使充填加固体趋于整体性而不易局部破裂失效。
4、对于高水压超大直径水下盾构隧道，若浆液不能及时充填盾构间隙时，易导致管盾构片上浮和土层变形显著。本发明双液浆具有泵送流动性好、抗动水分散性强、泥水充填率高、强度高、抗裂高韧性、抗渗性强等特点，能够有效防止管片上浮，起到高效充填加固作用。经试验验证，双液浆抗高压动水冲刷留存率≥95%，高压泥水环境充填率≥98%，28d结石体抗压强度最高达36MPa，双液浆胶凝时间≤3min；双液浆结石体水陆强度比≥90%。
5、本发明优化了破碎-粉磨-筛分-分组混合-级配调整的粉体原材制备工艺；优化了分级、分速率搅拌工艺，浆液一、浆液二分别采用了低速率分级搅拌、高速分级搅拌的搅拌工艺；浆液一、浆液二的体积比控制为1:1-10:1，形成双液盾构系统混合工艺；基于以上，形成了本发明盾构双液浆的制备工艺，经试验验证，其确保了该双液浆同等条件下最优的工作性能。
6、本发明开发了盾尾六点位双液注浆工艺，该注浆工艺与管片3+2+1拼接模式相对应，同步双液浆完全均匀分布在管片周围；注浆压力为0.5-0.9 MPa，注浆量控制为100-200 L/min，每环注浆率达150-250%。以上高水压超大直径水下盾构隧道双液注浆工艺基于工程应用难题，确保了水下盾构机高效完成注浆及冲洗过程，使本发明双液浆更有效地充填加固、防控管片上浮及控制软土地层变形。
7、本发明双液注浆浆液及其配套的浆液制备工艺与注浆工艺，能够适用于跨江、跨海、跨河、跨湖等高水压（≥0.5MPa）、超大直径（≥14m）的水下盾构隧道工程中，适用地层包括高水压的细-中-粗砂地层、黏性土地层、粉质砂土地层等多种高水压软土地层，工程适用性广、难度大，本发明够高效充填加固、防渗、防止管片上浮及确保软土层稳定，应用推广效果良好。
附图说明
为了更清楚的说明同步注浆系统的整个注浆过程，下面对应用技术进行简单的附图说明，下面示图仅为示例图，皆在对本申请的进一步说明。除非本文另有指明，本文所使用的技术和科学术语具有与本领域所属技术人员通常理解的相同含义。
图1为高水压超大直径水下盾构隧道双液注浆浆液制备工艺示意图。
图2为水下盾构隧道同步注浆单元在注浆前的结构示意图。
图3为水下盾构隧道同步注浆单元在注浆时的结构示意图。
图4为水下盾构隧道同步注浆单元在注浆后的结构示意图。
图5为水下盾构隧道盾尾六点同步注浆示意图。
图6为水下盾构隧道注浆后充填模式示意图。
图中，1、浆液一输送管，2、浆液二输送管，3、冲刷液输送管，4、双液浆输送管，5、转料泵，6、浆液一储罐，7、混合搅拌泵，8、第一注浆口，9、第二注浆口，10、浆液一入口，11、冲刷液入口，12、浆液二储罐，13、冲刷液储罐，14、管片，15、土体，16、浆液，17、盾壳。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明实施例作进一步详细说明。应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
下述实施例中，所使用的硅酸盐水泥熟料经过破碎、球磨满足80 µm方孔筛筛余≤4%。
下述实施例中，所使用的粒化高炉矿渣经过破碎、球磨满足密度≥2.8 g/cm3，比表面积满足≥400 m2/kg，含水量≤1%。
下述实施例中，所使用的粉煤灰为二级粉煤灰，满足45 µm筛余量在12%-20%之间；需水量比在95%-100%之间；含水量满足≤1%。
下述实施例中，所使用的钢渣微粉满足比表面积≥350 m2/kg，游离氧化钙的含量≤3%。
下述实施例中，所使用的膨润土为钠基膨润土；
下述实施例中，所使用的石灰石尾矿粉满足碳酸钙质量分数≥80%，氧化铝质量分数≤2%。
