摘要: 针对跨江海隧道地段高水压饱和水地质条件，研制出可在高压富含水地层中使用的盾构隧道同步注浆材料复合外加剂HBP，并利用HBP配制出具有抗水分散、可防止管片上浮、保塑等性能的同步注浆材料。研究结果表明：掺加HBP的新拌同步注浆材料抗水分散性好（PH值为8.3，28d水陆强度比为0.88）、粘稠性佳、不泌水（泌水率＜0.05%）、可防止管片上浮；硬化浆体固结率高，结构密实，抗渗等级达S4，具有很好的经济与社会效益。
关键词:高压富含水 同步注浆 抗水分散 复合外加剂
0 前言
同步注浆是地下隧道盾构施工法中的壁后注浆工法之一，即在隧道内将具有适当的早期及后期强度的材料，通过注浆泵及盾尾的注浆管，按规定的注浆压力和注浆量在盾构推进的同时填入盾尾空隙内的一种施工工艺，最终达到填充管片环外空隙、固结管片环位置、减小地面沉降、充当环外第一道防水线的目的[1]。由于大多情况下跨江海隧道所经地层软硬不均、沿纵向地质条件变化复杂，隧道长、管径大、断面水压高，如采用普通的注浆材料， 其拌合物的水胶比、组成等参数会发生巨大变化，严重影响硬化后注浆材料的力学性能和耐久性。同时，由于地层暗流的冲刷侵蚀作用，注浆材料极易被水冲稀，从而造成注浆材料的结构破坏，迫使浆液不但不能起到填充、防水、加固等目的。另外，在高饱和水环境下，如果管片脱出盾尾后(一般情况2~3环)，同步注浆材料不稳定导致不能够起到均匀填充的作用，隧道管片仍然可视为浸泡在液体之中，在浮力的作用下必然会产生上浮现象。普通的注浆材料在高水压富含水条件下灌注不但达不到同步注浆所要求取得的效果，而且不能有效的防止管片的上浮。因此，需要研制出一种具有抗水分散、可防止管片上浮、减水、保塑等功能于一体的高性能同步注浆材料满足注浆要求。
本文采用有机高分子絮凝剂和无机保水增强材料对注浆材料进行改性，优选出抗水分散性能佳的抗水分散外加剂；采用减水、保塑复合技术研制出新型抗水分散、减水、保塑复合外加剂；制备出可在高压富含水地层中应用的高性能同步注浆材料。
1 原材料与试验方法
1.1 原材料
水泥：江西产P·O42.5级水泥；细集料：中细河沙，细度模数2.45，表观密度为2700kg/m3，堆积密度为1510 kg/m3，含泥量为3.0％；粉煤灰：武汉产Ⅱ级灰，需水量比为102％， 密度为2.7g/cm3，比表面积为380m2/kg；硅灰（SF）：SiO2含量大于95％，密度为2.2g/cm3，比表面积为2×104m2/kg；矿粉：比表面积为450m2/㎏；羟乙基纤维素（HEC）：白色无味粉末，溶于水，分子量约 6×104；聚丙烯酰胺（PAM）：白色无味粉末，易溶于水，分子量为800×104；膨润土（BE）： 钠基膨润土。
1.2 试验方法
坍落度及流动度试验方法按 JGJ70-90《建筑砂浆基本性能试验方法》进行。采用上圆为Φ70mm，下圆为Φ100mm，高60mm的截面锥筒进行注浆材料流动度和坍落度试验。锥筒置于平滑玻璃板上，将注浆材料装入锥筒内然后垂直提起锥筒，测砂浆高度损失即为坍落度；测砂浆不同垂直方向的摊开宽度即为流动度。
注浆材料抗水分散试验参照 DL/T5117-2000《水下不分散混凝土实验规程》进行。将300ml的新拌砂浆注入1000ml的纯净水中后，静置5min，采用精确pH试纸测量上层清水的pH值。将70.7mm×70.7mm×70.7mm的注浆材料试模放入水池中，使水面高出模具20cm，然后用导管将注浆材料注入模具中，注浆材料从模具中溢出后，将模具取出水池进行振动成型，然后标养至规定龄期进行抗压强度实验，按这种方法测试的强度为注浆材料的水中强度；按JGJ70-90《建筑砂浆基本性能试验方法》中抗压强度方法测试的强度为注浆材料的陆地强度；水陆强度比则为同一配比注浆材料在两种不同条件下成型后同一龄期的强度比值，该比值可以定量判断注浆材料的抗水分散性能。一般认为当注浆材料水陆强度比大于0.8时，则该注浆材料具有优良的抗水分散性能。
2 试验结果与分析
2.1 新型复合外加剂的研制
1) 抗水分散组分优选
本文采用 SF、矿粉、HEC、HEC等无机、有机材料对基准配合比浆液进行单掺掺膨润土的同步注浆普通单液浆液抗水分散性能和工作性能对比，其结果如表1。
试验，研究其抗水分散性能和工作性能，并与
同步注浆单液浆液的固结强度只要求与隧道围岩土体的强度相当，一般 28d抗压强度控制在2.5MPa以上。表1试验结果表明，上述浆液配比除掺HEC的3号试样外都能保证同步注浆单液浆液的固结强度。
