[00908521]高抗渗微膨胀盾构隧道同步注浆材料关键技术研究

(1)提出了高水压富含水地层条件下高性能同步注浆材料的设计原则与方法采用水溶性有机聚合物复合硅灰研制高抗水分散剂，以提高注浆材料的抗水分散性能；高抗水分散剂复合高效减水缓凝保塑组分研制高性能同步注浆外加剂，以提高浆液的施工可注性；调整水泥、粉煤灰等胶凝材料组分、水胶比、胶砂比，复合高性能同步注浆外加剂制备出具有抗水分散性、高抗渗性能、可有效防止管片上浮的高性能同步注浆材料；在该基础上，采用有机纤维与膨胀剂、钢渣、粉煤灰复合技术进一步提高注浆材料的抗渗性、体积稳定性和抗水溶蚀性。性能指标需满足：稠度：9-10.5cm、坍落度：3-4cm(防止管片上浮)，Ph值＜9、水陆强度比＞80%(抗水分散性能)，泌水率＜2%、流动度：18-20cm(工作性)，使用时间＞8h，28d强度＞3Mpa、固结率＞95%(固结性)，抗渗等级＞S4，90d自由膨胀率＞2.0×10-4(微膨胀)，Ca<'2+>浓度＜60mgl/L(抗溶蚀性)。(2)研制开发出抗水分散、保塑、易施工、防止管片上浮的高性能单液同步注浆材料针对高压富含水地质条件，采用硅灰、羟乙基纤维素、聚丙烯酰胺复合研制开发出抗水分散同步注浆材料外加剂WHT，采用WHT、氨基磺酸盐、FDN减水剂、葡萄糖酸钠复合研制出高性能同步注浆材料外加剂HBP-5；采用HBP-5、有机纤维和膨胀剂、钢渣复合技术制备出可注性好(流动度：19-20cm)、不泌水(泌水率：＜1%)、强度满足要求(28d抗压强度：＞3MPa)、抗水分散性能好(pH值：8.3-9，28d水陆强度比：＞90%)、可防止管片上浮(稠度：9.5-10.5cm，坍落度：3-4cm)、抗渗等级＞S5、90d自由膨胀率：2×10-4-4.13×10-4、Ca<'2+>浓度为48mgl/L，可防止管片上浮的高性能同步注浆材料；建立了高性能同步单液注浆材料综合性能评价方法，提出了高性能单液注浆材料性能优化评价标准。(3)提出了具有抗水分散和抗水溶蚀性能的双液注浆材料的设计原理与方法提出了抗水分散和抗水溶蚀双液注浆材料的设计原理与方法。选择含C3S、C2S和高活性硅铝质成分的物质作原料，加入定量的水混合均匀成A液，然后与碱性激发剂(B液)混合，C3S、C2S在碱激发剂的作用下迅速水化生成CSH凝胶，随后高活性硅铝质成分中Si-O、Al-O键在碱性环境下溶解、重构，与Na+、Ca<'2+>等结合，形成无定型网络结构的类沸石物质[(Na，Ca)-Si-Al-H]。随着水化产物的不断增多，[(Na，Ca)-Si-Al-H]与CSH凝胶相互交织和连生，填充结石体孔隙，结石体结构逐渐形成和增强。CSH凝胶为双液注浆材料提供早期强度和防止早期水分散作用，类沸石物质[(Na，Ca)-Si-Al-H]提供后期强度、耐流水溶蚀作用，二者形成互穿网络结构能够有效提高双液注浆材料的抗水分散和抗水溶蚀性能。并且，具有很好的抗渗性和抗裂性。(4)研制开发出具有抗水分散和抗水溶蚀性能的新型工业废渣双液注浆材料根据设计原理采用含C3S、C2S矿物的比表面积为400-500m<'2>/kg钢渣粉、含高活性硅铝质成分的比表面积为400-500m<'2>/kg矿粉与Ⅱ级粉煤灰、水玻璃等制备出了具有抗水分散和抗水溶蚀性能的新型工业废渣双液注浆材料。基本配合比参数为：A液，钢渣:矿渣:粉煤灰=1:1:(1-2)，水胶比范围控制在W/C=(0.5-1.2):1；B液，工业水玻璃，模数m=3.19，波美度Be°=39.2°；A液与B液体积比范围为A:B=1:0.1-1:1.0，其性能指标为：凝胶时间可调5s-12h，结石率为95-100%，28d抗压强度大于20MPa，28dNa+溶出量小于0.1g/L，在流水溶蚀情况下，360d抗压强度损失率大于10%，抗渗等级S10。其抗水分散和抗水溶蚀性能优于水泥-水玻璃双液注浆材料。(5)揭示了高性能单液同步注浆材料与新型工业废渣双液注浆材料的结构形成机理单液：利用含有长链结构的有机高分子化合物，在水泥细颗粒体系中，将水泥细颗粒体吸附到分子链上，通过分子链在水泥颗粒之间纵横交错的“桥梁作用”，将许多颗粒连接在一起，形成稳定的网状结构。无机材料的高比表面积，改善浆液的保水性与粘聚性，同时填充结构的孔隙，使浆液变的更密实，从而增加了注浆材料的力学性能。双液：水玻璃与钢渣反应迅速生成大量的C-S-H凝胶，使浆体胶凝迅速形成初始网络结构，结构中存在大量的由剩余水玻璃和反应产物NaOH、Ca(OH)<,2>组成的高碱度孔溶液；硅铝质材料在高碱度孔溶液环境中，发生[SiO4]和[AlO4]四面单体的解聚-缩聚-聚合反应，Na+、Ca<'2+>为平衡四面体带负电荷而参与反应，生成高耐久的(Na，Ca)-Si-Al-H类沸石凝胶水化产物填充空隙，提高结构密实度，增加强度；随着(Na，Ca)-Si-Al-H类沸石物质的生成，孔溶液中Na+、Ca<'2+>下降，又促进了含Ca<'2+>矿物的水化，生成更多的C-S-H水化产物进一步提高结石体强度。另一方面，随着反应龄期的延长，钢渣中过烧的f-CaO和RO相开始水化产生体积膨胀，使得结石体密实度进一步提高，后期强度和耐久性得到提高。(6)提出了高性能同步注浆材料生产、施工工艺和质量控制技术方法针对不同地质情况，进行同步单、双液注浆设备选型、工艺优化，提出了隧道上浮控制技术、二次注浆工艺及参数；分析出现场投料、拌和等制备工艺对注浆材料性能的影响因素，确定了最佳注浆参数，掌握适用有效的高性能单、双液注浆材料应用关键技术；提出了同步注浆质量检测与评估方法。(7)进行了大规模的工程应用采用该项目研制的高抗水分散、保塑、易施工、防止管片上浮的高性能单液同步注浆材料和抗水分散、抗水溶蚀性能的新型工业废渣双液注浆材料在“万里长江第一隧”-武汉长江隧道和“中国铁路世纪隧道”-广深港铁路客运专线狮子洋隧道进行了大规模工程应用。应用结果表明：采用该项目研制的同步注浆材料配合比及施工工艺，可有效防止管片上浮、避免地层下陷等问题，取得了显著的经济、社会效益。