盾構隧道壁后注漿C-S雙液漿性能研究*

沈樹勛，於昌榮，包 華

(1.南通經濟技術開發區綜合執法局，江蘇 南通 226009; 2.江蘇省隧道與地下工程技術研究中心，江蘇 南京 210041； 3.南通大學交通與土木工程學院，江蘇 南通 226019)

0 引言

在隧道盾構施工過程中，常遇含水砂層、動水砂層等不良地質條件，如果處理不當，易導致工程事故。因此常采用盾構壁后同步注漿填充盾尾間隙，防止土體松弛、地層變形和土粒流失，提高隧道抗滲防水性能，確保管片襯砌早期受力均勻和穩定[1]。據統計，盾構隧道同步注漿采用單液漿較多，但雙液漿憑借其凝結時間短、強度高、固結體積穩定等優點，將得到越來越多的應用[2-3]。

以水泥和水玻璃為主劑，二者按一定比例以雙液方式注入，必要時加入附加劑組成注漿材料，稱之為水泥-水玻璃漿，即C-S雙液漿，其克服了單液漿凝結時間長且不易控制、結石率低等缺點，提高了注漿效果，適用于含水量大、滲透性高、軟弱不均地層。

目前，關于C-S雙液漿的研究主要集中于注漿參數控制、壁后注漿評價等。本文通過試驗，研究不同水泥品種、水玻璃模數、配合比對C-S雙液漿性能的影響。

1 C-S雙液漿填充加固機理

C-S雙液漿填充加固是物理作用與化學反應的綜合結果。

1.1 C-S雙液漿反應機理

水泥凝結和硬化主要由水泥水化析出膠凝體引起，在硅酸三鈣水化過程中產生氫氧化鈣，當水泥漿液中加入水玻璃后，水玻璃與新生成的氫氧化鈣反應，生成具有一定強度的膠凝體-水化硅酸鈣。水玻璃與氫氧化鈣反應速率較快，隨著氫氧化鈣逐步消耗，水泥水化反應隨之加快，析出的水化硅酸鈣越來越多。隨著反應的進行，漿液失去塑性和流動性，進一步成為具有一定強度的結石。C-S雙液漿初期強度主要由水玻璃與氫氧化鈣反應物提供，后期強度主要由水泥水化反應物提供。水泥水化生成氫氧化鈣的量是有限的，過剩的水玻璃使整個膠凝體系稀釋，凝結時間延長，強度下降，反而是無益的。

1.2 C-S雙液漿擴散機制

C-S雙液漿通過壓力系統注入管片壁后，通過擴散的方式完成填充過程，其擴散方式可歸納為填充注漿、滲透注漿、壓密注漿及劈裂注漿階段[4]。填充注漿階段將漿液填充到盾尾間隙直到充滿；滲透注漿階段利用漿液將土體顆粒間的空氣和水擠出；壓密注漿階段利用漿液擠壓土體和管片，土體產生塑性變形；在劈裂注漿階段，當注漿壓力大到一定程度，漿液在地層中發生劈裂流動，形成條帶狀或脈狀膠結體。

C-S雙液漿擴散過程中，A液(水泥漿液)和B液(水玻璃漿液)混合，變為膠態溶液，混合液黏性隨時間的增加而增大，隨之進入流動態固結區，然后經可塑態固結區達凝固區。

2 C-S雙液漿性能要求

由C-S雙液漿擴散機制可知，為達到較好的壁后同步注漿效果，C-S雙液漿應滿足穩定性好(不分散、不離析)、流動性好、填充性好(具有一定強度、膠凝體體積穩定)、防流失性好(不流失、不被稀釋、不被沖走)、耐久性好、成本低、無公害等性能要求[5-6]。本文基于C-S雙液漿反應機理，通過組分材料與配合比設計，優化C-S雙液漿技術參數，控制水化反應和水玻璃反應速率，控制膠凝體(水化硅酸鈣)生成速度和生成量，使C-S雙液漿技術指標滿足性能要求。

3 試驗概況

試驗目的是測試不同水泥品種、水玻璃模數、配合比的C-S雙液漿技術指標，包括塑性黏度、黏聚力(靜切力和動切力，其中靜切力包括初切力、終切力)、凝結時間及初凝強度。

3.1 原材料

綜合考慮凝膠時間、施工技術及成本影響，選用P·O 42.5普通硅酸鹽水泥和P·C 32.5復合硅酸鹽水泥，將水泥、膨潤土、水按質量比450∶75∶785混合攪拌，制成水灰比約為1∶1.75的A液。采用模數為2.30，2.85，3.50的水玻璃，將3種水玻璃與水泥漿液分別按體積配合比0.05∶1，0.08∶1，0.10∶1，0.12∶1，0.15∶1，0.20∶1制成C-S雙液漿試樣。

