CN116217176A - 可防止管片上浮的同步注浆材料及其应用 - Google Patents
可防止管片上浮的同步注浆材料及其应用 Download PDFInfo
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Abstract
本申请公开了一种可防止管片上浮的同步注浆材料及其制备方法，旨在解决现阶段同步浆液注浆的实际可操作性较差，难以达到控制管片上浮的技术问题。本发明同步注浆材料由A液和B液制备而成，其中A液为：水泥、砂、粉煤灰、膨润土、水，B液为800‑1200万分子量的聚丙烯酰胺的水溶液。该方法制备的同步注浆材料固结后体积收缩小，泌水率小，针对管片上浮问题能够取得明显有效的控制，能够节约大量成本、减少工序转换、降低人员配置、减少材料种类、缩短工序时间、提升盾构掘进效率。
Description
技术领域
本申请涉及盾构施工技术领域，具体涉及一种可防止管片上浮的注浆材料及其应用。
背景技术
盾构同步注浆是一种地下隧道施工技术，它结合了盾构掘进和注浆技术。在施工过程中，盾构机会掘进隧道，同时，注浆设备会将混凝土和注浆材料注入隧道周围的土层中，从而加固隧道的稳定性和密封性。盾构同步注浆技术可以有效地提高隧道施工的安全性和效率。它可以减少隧道施工过程中的土体塌落和沉降，同时，还可以增加隧道的承载能力和抗水压能力。
盾构同步注浆技术在近年来得到了广泛的应用和推广，取得了一定的进展和成果。随着技术的不断完善和发展，盾构同步注浆技术的施工效率和工程质量得到了不断提高。然而，盾构同步注浆施工过程中，如何控制管片上浮一直是盾构掘进的重难点，也直接影响到隧道的成型质量。
目前工程实践中控制管片上浮的方法主要包括两种：其一是二次注浆：盾构掘进管片脱出盾尾后，在脱出盾尾第3环管片位置背部注入浆液，使得管片背部尽快填充固结，减少管片位移，以控制管片上浮；其二是：盾构掘进同步注浆过程中加入其他添加剂，简称AB液注浆，该方法以减少砂浆流动性为主要目的，间接控制管片上浮。现阶段盾构同步注浆AB液注入方式较多，且注浆材料种类繁多，但实际可操作性较差，难以达到控制管片上浮的效果。
公开于该背景技术部分的信息仅用于加深对本公开的背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成本领域技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明人基于长期工程实践发现，现有的同步注浆材料，有的是密度过低，注浆后在管片周围形成的注浆体积较大，注浆体积增大使得管片周围土体的密实度降低，从而导致管片上浮；有的是黏度过低，注浆后不能有效地填充管片周围的空隙，注浆材料流动性过大，难以形成一定的注浆压力，从而导致管片上浮。
本申请的目的在于提供一种可防止管片上浮的同步注浆材料，该方同步注浆材料固结后体积收缩小、泌水率小，针对管片上浮问题能够取得明显有效的控制。
鉴于以上技术问题中的至少一项，本公开提供了一种盾构同步注浆料，由A液和B液按15～20:1的体积比组成，其中，所述A液由水泥、砂、粉煤灰、膨润土、水按150～250：600～700：310～400：100～140：330～430的质量比混合而成；所述B液是质量分数为0.50%～0.85%的聚丙烯酰胺水溶液，且所述聚丙烯酰胺分子量为800～1200万。
进一步的，所述盾构同步注浆料由A液和B液按15～20:1的体积比组成，其中，A液由水泥、砂、粉煤灰、膨润土、水按200：650：360：120：380的质量比混合而成； 所述B液是质量分数为0.80%的聚丙烯酰胺水溶液，且所述聚丙烯酰胺分子量为1200万。
进一步的，所述A液的稠度控制为100～120mm。
进一步的，所述水泥品种等级为普通硅酸盐水泥P.O 42.5R。
进一步的，所述砂规格等级为天然砂，按质量计，含泥量≤3.0%。
进一步的，所述粉煤灰品种等级为F类II级。
