一种高抗渗盾构隧道同步注浆材料、制备及使用方法与流程

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1.本发明涉及建筑材料技术领域，具体涉及一种高抗渗盾构隧道同步注浆材料、制备及使用方法。

背景技术：

2.盾构隧道同步注浆材料是用于填充隧道盾构施工中开挖土体与管片圆环间空隙的一种材料，确保管片衬砌的早期稳定，稳固管片、防止上浮；进而起到支承地层、减少地层沉陷、保证环境安全的作用。
3.注浆材料应首先具备快凝可塑性：快速凝结、水下不分散，突涌水部位也可固结，强度可有效支撑管片。现有注浆材料只对流动性、早期强度提出要求，专利cn 110183189b采用水泥、石灰基单液浆，其流动性好，凝固后强度较高，但浆液凝结时间长，易流失，抗水分散性差；专利cn 112723836b采用水泥～水玻璃双液，胶凝时间短，早期强度高；但其结构在动水下易失效。
4.隧道抗渗防水主体由注浆材料、抗渗等级大于s13的管片、接缝防水和二次衬砌组成，但在当前超高埋深、高水压的隧道工况下渗漏水现象依然频发；作为迎水面的第一道防线—注浆材料，应具备良好耐久性和抗渗性，在各种复杂地质环境下体积稳定、耐溶蚀。但是水泥基注浆材料组成为ca(oh)2、c-s-h，极易在地下富水条件发生ca
2+
溶出，导致材料强度和结构失效；注浆材料固结体高孔隙率、多连通孔的结构特点亦会导致盾构注浆材料抗渗防水效果差。
5.专利cn106145798b采用碱矿渣双液注浆，凝胶时间极快、强度高，固结体组成为类岩体，耐溶蚀性有一定提升，但固结体抗渗系数低。降低注浆材料的孔隙率理论上可提升其抗渗性：专利cn103803893b、cn113416277b采用乳化沥青、胶乳等高分子材料与水泥砂浆复合，利用乳液在砂浆孔隙中填充作用可降低孔隙率，提升耐候性。但无法实现对乳液颗粒的定向捕捉和均匀分散，乳液颗粒在复合体系中扩散效率低、填充效果差；且因胶结速率快，导致浆体堵管，严重影响施工可注性。
6.盾构隧道同步注浆材料目前正面临超埋深、高水压等复杂地质的考验和挑战，水泥基注浆材料抗水分散性差、易流失，结构失效后耐溶蚀性差、抗渗等级低；碱矿渣注浆抗渗系数低、乳液复合注浆胶结速率快无法实现有效填充。亟需开发一种快凝可塑、抗水分散的注浆材料，兼具耐溶蚀性及优异的防水抗渗性。
7.公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成本领域技术人员所公知的现有技术。