3.2 試驗設備

C-S雙液漿塑性黏度采用ZNN-D6型旋轉塑性黏度計測定，室溫控制在(20±5)℃，初凝、終凝時間采用標準稠度測定儀測定，結石體初凝抗壓強度采用GDS靜力三軸試驗儀測試。

4 試驗結果與分析

4.1 摻加P·O 42.5水泥的雙液漿塑性黏度與黏聚力

試驗過程中發現摻加P·O 42.5水泥的雙液漿近似呈Bingham塑性流體，測得其塑性黏度、動切力、初切力、終切力分別如圖1～4所示。由圖1可知，隨著體積配合比的增大，不同水玻璃模數試樣塑性黏度均增大，增幅隨著水玻璃模數的增大而提高。由圖2～4可知，隨著體積配合比的增大，不同水玻璃模數試樣黏聚力基本增大，其中水玻璃模數為3.50的試樣黏聚力增幅最大，水玻璃模數為2.30的試樣黏聚力變化較小，受配合比的影響較小。綜上所述，摻加P·O 42.5水泥的雙液漿試樣在相同配合比下，水玻璃模數較大時，塑性黏度和黏聚力均較大。

圖1 摻加P·O 42.5水泥的雙液漿塑性黏度變化曲線

圖2 摻加P·O 42.5水泥的雙液漿動切力變化曲線

圖3 摻加P·O 42.5水泥的雙液漿初切力變化曲線

圖4 摻加P·O 42.5水泥的雙液漿終切力變化曲線

雙液漿需滿足穩定性要求，即具備一定切力，尤其是靜切力。動切力和靜切力較高時，有利于雙液漿中的固相顆粒發揮懸浮作用。如果靜切力太小，易造成固相顆粒沉淀。

4.2 摻加P·C 32.5水泥的雙液漿塑性黏度與稠度系數

試驗過程中發現摻加P·C 32.5水泥的雙液漿較符合假塑性流體，測得其塑性黏度如圖5所示。由圖5可知，隨著體積配合比的增大，不同水玻璃模數試樣塑性黏度基本增大。由于該雙液漿符合假塑性流體，可用稠度系數表示塑性黏度，如圖6所示。由圖6可知，不同水玻璃模數試樣稠度系數變化規律可分為2種趨勢：①對于水玻璃模數較大的試樣，稠度系數隨著配合比的增大而增大；②對于水玻璃模數較小的試樣，稠度系數隨著配合比的增大略有減小。

圖5 摻加P·C 32.5水泥的雙液漿塑性黏度變化曲線

圖6 摻加P·C 32.5水泥的雙液漿稠度系數變化曲線

試驗研究發現，通過調整雙液漿配合比，可在一定范圍內增加漿液塑性黏度和黏聚力，可提高漿液抗沖刷能力，但過分提高漿液塑性黏度，對漿液流動性具有一定影響。

4.3 摻加P·O 42.5水泥的雙液漿初凝、終凝時間

試驗測得摻加P·O 42.5水泥的雙液漿初凝、終凝時間變化曲線分別如圖7，8所示。由圖7，8可知，隨著體積配合比的增大，不同水玻璃模數試樣初凝、終凝時間均縮短，并趨于穩定，變化過程大致分為以下階段：①急劇變化階段 當配合比<0.10∶1時，試樣初凝時間隨著配合比的增大迅速縮短；當配合比<0.12∶1時，試樣終凝時間隨著配合比的增大迅速縮短。②緩慢變化階段 當配合比>0.10∶1時，試樣初凝時間受配合比的影響較??；當配合比>0.12∶1時，終凝時間隨著配合比的增大緩慢縮短。

圖7 摻加P·O 42.5水泥的雙液漿初凝時間變化曲線

當配合比相同時，對于水玻璃模數較大的試樣，初凝、終凝時間較短；對于水玻璃模數較小的試樣，初凝、終凝時間較長。

圖8 摻加P·O 42.5水泥的雙液漿終凝時間變化曲線

4.4 摻加P·C 32.5水泥的雙液漿初凝、終凝時間

試驗測得摻加P·C 32.5水泥的雙液漿初凝、終凝時間變化曲線分別如圖9，10所示。由圖9可知，隨著體積配合比的增大，不同水玻璃模數試樣初凝時間變化曲線表現出縮短、緩增、激增階段。當配合比為0.05∶1～0.10∶1時，不同水玻璃模數試樣初凝時間均隨著配合比的增大而縮短，此為縮短階段。對于水玻璃模數較大的試樣，當配合比為0.10∶1～0.12∶1時，初凝時間隨著配合比的增大緩慢增長；對于水玻璃模數較小的試樣，當配合比為0.10∶1～0.15∶1時，初凝時間隨著配合比的增大緩慢增長，此為緩增階段。對于水玻璃模數較大的試樣，當配合比>0.12∶1時，初凝時間急劇增長；對于水玻璃模數較小的試樣，當配合比>0.15∶1時，初凝時間急劇增長，此為激增階段。