进一步的，所述膨润土为钠基膨润土/P类。
本申请的另一个方面，提供一种防止管片上浮的盾构同步注浆方法，包括如下步骤：
注浆计划：采用1200万分子量按配比在B液罐拌制2m2，观察拌制过程，检查B液拌制效果是否达到要求；与同步砂浆进行混合，观察混合过程及结果；逐个管路进行试注；AB液上四路同时开启，B液与同步砂浆一同注入，观察注入过程及效果；同步双液注浆正常，减少一半二次注浆量，持续10环，观察错台情况，上浮量在50mm以内，管片错台在15mm以内，则持续注入，取消二次注浆。
设备调试：对管路、球阀、管路安装顺序进行梳理安装，以B液能够正常注入并与A液混合；
B液拌制：称取定量分子量为1200万的聚丙烯酰胺，分批次倒入B液罐内进行搅拌，稀释完成后再次添加B液原材料，直至按照比例添加完成并溶解；
AB液注浆： AB液试注，在AB液操作面板、变频柜、电机、流量计、AB液三通等观察B液注入情况；确定AB液注入比例，AB液以15:1的比例正常注入。
本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
1. 在同步浆液（A液）中加入适当比例的聚丙烯酰胺水溶液（B液），双液浆经充分混合后从流体转化为塑性体，无外力作用下失去流动性，稠度值远小于常规同步浆液，抗水分散性能远高于常规同步浆液；且只有添加恰当比例聚丙烯酰胺，才能充分发挥其增稠、絮凝、塑性的特性，添加过多过少都不会达到理想效果，对减少管片浮力不利；添加过多时双液浆容易水解，泌出大量水分渗入岩层；过少时同步浆液不能完全转化为塑性，甚至使浆液稠度增大，无双液浆特性。
2. 本发明申请中的同步注浆材料固结后体积收缩小、泌水率小，针对管片上浮问题能够取得明显有效的控制。
3. 本发明申请中所用B液材料可长时间处于流塑状态，可避免因异常停机引起的同步注浆管路堵塞，影响盾构掘进的情况；采用本发明申请所述盾构同步注浆方法能够使管片上浮及错台得到有效控制，与现有常规二次注浆双液浆（水泥浆+水玻璃）控制管片上浮相比，节省了工序，能够节约大量成本、减少工序转换、降低人员配置、减少材料种类、缩短工序时间、提升盾构掘进效率。
附图说明
图1为本申请一实施例中B液系统管路结构布置图。
图2为本申请一实施例中A、B液不同配比的盾构同步注浆料注浆混合后的性状对比图（B为800万分子量聚丙烯酰胺水溶液，质量分数0.50%）；其中，左图中A液与B液的体积比为15:1，右图中A液与B液的体积比为20:1。
图3为本申请一实施例中A、B液不同配比的盾构同步注浆料注浆混合后的性状对比图（B为800万分子量聚丙烯酰胺水溶液，质量分数0.60%）；左图中A液与B液的体积比为15:1，右图中A液与B液的体积比为20:1。
图4为本申请一实施例中A、B液不同配比的盾构同步注浆料注浆混合后的性状对比图（B为800万分子量聚丙烯酰胺水溶液，质量分数0.70%）； 左图中A液与B液的体积比为15:1，右图中A液与B液的体积比为20:1。
图5为本申请一实施例中A、B液不同配比的盾构同步注浆料注浆混合后的性状对比图（B为800万分子量聚丙烯酰胺水溶液，质量分数0.80%），左图中A液与B液的体积比为15:1，右图中A液与B液的体积比为20:1。
图6为本申请一实施例中A、B液不同配比的盾构同步注浆料注浆混合后的性状对比图（B为1200万分子量聚丙烯酰胺水溶液，质量分数0.50%），左图中A液与B液的体积比为15:1，右图中A液与B液的体积比为20:1。
图7为本申请一实施例中A、B液不同配比的盾构同步注浆料注浆混合后的性状对比图（B为1200万分子量聚丙烯酰胺水溶液，质量分数0.60%），左图中A液与B液的体积比为15:1，右图中A液与B液的体积比为20:1。
图8为本申请一实施例中A、B液不同配比的盾构同步注浆料注浆混合后的性状对比图（B为1200万分子量聚丙烯酰胺水溶液，质量分数0.70%），左图中A液与B液的体积比为15:1，右图中A液与B液的体积比为20:1。