下述实施例中，所使用的纤维素为粘度为10万的工业羟丙基甲基纤维素。
下述实施例中，所使用玄武岩纤维满足短切直径7-20 µm ，单丝长度在5-20 mm，密度2.7 g/cm3，聚丙烯纤维满足短切直径9-30 µm，单丝长度3-8 mm，密度1.18 g/cm3。
下述实施例中，所使用的粘性高聚物为丙烯酸酯聚合物、乙烯-醋酸乙烯共聚物、聚乙烯醇中的至少一种。
下述实施例中，所用的硅酸钠溶液的波美度为35-40°Bé，该硅酸钠溶液由水玻璃和水配制而成。
实施例1
一种高水压超大直径水下盾构隧道双液注浆浆液，由浆液一和浆液二组成，所述浆液一由以下重量份的原料制成：硅酸盐水泥熟料42份；粒化高炉矿渣22份；粉煤灰30份；钢渣21份；膨润土8份；石灰石尾矿7份；减水剂1份；纤维素1.2份；水灰比为1:1；所述浆液二由以下重量份的原料制成：短切纤维3份；硅酸钠溶液98份；粘性高聚物3.5份。所述减水剂为质量比3：2为萘系减水剂和聚羧酸减水剂的混合液，所述短切纤维为质量比为2:1的短切玄武岩纤维和短切聚丙烯纤维的混合物，所述的粘性高聚物为质量比1:1.5:1的丙烯酸酯聚合物、乙烯-醋酸乙烯共聚物和聚乙烯醇的混合物。
该双液注浆浆液的制备工艺为：
（1）将硅酸盐水泥熟料、粒化高炉矿渣、钢渣及石灰石尾矿分别破碎，球磨至最大粒径小于120 μm，然后分别干燥常温放置，备用；
（2）将粉磨后的硅酸盐水泥熟料微粉和粒化高炉矿渣微粉混合，在150-250r/min下搅拌60-80 s，得到均匀的混合物Ⅰ；
（3）将粉煤灰、钢渣微粉、膨润土、石灰石尾矿粉混合，在150-250r/min下搅拌60-80 s，得到均匀的混合物Ⅱ；
（4）将减水剂与部分水混合，在350-450r/min下搅拌20-30s，得到外加剂1溶液；将纤维素与部分水混合，在350-450r/min下搅拌20-30s，得到外加剂2溶液；
（5）将剩余的水、混合物Ⅰ和混合物Ⅱ混合，在450-550 r/min下搅拌120-140s，得到混合物Ⅲ；
（6）将外加剂1溶液和外加剂2溶液加入步骤（5）的混合物Ⅲ中，在450-550 r/min下搅拌120-180s，混合均匀，得浆液一；
（7）在硅酸钠溶液中加入粘性高聚物，在550-700 r/min下搅拌120-150s，得到液体混合物IV；
（8）在液体混合物IV中加入短切纤维，在550-700 r/min下搅拌150-180s，得到浆液二。
当浆液一与浆液二混合后，能够在极短的时间内达到凝结，通过倒杯法验证浆液一与浆液二按照不同的体积比混合后的凝结时间，结果如下表1所示。
倒杯法的方法为：将一定量的浆液一和浆液二分别放置于两个烧杯中，将两个烧杯重复交替进行倒杯，直至烧杯倾斜45°浆液无法流动为止，所用时间即双液胶凝时间。
Figure 735439DEST_PATH_IMAGE001
从上表1可以看出，当浆液一与浆液二在1-10:1的体积比范围内，具有较好的双液胶凝时间，且浆液一占比越大，双液胶凝时间越短。
将表1中按照不同体积比混合得到的双浆液倒入40mm×40mm×160mm尺寸的模具成型处理，得到样品，将各样品在湿度98%、温度20±2℃的恒温环境下进行养护，然后按照GBT17671-1999《水泥胶砂强度检验方法（ISO法）》的试验方式测定其3d、28d的抗折强度和抗压强度，结果如下表2所示。
Figure 121421DEST_PATH_IMAGE002
从上表结果看，浆液一与浆液二体积比达到5:1时，强度最大，体积比1:1时强度最小，其余体积比强度适中。基于浆液需要快速充填间隙同时强度需要到达理想状态的考虑，优选的，浆液一与浆液二体积比控制为3：1-10：1。