掺BE的同步注浆普通单液浆液尽管具有很好的工作性能和固结强度，但其抗水分散性能极差,28d水陆强度比仅为0.58。分析认为，膨润土属于蒙脱石族矿物，表面含有大量的“HO－”和“SiO－”基等活性基团，具有吸水性、膨胀性、触变性等特性，其水解后会在浆液中形成卡屋结构，可以增加浆体稳定性，增大浆体黏度，阻碍砂粒下沉，一般认为其保水性能较好，但当其达到水饱和时，再在外界水的作用下，利用其制备的同步注浆浆液抗水分散性能则会大幅度下降。当采用SF和矿粉无机材料掺入浆液时，1、2号试样的3d、7d、28d水陆强度均较只掺BE 的0号试样强度要高，其28d的水陆强度比分别为0.73、0.71，比掺BE的浆液水陆强度比分别提高0.15、0.13；但掺入SF的浆液工作性能优于掺矿粉浆液的工作性能。分析认为，SF、矿粉虽然都具有较高比表面积，但是由于SF的颗粒形状呈球形，有助于浆液的流动性能，从而改善了浆液的工作性能；而矿粉的颗粒表面呈多角形不规则形状，不具备“滚珠效应”，不利于浆液的流动性能， 反而劣化浆液的工作性能。掺SF的1 号试样依靠其超大的比表面积来吸附水和水泥、粉煤灰颗粒，达到絮凝效果，使得其抗水分散性能较掺膨润土和矿粉的0、2号试样均要好。
HEC、PAM有机絮凝剂掺入基准配比浆液中时，可以很好保证浆液的抗水分散性能。3、4号试样的 3d、28d水陆强度比分别达到0.95、0.88，比掺BE的浆液水陆强度比分别提高0.24、0.30。分析分为，HEC、PAM主要是利用其长分子主链、侧链在浆体中起到吸附、桥架作用，通过分子链相互搭接，形成立体网状结构，将浆液的各个组成部分束缚在一起，使水泥、骨料在水中下落时不分散、不离析，从而保证了浆液在水中成型后的抗压强度。
从上述5种外加剂对浆液抗水分散性能改善效果的比较可以看出，其抗水分散性能优劣顺序为：HEC＞PAM＞SF＞矿粉＞BE。
从pH值的变化也可看出此顺序。
由上面单掺外加剂对同步注浆浆液抗水分散性能、抗压强度和工作性能试验结果可知，HEC、PAM、SF三种材料对同步注浆浆液的抗水分散性能、抗压强度和工作性能在不同方面都有很好的改善作用。但仅用SF改性同步注浆浆液，其水陆强度比仍然低于80%；仅用HEC改性同步注浆浆液，其水、陆抗压强度值大幅度下降，其28d水、陆抗压强度值与掺BE的0号浆液试样相比， 强度损失分别达到63%和75%；仅用PAM改性同步注浆浆液，虽然可以满足水陆强度比和固结强度的要求，但其工作性能 又不能满足注浆要求。因此，考虑将SF、HEC、PAM三种外加剂进行复掺后对同步注浆浆液进行改性，研究外加剂复掺对浆液抗水分散性能的影响。
PAM是一种极易溶于水的高聚合物，具有超高吸湿容量， 吸放湿速度慢， 表面规整致密，成膜性好，具有分散、增稠、吸附、絮凝作用。一般认为PAM聚合物与水形成乳胶液，生成许多微小润滑膜，减小了砂子之间的摩擦力，起到表面分散作用，可明显改善浆液的流动性。但单掺外加剂试验研究表明，PAM掺量达到胶凝材料质量的0.15%后，PAM的吸湿作用会超过其“润滑”作用， 使得浆液的流动性大大降低。另一方面，表3-4试验结果表明，HEC掺量为胶凝材料的0.4时，其抗压强度损失严重。因此，复掺试验将HEC、PAM掺量分别控制在0.3%和0.1%以内，见表2。
分析比较SF、HEC、PAM双掺、三掺对浆液的环境pH值、水/陆强度比数据，可以看出SF、HEC、PAM复掺不仅可以提高PAM是一种极易溶于水的高聚合物，具有超高吸湿容量， 吸放湿速度慢， 表面规整致密，成膜性好，具有分散、增稠、吸附、絮凝作用。一般认为PAM聚合物与水形成乳胶液，生成许多微小润滑膜，减小了砂子之间的摩擦力，起到表面分散作用，可明显改善浆液的流动性。但单掺外加剂试验研究表明，PAM掺量达到胶凝材料质量的0.15%后，PAM的吸湿作用会超过其“润滑”作用， 使得浆液的流动性大大降低。另一方面，表3-4试验结果表明，HEC掺量为胶凝材料的0.4时，其抗压强度损失严重。因此，复掺试验将HEC、PAM掺量分别控制在0.3%和0.1%以内，见表2。
分析比较SF、HEC、PAM双掺、三掺对浆液的环境pH值、水/陆强度比数据，可以看出SF、HEC、PAM复掺不仅可以提高2）高效减水、保塑、抗水分散复合外加剂的研制 采用上节研制出的WHT-1与膨润土、高效减水、保塑、抗水分散复合外加剂的研制 采用上节研制出的WHT-1与膨润土、
