建筑工程中同步注漿新材料的實驗研究

蘇良琪 江蘇夢潤建設有限公司

1 前言

同步注漿技術能夠在地鐵工程施工過程中起到質量控制的作用，當應用盾構法時，難以避免的會從盾構尾部位置出現縫隙，一方面會對工程整體的穩定性造成影響，另一方面也會使地鐵工程未來出現沉降問題。同步注漿技術就是在地鐵盾構施工的同時，將專用的注漿材料通過外界壓力泵送到縫隙當中，以此削減因地鐵盾構施工所出現的縫隙，從而實現質量控制的目的。同步注漿技術的優點較為明顯，其應用原理簡單，綜合成本較低，且能夠直接解決盾構施工所帶來的縫隙問題。但當前傳統材料以細石混凝土和水泥砂漿為主，對細微縫隙的處理存在局限性，同時也可能使盾構設備尾部密封造成破壞，注漿設備管道更易堵塞。

2 同步注漿新材料的應用要求

對注漿材料的要求主要有以下幾點。

（1）具有足夠的流動性，能夠確保在縫隙填補過程中的質量穩定，尤其對于盾構尾部的細小位置可實現全面處理。（2）需具備一定的可操作時間，確保在材料準備完成后，有充足的時間供注漿操作。（3）注漿材料的早期強度應大于土壤強度，這樣才能夠保證縫隙填補的效果。（4）需具備一定的體積穩定性，避免在硬化后或后期使用階段發生嚴重的體積收縮，從而使縫隙重新顯露。（5）注漿材料的選擇需考慮地下水的影響，需注意其被地下水稀釋后，不會造成嚴重的性能折損問題。

3 原注漿漿液的特性及缺點

為了便于說明各個漿液的應用特征，本文中引用了一工程實例。該工程是上海地鐵隧道工程，其地下施工深度范圍為10m～20m。根據統計數據，上海地區地下土層在20m范圍內，一般為粉土、灰土和黏土。為了保障地鐵隧道工程在盾構開挖過程中的質量穩定，避免形成了縫隙，對工程質量及地質成交造成影響，需在該工程開展的同時進行同步注漿作業。

惰性泥漿是當前上海地鐵工程中所應用的泥漿材料，該泥漿同樣已經過創新設計。該泥漿的主要組分與普通細石混凝土類似，在泥漿中含有黏土成分，同時增添了具有惰性成分的外加劑，能夠使泥漿材料的可操作時間更長，流動性更好，同時其硬化凝結強度不會受到影響。這種惰性泥漿最為顯著的特點就是施工便捷，相比于傳統所應用的水泥砂漿或細石混凝土，能夠解決在同步注漿過程中管道容易出現堵塞的問題。

但正因其具有惰性，該材料的應用缺點也應運而生。首先是其凝結硬化時間，較長的硬化時間雖能夠使其施工過程容易，但施工后的管控維護工作變得困難，同時在施工后制泥漿應付的過程中，可能受到外界環境或地下水的侵蝕影響，從而造成施工效果甚微；其次，由于該泥漿中含有黏土成分，而黏土作為一種體積穩定性不良且易于自身結合的材料，若施工后不加以嚴格管控，也可能出現泥漿中黏土析出沉底的情況，同樣不利于工程質量。此外黏土材料的力學性能不佳，抗液化能力較弱，同樣在地鐵工程施工中，可能存在質量隱患。

基于當前使用的惰性泥漿特點，在進行新型材料研究過程中，可從以下兩個角度出發：一是需要考慮同步注漿技術在應用過程中潛在的設備損壞和管道堵塞問題，對于泥漿材料的流動性提出一定要求；二是要保障其易于施工，但泥漿的硬化時間在合理范圍之內，同時硬化后的強度性能可滿足工程需要。

4 新型惰性漿液的研究

為了解決傳統注漿材料所存在的諸多問題，該案例工程的施工方展開了對新型注漿材料的研究。首先應明確注漿作業與盾構作業同步進行，而注漿的主要作用是改善土力學特性，避免質量問題的發生，這就需要考慮土層自身地質情況，確保注漿材料使用之后與自然土壤有良好的合理性。