以浆液一与浆液二体积比为5：1混合得到的双浆液为例，对其泌水率、流动度、化学胶凝时间、终凝时间、陆地抗压强度(MPa)、水中抗压强度(MPa)、水陆强度比(%)、抗折强度（MPa）、抗高压动水冲刷留存率(%)、高压泥水环境充填率(%)进行测试，方法如下：
泌水率测试方式：参照GBT25182-2010《预应力孔道灌浆剂》的试验方法进行，往100ml量筒中注入90mL±2mL浆液一浆液，放置在水平面上，并用保鲜膜封严，放置2h后读取离析水面高度a2和注浆浆液面a1。计算注浆浆液2h的泌水率，计算公式为：
Figure 871465DEST_PATH_IMAGE003
。
流动度测试方式：参照GBT50488-2015《水泥基灌浆材料应用技术规范》的试验方法进行，将上口径70mm、高60mm、下口径100mm的金属截锥圆模放在500mm×500mm的玻璃板中心，把搅拌好的浆液一浆液迅速灌满截锥圆模，抹平后徐徐提起截锥圆模，使浆液一浆液在无扰动情况下自由流动至停止。采用钢尺测量底面的最大扩散直径与之垂直方向的直径，取平均值作为浆液的流动度值。
双液胶凝时间测试方式：参考倒杯法的试验方法进行，将一定量的浆液一和浆液二分别放置于两个烧杯中，将两个烧杯重复交替进行倒杯，直至烧杯倾斜45°浆液无法流动为止，所用时间即化学胶凝时间。
浆液一凝结时间测试方式：参考GBT 1346-2011《水泥标准用量水、凝结时间、安定性检验方法》，采用凝结时间维卡仪进行注浆浆液的初中凝时间测定，将制备好的浆液一浆液装满标准试模，试模下端放有玻璃板；当初凝试针自由下落至距地面玻璃板4±1mm时，浆液一浆液达到初凝状态，完成初凝时间测定后，将试模从玻璃板终取下，翻转180°，将试样放置在装有终凝试针的标准维卡仪下，调整终凝试针使其于材料表面刚好接触，使终凝试针自由缓慢下降，当终凝试针沉入浆液结石体的沉入深度0.5mm，到达终凝状态，由开始制备浆液时刻至终凝状态的时间段为浆液一注浆浆液的终凝时间。
陆地抗压强度测试方式：参考DLT5117-2000《水下不分散混凝土试验规程》的试验方法进行，试验采用试模尺寸为70.7mm×70.7mm×70.7mm的立方体三联模。将不同混合比的浆液一和浆液二均匀倒入立方体三联模中。将试模放于标准养护箱内养护，待达到相应的龄期进行抗压强度测定，得P陆地。
水中抗压强度测试方式：参考DLT5117-2000《水下不分散混凝土试验规程》的试验方法进行，试验采用试模尺寸为70.7mm×70.7mm×70.7mm的立方体三联模。将不同混合比的浆液一和浆液二均匀倒入立方体三联模中。将试模放于（20±3）℃的水箱中进行养护，待达到相应龄期后，将试件从水中取出分进行抗压强度试验，得P水中。
水陆强度比值的高低代表注浆材料抗水分散性的大小，水陆强度比计算公式：
Figure 735516DEST_PATH_IMAGE004
。
抗折强度测试方式：参考GBT17671-1999《水泥胶砂强度检验方法（ISO法）》的试验方法进行，试模采用40mm×40mm×160mm的金属三联模，将拌制好的浆液装入试模中并抹平，室温放置2d后拆模，然后放置于砂浆标准养护箱养护。待3d、28d后取出试件进行抗折试验。
抗高压动水冲刷留存率测试方法：进行双液浆动水冲刷试验，将双浆液按不同配比、水灰比及双液体积比等变量制备双液浆，基于盾构隧道注浆工程实际施工情况，双液体积比选用1-10:1，待双液接触1 min后，放入动水水流中，动水冲刷时间设定为10 min，动水压力分别定为0.5-0.9 MPa。分别测定试样m0与mi，其中，m0为静水环境下试样的剩余质量，mi(i=1,2,3…)为某水压动水条件下试样的剩余质量。
试样留存率的比值的高低代表注浆浆液抗高压动水的能力，试样留存率计算公式：