表4、图1数据结果显示，HBP复合外加剂能将普通硅酸盐水泥同步注浆材料的凝胶时间延长至8～11h，流动度较大，其中HBP-2、HBP-4、HBP-5的流动经时损失小，说明这三种外加剂具有很好的保塑性，适合配制长时间可用的注浆材料以满足泵送要求。从浆液的坍落度和稠度可以看出，掺加HBP-4和HBP-5配制出的注浆材料满足防 止管片上浮要求的材料性能指标，即稠度在9～10.5cm之间，坍落度在3～4cm之间； 分析减水率和泌水率可以看出HBP复合外加剂对水泥具有很好的相容性；pH值、水陆强度比数据表明采用有机-无机技术研制的复合外加剂可以发挥其絮凝、聚合、减水、保塑等功能，增强浆液的抗水分散性能；强度数据也表明复合外加剂对浆液强度没有负效应。因此HBP复合外加剂具有高抗水分散、高效减水、保塑多重功效，能满足高水压饱水背衬注浆材料的性能要求。
综合分析得出：HBP-5复合外加剂的抗水分散性能和减水保塑性能最好，用它配制出来的同步注浆材料类似“膏”状，可以用来防止 管片上浮。图2、3表明，掺加HBP-5的浆液按照测PH值的方式，倒入量筒后上层呈清水透明状，而普通浆液倒入量筒后上层浑浊，不具有抗水分散性能。
2.2 高压富含水地层用盾构隧道同步注浆材料的制备
利用本文研制的HBP-5复合外加剂制备高压富含水地层用盾构隧道同步注浆材料的配合比如表5所示：
表6、表7试验结果表明：利用该配合比制备出的的同步注浆材料流动性好、基本不泌水、抗渗等级达到P4，PH值为8.3、28d水陆强度比达到0.88，能够满足高压富含水地层同步注浆使用条件。
2.3 经济效益分析
这种富含水地层用盾构隧道同步注浆 材料与普通单液同步注浆材料浆液相比，不但在性能上远远优于普通浆液，而且可以带来很好的经济效益。表8为同步注浆材料与普通单液同步注浆材料浆液经济效益对比。
如表8所示，高性能同步注浆材料中的HBP-5复合外加剂的单价与普通单液同步注浆材料中的膨润土价格相当，但在相同工况条件下，普通单液同步注浆材料中粉料与集料用量要高于高性能同步注浆材料。所以，高性能同步注浆材料的单方价格要低于普通单液同步注浆材料，由于它具有良好的抗水分散性、抗渗性与抗溶蚀性，能有效防止管片上浮，填充地层且遇水不分散，确保管片的长期稳定性，因而具有很好的社会效益。
3 结论
(1) 采用2%~2.5%SF、0.2%~0.3%HEC、0.05%~0.1%PAM三种物质复掺得到的抗水分散剂WHT-1复合氨基磺酸盐、FDN减水剂、葡萄糖酸钠研制出的抗水分散、高效减水保塑新型复合外加剂HBP-5能够充分发挥其絮凝、聚合、减水、保塑的功能；
(2) 采用本文研制的复合外加剂HBP-5制备出的高性能同步注浆材料流动性好、不泌水、抗渗等级达到P4，PH值为8.3、28d水陆强度比达到0.88，28d抗压强度达到4.3 Mpa，可有效防止管片上浮，注浆材料单方造价比普通同步注浆材料低5~10元，具有很好的经济和社会效益。
参考文献
1 罗云峰，区希，张厚美等.地铁隧道盾构法同步注浆用水泥浆液的试验研究混凝土，2004，(8)：72
2 王树清，蔡胜华，蒋硕忠.盾构法隧道施工同步注浆材料研究.长江科学院院报，1998 (4)：12
3 郑大锋，邱学青，楼宏铭.水溶性高聚物在盾构隧道注浆材料中的应用研究.华南理大学学报(自然科学版)，2005. (8)：87
4 程晓，张凤祥.土建注浆施工与效果检测.上海：同济大学出版社，1998（5）16~20.
5 郑大锋，邱学青，楼宏铭.浅谈木素磺酸盐高效减水剂在地铁盾构浆液中的应用.混凝土，2005，(11)：83
6 张凤祥，朱合华.盾构隧道.北京：人民交通出版社，2004（9）：26
7 Wei-Hsing.Improving the properties of cement-fly ash grout using fiber and superplasticizer.Department of Civil Engineering. 2001(4) .National Central University.
8 Ohama, Y. Comporision of Performance of Polymer Dispersions for Cement Modifiers Boc., 1980 European Conf. The Construction Press. Lancaster, 1980：103
9 Vrignaud, J.P.; Ballivy, G.; Perret, S.; Fernagu, E. Selection criteria of polyurethane resins to seal concrete joints in underwater road tunnels in the Montreal area. Geotechnical Special Publication, n 120 II, 2003, 1338
