CN113003999A - 一种用于富水地层盾构施工的同步注浆浆液及其制备方法 - Google Patents

一种用于富水地层盾构施工的同步注浆浆液及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于富水地层盾构施工的同步注浆浆液及其制备方法，包括A组分、B组分、C组分；其中，A组分的原料包括硅酸盐42.5级水泥、II级粉煤灰、河砂、纳基膨润土，B组分的原料包括羟乙基甲基纤维素、自来水，C组分的原料包括纳米二氧化硅、自来水，B组分的掺和量与A组分的掺和量的比值为3:5，C组分的掺和量与A组分的掺和量的比值为1:2；本发明所述同步注浆浆液的早期抗剪切强度高、可注性好、浆液稳定、结石率高、析水率低、具有较好的抗稀释性，在同步注浆浆液注入后提供一定的抗剪切力，进而抑制管片上浮，能够起到稳定管片的作用，解决管片开裂、渗水的问题。

Description

一种用于富水地层盾构施工的同步注浆浆液及其制备方法
技术领域
本发明属于盾构隧道施工技术领域，尤其涉及一种用于富水地层盾构施工的同步注浆浆液及其制备方法。
背景技术
随着隧道工程的快速发展，盾构法施工技术的应用也越来越广泛，而同步注浆是盾构法施工的重要工艺。同步注浆材料主要分为惰性浆液和活性浆液，其中在泥水盾构施工中经常采用单液活性浆液，但是在穿江泥水盾构隧道掘进过程中，时常会遇到高渗透、高水压或分布有裂隙破碎带的富水地层，在富水地层环境下，普通单液活性注浆材料抗水分散性弱、泌水率大、受涌水和地层暗流的冲刷侵蚀，极易导致同步注浆过程中出现跑浆现象。
单液活性浆液的材料配比决定了单液活性浆液的基本物理性能，而外加剂的种类和掺量在不同程度上能对单液活性浆液性能够进行改善，通过改变其种类和掺量研发出与地层性质相匹配的注浆材料，使其对不同的施工工况产生一定的适应性。目前，常用于改善浆液在水下抗分散性的外加剂材料为各类纤维素，但是纤维素不利于浆液的凝结与早期强度的发展，而纳米二氧化硅具有可填充浆体材料孔隙、促进水泥水化、提高抗压强度、抗渗性及耐久性等优异的物理化学性质。
中国专利“CN109503089A”公开了一种用于盾构同步注浆的抗水分散浆液，所述浆液组分按重量份数包括：水泥120-150份、水430-460份、粉煤灰340-370份、砂690-720份、羟乙基甲基纤维素2.6-2.9份、聚羧酸减水剂0.1-0.4份，将组分按重量份数准备，向水中加入水泥、粉煤灰、砂、羟乙基甲基纤维素、聚羧酸减水剂并进行拌和，制得抗水分散浆液，所得的浆液通过砂浆泵送至砂浆车中备用，所得抗水分散浆液具有以下优点：①水泥用量较低，并掺加较多的粉煤灰、羟乙基甲基纤维素、聚羧酸减水剂等抗冲刷材料，本发明所述配比的浆液具有流动性、抗水分散性和保水性等特性，能够有效的减少盾构同步注浆浆液因地下水冲刷，而导致管片外部缝隙填充较差，进而造成的管片沉降、渗漏水等质量问题；②稳定性良好，稠度12.3cm，流动度29.0-30.0cm，泌水率1％-2％，降低了后续施工时盾构隧道二次注浆的施工成本，提升了隧道整体施工质量，同时还提供了一种用于盾构同步注浆的抗水分散浆液的制备方法，本方法采用湿拌法工艺，制得抗水分散浆液的稳定性、抗冲刷性更有保证。
发明内容