新型惰性漿液材料的主要成分是黏土、泥漿與砂石，同時輔以外加劑。該材料中所應用的砂石材料雜質含量極低，顆粒級配符合工程需要，與泥漿的共同作用下，實現了強度與流動性堅固的特點。還添加了外加劑，其主要作用是緩凝，在其可操作時間內，使泥漿材料的流動性更佳，對遠距離輸送和延長可操作時間有著積極促進作用。

通過實驗明確黏土的使用量，實驗中通過改變黏土含量測算其各個指標，具體的實驗數據如表1所示。

Φ——內摩擦角；

C——土力學粘聚力；

a1-2——壓縮系數，壓縮曲線上壓應力由p1=100kPa、p2=200kPa兩點所連直線的斜率；

E1-2代表100kPa～200kPa的壓縮模量。

表1 黏土使用量實驗數據

為使上述實驗更有說服力，通過資料收集查找到了上海地區自然土壤的物理特性指標，見表2。

表2 上海地區自然土壤的物理特性指標

通過實驗數據與自然土壤的性能指標數據對比不難看出，本階段所配置的注漿泥漿在力學性能方面是有優勢的，能夠明顯增強自然土體的承載能力，同時根據相似相容的特性也能確保同步注漿所應用的泥漿，可與自然土體良好結合，也能夠對開挖過程中的液化問題及沉降問題起到緩和作用。

為全面驗證該新型泥漿的實際應用特性，后續案例工程施工過程中某一客運段采取該材料進行實際應用。通過實踐檢驗，該注漿材料在同步注漿施工過程中表現良好，其流動性和可操作時間能夠滿足工程需要，也不會出現損害設備和堵塞管道的情況。施工完成7d 后測試其沉降量，沉降數值為30mm，已經滿足工程實際需要，此階段可初步證實該材料具有一定應用價值。

在初次實驗中所應用的工程范圍較小，同時并未采取持續觀測的形式。為了全面了解該新型材料的實際應用性能，案例工程在后續施工中對該材料進行了小范圍的應用，以便全面知悉其在不同地質環境和應用條件下的具體表現。通過觀察地表沉降，最大沉降位置可達90mm，而這種與初次實驗截然不同的結果也印證了該材料是需要良好土質環境作為前置條件的。

經初步分析，主要是因為在初次實驗時，其土壤中的主要成分為沙土，而二次實驗時，有一區段黏土的含量較高。在年度環境下，該材料由于較強的流動性出現了滲漏的問題，使其并未作用到正確施工位置，這也是該材料的缺點所在。

5 雙液型漿液的應用

為了保障后續工程施工作業的穩定性，工程項目中也應用了雙液型漿液作為同步注漿的材料。該漿液主要由A 液和B 液兩部分構成，A 液為水泥砂漿，B液為水玻璃。A液水泥砂漿主要提供強度與流動性，也是注漿漿料的重要性能體現；B 液所應用的水玻璃主要起到速凝劑的作用，可通過調整添加比例，實現控制初凝時間和初凝強度的作用。各個組分材料的詳細比例見表3。

表3 兩組材料的比例

有兩種漿液混合而成的新型雙液型漿液，在應用上最為明顯的特點就是，能夠根據工程的實際情況及需求調整B液的比例，從而實現控制初凝時間與初凝強度的目的，對于地鐵工程施工過程中復雜的因素變化，這種可調節的形式對于實際應用而言會有更多的適用場景。以上述兩個實驗場景為例，當土質為沙土時，即可適當減少水玻璃的使用量，能夠全面滿足工程需要；當土質為黏土時，可適當增加水玻璃的添加量，這樣使其凝固時間縮短、凝固強度增加，從而實現了在不良地質中控制施工質量的目的。

在實際應用方面，與傳統注漿材料相比，可簡單理解為在水泥砂漿的基礎上添加了水玻璃。但水玻璃通過加壓設備進行泵送過程中，可能出現硬化凝結過早或析出的情況，造成管道堵塞問題，也會使整體施工受阻。同時也需明確的問題是，該混合材料的綜合成本較高，水玻璃在地鐵工程中大面積應用并不利于工程造價管理。