图9为本申请一实施例中A、B液不同配比的盾构同步注浆料注浆混合后的性状对比图（B为1200万分子量聚丙烯酰胺水溶液，质量分数0.80%），左图中A液与B液的体积比为15:1，右图中A液与B液的体积比为20:1。
图10为本申请一实施例中注入AB液之前的盾构机姿态示意图。
图11为本申请一实施例中注入AB液之后的盾构机姿态示意图。
图12为本申请一实施例中采用常规注浆与本申请注浆后的管片上浮量的折线对比图，其中纵轴表示管片上浮量（mm），横轴表示环号。
具体实施方式
在以下实施例中所涉及的仪器设备如无特别说明，均为常规仪器设备；所涉及的原料如无特别说明，均为市售常规原料；所涉及的施工方法，如无特别说明，均为常规方法。
本申请实施例通过提供一种可防止管片上浮的同步注浆材料及其制备方法，解决了现有技术中虽具有多种类的注浆材料以及多方式的注浆方法，但实际可操作性差，难以达到控制管片上浮的问题，通过将1200万分子量的聚丙烯酰胺水溶液作为B液与常规同步浆液即A液混合使用，以减少同步浆液浮力，达到控制管片上浮及管片错台的效果。
为了更好的理解本申请技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。
实施例1
盾构同步注浆材料：由A液和B液组成，A液成分为水泥、砂、粉煤灰、膨润土、水；B液为聚丙烯酰胺水溶液。
其中A液中水泥：砂：粉煤灰：膨润土：水=200：650：360：120：380；B液聚丙烯酰胺水溶液重量比5:1000，A液和B液的体积比15: 1与20: 1，其中聚丙烯酰胺分子量800万。
实施例2
盾构同步注浆材料：由A液和B液组成，A液成分为水泥、砂、粉煤灰、膨润土、水；B液为聚丙烯酰胺水溶液。
其中A液中水泥：砂：粉煤灰：膨润土：水=200：650：360：120：380；B液聚丙烯酰胺水溶液重量比6:1000，A液和B液的体积比15: 1与20: 1，其中聚丙烯酰胺分子量800万。
实施例3
盾构同步注浆材料：由A液和B液组成，A液成分为水泥、砂、粉煤灰、膨润土、水；B液为聚丙烯酰胺水溶液。
其中A液中水泥：砂：粉煤灰：膨润土：水=200：650：360：120：380；B液聚丙烯酰胺水溶液重量比7:1000，A液和B液的体积比15: 1与20: 1，其中聚丙烯酰胺分子量800万。
实施例4
盾构同步注浆材料：由A液和B液组成，A液成分为水泥、砂、粉煤灰、膨润土、水；B液为聚丙烯酰胺水溶液。
其中A液中水泥：砂：粉煤灰：膨润土：水=200：650：360：120：380；B液聚丙烯酰胺水溶液重量比8:1000，A液和B液的体积比15: 1与20: 1，其中聚丙烯酰胺分子量800万。
实施例5
盾构同步注浆材料：由A液和B液组成，A液成分为水泥、砂、粉煤灰、膨润土、水；B液为聚丙烯酰胺水溶液。
其中A液中水泥：砂：粉煤灰：膨润土：水=200：650：360：120：380；B液聚丙烯酰胺水溶液重量比5:1000，A液和B液的体积比15: 1与20: 1，其中聚丙烯酰胺分子量1200万。
实施例6
盾构同步注浆材料：由A液和B液组成，A液成分为水泥、砂、粉煤灰、膨润土、水；B液为聚丙烯酰胺水溶液。
其中A液中水泥：砂：粉煤灰：膨润土：水=200：650：360：120：380；B液聚丙烯酰胺水溶液重量比6:1000，A液和B液的体积比15: 1与20: 1，其中聚丙烯酰胺分子量1200万。
实施例7
盾构同步注浆材料：由A液和B液组成，A液成分为水泥、砂、粉煤灰、膨润土、水；B液为聚丙烯酰胺水溶液。
其中A液中水泥：砂：粉煤灰：膨润土：水=200：650：360：120：380；B液聚丙烯酰胺水溶液重量比7:1000，A液和B液的体积比15: 1与20: 1，其中聚丙烯酰胺分子量1200万。
实施例8
盾构同步注浆材料：由A液和B液组成，A液成分为水泥、砂、粉煤灰、膨润土、水；B液为聚丙烯酰胺水溶液。
