一种超大直径盾构隧道同步双液注浆浆液及施工方法与流程

本发明属于隧道注浆，涉及一种超大直径盾构隧道同步双液注浆浆液及施工方法。

背景技术：

1、盾构法隧道施工是使用盾构机在地层中修建隧道的方法，主要包括土体开挖与开挖面支护、盾构推进与衬砌拼装、盾尾脱空与壁后注浆等主要技术环节。其中，壁后注浆是对盾尾形成的施工空隙填充注浆，以减小由于盾尾空隙而产生的地基应力释放和地层变形，是盾构施工的重要环节之一。

2、盾构法隧道施工过程中的同步注浆材料包括单液型浆料和双液型浆料。在超大直径盾构隧道施工中，一般以单液型浆料作为同步注浆材料，且单液型浆料通常由水、水泥、河砂、膨润土、外加剂等组成。但在实际施工中发现，单液型浆料存在凝结时间较长且难以控制的问题，同时，由于盾构机穿越的地层中存在一定量流动的地下水，导致单液型浆料还会出现浆液不胶凝、注浆不饱满、跑浆等不良现象，这会进一步诱发管片出现上浮，造成管片错台、渗漏水、裂缝等病害。

3、同步双液注浆浆液是通过a液和b液按一定体积比混合形成的浆液，其中，a液一般由水泥、稳定剂等组成的水泥基净浆，b液一般由水玻璃组成。同步双液注浆填充盾尾间隙的优势在于，浆液成型速度迅速，所需双液浆总量有限，降低整体注浆成本。此外，同步双液注浆作业的时间缩短，有助于加快盾构整体推进速度，进而缩短施工工期。然而，现有的同步双液注浆施工方法中存在注浆管路易堵塞、双液浆材料性能不稳、流程混乱、施工质量难控制等方面技术问题，因此目前国内鲜有运用双液浆进行同步注浆作业的超大直径盾构隧道工程。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种超大直径盾构隧道同步双液注浆浆液及施工方法，以解决现有同步双液注浆施工方法中存在注浆管路易堵塞、双液浆材料性能不稳、流程混乱、施工质量难控制等的问题。

2、为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

3、本技术提供一种超大直径盾构隧道同步双液注浆浆液，该浆液包括a浆液和b浆液。其中，a浆液包括水泥、膨润土、稳定剂和水，b浆液包括改性水玻璃、水性环氧树脂、水性环氧固化剂、改性或未改性纳米氧化铝纤维、疏水型气相二氧化硅。

4、在本技术中，水泥选自硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥或复合硅酸盐水泥，且水泥的强度等级≥42.5。在使用时，不应采用结块的水泥，不同品牌、不同品种和不同强度等级的水泥不应混用；不宜采用出厂超过3个月的水泥。

5、膨润土为钠基膨润土，该类膨润土具有吸水率大、膨胀倍数大、较强的离子交换能力和吸附能力、在水中分散性好、胶质价高、粘结性强、热稳定性好的特点。本技术中所用钠基膨润土的质量指标为：600r/min下的黏度≥60mpa•s、动塑比≤1.5pa/(mpa•s)、滤失量≤14.0cm3、75μm筛余≤1.5%、水分含量≤13.0%。

6、钠基膨润土能够吸附水泥中的阳离子和一些小分子离子，并促进离子与水泥反应，形成水化产物，提高水泥的早期强度。钠基膨润土还能够吸收固定水泥中的水分和有机物质，促进颗粒之间的自组装和结晶，形成复合颗粒。这些复合颗粒能够提高a浆液的密实性、强度、韧性和稳定性。另外，钠基膨润土还可以节制水的流动，减少a浆液的渗透性，进而减少水泥混凝土的渗透性。

7、本技术中的稳定剂为复合型缓凝剂，具体选用现有的、能够增粘、增稠、增加塑性或水下不分散的稳定剂，以提高a浆液的稳定剂。同时，该复合型缓凝剂的具体选用还需要符合a浆液凝结时间的技术要求。较为优选的，本技术中的复合型缓凝剂选用木质素磺酸盐及其衍生物、羟基羧酸盐、硼砂、六偏磷酸钠、烷基磷酸酯等，其中，羟基羧酸盐包括乳酸盐、β-羟基丁酸盐、酒石酸钾钠、柠檬酸盐或水杨酸钠等。