为实现上述目的，本发明提供一种用于富水地层盾构施工的同步注浆浆液及其制备方法，包括A组分、B组分、C组分；其中，A组分的原料包括：硅酸盐42.5级水泥、II级粉煤灰、河砂、纳基膨润土，B组分的原料包括：羟乙基甲基纤维素、自来水，C组分的原料包括：纳米二氧化硅、自来水，B组分的掺和量与A组分的掺和量的比值为3:5，C组分的掺和量与A组分的掺和量的比值为1:2。
进一步地，A组分中硅酸盐42.5级水泥的比表面积为350kg/m2。
进一步地，A组分中II级粉煤灰的比重为1.95、含水率为0.35％、单轴抗压强度为1.15MPa。
进一步地，A组分中河砂为细度模数1.9的中细河砂，含泥量为1.1％。
进一步地，A组分中纳基膨润土95％通过200目筛，膨胀率13～30ml/g。
进一步地，B组分中羟乙基甲基纤维素为5000Pa.s的固体白色粉末。
进一步地，C组分中纳米二氧化硅的比表面积为200kg/m2，堆积密度0.1g/cm3。
进一步地，A组分的原料按重量配比为：硅酸盐42.5级水泥157.5kg/m2、II级粉煤灰350kg/m2、河砂700kg/m2、纳基膨润土56kg/m2，B组分的原料按重量配比为：羟乙基甲基纤维素3.43kg/m2、自来水375kg/m2，C组分的原料按重量配比为：纳米二氧化硅2.735kg/m2、自来水375kg/m2。
进一步地，本发明所述同步注浆浆液的制备方法如下：
步骤1、按照硅酸盐42.5级水泥157.5kg/m2、II级粉煤灰350kg/m2、河砂700kg/m2、纳基膨润土56kg/m2、自来水375kg/m2、羟乙基甲基纤维素3.43kg/m2、纳米二氧化硅2.735kg/m2进行称量，备用；
步骤2、将硅酸盐42.5级水泥157.5kg/m2、II级粉煤灰350kg/m2、河砂700kg/m2、纳基膨润土56kg/m2依次加至搅拌机内进行搅拌，至硅酸盐42.5级水泥、II级粉煤灰、河砂、纳基膨润土搅拌均匀，制得A组分；
步骤3、按照羟乙基甲基纤维素3.43kg/m2、自来水375kg/m2进行称量，并将羟乙基甲基纤维素、自来水加至搅拌桶内进行搅拌，至羟乙基甲基纤维素完全溶解，制得B组分；
步骤4、按照纳米二氧化硅2.735kg/m2、自来水375kg/m2进行称量，并将纳米二氧化硅、自来水加至搅拌桶内进行搅拌，至纳米二氧化硅完全溶解，制得C组分；
步骤5、将B组分和C组分加至搅拌桶内进行混合搅拌，至B组分和C组分搅拌均匀，制得B组分和C组分的混合液；
步骤6、将B组分和C组分的混合液加至A组分中进行搅拌，搅拌2～3min，制得同步注浆浆液。
进一步地，步骤6中同步注浆浆液的稠度为8～12cm、流动度为200～210mm、凝结时间为3～10h、抗压强度＞0.2MPa、水陆强度比＞0.8。
各原料在本发明所述同步注浆浆液的作用：
硅酸盐42.5级水泥：在拌和料中能够提高强度，硅酸盐42.5级水泥含有各种矿物物质成分水化，除了和水水化反应还有凝固硬化作用，通过硅酸盐42.5级水泥水化产物颗粒间引力效应聚集在一块，具有网状结构。
II级粉煤灰：粉煤灰作为浆液固结强度和浆液凝结时间的材料，浆液中加入粉煤灰能够改善浆液的和易性。
膨润土：能够在砂浆中增大砂浆的稳定性，同时在一定程度上提高浆液的滑动性，增大可泵性，膨润土能够减缓浆液的材料分离，降低泌水率，具有防渗功能。
河砂：作为填充剂，在浆液中掺入一定量的河砂，能够有效地提高粘聚力和内摩擦角，使其颗粒填充效应更加完善，有效减少浆液的孔隙率并发挥砂颗粒置换作用以及硅酸盐42.5级水泥水化物胶结作用。