圖9 摻加P·C 32.5水泥的雙液漿初凝時間變化曲線

由圖10可知，隨著體積配合比的增大，不同水玻璃模數試樣終凝時間變化曲線基本表現出縮短、緩增、激增階段。當配合比為0.05∶1～0.08∶1時，不同水玻璃模數試樣終凝時間均隨著配合比的增大而急劇縮短，此為縮短階段。對于水玻璃模數較大的試樣，當配合比為0.08∶1～0.12∶1時，終凝時間隨著配合比的增大緩慢增長；對于水玻璃模數較小的試樣，當配合比為0.08∶1～0.15∶1時，終凝時間隨著配合比的增大呈波動式增長，此為緩增階段。對于水玻璃模數較大的試樣，當配合比>0.12∶1時，終凝時間急劇增長；對于水玻璃模數較小的試樣，當配合比>0.15∶1時，終凝時間急劇增長，此為激增階段。

圖10 摻加P·C 32.5水泥的雙液漿終凝時間變化曲線

由圖9，10可知，當配合比為0.10∶1時，出現最短初凝時間；當配合比為0.08∶1時，出現最短終凝時間。

漿液初凝、終凝時間影響其填充性及防流失性，同步注漿過程中，當漿液滲透或擴散半徑(距離)較遠時，要求C-S雙液漿凝結時間足夠長；當有地下水運動時，防止漿液過分稀釋或被沖走，要求漿液在注入過程中快速凝結，縮短初凝時間。

4.5 初凝強度

對水玻璃模數為2.85，3.50，水玻璃與水泥漿液體積配合比為0.05∶1，0.08∶1，0.15∶1，0.20∶1的C-S雙液漿試樣結石體早期初凝強度進行了測試。每種配合比下制作3個試件，試件制作完成后在(20±5)℃養護箱內養護(24±1)h，然后利用三軸儀進行加載試驗，破壞后的試樣如圖11所示。

圖11 破壞后的試樣

試樣結石體早期初凝強度(取平均值)變化曲線如圖12所示。由圖12可知，摻加P·O 42.5水泥的雙液漿試樣結石體早期初凝強度基本隨著配合比的增大而增大；摻加P·C 32.5水泥的雙液漿試樣結石體早期初凝強度基本隨著配合比的增大先增大后減小。

圖12 試樣結石體早期初凝強度變化曲線

5 C-S雙液漿配合比設計

對于常規C-S雙液漿，由于凝結時間短，易造成注漿管堵塞、盾尾刷損壞等問題[7]，且存在漿液流動性、強度、填充性難以協調等問題[8]，因此未被作為同步漿液而廣泛采用。本試驗設計的C-S雙液漿可較大幅度地延長凝結時間，可應用于盾構隧道壁后同步注漿施工中。

5.1 注意事項

1)協調流動性與穩定性問題

如果C-S雙液漿流動性好，可進行長距離壓送(尤其是垂直輸送)，但流動性好的雙液漿易出現離析、材料分離等穩定性問題，在注入擴散過程中易被地下水稀釋，影響整體注漿效果。

2)協調流動性與防流失性問題

為提高填充效果，應使C-S雙液漿具有較好的流動性，但易造成注漿液流至工作面或尾隙以外的區域等，易導致隧道管片壁頂部出現無漿液填充的現象。

3)協調流動性與填充性問題

一般情況下，如果C-S雙液漿流動性好，可達到良好填充效果，但會造成特殊部位填充性差(如管片壁頂部等)。填充性要求C-S雙液漿初凝時間短、膠凝體早期強度不小于原狀土、結石體體積收縮率小，而這些要求不利于漿液達到良好流動性。

本試驗得到的C-S雙液漿塑性黏度變化曲線、凝結時間變化曲線及初凝強度變化曲線，為配合比優化設計提供了依據。通過組分材料與配合比設計，滿足同步注漿性能要求[8-9]。

