一种大断面隧道预应力锚索锚固浆体材料

2020年5月15日09:59:30一种大断面隧道预应力锚索锚固浆体材料已关闭评论 3,987

中铁五局四公司

蒋思 陈跃龙 李瑞青 匡飞龙 朱永清 骆勇

摘要:京张高铁八达岭地下车站隧道最大开挖断面近900m2,其中过渡段单拱最大跨度达32.7米,施工难度极大,开挖后,除了常用的铁路隧道进行喷射混凝土初期支护之外,还需要增加预应力锚索对围岩施加预应力来加固围岩。新八达岭隧道的预应力锚索注浆材料不仅需要快硬、早强,注浆材料的流动性也必须保持20~30min的时间供施工操作,这是配制该材料最大的难点。我们通过充分利用硫铝酸盐水泥早强快硬的特点,通过试验找到硼酸和无机酸或有机酸混合缓凝技术将硫铝酸盐水泥的凝结时间延长,并通过减水剂、引气剂、增稠剂的技术综合改善浆体的工作性,最终配制出的浆体材料既能够满足施工工艺要求,又能够满足早期强度要求,使该工程能够顺利进行。

关键词:注浆材料、浆体性能

一、背景技术

预应力锚索是用于土体开挖和边坡稳定的一种锚固结构,因其安全有效、经济适用,近年来常用于边坡土体的锚固,其施工流程主要分为四个阶段:定位钻孔-锚索安装-锚固注浆-张拉封锚,在这四个阶段中,锚固注浆具有至关重要的作用,也是预应力锚索施工中技术难度最大的一部分。

京张高铁八达岭地下车站隧道最大开挖断面近900m2,其中过渡段单拱最大跨度达32.7米,施工难度极大,开挖后,除了常用的铁路隧道进行喷射混凝土初期支护之外,还需要增加预应力锚索对围岩施加预应力来加固围岩。相对于一般的边坡锚索锚固,新八达岭隧道的预应力锚索有以下不同:

第一,一般的边坡锚索注浆是水平方向注浆或一定的角度倾斜向下注浆,对浆体的工作性要求较低。而新八达岭隧道的锚索孔有很多是垂直向上,需向上注浆,而且锚索长度较长,往往达到或超过20米,施工时最高需要把浆体注入超过地面30米高度,而注浆管道直径只有20毫米,所以该工艺对浆体的可工作性要求极高。浆体必须具有极高的流动性,较低的粘度以保证能够克服细长管道的阻力,而且还须具有一定的稠度使浆体能够不离析、不沉底。

第二,京张高铁新八达岭隧道的山体中存在较多的破碎断面和孔洞缝隙,在注浆后浆体必须要能够在围岩中快速固结稳定,不然浆体会沿着孔洞缝隙流窜、渗漏而导致注浆孔不饱满,使浆体对锚索的锚固作用不足,同时也会使注浆量急剧增加,令施工成本倍增。

第三,一般的边坡锚索的张拉时限要求较长,有足够的时间等待水泥浆的强度增长至满足张拉要求,而八达岭地下车站采用预应力锚索施工工艺,因开挖断面非常大,围岩急需要及时稳定,所以大断面隧道预应力锚索施工较普通工艺需要更早张拉,要求在锚固段注浆完成后一天时间就要张拉,张拉时限要求很短,且要求张拉时浆体抗压强度不低于40MPa,如果不能及时张拉锚固,将会影响围岩的稳定和滞后下一部位开挖的时间。

二、注浆材料面对的困难

(一)注浆材料的技术要求

基于技术背景中的要求,新八达岭隧道的预应力锚索注浆的将体材料必须具备以下下性能:

1.浆体必须具有极高的流动性,较低的粘度以保证能够克服细长管道的阻力,而且还须具有一定的稠度使浆体能够不离析、不沉底。

2.浆体需要快速固结稳定,凝结时间必须短,在1小时之内。

3.注浆材料需要早强,一天强度达到40MPa。

(二)目前注浆材料的缺点

1.硅酸盐水泥

目前市面上的注浆材料普遍使用的是硅酸盐水泥为主的压浆料或压浆剂,其产品特点主要是针对梁体管道压浆施工工艺,早期强度低、凝结时间长难以满足我们所需要的快速固结拥有较高早期强度的要求,从表1中的试验数据我们可以得出,硅酸盐水泥类的注浆材料无论是流动度、凝结时间还是早期强度,都不适合京张高铁八达岭地下车站隧道预应力锚索注浆施工。

表2.1 使用硅酸盐水泥为主的压浆材料浆体性能

一种大断面隧道预应力锚索锚固浆体材料

2.硫铝酸盐水泥

硫铝酸盐水泥通常用于需要快速硬化的工程,但是由于其凝结时间太短,难以配置出具有极高工作性的浆体,更难以将其注入30米高的山体内,所以只使用硫铝酸盐水泥作为注浆材料也是行不通的。市面上常用的硫铝酸盐水泥缓凝剂或改性材料多数是针对自流平砂浆或支座灌浆所使用的,虽能够解决硫铝酸盐水泥缓凝的问题,但难以配制出具有极高工作性的净浆浆体,经常会遇到三个问题:

第一,凝结时间过长,浆体不能快速固结,导致浆体注入孔道后沿着山体缝隙流窜而使孔道难以注满,使水泥浆体对锚索的锚固作用不足,早期强度也不能满足张拉要求;

第二,配制出的浆体工作性不稳定,浆体稠度不足,容易出现离析沉底使注浆管堵塞,导致注浆工作不能正常进行;