羟乙基甲基纤维素：作为絮凝剂，能够提高浆液的保水性、稳定性及抗水分散性能。
纳米二氧化硅：能够促进水化，有效地填充各原料空隙，有助于浆液凝结和浆液早期强度的提高。
相对于现有技术，本发明的有益效果为：本发明所述同步注浆浆液添加了羟乙基甲基纤维素和纳米二氧化硅，羟乙基甲基纤维素能够有效地改善浆液抗水分散性能，纳米二氧化硅具有小尺寸、高活性特点，能够促进水化进程，同时能够有效地填充各组分颗粒空隙，有助于提高浆液凝结和早期强度。
尤其，本发明所述同步注浆浆液早期抗剪切强度高、可注性好，能够有效地填充管片壁后空隙，而且浆液稳定性好、结石率高、析水率低，具有较好的抗稀释性，在浆液注入后能够提供一定的抗剪切力，进而抑制管片上浮，起到稳定管片的作用，解决管片开裂、渗水的问题。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
本发明提供一种用于富水地层盾构施工的同步注浆浆液及其制备方法，包括A组分、B组分、C组分；其中，A组分的原料包括：硅酸盐42.5级水泥、II级粉煤灰、河砂、纳基膨润土，B组分的原料包括：羟乙基甲基纤维素、自来水，C组分的原料包括：纳米二氧化硅、自来水，B组分的掺和量与A组分的掺和量的比值为3:5，C组分的掺和量与A组分的掺和量的比值为1:2。
进一步地，A组分中硅酸盐42.5级水泥的比表面积为350kg/m2。
进一步地，A组分中II级粉煤灰的比重为1.95、含水率为0.35％、单轴抗压强度为1.15MPa。
进一步地，A组分中河砂为细度模数1.9的中细河砂，含泥量为1.1％。
进一步地，A组分中纳基膨润土95％通过200目筛，膨胀率13～30ml/g。
进一步地，B组分中羟乙基甲基纤维素的粘度为5000Pa.s的固体白色粉末。
进一步地，C组分中纳米二氧化硅的比表面积为200kg/m2，堆积密度0.1g/cm3。
进一步地，A组分的原料按重量配比为：硅酸盐42.5级水泥157.5kg/m2、II级粉煤灰350kg/m2、河砂700kg/m2、纳基膨润土56kg/m2，B组分的原料按重量配比为：羟乙基甲基纤维素3.43kg/m2、自来水375kg/m2，C组分的原料按重量配比为：纳米二氧化硅2.735kg/m2、自来水375kg/m2。
进一步地，本发明所述同步注浆浆液的制备方法如下：
步骤1、按照硅酸盐42.5级水泥157.5kg/m2、II级粉煤灰350kg/m2、河砂700kg/m2、纳基膨润土56kg/m2、自来水375kg/m2、羟乙基甲基纤维素3.43kg/m2、纳米二氧化硅2.735kg/m2进行称量，备用；
步骤2、将硅酸盐42.5级水泥157.5kg/m2、II级粉煤灰350kg/m2、河砂700kg/m2、纳基膨润土56kg/m2依次加至搅拌机内进行搅拌，至硅酸盐42.5级水泥、II级粉煤灰、河砂、纳基膨润土搅拌均匀，制得A组分；
步骤3、按照羟乙基甲基纤维素3.43kg/m2、自来水375kg/m2进行称量，并将羟乙基甲基纤维素、自来水加至搅拌桶内进行搅拌，至羟乙基甲基纤维素完全溶解，制得B组分；
步骤4、按照纳米二氧化硅2.735kg/m2、自来水375kg/m2进行称量，并将纳米二氧化硅、自来水加至搅拌桶内进行搅拌，至纳米二氧化硅完全溶解，制得C组分；