技术实现要素：

8.本发明的第一个目的是提供一种高抗渗盾构隧道同步注浆材料，利用层间稳定剂的桥架吸附、层间填充作用，同时利用低聚胶结剂与水泥、活性硅铝原材的反应使浆液5～10s内由流态转变为可塑性半固态，二者共同实现注浆材料快凝可塑，同时快速稳固管片、
防止管片上浮。
9.本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
10.一种高抗渗盾构隧道同步注浆材料，高抗渗盾构隧道同步注浆材料为a液和b液按照1～20：1的体积比混合制得：按照质量份数计，a液由20～40份水泥、30～50份活性硅铝原材，10～20份层间稳定剂和50～200份水组成；b液由80～90份沥青乳液，5～10份低聚胶结剂和5～10份螯合剂组成。本发明通过控制a液和b液的体积比控制a液和b液中活性硅铝原材与低聚胶结剂的比例，从而保证凝胶反应时间在5～10s内进行。实现了注浆材料的快凝可塑，同时利用螯合剂的定向捕捉功能使沥青乳液在水泥中硅酸三钙等矿物颗粒表面定向聚集，保证乳液均匀分散，乳液颗粒破乳成膜后，填充反应产物之间的空隙，提升注浆材料耐溶蚀和防水抗渗性。
11.作为优选的，水泥为硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥和硫铝酸盐水泥中的一种或多种。水泥的比表面积≥300m2/kg，28d抗压强度等级不低于42.5mpa。
12.作为优选的，活性硅铝原材为粒化高炉矿渣、钢渣、粉煤灰和煅烧偏高岭土中的一种或多种。活性硅铝原材的主要成分sio2和al2o3能够与低聚胶结剂解聚的硅氧化合物和铝氧化合物发生缩聚反应，形成sio2和al2o3共用氧交替键合的聚硅铝酸盐(c/na-si-al-h)，其三维网状的类沸石结构产物替代了可溶性水化产物，提升浆体耐溶蚀性及长期稳定性。
13.作为优选的，活性硅铝原材中sio2的含量不低于15％，al2o3的含量不低于25％。保证缩聚反应的正常进行，且持续能溶解出sio2和al2o3，直至形成三维网络结构的固体。
14.作为优选的，层间稳定剂包括按照1：1的质量比复配的无机稳定剂和有机稳定剂，其中无机稳定剂用于稳定a液中的水泥组分，有机稳定剂用于稳定a液中的活性硅铝原材组分，并且无机稳定剂释放的带电微粒与a液中的阳离子(na
+
、k
+
)交换，由于有机稳定剂中亲水性基团-oh的存在，使得混合溶液具有优良的分散性、悬浮性及粘结性结构；本发明通过无机稳定剂和有机稳定剂的复配，发挥层间稳定剂的综合作用，利用层间稳定剂的桥架吸附、层间填充作用，对注浆材料填充及裹附，抵御地下水、泥浆的冲蚀，提高管片的稳固性。
15.无机稳定剂为蒙脱石、膨润土和改性粘土中的一种或多种；蒙脱石、膨润土和改性粘土为由硅氧四面体和铝氧八面体构成的夹层式机构，特定的层状结构使其具有较大的比表面积，并且硅氧四面体和铝氧八面体的外表面吸附有带电微粒，能够与a液中游离的阳离子交换，因此具有较强的吸附性；无机稳定剂的ph值为7～10，细度：200～400目，密度为2～3g/cm3；ph设置为中性至碱性，保证a液能够更好的储存和运输，密度和细度的限定保证了a液、b液混合后浆液处在一定的浓度范围内并且具有触变性。
16.有机稳定剂为聚丙烯酰胺、聚丙烯酸钠、聚乙烯亚胺和黄原胶中的一种或多种。聚丙烯酰胺、聚丙烯酸钠、聚乙烯亚胺和黄原胶的分子量为10～106，固含量为70～90％。通过控制层间稳定剂的分子量与固含量，保证a液和b液混合后，其吸附和絮凝作用的发挥。有机稳定剂具有吸附架桥作用：沿其链的长度方向连接有多个活性官能团，能吸附多个悬浮固体粒子。当溶液中的聚合物分子的链吸附到某一微粒上时，若有别的微粒靠近，聚合物伸出的链又可以吸附到该微粒上，在两个微粒之间形成桥接。
17.作为优选的，沥青乳液为阴离子乳化沥青，阴离子乳化沥青的固含量为50～70％，ph值为7～10。ph设置为中性至碱性，使得b液能够更好的储存和运输；固含量的设定保证了乳液颗粒在混合浆液中填充密实。
18.作为优选的，低聚胶结剂为低聚硅氧化合物和低聚硅铝氧化合物中的一种或几种的混合液，低聚胶结剂的ph值为10～14，固含量为30～50％，低聚胶结剂的单体结构式如下，其中a指铝氧单元数量，a的取值范围为0～50，b指硅氧单元数量，b的取值范围为0～50，a和b的取值范围设置在0～50之间是为了控制凝胶化过程在5～10s内进行，当铝氧单元数量或硅氧单元数量超出50时，反应时间变长，不能实现注浆材料的快凝可塑；r为li