Figure 18730DEST_PATH_IMAGE005
高压泥水环境充填率测试方法：采用模型试验装置方式进行测试。模型试验装置为1.2m×0.8m×0.8m，试验箱顶部装配千斤顶，内部含有盾壳、管片、泥水地层，以用来模拟真实的高压泥水环境，将双浆液按不同配比、水灰比及双液体积比等变量制备双液浆。盾壳采用前进式，在盾壳推进一环宽度管片设计时间内，将双液浆进行充填空隙形成。待24小时后，取出结石体并计算结石体的体积V1，进一步计算一环管片与盾壳之间的体积V2。
充填率的比值的高低代表注浆浆液在泥水环境下充填性的能力。充填率计算公式:
Figure 310034DEST_PATH_IMAGE006
：
结果如下表3所示：
Figure 45909DEST_PATH_IMAGE008
实施例2
一种高水压超大直径水下盾构隧道双液注浆浆液，由浆液一和浆液二组成，其中减水剂为聚羧酸减水剂，纤维素为羟丙基甲基纤维素，短切纤维为短切玄武岩纤维，粘性高聚物为丙烯酸酯聚合物，除此之外同实施例1。
双液注浆浆液的制备工艺同实施例1。
将浆液一和浆液二按照5:1的体积比混合，按照实施例1的方法对混合后的双浆液的性能进行测试，结果如下表4所示：
Figure 713650DEST_PATH_IMAGE010
实施例3
一种高水压超大直径水下盾构隧道双液注浆浆液，由浆液一和浆液二组成，其中减水剂为萘系减水剂，纤维素为羟丙基甲基纤维素，短切纤维为短切聚丙烯纤维，粘性高聚物为乙烯-醋酸乙烯共聚物，除此之外同实施例1。
双液注浆浆液的制备工艺同实施例1。
将浆液一和浆液二按照5:1的体积比混合，按照实施例1的方法对混合后的双浆液的性能进行测试，结果如下表5所示：
Figure 851371DEST_PATH_IMAGE012
实施例4
一种高水压超大直径水下盾构隧道双液注浆浆液，浆液一和浆液二组成同实施例1。
该双液注浆浆液的制备工艺为：依次将硅酸盐水泥熟料、粒化高炉矿渣粉、粉煤灰、膨润土、石灰石尾矿粉，钢渣微粉加入搅拌锅中，在200 r/min下进行搅拌2min，搅拌过程中加入减水剂、纤维素，最后，将水放入搅拌锅中，在200 r/min下均匀混合搅拌10分钟，得到浆液一；浆液二的制备同实施例1。
将浆液一和浆液二按照5:1的体积比混合，按照实施例1的方法对混合后的双浆液的性能进行测试，结果如下表6所示：
Figure 313576DEST_PATH_IMAGE014
实施例5
一种高水压超大直径水下盾构隧道双液注浆浆液，由浆液一和浆液二组成，所述浆液一由以下重量份的原料制成：硅酸盐水泥熟料35份；粒化高炉矿渣15份；粉煤灰24份；钢渣15份；膨润土5份；石灰石尾矿4份；减水剂0.3份；纤维素0.5份；水灰比为1:1。其中，减水剂与实施例1相同，浆液二与实施例1相同。
双液注浆浆液的制备工艺同实施例1。
将浆液一和浆液二按照5:1的体积比混合，按照实施例1的方法对混合后的双浆液的性能进行测试，结果如下表7所示：
Figure 35282DEST_PATH_IMAGE016
实施例6
一种高水压超大直径水下盾构隧道双液注浆浆液，由浆液一和浆液二组成，所述浆液一由以下重量份的原料制成：硅酸盐水泥熟料45份；粒化高炉矿渣25份；粉煤灰35份；钢渣25份；膨润土15份；石灰石尾矿粉10份；减水剂2份；纤维素2.5份；水灰比为1:1。其中，减水剂与实施例1相同，浆液二与实施例1相同。
双液注浆浆液的制备工艺同实施例1。
将浆液一和浆液二按照5:1的体积比混合，按照实施例1的方法对混合后的双浆液的性能进行测试，结果如下表8所示：
Figure 241135DEST_PATH_IMAGE017
实施例7