5.2 組分材料與配合比

同步注漿C-S雙液漿的主要性能指標一般要求為：塑性黏度≤45×10-3Pa，凝結時間為3～10h，1d結石體早期初凝強度≥0.2MPa。

進行C-S雙液漿組分選擇時，一般首先考慮采用凝結時間滿足要求的材料。采用P·O 42.5，P·C 32.5水泥及模數為2.30，2.85，3.50水玻璃配制的C-S雙液漿，可在一定配合比下滿足3～10h凝結時間的要求。根據試驗結果，對于摻加P·O 42.5水泥的雙液漿，當配合比為0.05∶1～0.10∶1時，凝結時間變化幅度大，且凝結時間>10h，不符合雙液漿性能要求；當配合比>0.15∶1時，凝結時間雖滿足要求，但經濟性較差；當配合比為0.10∶1～0.15∶1時，凝結時間<10h，且凝結時間變化小，滿足雙液漿性能要求。對于摻加P·C 32.5水泥的雙液漿，僅在配合比為0.08∶1時終凝時間基本滿足性能要求。

確定C-S雙液漿組分材料與配合比后，應考察雙液漿塑性黏度是否滿足要求。根據試驗結果，對于摻加P·O 42.5水泥的雙液漿，當配合比為0.10∶1～0.15∶1時，水玻璃模數為3.50的漿液塑性黏度>45×10-3Pa·s，不符合性能要求；而水玻璃模數為2.30，2.85的漿液塑性黏度基本符合性能要求。對于摻加P·C 32.5水泥的雙液漿，當配合比為0.08∶1時，水玻璃模數為3.50的漿液塑性黏度>45×10-3Pa·s，不符合性能要求；而水玻璃模數為2.30，2.85的漿液塑性黏度基本符合性能要求。

經篩選，得到基本符合C-S雙液漿性能要求的組分、配合比及性能指標，如表1所示。由表1可知，大模數(3.5)水玻璃配制的C-S雙液漿塑性黏度大、穩定性好、強度高，但流動性差，不適用于配制同步注漿漿液。強度等級較高的P·O 42.5水泥配制的C-S雙液漿，可調節的配合比范圍較大；強度等級較低的P·C 32.5水泥配制的C-S雙液漿，可調節的配合比范圍較小。相比而言，P·O 42.5水泥更適用于配制A液。大配合比的C-S雙液漿塑性黏度大、穩定性好，但流動性差，結石體早期初凝強度不穩定，成本高，建議配合比為0.08∶1～0.15∶1。

表1 C-S雙液漿組分、配合比及性能指標

需要說明的是，C-S雙液漿性能指標隨A液水灰比的變化而變化，增大A液水灰比可降低塑性黏度，提高流動性，降低凝結強度。實際工程應用時，應考慮溫度、時效性對C-S雙液漿的影響。必要時可添加外加劑，以改善C-S雙液漿性能[10]。

6 結語

1)摻加P·O 42.5水泥的雙液漿近似呈Bingham塑性流體，其塑性黏度與黏聚力隨著配合比的增大而增大。在相同配合比下，水玻璃模數較大時，漿液塑性黏度和黏聚力均較大。

2)摻加P·C 32.5水泥的雙液漿較符合假塑性流體，隨著配合比的增大，不同水玻璃模數漿液塑性黏度基本增大。對于水玻璃模數較大的漿液，稠度系數隨著配合比的增大而增大；對于水玻璃模數較小的漿液，稠度系數略有減小。

3)對于摻加P·O 42.5水泥的雙液漿，隨著配合比的增大，不同水玻璃模數漿液初凝、終凝時間均縮短，并趨于穩定，變化過程大致分為急劇變化階段、緩慢變化階段。當配合比相同時，對于水玻璃模數較大的漿液，初凝、終凝時間較短；對于水玻璃模數較小的漿液，初凝、終凝時間較長。

4)對于摻加P·C 32.5水泥的雙液漿，隨著配合比的增大，不同水玻璃模數漿液初凝時間變化表現出縮短、緩增、激增階段。

5)摻加P·O 42.5水泥的雙液漿結石體早期初凝強度基本隨著配合比的增大而增大；摻加P·C 32.5水泥的雙液漿結石體早期初凝強度隨著配合比的增大先增大后減小。

6)大模數(3.5)水玻璃配制的C-S雙液漿塑性黏度大、穩定性好、強度高，但流動性差，不適用于配制同步注漿漿液。

7)強度等級較高的P·O 42.5水泥配制的C-S雙液漿，可調節的配合比范圍較大；強度等級較低的P·C 32.5水泥配制的C-S雙液漿，可調節的配合比范圍較小。相比而言，P·O 42.5水泥更適用于配制A液。

8)大配合比的C-S雙液漿塑性黏度大、穩定性好，但流動性差，結石體早期初凝強度不穩定，成本高，建議配合比為0.08∶1～0.15∶1。