其中A液中水泥：砂：粉煤灰：膨润土：水=200：650：360：120：380；B液聚丙烯酰胺水溶液重量比8:1000，A液和B液的体积比15: 1与20: 1，其中聚丙烯酰胺分子量1200万。
实施例9
成都轨道交通13号线官堂站～九眼桥站区间盾构同步注浆料对比验证试验：
（1）工程概况：试验段为九眼桥站～三官堂站区间下穿锦江段，隧洞洞顶埋深21.5m，隧道开挖范围为中风化泥岩<5-1-3>渗透系数0.1～1.0m/d，泥岩覆土厚度13.6m。为控制管片上浮量，该区间采用对脱出盾尾第三环位置管片进行二次注浆（采用水泥浆+水玻璃的方式），使得管片顶部快速填充固结，以减少管片上浮量，控制隧道成型质量。
为更好、高效的控制管片上浮，该区间试验段采用本申请中砂浆（A液）与聚丙烯酰胺(B液)混合液的方式进行同步注浆；为避免在曲线段掘进叠加因素多，无法充分验证A、B液的配合效果，选取三九区间右线第200环-300环为实验段，长度150m。
（2）设备准备：试验前对原有设备进行以下改造工作：
① B液罐增加清洗窗口，停机后可及时对B液罐进行清理，增加搅拌机（叶式搅拌），确保B液材料搅拌均匀，不沉淀。
② B液下料口处增加一个三通管和球阀，连接B液罐和储水罐，储水罐与B液罐连接可及时对B液管路进行冲洗，避免管路堵塞。
③将三通B液注入口处单向阀门改成手动球阀（当暂停使用B液时将球阀关住，可避免管路堵塞），在其后接上三通，另两端分别接球阀（用于泄压与疏通堵塞部位）和内部为球式的单向阀（用于防止A液返回B液管路），改正后减少了该三通位置堵塞的概率，保证浆液顺利注入。
B液系统管路结构如图 1所示。
（3）材料优化选择及试注验证
①注浆材料验证对比：现场采用不同种类不同浓度聚丙烯酰胺溶液（B液）与砂浆（A浆液）分别按1:15、1: 20的体积比进行混合实验，对比均匀混合后的浆液的稠度、塑性、沁水性等性能特征。
A浆液：由水泥、砂、粉煤灰、膨润土、水按200：650：360:120:380的混合比例组成；稠度均为110mm；
B液：重量比分别为5:1000、6:1000、7：1000、8:1000的聚丙烯酰胺溶液，所用聚丙烯酰胺包括800万分子量聚丙烯酰胺（日本某株式会社产品）、1200万分子量聚丙烯酰胺（河南爱森环保科技有限公司产品）。
试验结果表明（见图2-9），在同步浆液（A浆液）中加入适当比例的聚丙烯酰胺水溶液（B液），双液浆经充分混合后可从流体转化为塑性体，无外力作用下失去流动性，稠度值远小于常规同步浆液，抗水分散性能远高于常规同步浆液。同时聚丙烯酰胺的添加应有恰当的比例，才能充分发挥其增稠、絮凝、塑性的特性，添加过多过少都不会达到理想效果，对控制管片上浮不利。过多时双液浆容易水解，泌出大量水分渗入岩层；过少时同步浆液不能完全转化为塑性，甚至使浆液稠度增大，无双液浆特性。
优选对比可见，800万分子量聚丙烯酰胺、水溶液重量比为8：1000时，且AB液比例为15:1时，同步浆液转化为塑体静止后有泌水（见图5），双液浆的基本性能满足施工需要；1200万分子量聚丙烯酰胺、水溶液重量比为5：1000或8：1000时，且AB液比例为15:1时，同步浆液转化为塑体静止后，锁水性极好少有泌水（见图6、图9），双液浆的基本性能够满足不同情形下的施工需要，达到预期效果。
②盾构同步注浆
为满足注入要求，A、B液开始注入时首先将A、B液比例调整成1:1大比例注入，B液泵电机转速达到100-200r，B液泵压力达到1bar左右时，及时将AB液比例恢复为要求比例15:1，现场根据以上方法调试后，检查A、B液三通位置B液流量正常，压力满足要求，A、B液可正常注入。按照规划设计，该区每环同步注浆量为7.5m³，基于AB液注入体积比为15:1，每环B液注入量为0.5 m³。
现场AB液注入正常后，现场从第220环开始取消每环的二次双液注浆，经观察发现，AB液开始注浆后，现场盾构机垂直姿态较之前有所下降，但是管片之间仍存在不均匀上浮情况，部分管片环与环之间仍有少许错台情况，如图10、图11所示。
