干粉盾构同步注浆料的生产与应用

肖群芳，魏然，白宇，王丽

（1.北新集团建材股份有限公司，北京100000；2.中铁上海工程局集团有限公司城市轨道交通工程分公司，上海200431）

0 前言

随着国内一、二线城市和各省会城市加快基础设施建设步伐，地铁建设成了投资热点。“盾构法”和“暗挖法”作为地铁地下工程的主要施工工艺，随着人力成本逐步上升、地铁埋深的逐渐增加、地下施工条件的日益复杂，盾构法应用比例逐步提升[1]。同步注浆料作为盾构法中盾构管片与土层之间空隙层的填充支撑材料，在不同的地层条件中起着不同的作用，为此演化出4种同步注浆料材料分支：长三角地区普遍应用的惰性稠浆[2]、其他地区无水地层中应用的活性稀浆、其他地区有水地层中应用的活性稠浆、北京部分工地使用的双组份同步注浆材料[3]。除了双组份同步注浆料是工地现场自拌，其余的同步注浆料在“绿色化、集成化、文明化”施工要求规范下，以干粉砂浆工厂或湿拌砂浆工厂集中供应为主。

本文以国内广泛应用的活性稀浆和活性稠浆为研究对象，材料性能符合DB11/T 1608—2018《预拌盾构注浆料应用技术规程》的要求，并结合项目对施工成本的把控，增加出浆率（每吨干粉料加水制备出的浆液方量，m3/t）指标，分析了采用不同生产工艺和原材料制备的同步注浆料在性能和成本上的差异（在干粉料所有性能指标都符合相关标准要求，干粉料每吨售价相同情况下，材料的出浆率越高，项目上因为盾构同步注浆料产生的费用支出越低），从而给干粉盾构同步注浆料生产厂家生产和施工单位选材提供参考。

1 干粉盾构同步注浆料的研制与生产

在施工现场生产同步注浆料时，水泥、砂、掺合料、膨润土是必不可少的原材料，分别起到凝结硬化、填充提高强度、降低成本、提高固结率的作用。在预拌砂浆工厂生产的干粉盾构同步注浆料通过散装罐车运输到施工现场，再加水搅拌使用，原材料的可选范围较大。可通过有机添加剂调整浆液的和易性和固结率、减少膨润土用量，采用活性超细粉末、石粉、含粉量高的尾矿取代粉煤灰和部分水泥等措施，可以得到固结率高、出浆率提高的同步注浆料，但改善效果有限，没有本质区别；如果要实现跨越式性能提高，需改变干粉盾构同步注浆料的生产工艺。

干粉砂浆的生产工艺根据使用骨料不同，可分为两大技术路线，使用天然砂的干粉砂浆主要生产过程包括：骨料烘干、筛分，各种原材料储存计量，混合，进入散装筒仓待发货；使用机制砂的干粉砂浆主要生产过程包括：骨料破碎、整形、分级，各种原材料储存计量，混合，进入散装筒仓待发货。无论是使用天然砂还是机制砂，在砂浆混合主塔上均是各种原材料按比例的物理混合，注浆料的性能完全取决于各种原材料的用量。

如果改变生产工艺，用破碎磨细的工艺生产干粉砂浆，原材料的可选种类范围比前述提到的计量/混合生产工艺更广，煤矸石、尾矿、脱硫渣、废石都是可选择的原材料，经过破碎磨细后，通过粉体表面缺陷的形成和比表面积的增大，单价较高的膨润土可以少用或不用，原材料成本可以得到较好控制。

表1、表2分别为2种不同生产工艺生产的干粉盾构注浆料配方。其中水泥为唐山冀东水泥厂的P·O42.5水泥；水泥熟料为唐山泓泰水泥有限公司的硅酸盐熟料；粉煤灰为大唐电厂生产的Ⅲ级粉煤灰；石粉为唐山市丰润区永丰高钙矿粉加工厂生产的普通石粉（含水率≤0.5%，0.075 mm筛余为0）；20～100目砂为唐山市丰润区润腾建筑垃圾回收处理有限公司供应的级配配干砂（含水率≤0.5%，1.18 mm筛余≤2%，0.075 mm筛下≤10%）；干法脱硫渣为天津大港电厂供应废料，含水率≤3%，CaO含量≥10%；钠基膨润土为浙江长安仁恒科技股份有限公司生产的BS－02M；石灰石为金隅冀东砂石骨料中心唐山工厂供应毛石，CaO含量≥30%；煤矸石为唐山鸿顺建材有限公司废渣，50 mm方孔筛筛余为0，含水率≤3%。

表1 典型砂浆生产工艺制备干粉盾构同步注浆料配方g

表2 破碎磨细生产工艺制备干粉盾构同步注浆料配方g

表3为上述2种不同工艺制备的注浆料，按照DB11/T 1608的技术要求和测试方法进行性能对比结果。

表3 不同工艺和原材料制备的干粉盾构同步注浆料性能

由表3可以看出，采用典型砂浆混合工艺生产的1#～4#干粉盾构同步注浆料，不管是改变掺合料的种类，还是掺加能对材料进行显著增稠增黏的外加剂，其用水量明显小于采用破碎磨细工艺生产的5#～7#干粉盾构同步注浆料。5#～7#干粉盾构同步注浆料，在浆液流动度相当的前提下，加水量提高至50%左右，出浆率也由0.7 m3/t左右提升至0.85 m3/t以上，固结率也明显高于传统混合工艺生产的产品。这缘于破碎磨细工艺生产的砂浆浆液和易性好，粉体材料对游离水的羟基锁水性强，浆液的和易性好，不会出现游离水上浮到浆液表面、骨料下沉到浆液底部等现象，从而显著改善浆液的泌水现象。

