盾构接收钢护筒填充水泥砂浆模拟盾构机在砂层中的掘进, 目前水泥砂浆配合比复杂多样, 初凝时间较长并且早期强度较大, 不能达到很好的效果^[1], 因此研究合理的惰性砂浆配合比具有现实意义。

天津地铁5号线张兴庄站—志成路站盾构区间全长437.672m, 最大坡度19‰, 最小平曲线半径800 m, 覆土厚度10~16.22 m。盾构接收张兴庄站地下3层, 地下2层为运营地铁3号线。盾构临近北环铁路既有线接收, 接收井距离北环铁路最近16.81 m, 离铁路坡脚4.86 m, 下穿铁路段埋深16.22 m, 北环铁路采用碎石道床, 高路基 (5.58 m) , 钢筋混凝土轨枕, 电气化普速货运铁路现状为双线, 线间距约5m。由于紧邻既有货运铁路和地铁车站, 且地层以富水粉质软黏土为主, 盾构接收采用注浆+人工地层冻结+钢护筒的综合方案施工。

钢护筒内所使用的水泥砂浆强度不高, 由于张兴庄站盾构端头井加固采用冷冻法, 所以砂浆还需适应人工冻结层接触的低温环境, 当砂浆在低温时在规定时间内不能达到要求的强度甚至不凝固, 影响盾构接收。所以要找到一种既能缩短砂浆凝结时间且早期强度较低, 又能很好地适用于室温以及低温环境下的水泥砂浆尤为关键^[2]。

接收护筒安装检查完毕, 并凿除完成洞门地下连续墙后, 进行护筒回填, 砂浆回填施工一次完成, 回填采用地泵输送方式, 明洞内回填采用M1.5砂浆。浇筑分3次进行, 第1次为下部120°范围浇筑, 待第1次浇筑好的填料初凝后再浇筑第2层填料, 第2层填料高度为中部60°范围, 当第2层初凝后第3次一次浇筑完成。

试验过程中采用可程式高低温环境试验箱。水泥砂浆在不同温度养护下的抗压强度性能测试采用TAW-2000M岩土多功能试验机对试样进行无侧限抗压强度试验。在进行抗压强度试验后, 取部分压坏的试样进行扫描电镜试验, 对不同配合比、不同养护条件的试样内部结构进行分析。

本试验材料根据需要, 主要用到水泥、河砂、粉煤灰、矿粉、减水剂以及膨润土等。其中, 水泥选用42.5级普通硅酸盐水泥;河砂最大粒径<4.75mm, 细度模数为1.4~2.2;粉煤灰为F类二级粉煤灰;减水剂为HK-1高性能减水剂, 密度为1.031g/cm³, p H值为6.3, 砂浆减水率25%, 净浆流动度243mm;矿粉级别为S95, 密度为2.84g/cm³;所用膨润土造浆率≥10m³/t, APL失水量≥18m L, 含水量12%^[3]。此外, 在进行负温养护下的水泥砂浆单轴抗压试验中, 为提高材料的抗冻性能以及早凝效果, 另外还添加了无水氯化钙抗冻剂以及EHD早凝剂, 其中EHD为木钙与硫酸钠、硫酸钙、三乙醇胺的混合物^[4]。

根据要求, 采用多功能试验机研究不同配合比在常温养护条件下砂浆的单轴抗压强度, 试图获得能够在规定时间内达到预定强度的惰性砂浆不同配合比^[5], 其中规定P1代表配合比1, P2代表配合比2, P3代表配合比3;配合比1和配合比2均有3种情况, 配合比3给出4种情况, 如表1所示。

此外, 经过对常温养护条件下水泥砂浆试验研究, 分析试验数据得到较为合理的3种配合比进行负温养护条件下的试验研究, 并且根据常温养护条件下试验数据分析, 在P1-1和P2-2配合比的基础上加入早凝剂EHD和抗冻剂无水氯化钙, 并将P3-4作为对比试验进行负温养护条件下的抗压强度试验, 如表2所示;其中对水泥砂浆试样负温条件养护的温度分别有-8, -10, -15, -20℃^[6]。

砂浆制备过程如图1所示。

按照规范进行标准养护, 养护1d后脱模, 养护7 d后进行单轴抗压试验。试验结束后, 取压坏水泥砂浆的小颗粒进行电镜扫描微观测试, 得到相应砂浆的微观结构图。

对于负温养护的砂浆试验, 当相应的惰性砂浆制备完成后, 静置2h, 以便砂浆各组成部分进行充分的水化反应, 之后放入高低温交变试验箱内部进行不同负温条件养护。养护完成后使试样在自然条件下融化, 并进行单轴抗压强度试验。同样在试验结束后取部分颗粒进行电镜扫描微观测试。