6 新型結硬型材料

為了探索適用范圍廣、施工可行性強的新型材料，案例施工單位繼續對同步注漿作業材料展開探索?；陔p液型漿液的啟發，明確了水泥砂漿材料在同步注漿過程中的應用地位，故考慮在雙液型漿液A 液的基礎上進行改良。本次探究改良的目標是能夠滿足工程實際需要，同時適應多種地質情況，在進行泵送和施工的過程中也易于操作，減少設備損壞和管道堵塞的問題發生。

為了達成這一特性，提出以下思路：在上述A 液的基礎上添加硬結材料，不同的添加比例會使混合材料呈現不同的性能，如控制凝結硬度和凝結時間。由于是直接添加到水泥砂漿當中，整體材料仍以水泥為主，該材料屬單液型漿液。經過全面探究，在原漿液中通過添加粉煤灰的形式進行改良。粉煤灰材料與水泥材料有著類似的物理化學特性，在凝結時間和凝結硬度上性能更加優良，通過水泥材料與粉煤灰材料的平衡與變更，即初步實現了控制初凝時間與初凝強度的目的，也能夠適用于更為廣泛的地質條件。

為了探究其具體施工特性，保障其廣泛的應用場景。案例工程組建了試驗系統，對該材料的可操作性進行試驗。主要原理是通過調節閥門壓力控制漿液流量，同時測量漿液壓力。從而知悉在不同的施工環境和施工場景下，其是否會發生管道堵塞與設備損壞的問題。壓力對比如表4所示。

表4 兩種材料壓力對比

本實驗數據可清晰得知，在高強度的測試下，新型結硬性漿液的施工表現仍然良好。雖相比于原漿液，在泵送過程中的黏滯系數提高，但實際應用性能仍在合理范圍內，也并未發生管路堵塞的情況。

7 各種材料的對比與總結

（1）原漿液。原漿液具有良好的流動性，在施工過程中也較為簡單，同時成本可控。但其體積穩定性和強度不能夠適用于實際工程。（2）改進型的惰性漿液。改進型的惰性漿液原漿液的體積穩定性及早期強度問題，但通過多次實驗發現該漿液不適用于黏土環境。而案例過程中黏土地質條件較多，也導致該材料具有一定的應用局限性。（3）雙液型漿液。雙液型漿液作為一種復合材料，在使用性能上更為理想，對于注漿材料中所提出的流動性要求和強度要求其均具備，施工后的體積較為穩定，同時強度更大。此外，該材料的顯著優勢就是具有優良的防水性與耐腐蝕性，即使在地下水沖淋區也能夠保證自身性質穩定。作為注漿材料，這種材料的應用效果較為理想，但應用前期的技術管理較為復雜，同樣對于施工環境和外界因素有著較高的限制，施工成本也是亟待解決的問題。（4）新型硬結材料。新型硬結材料其組分由單一漿液構成，單從固化強度方面來看，其性能優于其他幾種材料，但其質量影響因素多也是一個不爭的事實。該材料的主要優勢體現在施工后期，在體積穩定性和防止振動液化方面表現良好，施工過程的成本較低。但也必須明確該材料的施工工藝較為復雜，同時對施工環境的地理地質狀況有較高要求。實際施工過程中，若環境因素及地質因素滿足要求，可考慮應用此種類型的漿料。

8 結束語

同步注漿技術對于地鐵工程的質量控制是十分重要的，這種技術形式應用簡單，成本可控，效果明顯，但傳統注漿材料的使用問題也是值得引起重視的。本文主要以新型注漿材料為研究對象，最常見的幾種新型材料實際應用價值展開研究，同時在本文中引入了上海地鐵工程的實例，側面印證了各種材料在實際應用過程中的可行性。多種注漿材料并無優劣之分，其自身特性和適用場景并不相同，在工程開展過程中需根據工程項目的實際需求選取恰當的注漿材料，以實現工程質量控制的目的。事實上在行業中對于同步注漿新型材料的探索從未停止，在未來也會有更多更先進的注漿材料，被應用到地鐵施工縫隙處理之中，為提高工程質量與安全性提供解決方案。