一种高水压超大直径水下盾构隧道双液注浆浆液，由浆液一和浆液二组成，浆液一原料组成为（重量份）：硅酸盐水泥熟料42份；粒化高炉矿渣22份；粉煤灰30份；钢渣21份；膨润土8份；石灰石尾矿7份；减水剂1份；纤维素1.2份；水灰比为1.5：1。浆液二原料组成为（重量份）：短切纤维3份；粘性高聚物1.5份；硅酸钠溶液99份。其中，减水剂，纤维素与实施例一相同。粘性高聚物为聚乙烯醇。
双液注浆浆液的制备工艺同实施例1。将浆液一和浆液二按照3:1的体积比混合，按照实施例1的方法对混合后的双浆液的性能进行测试，结果如下表9所示：
Figure 233362DEST_PATH_IMAGE019
实施例8
一种高水压超大直径水下盾构隧道双液注浆浆液，浆液一和浆液二组成，浆液一原料组成为（重量份）：硅酸盐水泥熟料42份；粒化高炉矿渣22份；粉煤灰30份；钢渣21份；膨润土8份；石灰石尾矿7份；减水剂1份；纤维素1.2份；水灰比为0.8：1；浆液二原料组成为（重量份）：短切纤维3份；粘性高聚物1.5份；硅酸钠溶液96份。其中，减水剂，纤维素与实施例一相同。其中，粘性高聚物为聚乙烯醇。
双液注浆浆液的制备工艺同实施例1。将浆液一和浆液二按照10:1的体积比混合，按照实施例1的方法对混合后的双浆液的性能进行测试，结果如下表10所示：
Figure DEST_PATH_IMAGE021
对比例1
按照实施例1的配方和方法制备高水压超大直径水下盾构隧道双液注浆浆液，不同的是：浆液一由以下重量份的原料制成：硅酸盐水泥熟料42份；粉煤灰30份；膨润土8份；减水剂1份；水灰比为1:1。
将浆液一和浆液二按照5:1的体积比混合，按照实施例1的制备工艺对混合后的双浆液的性能进行测试，结果如下表11所示：
Figure DEST_PATH_IMAGE022
对比例2
按照实施例1的配方和方法制备高水压超大直径水下盾构隧道双液注浆浆液，不同的是：浆液一中不含纤维素，浆液二中不含短切纤维和粘性高聚物。
将浆液一和浆液二按照5:1的体积比混合，按照实施例1的制备工艺对混合后的双浆液的性能进行测试，结果如下表12所示：
Figure DEST_PATH_IMAGE023
应用例
本发明的双液注浆浆液可以用于高水压超大直径水下软土地层盾构隧道注浆工程。该双液注浆浆液可以通过一种适合于双液浆的水下盾构隧道同步注浆系统进行同步注浆，如图5所示，该同步注浆系统包括6个同步注浆单元，每个同步注浆单元包括浆液一输送管、浆液二输送管、冲刷液输送管和双液浆输送管。所述双液浆输送管为一根直管，所述双液浆输送管连接在土体等和管片之间的间隙中，用于将双液浆充填在土体等和管片的空隙中。双液浆输送管的一端封闭，一端为出液口，双液浆输送管上设有浆液一入口和冲刷液入口，浆液一入口和冲刷液入口分别位于双液浆输送管的两侧，且浆液一入口比冲刷液入口离双液浆输送管的出液口更近。在双液浆输送管内还设置有可以沿双液浆输送管径向移动的混合搅拌泵，混合搅拌泵的顶部设有入料口，混合搅拌泵与双液浆输送管出液口相同的一侧设有出料口，出料口上设有第二注浆口。混合搅拌泵的外径与双液浆输送管的内径尺寸相同或接近相同。
所述浆液一入口与浆液一输送管相连，浆液一输送管的另一端与浆液一储罐相连。在浆液一输送管上设有浆液二入口，所述浆液二入口与浆液二输送管相连，浆液二输送管的另一端与浆液二储罐相连，浆液二输送管的出液口处设有第一注浆口。在浆液一输送管和浆液二输送管上均设有转料泵。如图2所示，在注浆之前，混合搅拌泵位于冲刷液入口处，如图3所示，注浆时，双液浆输送管中的混合搅拌泵移动到浆液一入口处，通过转料泵将浆液一和浆液二按照一定体积泵入混合搅拌泵中，搅拌均匀后的双液浆从混合搅拌泵的第二注浆口流出，最终通过双液浆输送管出液口灌注在管片和土体等形成的空隙中。