图2所示为不同水泥砂浆常温养护条件下试样的加载过程曲线。

从图2中可以看出, 整个加载过程可以划分为应变缓慢增长、应变线性增大、峰值点稳定和破坏4个阶段, 而且水泥稳定碎石试样经历的冻融循环次数越多, 越容易达到峰值强度^[7]。

取加载过程中峰值强度作为水泥稳定碎石试样的抗压强度值, 得到常温养护条件下不同水泥砂浆试样抗压强度如表3所示。

从表3可以看出, 配合比3的4种水泥砂浆整体强度很低, 均<1MPa;配合比2的3种试样强度整体较好, 介于0.5~2MPa;配合比1的3种试样强度差异较大, 其中P1-1与P1-3抗压强度值接近, 均>1MPa^[8]。

通过试验中试样凝结快慢程度以及各试样强度值的变化发现, 矿粉对水泥砂浆后期强度的提高有明显效果, 但缺少了粉煤灰, 试样凝结硬化速度较为缓慢^[9]。因此, 为了较好地满足实际要求, 取配合比1、配合比2以及配合比3中强度较高的作为负温养护试验的砂浆配合比进行试验, 即分别选择P1-1, P2-2以及P3-4来进一步研究试样在低温养护后强度的变化规律, 其中在P1-1与P2-2两种砂浆配合比基础上添加EHD早凝剂以及无水氯化钙抗冻剂, 而P3-4作为对比试验组。

从电镜扫描图 (放大4 000倍) 中发现三者强度关系, 即P2-2>P1-1>P3-4, 如图3所示。

图4~6所示为3种水泥砂浆在不同负温养护条件下试样的加载过程曲线。观察发现, 虽然试样在随着融化时间的增长峰值强度逐级递减, 但不同温度下相同试样在融化40min后的峰值强度相差很小;而P3-4由于未掺加抗冻剂与早凝剂, 抗冻性能较差, 在-20℃条件下, 试样融化40min峰值强度明显低于其他温度的强度值。

取加载过程中各试样不同温度下融化时间40 min的峰值强度作为负温下水泥砂浆试样的抗压强度值, 得到负温养护条件下不同水泥砂浆试样抗压强度 (见表4) 。

对比常温和负温养护条件下水泥砂浆强度值可以发现, 当负温>-20℃时, P1-1和P2-2的试样强度与常温养护条件下试样抗压强度相差不大, 这说明在这两种试样中所添加的早凝剂与抗冻剂起到明显效果, 使得试样在负温养护的不利影响程度减小, 当温度达到-20℃时, 可以发现试样强度降低, 说明更低的负温作用使得试样养护充分, 当试样融化后, 强度减小^[10]。

根据不同负温养护条件下几种水泥砂浆试样电镜扫描图, 分析认为冻结作用影响使得颗粒组成成分形成整体并未发生凝结反应, 这也印证了之前通过数据分析得到的结论^[11], 即P1-1和P2-2因添加抗冻剂与早凝剂的因素, 负温条件下养护效果及最终结果都较P3-4试样理想, 在融化充足的条件下得到的抗压强度也接近常温下结果。

通过对不同水泥砂浆配合比下的试样在常温以及不同负温养护条件下的抗压强度试验研究, 分析如下。

1) P1-1, P2-2和P3-4常温养护后抗压强度数据结果较好, 在满足强度要求的前提下, 选择P2-2较为理想。

2) 通过不同负温养护条件下抗压试验, 得到EHD早凝剂和无水氯化钙抗冻剂能较好地减小负温作用的影响, 但是在温度达到-20℃时, 试样强度依旧会低于常温养护条件下的强度。当负温≥-15℃时, 掺入添加剂后试样强度能较好满足需求。

通过地表及路基监测数据分析得出, 地表及路基沉降累计值满足控制要求。盾构通过后一段时间变化曲线近似为水平线, 沉降累计值趋于稳定, 沉降幅度近似为0。

该惰性砂浆适用于人工冻结层接触的低温环境, 在规定时间内能达到要求的强度, 不影响盾构接收。该惰性砂浆配合比能很好地适用于室温以及低温环境下盾构钢套筒接收对水泥砂浆的要求。

基于冷冻地层盾构钢护筒接收施工工况, 对不同配合比砂浆在常温和负温养护条件下的单轴抗压强度进行研究, 获得能够在规定时间内达到预定强度的惰性砂浆配合比, 保证了负温条件下砂浆强度满足盾构接收要求。大大降低了盾构接收时漏水、漏砂的发生概率和盾构接收时的安全风险。