步骤5、将B组分和C组分加至搅拌桶内进行混合搅拌，至B组分和C组分搅拌均匀，制得B组分和C组分的混合液；
步骤6、将B组分和C组分的混合液加至A组分中进行搅拌，搅拌2～3min，制得同步注浆浆液。
进一步地，步骤6中同步注浆浆液的稠度为8～12cm、流动度为200～210mm、凝结时间为3～10h、抗压强度＞0.2MPa、水陆强度比＞0.8。
本发明检验同步注浆浆液的稠度的方法：
步骤1，盛浆容器和试锥表面用湿布擦干净，润滑滑杆以保证滑杆能自由滑动；
步骤2，将浆液装入盛浆容器，使浆液的表面低于盛浆容器口约10mm，用捣棒自容器中心向边缘插捣25次，然后轻轻地将盛浆容器摇动或敲击5～6下，使浆液表面平整，随后将盛浆容器置于稠度测定仪的底座上；
步骤3，拧开试锥滑杆的制动螺丝，向下移动滑杆，试锥尖端与浆液表面刚接触时，拧紧制动螺丝，使齿条测杆下端刚接触滑杆上端，并将指针调零；
步骤4，拧开制动螺丝，计时，待10s后立即固定螺丝，将齿条测杆下端接触滑杆上端，刻度盘上读出下沉深度即为浆液的稠度值。
本发明检验同步注浆浆液的抗压强度的方法：采用40mm×40mm×160mm棱柱试体，各原料采用搅拌机搅拌，成型采用40mm×40mm×160mm三联胶砂试模成型，试体连试模一起在湿气中养护，试体成型实验室的温度保持在20±2℃，相对湿度不低于50％。
本发明检验同步注浆浆液的凝结时间方法：取两组试样，以两个试验结果的平均值作为砂浆的凝结时间值，两个试验结果误差不大于30min。
本发明检验同步注浆浆液的流动度的方法：采用计时测定浆液扩散开度的方式进行定量分析，选用边长为1m的正方形玻璃板做底板，待表面湿润干净后，将装满浆液测定仪放在表面，抹平表面后，缓缓提起测定仪的同时开始计时，待30s后，利用十字交叉法测定浆液各个方向的扩散程度，每组测三次，取平均值得到浆液的流动度。
进一步地，硅酸盐42.5级水泥是A组分必不可少的胶凝材料，本发明所采用的硅酸盐42.5级水泥的比表面积为350kg/m2，硅酸盐42.5级水泥的性能如表1所示：
表1
Figure BDA0002947605340000051
粉煤灰为传统的掺和料和胶凝材料，粉煤灰对A组分是必不可少的，本发明所采用的粉煤灰为II级，粉煤灰的形状、细度和置换程度对A组分的孔隙率和透气性均有影响，所以粉煤灰的质量优劣会影响砂浆的浆体，粉煤灰的性能如表2所示：
表2
比表面积(kg/m<sup>2</sup>) 细度 孔隙率
386.5 0.13 0.53
在浆液中掺入一定量河砂，可以有效地提高黏聚力和内摩擦角，使其颗粒填充效应更加完善，有效减少浆液的孔隙率并能发挥砂颗粒置换作用。形成以砂颗粒为核心、硅酸盐42.5级水泥颗粒为外表的团聚结构，进而提高浆液的强度。同时，河砂的掺入能够有效地解决富水地层“吃浆量大，成本高”的问题，降低工程造价，河砂的性能如表3所示：
表3
细度模数 含泥量(％) 堆积密度(kg/m<sup>2</sup>) 含水量(％) 颗粒级配
1.9 1.1 1465 1.98 良好

Claims (10)

1.一种用于富水地层盾构施工的同步注浆浆液及其制备方法，其特征在于，包括：
A组分、B组分、C组分；
A组分的原料包括：硅酸盐42.5级水泥、II级粉煤灰、河砂、纳基膨润土；
B组分的原料包括：羟乙基甲基纤维素、自来水；
C组分的原料包括：纳米二氧化硅、自来水；
B组分的掺和量与A组分的掺和量的比值为3:5；