所述冲刷液入口与冲刷液输送管相连，冲刷液输送管的另一端与冲刷液储罐相连。冲刷液输送管上也设有转料泵。如图4所示，一环管片注浆完成后，混合搅拌泵移至双液浆输送管的出液口处，将双液浆输送管出液口堵住，然后通过转料泵将冲刷液泵入浆液一输送管中，对其进行冲刷，以防止浆液一输送管堵管影响下一环管片的注浆。
进一步的，采用上述同步注浆系统对本发明双液注浆浆液进行同步注浆时，采用的是盾尾注浆，注浆示意图如图5所示。本发明采用盾尾6点同步注双液浆点位，各同步注浆单元均匀分布，围绕成一个圆形，各同步注浆单元的双液浆输送管也围绕成一个圆形，各双液浆输送管均匀分布，位于土体（或水）和管片之间的间隙中。注浆时，将浆液一和浆液二分别加入各同步注浆单元的浆液一储罐和浆液二储罐中，浆液一和浆液二按照1：1-10：1（优选3:1-10:1）的体积比在混合搅拌泵中进行混合，混合后的双液浆从6个双液浆输送管中同时流出，注浆压力为0.5-0.9 MPa，注浆量控制在100-200 L/min。该注浆方式与管片3+2+1拼接模式相对应，注浆充填良好，每环注浆率达150-250%。
具体注浆及清洗步骤如下：
1、将混合搅拌泵移动到浆液一入口处，调节浆液一和浆液二的流量，使浆液一和浆液二按照一定的体积比混合进入混合搅拌泵。
2、混合搅拌泵将浆液一和浆液二混合均匀，通过第二注浆口注入土体和管片之间的间隙中，图6为注浆后所达到的充填状态，双液浆均匀的包围在管片周围，管片与土体无接触。
3、一环管片注浆完成后，将混合搅拌泵右移，然后将冲刷液沿冲刷液输送管和双液浆输送管进入浆液一输送管，对浆液一输送管进行冲刷，以防止管路堵塞影响下一环管片注浆。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、同等替换、改进，均应包换在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种高水压超大直径水下盾构隧道双液注浆浆液，其特征是：由浆液一和浆液二组成，所述浆液一由以下重量份的原料制成：硅酸盐水泥熟料35-45 份，粒化高炉矿渣15-25份，粉煤灰24-35 份，钢渣15-25 份，膨润土5-15 份，石灰石尾矿粉4-10 份，减水剂0.3-2份，纤维素0.5-2.5 份，水用量满足水灰比为0.8:1-1.5:1；所述浆液二由以下重量份的原料制成：短切纤维0.2-3.8 份、硅酸钠溶液96-99份、粘性高聚物0.8-4.8份。
2.根据权利要求1所述的双液注浆浆液，其特征是：所述减水剂为萘系减水剂或/和聚羧酸减水剂，优选为质量比为3：1-2的萘系减水剂和聚羧酸减水剂的混合物；所述的短切纤维为玄武岩纤维或/和聚丙烯纤维，优选为质量比为2-3:1的短切玄武岩纤维和短切聚丙烯纤维的混合物；所述粘性高聚物为丙烯酸酯聚合物、乙烯-醋酸乙烯共聚物和聚乙烯醇中的至少一种，优选的为质量比为1:1:1-1:2:1的丙烯酸酯聚合物、乙烯-醋酸乙烯共聚物和聚乙烯醇的混合物。
3.根据权利要求2所述的双液注浆浆液，其特征是：所述玄武岩纤维直径为7-20 µm ，单丝长度为5-20 mm，密度为2-3g/cm3，聚丙烯纤维直径为9-30 µm，单丝长度为3-8 mm，密度为1-2 g/cm3。
4.根据权利要求1所述的双液注浆浆液，其特征是：所述膨润土为钠基膨润土；所述纤维素为粘度为10万的羟丙基甲基纤维素；所述硅酸钠溶液的波美度为35-40°Bé。