8、本技术中的水可以选用自来水或得到充分氧化的地面水。

9、本技术中的改性水玻璃由有机硅改性酚醛树脂和水玻璃制备得到。有机硅树脂具有优良的耐热性和耐潮性，具有良好的力学性能、耐热性能、耐酸性能，且化学稳定性好。通过将有机硅单体与酚醛树脂中的酚羟基或羟甲基反应能够进一步改善酚醛树脂的耐热性和耐水性，得到耐热性、粘结性、耐水性、耐烧蚀性较好的有机硅改性酚醛树脂。

10、水玻璃为一种可溶性的无机硅酸盐，粘结力较大，通常作为粘结剂使用。通过有机硅改性酚醛树脂对水玻璃进行改性，能够使得水玻璃具有耐热性、耐水性、耐烧蚀性，同时还能够进一步增强粘结性，大大改善水玻璃的性能，提高b浆液注浆凝结后形成水泥混凝土的性能。

11、本技术中改性水玻璃的制备方法包括：将有机硅改性酚醛树脂溶解在丙酮、酒精等有机溶剂中，加入硅烷偶联剂，搅拌均匀后得到混合溶液；向混合溶液中加入水玻璃，在60℃的条件下搅拌反应，得到改性水玻璃。其中，有机硅改性酚醛树脂和水玻璃的质量比为（1-5）：100；有机溶剂的加入量以完全溶解有机硅改性酚醛树脂为准；硅烷偶联剂为kh550或kh560中的一种，添加量为有机硅改性酚醛树脂质量的1-2%。本技术中所用水玻璃的模数为2.65-3.40，浓度为35-45°bé。

12、纳米氧化铝纤维是一种主要成分为氧化铝的多晶质无机纤维，其具有突出的耐高温性能，且密度小、热容量小。b浆液中添加纳米氧化铝纤维后，能够增强注浆凝结后形成水泥混凝土的耐热性，同时还能够减轻水泥混凝土的重量，防止隧道内因重量过大而坍塌。

13、进一步，本技术中还可以采用全氟硅烷改性后的纳米氧化铝纤维。全氟硅烷改性后的纳米氧化铝纤维能够增强纳米氧化铝纤维的疏水性和抗腐蚀性，进而增强b浆液的疏水性。

14、本技术中改性纳米氧化铝纤维的制备方法包括：

15、将纳米氧化铝纤维加入到无水乙醇中，超声分散，得到分散液；其中，纳米氧化铝纤维和无水乙醇的质量体积比为1：25；

16、将1h,1h,2h,2h-全氟烷基三烷氧基硅烷和正硅酸乙酯在80-100℃下进行溶胶-凝胶反应，得到凝胶溶液；其中，1h,1h,2h,2h-全氟烷基三烷氧基硅烷和正硅酸乙酯的质量比为1:（1-2）；

17、将分散液和凝胶溶液混合均匀，搅拌反应5h；反应结束后，混合液在甩丝转速为6000-8000r/min、温度为250℃的条件下高速离心甩丝，得到改性纳米氧化铝纤维。

18、本技术中的疏水型气相二氧化硅采用亲水型气相二氧化硅与氯硅烷或六甲基二硅烷等活性硅烷制备得到，具有憎水性。b浆液中添加疏水型气相二氧化硅后，粒径较小的疏水型气相二氧化硅颗粒能够形成网络结构，抑制水性环氧树脂的流动，加快b浆液的固化速度、提高粘结效果；同时，由于疏水型气相二氧化硅的尺寸较小，这会增加b浆液的密封性和防渗性，进而提高b浆液注浆凝结后形成水泥混凝土的密封性和防渗性。