第三,浆体较粘稠,导致注浆时管道的阻力很大,使注浆工作进行的非常困难。根据表2中的内容可以知道,使用支座灌浆类硫铝酸盐水泥的改性材料不能制作出满足我们使用要求的浆体。支座灌浆材料也是使用硫铝酸盐水泥为主要胶凝材料,但其使用条件和使用部位与我们的锚索注浆完全不同,所以这类材料也不能解决京张高铁八达岭地下车站隧道预应力锚索注浆施工中的问题。

表2.2  采用支座灌浆改性材料与硫铝酸盐水泥的浆体性能

一种大断面隧道预应力锚索锚固浆体材料

基于上述的问题,我们在市场上没能找到一种能够解决施工中所遇到问题的材料。因此,在这样的要求下,如何能让浆体具有极高的工作性,同时拥有恰到好处的工作时间、凝结时间和较高的早期强度,是一项极其难以把控的技术难题,配制出一种具备这些性能的注浆锚固浆体材料成为亟待解决的问题。

三、解决技术方案

(一)技术思路

基于该注浆材料快硬早强的特点,选用硫铝酸盐水泥成为首选方案。针对硫铝酸盐水泥快硬的特点,希望使用缓凝技术使注浆材料既能够在一定时间内保持流动性,又能满足浆体早强、快硬的特点,并希望通过辅助技术如引气、增稠等技术来改善浆体的工作性。

(二)解决方法

按照上述思路,使用硫铝酸盐水泥、减水剂、缓凝剂、引气剂、增稠稳定剂等材料开展试验,选用多种材料试验,最终确定的材料为:硫铝酸盐水泥3CaO·3Al2O3·CaSO4和2CaO·SiO2为主要熟料成份所制成的低碱快硬性水泥;减水剂为聚羧酸减水剂;缓凝剂为无机酸、小分子有机酸或两者的组合,无机酸为硼酸、磷酸或相关盐类,有机酸为柠檬酸、糖蜜或相关盐类;引气剂包括烷基和烷基芳烃磺酸类引气剂、脂肪醇磺酸盐类引气剂及醚类引气剂;增稠稳定剂为木质素纤维。并确定配合比如下:

表3.1  注浆材料配合比

一种大断面隧道预应力锚索锚固浆体材料

表1中的配合比,浆体初始流动度在13~18s,25分钟内流动性小于20s,30分钟流动度大于25s,50分钟内达到初凝,60分钟内达到终凝,旋转粘度小于1700mPa·s,含气量大于1.5%,1天抗压强度大于40MPa。可满足施工工艺及张拉时间要求,试验结果详见表3.2。

表3.2  注浆材料性能试验结果

一种大断面隧道预应力锚索锚固浆体材料

在上述的方案中,我们合理利用了硫铝酸盐水泥快硬早强的特点,通过使用缓凝技术把浆体的流动性控制在施工可操作的时间范围内,避免凝固太快造成施工无法操作的情况;通过减水剂技术使低水胶比浆体能够获取较高的流动性,引气之后浆体的粘度降低,通过使用增稠稳定剂使浆体稠度适中、避免泌水,在试验室配置出的浆体材料理论上可以满足施工工艺和工程结构需要。

四、实施

为验证技术方案的可行性,依照上述方案的配合比,分别实施。

为了方便现场操作,减少计量误差,施工过程中将硫铝酸盐水泥单独存放,缓凝剂、减水剂、引气剂、增稠剂等用量较小的材料按照上述比例提前混合均匀,制备浆液时将硫铝酸盐水泥、混合料和水按照配合比混合搅拌。

上述方案中的5个配合比,从浆体加水搅拌至该盘浆料完成注浆约需要10~20分钟时间,均能够顺利完成注浆,完成注浆后约15~20min浆体开始固结,注浆过程中均没有出现泌水、沉底等现象,确保了注入孔道内浆体的稳定,1天龄期均能够达到张拉强度,正常的施工工序能够顺利展开。施工时每个配合比的性能检测结果如下表:

表4.1 注浆配合比实施结果

一种大断面隧道预应力锚索锚固浆体材料

五、总结

在本工程的技术背景下,注浆材料不仅需要快硬、早强,注浆材料的流动性也必须保持20~30min的时间供施工操作,这是配制该材料最大的难点。我们通过充分利用硫铝酸盐水泥早强快硬的特点,通过试验找到硼酸和无机酸或有机酸混合缓凝技术将硫铝酸盐水泥的凝结时间延长,并通过减水剂、引气剂、增稠剂的技术综合改善浆体的工作性,最终配制出的浆体材料既能够满足施工工艺要求,又能够满足早期强度要求,使该工程能够顺利进行。

这使我们明白,充分了解工艺和工程特点是要理解工程材料所需达到的目标,掌握各种材料的特性,经过充分试验,综合利用各种技术来达到这一目标是我们采取的技术手段,而充分了解目标是技术手段能够实现的前提。所以我们对工程背景进行了深入的调查,在此基础上,技术手段得以实现。

编者按:

该文章是中铁五局解决现场问题的一篇技术总结,并依托该技术取得了一项国家发明专利。文章所涉及的一种大断面预应力锚索注浆材料,综合了快硬硫铝酸盐水泥、增稠、减水剂、缓凝、引气等多项技术,成功解决了技术背景中的问题。之所以能够解决问题,不仅仅是因为作者技术团队充分掌握了材料配制技术,关键还有对工程背景和施工工艺的充分了解,在工程实践中要解决问题,两者都是十分重要的。网站将该文章分享给大家,不是为了分享材料配制技术或者一组数据,而是为了分享工程技术人员解决问题的思路,希望能为广大读者提供更有益的帮助。

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朱永清
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