进一步进行验证试验，将原800万分子量的聚丙烯酰胺改为1200万分子量的聚丙烯酰胺，并增大聚丙烯酰胺的摄入量（B液浓度增至0.85%），AB液混合比例不变。
经调整B液原料种类及AB混合比例，现场掘进时持续按照此方法进行AB液同步注浆后，检测管片上浮量情况。经采用该B液原材料及该注浆方式进行注浆后，管片上浮及错台情况明显得到有效控制。检测AB液注浆前后管片上浮量对比，AB液注入后（220环后）管片上浮量明显减小，如表1-2及图12所示。
表1 未注入注浆浆液（AB液）前管片上浮量统计
表2 注入注浆浆液（AB液）后管片上浮量统计
（4）成本对比
与常规同步注浆后采用二次注浆双液浆（水泥浆与水玻璃）的成本费用相比，采用本发明申请所述同步注浆（A液）添加B液的成本大大缩减。如表3、表4对比所示。
表3 现有二次注浆双液浆（水泥浆与水玻璃）每环成本费用
表4 采用本例同步注浆方式后每环成本费用（B液）
经对比AB液同步注浆施工与双液注浆施工（水泥浆+水玻璃），采用本例所示的A、B液同步注浆施工仅材料成本每环可节约1034.547元，而且工序减少（省去二次注浆）、节省了人力成本，降低了能耗，提升了施工效率。
尽管已描述了本申请的一些优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。
显然，本领域技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请之发明精神和范围。这样，倘若针对本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (8)
1.一种可防止管片上浮的同步注浆材料，其特征在于，由A液和B液按15～20:1的体积比组成，其中，所述A液由水泥、砂、粉煤灰、膨润土、水按150～250：600～700：310～400：100～140：330～430的质量比混合而成；所述B液是质量分数为0.50%～0.85%的聚丙烯酰胺水溶液，且所述聚丙烯酰胺分子量为800～1200万。
2.根据权利要求1所述的同步注浆材料，其特征在于，由A液和B液按15～20:1的体积比组成，其中，A液由水泥、砂、粉煤灰、膨润土、水按200：650：360：120：380的质量比混合而成；所述B液是质量分数为0.80%的聚丙烯酰胺水溶液，且所述聚丙烯酰胺分子量为1200万。
3.根据权利要求1所述的盾构同步注浆材料，其特征在于，所述A液的稠度控制为100～120mm。
4.根据权利要求1所述的盾构同步注浆材料，其特征在于，所述水泥品种等级为普通硅酸盐水泥P.O 42.5R。
5.根据权利要求1所述的盾构同步注浆材料，其特征在于，所述砂规格等级为天然砂，按质量计，含泥量≤3.0%。
6.根据权利要求1所述的盾构同步注浆材料，其特征在于，所述粉煤灰品种等级为F类II级。
7.根据权利要求1所述的盾构同步注浆材料，其特征在于，所述膨润土为钠基膨润土/P类。
8.一种防止管片上浮的盾构同步注浆方法，包括如下步骤：
注浆规划：采用1200万分子量按配比在B液罐拌制2m2，观察拌制过程，检查B液拌制效果是否达到要求；与同步砂浆进行混合，观察混合过程及结果；逐个管路进行试注；AB液上四路同时开启，B液与同步砂浆一同注入，观察注入过程及效果；
设备调试：对管路、球阀、管路安装顺序进行梳理安装，以B液能够正常注入并与A液混合；
B液拌制：称取定量分子量为1200万的聚丙烯酰胺，分批次倒入B液罐内进行搅拌，稀释完成后再次添加B液原材料，直至按照比例添加完成并溶解；
AB液注浆：AB液试注，在AB液操作面板、变频柜、电机、流量计、AB液三通等观察B液注入情况；确定AB液注入比例，AB液以15:1的比例正常注入。
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