在采用破碎磨细工艺生产粉盾构同步注浆料时，干法脱硫渣与石灰石和煤矸石相比，其出浆率更高，同时固结率和强度仍能符合DB11/T 1608—2018的要求，这在于干法脱硫渣中的残留石灰成分对出浆率、浆液的和易性和固结率有明显改善，需要注意的是，干法脱硫渣中的亚硫酸钙会对水泥造成一定的缓凝现象，需要掺加外加剂进行适当调节。实际应用经验发现，干法脱硫渣掺量不得超过35%。

2 干粉盾构同步注浆料的应用

干粉盾构同步注浆料经散装运输车运送到项目现场，进入筒仓台套中储存、搅拌待用。不同城市的盾构施工项目，单台盾构机每天消耗的干粉盾构注浆料为30～100 t不等，与房建项目消耗普通砂浆相比，用量明显增加。对此，干粉盾构同步注浆料在施工现场的散装筒仓为带防离析设计的45 m3筒仓，仓容约为常规房建项目20～25 m3筒仓的2倍。

散装筒仓自带的搅拌系统可分为连续搅拌系统和非连续搅拌系统2种，连续搅拌系统故障率低、可靠性强，但筒仓中的物料在重力作用下进入混浆机时，流速会出现变化，导致水流大小需要调节，制备的浆液稀稠度会出现一定波动。连续混浆机在制浆完毕后，机器清洗用水较少，因机器清洗用水会进入中板的中转罐中影响浆液质量，清洗用水越少越好。非连续搅拌系统会定量计量料和水，制备的浆液比较稳定均匀，但其最大问题是故障率高、对基座高度有一定要求，清洗用水量大，进入中转罐后会稀释制备好待用的浆液。

制备好的浆液进入中板中转罐的浆液输送工艺，以及中转罐中浆液进入台车的浆液输送工艺，在盾构施工项目中极易忽视，特别是使用活性浆液的项目。泥浆泵是较为常见的浆液输送设备[见图1（a）]，但泥浆泵的输送能力有限，对于流动度小于25 cm的浆液输送能力有限，特别是涉及到高度爬升的浆液输送。因此使用泥浆泵进行同步注浆料输送的项目，实际进入到台车的浆液一般控制的较稀，会影响浆液的凝结时间和固结率，特别是在有地下水的地层中推进时，这种稀的浆液容易被地下水稀释，导致浆液表观凝结（失去流动性）和初凝时间（开始出现强度）明显延长、固结率下降，从而影响管片形态，并会增大二次补浆的方量。

根据笔者多年应用经验，活性盾构注浆料存在向上的高度爬升，需要使用活塞泵[见图1（b）]替代泥浆泵之外，如果存在水平长距离输送或者角度小于30°的往前下方输送时，也采用泵替代输送管道。在不少项目上存在水平距离大于1 m、小角度输送浆液[见图1（c）]时，会因合格浆液的自流性差出现堵管，制浆工人会用水疏通或者制备相对稀一些的浆液，从而影响浆液的填充效果。对于角度超过30°的浆液输送管道，为便于工人操作，管道上方要多开观察口（也为机械助流提供操作口），如图1（d）所示。

图1 盾构同步注浆料的浆液输送设备和工艺

图2为采用破碎磨细工艺生产的7#干粉盾构同步注浆料注浆完毕且没有二次补浆的情况下，因线路调整，挖开施工面看到的浆液充填效果。可以看出，该浆液固结率高、填充效果好。

图2 破碎磨细工艺生产的盾构注浆料填充效果

3 结论

（1）对于以“水泥、粉煤灰、骨料、膨润土”为主要原材料的活性干粉盾构注浆料，破碎磨细生产工艺制备的砂浆与传统计量混合工艺生产的砂浆相比，存在以下优点：①原材料可选范围广，固体废弃物的使用比例可以达到70%，材料成本更可控；②粉体材料中位径小，标稠用水量不低于45%，出浆率高于0.85 m3/t；③相同流动度前提下，制备的成品表观凝结时间（失去流动性的时间）更短，固结率都不低于95%，能节省二次补浆方量和成本；④与石灰石相比，在不影响固结率和力学性能前提下，干法脱硫废渣能使干粉盾构注浆料的用水量增加5%以上；干法脱硫废渣的成本低于石灰石毛石，因而可降低材料成本。

（2）活性浆液从地面上输送到中板的中转罐、地下的台车时，避免水平管道输送浆液、以及用泥浆泵进行高度爬升输送浆液，横向输送浆液时，管道向下的角度以超过20°为佳，垂直向上输送浆液时，以活塞泵为佳，这样浆液的稀稠度可以得到保证，从而提高施工质量和安全性。