19、在本技术中，当a浆液和b浆液在盾尾间隙同步注浆后，疏水型气相二氧化硅、改性水玻璃、水性环氧树脂与水泥能够迅速反应生成凝胶，大大缩短混凝土的凝胶固化时间，同时，生成的凝胶能够饱满填充注浆圈，并在管片后方形成一层均匀且充实的圆柱状注浆体，使得管片衬砌结构承受的力更为均衡，这能够有效控制地层沉降变形，抑制管片上浮，控制管片姿态，进而显著降低管片错台、开裂、渗漏水及轴线偏移等问题的发生概率。同时，膨润土、改性或未改性纳米氧化铝纤维和疏水型气相二氧化硅的使用能够提高混凝土的密封性、防渗性、疏水性和抗腐蚀性等性能，使得圆柱状注浆体形成一道密封性较好的防水层，有助于减少地下水对管片结构的侵蚀，为盾构隧道的建设和后期运营维护提供了安全保障。

20、较为优选的，本技术提供的超大直径盾构隧道同步双液注浆浆液中，a浆液按照重量份数包括水泥230-400份、膨润土30-50份、稳定剂3-5份和水790-860份，b浆液按照重量份数包括改性水玻璃50-90份、水性环氧树脂50-90份、水性环氧固化剂15-30份、改性纳米三氧化二铝纤维40-80份、改性气相二氧化硅40-80份。

21、更为优选的，本技术提供的超大直径盾构隧道同步双液注浆浆液中，a浆液按照重量份数包括水泥350份、膨润土45份、稳定剂5份和水820份；b浆液按照重量份数包括改性水玻璃70份、水性环氧树脂70份、水性环氧固化剂22份、改性或未改性纳米氧化铝纤维65份、疏水型气相二氧化硅65份。

22、另外，本技术还提供一种超大直径盾构隧道同步双液注浆施工方法，该方法包括：

23、膨润土和水混合后，依次加入稳定剂和水泥，混合均匀，形成a浆液；

24、将水性环氧树脂和水性环氧固化剂混匀后，加入改性水玻璃、改性或未改性纳米氧化铝纤维、疏水型气相二氧化硅，混合均匀，形成b浆液；

25、盾构机推进速度稳定时，自动注入所述a浆液，所述a浆液注入10s后注入所述b浆液，实现双液同步注浆；

26、盾构机停止推进时，提前1min停止注入所述b浆液，所述b浆液停止注入10s后再停止注入所述a浆液；

27、采用流动的清水冲洗浆管内的所述a浆液。

28、本发明具有以下有益效果：

29、（1）钠基膨润土能够吸附水泥中的阳离子和一些小分子离子，并促进离子与水泥反应，形成水化产物，提高水泥的早期强度。钠基膨润土还能吸收固定水泥中的水分和有机物质，促进颗粒之间的自组装和结晶，提高a浆液的密实性、强度、韧性和稳定性，减少a浆液的渗透性。

30、（2）通过有机硅改性酚醛树脂改性水玻璃，能够增强水玻璃的耐热性、耐水性、耐烧蚀性以及粘结性，提高b浆液注浆凝结后形成水泥混凝土的性能。

31、（3）b浆液中添加纳米氧化铝纤维能够增强注浆凝结后形成水泥混凝土的耐热性，同时还能够减轻水泥混凝土的重量，防止隧道内因重量过大而坍塌。

32、（4）通过全氟硅烷改性后的纳米氧化铝纤维还能够增强纳米氧化铝纤维的疏水性和抗腐蚀性，进而增强b浆液的疏水性。

33、（5）b浆液中添加疏水型气相二氧化硅后，粒径较小的疏水型气相二氧化硅颗粒能够形成网络结构，抑制水性环氧树脂的流动，加快b浆液的固化速度、提高粘结效果；同时，由于疏水型气相二氧化硅的尺寸较小，这会增加b浆液的密封性和防渗性，进而提高b浆液注浆凝结后形成水泥混凝土的密封性和防渗性。

34、（6）同步双液注浆浆液注入盾尾间隙后，能够快速腔固管片衬砌结构，降低管片的上浮量及地表沉降量，减小管片错台、开裂、渗漏水等病害，而且能够辅助管片衬砌结构的受力、增强管片衬砌结构的防水能力，全面提升成型隧道质量。

35、（7）相比传统的同步单液浆注浆，该施工方法可以节约同步注浆成本、减少注浆时间、保证成型隧道质量、缩短施工工期。