C组分的掺和量与A组分的掺和量的比值为1:2。
2.根据权利要求1所述的用于富水地层盾构施工的同步注浆浆液及其制备方法，其特征在于，A组分中所述硅酸盐42.5级水泥的比表面积为350kg/m2。
3.根据权利要求1所述的用于富水地层盾构施工的同步注浆浆液及其制备方法，其特征在于，A组分中所述II级粉煤灰的比重为1.95、含水率为0.35％、单轴抗压强度为1.15MPa。
4.根据权利要求1所述的用于富水地层盾构施工的同步注浆浆液及其制备方法，其特征在于，A组分中所述河砂为细度模数1.9的中细河砂，含泥量为1.1％。
5.根据权利要求1所述的用于富水地层盾构施工的同步注浆浆液及其制备方法，其特征在于，A组分中所述纳基膨润土95％通过200目筛，膨胀率13～30ml/g。
6.根据权利要求1所述的用于富水地层盾构施工的同步注浆浆液及其制备方法，其特征在于，B组分中所述羟乙基甲基纤维素为5000Pa.s的固体白色粉末。
7.根据权利要求1所述的用于富水地层盾构施工的同步注浆浆液及其制备方法，其特征在于，C组分中所述纳米二氧化硅的比表面积为200kg/m2，堆积密度0.1g/cm3。
8.根据权利要求1所述的用于富水地层盾构施工的同步注浆浆液及其制备方法，其特征在于，A组分的原料按重量配比为：硅酸盐42.5级水泥157.5kg/m2、II级粉煤灰350kg/m2、河砂700kg/m2、纳基膨润土56kg/m2；
B组分的原料按重量配比为：羟乙基甲基纤维素3.43kg/m2、自来水375kg/m2；
C组分的原料按重量配比为：纳米二氧化硅2.735kg/m2、自来水375kg/m2。
9.根据权利要求1所述的用于富水地层盾构施工的同步注浆浆液及其制备方法，其特征在于，所述同步注浆浆液的制备方法如下：
步骤1、按照硅酸盐42.5级水泥157.5kg/m2、II级粉煤灰350kg/m2、河砂700kg/m2、纳基膨润土56kg/m2、自来水375kg/m2、羟乙基甲基纤维素3.43kg/m2、纳米二氧化硅2.735kg/m2进行称量，备用；
步骤2、将硅酸盐42.5级水泥157.5kg/m2、II级粉煤灰350kg/m2、河砂700kg/m2、纳基膨润土56kg/m2依次加至搅拌机内进行搅拌，至硅酸盐42.5级水泥、II级粉煤灰、河砂、纳基膨润土搅拌均匀，制得A组分；
步骤3、按照羟乙基甲基纤维素3.43kg/m2、自来水375kg/m2进行称量，并将羟乙基甲基纤维素、自来水加至搅拌桶内进行搅拌，至羟乙基甲基纤维素完全溶解，制得B组分；
步骤4、按照纳米二氧化硅2.735kg/m2、自来水375kg/m2进行称量，并将纳米二氧化硅、自来水加至搅拌桶内进行搅拌，至纳米二氧化硅完全溶解，制得C组分；
步骤5、将B组分和C组分加至搅拌桶内进行混合搅拌，至B组分和C组分搅拌均匀，制得B组分和C组分的混合液；
步骤6、将B组分和C组分的混合液加至A组分中进行搅拌，搅拌2～3min，制得同步注浆浆液。
10.根据权利要求9所述的用于富水地层盾构施工的同步注浆浆液及其制备方法，其特征在于，所述步骤6中所述同步注浆浆液的稠度为8～12cm、流动度为200～210mm、凝结时间为3～10h、抗压强度＞0.2MPa、水陆强度比＞0.8。
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