5.根据权利要求1所述的双液注浆浆液，其特征是：所述硅酸盐水泥熟料经80 µm筛筛余≤4 %；所述粒化高炉矿渣密度≥2.8 g/cm3，比表面积≥400 m2/kg，含水量≤1%；所述粉煤灰为二级灰，其经45 µm筛筛余为12~20%，需水量比为95~100 %，含水量≤1%；所述钢渣微粉比表面积≥350 m2/kg，游离氧化钙的含量≤3 %；所述石灰石尾矿粉中碳酸钙质量分数≥80 %，氧化铝质量分数≤2 %。
6.一种权利要求1-5中任一项所述的高水压超大直径水下盾构隧道双液注浆浆液的制备工艺，其特征是包括以下步骤：
（1）将硅酸盐水泥熟料、粒化高炉矿渣、钢渣及石灰石尾矿分别破碎，球磨至最大粒径小于120 μm，然后分别干燥常温放置，备用；
（2）将粉磨后的硅酸盐水泥熟料微粉和粒化高炉矿渣微粉混合，在150-250r/min下搅拌60-80 s，得到均匀的混合物Ⅰ；
（3）将粉煤灰、钢渣微粉、膨润土、石灰石尾矿粉混合，在150-250r/min下搅拌60-80 s，得到均匀的混合物Ⅱ；
（4）将减水剂与部分水混合，在350-450r/min下搅拌20-30s，得到外加剂1溶液；将纤维素与部分水混合，在350-450r/min下搅拌20-30s，得到外加剂2溶液；
（5）将剩余的水、混合物Ⅰ和混合物Ⅱ混合，在450-550 r/min下搅拌120-140s，得到混合物Ⅲ；
（6）将外加剂1溶液和外加剂2溶液加入步骤（5）的混合物Ⅲ中，在450-550 r/min下搅拌120-180s，混合均匀，得浆液一；
（7）在硅酸钠溶液中加入粘性高聚物，在550-700 r/min下搅拌120-150s，得到液体混合物IV；
（8）在液体混合物IV中加入短切纤维，在550-700 r/min下搅拌150-180s，得到浆液二。
7.一种权利要求1-5中任一项所述的高水压超大直径水下盾构隧道双液注浆浆液在高水压超大直径水下盾构隧道掘进施工中的应用，其特征是：用于地下水压大于等于0.5MPa、直径大于等于14m的水下盾构隧道掘进施工，适用地层包括高水压的细-中-粗砂地层、高水压黏性土地层、高水压粉质砂土地层。
8.一种高水压超大直径水下盾构隧道双液注浆浆液的水下盾构隧道壁后双液注浆工艺，其特征是：包括将权利要求1-5中任一项所述的高水压超大直径水下盾构隧道双液注浆浆液加入同步注浆系统中进行同步注浆的步骤，浆液一和浆液二的体积比为1：1-10：1，优选为3：1-10：1。
9.根据权利要求8所述的高水压超大直径水下盾构隧道壁后双液注浆工艺，其特征是：所用的同步注浆系统包括6个同步注浆单元，每个同步注浆单元包括双液浆输送管，所述双液浆输送管上设有浆液一入口和冲刷液入口，浆液一入口和冲刷液入口分别与浆液一输送管和冲刷液输送管相连，浆液一输送管与浆液一储罐相连，冲刷液输送管与冲刷液储罐相连；所述浆液一输送管上设有浆液二入口，所述浆液二入口与浆液二输送管相连，浆液二输送管与浆液二储罐相连，浆液二输送管的出液口处设有第一注浆口；所述双液浆输送管中设有能沿双液浆输送管移动的混合搅拌泵，混合搅拌泵的顶部设有入料口，混合搅拌泵与双液浆输送管出液口相同的一侧设有出料口，出料口上设有第二注浆口。
10.根据权利要求8所述的高水压超大直径水下盾构隧道壁后双液注浆工艺，其特征是：浆液一入口和冲刷液入口分别位于双液输送管的两侧，且浆液一入口比冲刷液入口离双液浆输送管的出液口更近；
优选的，所述浆液一输送管、浆液二输送管和冲刷液输送管上都设有转料泵；
优选的，各同步注浆单元均匀分布，围绕成一个圆形，注浆时，将浆液一和浆液二分别加入各同步注浆单元的浆液一储罐和浆液二储罐中，浆液一和浆液二进入混合搅拌泵中进行混合，混合后的双液浆从6个双液浆输送管中同时流出，注浆压力为0.5-0.9 MPa，注浆量控制在100-200 L/min。
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