+
、na
+
和k
+
中的一种：r设置为碱土金属，是由于其性能较为稳定，比较容易获取和储存。本发明中低聚胶结剂在a液和b液混合后遇到a液中的碱性成分，其中硅氧、铝氧单元解除低聚态，并与活性硅、铝质原材重新发生缩聚的反应，随着缩聚反应的进行，混合液逐渐失去流动性，发生凝胶化过程(此时缩聚反应程度低)；因为硅、铝原材的消耗破坏了物相平衡，更多的硅铝原材溶出，缩聚反应继续进行，发生重构和硬化过程，最终形成sio2和al2o3共用氧交替键合的聚硅铝酸盐(c/na-si-al-h)。
[0019][0020]
作为优选的，螯合剂为液态，螯合剂的ph值为6.5～7.5，固含量为40～70％，螯合剂的结构式如下，其中n1为10～400，n2为1～40，n3为1～60，r1为na
+
和k
+
中的一种，r2为na
+
、k
+
和ca
2+
中的一种。本发明中螯合剂的ph设置为弱酸至中性，一方面使沥青乳液稳定存在于b液中，另一方面使得a液和b液混合后快速发生反应；固含量的设置保证了混合物的稳定储存和运输；支链越长空间位阻效应越久，n1，n2，n3的设定限制了螯合剂在浆液中空间位阻的作用效果发挥时间；r1和r2的设置限制了沥青乳液的团聚、成膜时间。本发明螯合剂中的梳状大分子侧链基团(-coor1)快速吸附在a液水泥中的硅酸三钙等矿物颗粒表面，在水泥颗粒的表面吸附形成较大的吸附层，形成空间位阻效应，体现出减水作用，防止乳液在水泥表面过早团聚；同时释放自由基中ca
2+
、k
+
等阳离子定向捕捉乳液颗粒；其作用发生在凝胶反应前，避免了凝胶反应导致的乳液分布不均匀。
[0021][0022]
本发明的目的之二是提供一种高抗渗盾构隧道同步注浆材料的制备方法，按照a液、b液组成配置注浆材料，在专用设备混合后注浆至管片和土体间隙，可快速凝结、抑制管片上浮、降低隧道渗漏水危害。
[0023]
一种高抗渗盾构隧道同步注浆材料的制备方法，制备方法包括如下操作步骤：
[0024]
s01：按a液的质量比组成，将水泥、活性硅铝原材和层间稳定剂搅拌均匀、加入水
继续搅拌至流态；
[0025]
s02：按b液的质量比组成，将沥青乳液、低聚胶结剂和螯合剂搅拌均匀至流态；本发明中a液和b液流态的测定是指其倒流时间在10～30s范围内，过浓容易在注浆管路中发生堵塞；过稀则使得水和水泥等材料混合不均匀。
[0026]
s03：按1～20:1的体积比将a液和b液混合均匀，得到高抗渗盾构隧道同步注浆材料。
[0027]
本发明的目的之三是提供一种高抗渗盾构隧道同步注浆材料的应用方法，具有同样的技术效果。
[0028]
一种高抗渗盾构隧道同步注浆材料的使用方法，使用方法包括如下步骤：
[0029]
(1)制浆：预先配置a液，管道运至a液罐；b液中先混合低聚胶结剂和螯合剂，与沥青乳液独立运至b液罐内混合，持续搅拌、待用；
[0030]
(2)同步注浆：盾构掘进开始后，注浆设备中油缸活塞头退回，先后打开a液、b液罐流速器，控制a液、b液体积；管路中混合5s，先后关闭b液、a液罐阀门，打开盾构注浆口阀门，注浆至管片与土体间空隙内；
[0031]
(3)清洗：打开清洗管路阀门，清洗混合部位。
[0032]
综上，本发明具有以下有益效果：
[0033]
(1)本发明利用层间稳定剂中有机稳定剂与a液间的键合氢键、分子间作用力连接形成三维网络结构，利用其桥架吸附的弱连接实现浆液的抗水分散效果；同时利用层间稳定剂中无机稳定剂释放的带电微粒与a液中阳离子交换，使得混合溶液具有优良的分散性、悬浮性及粘结性结构；在将a液和b液混合后，通过无机稳定剂的层片状结构对注浆材料填充及裹附，抵御地下水、泥浆的冲蚀，两种稳定剂共同作用，提升注浆可塑性，稳固管片。
[0034]
(2)本发明利用低聚胶结剂解除低聚态形成的硅氧、铝氧单元与a液中的活性硅铝反应生成低聚态凝胶，在a液和b液混合后5～10s内使得流态的浆液变为可塑性半固态，进一步提升注浆材料快凝可塑性，反应产物由低聚态向高聚态转变，最终形成由sio4和alo4共用氧交替键合的聚硅铝酸盐(c/na-si-al-h)。实现快速稳固管片、防止管片上浮，提高盾构隧道同步注浆材料的应用效果。
[0035]
(3)本发明在凝胶反应之前，利用螯合剂中的梳状大分子侧链基团快速吸附在a液水泥中硅酸三钙等矿物颗粒表面，形成空间位阻效应，防止沥青乳液因表面电荷在矿物颗粒表面过早团聚；同时释放自由基中ca
2+
、k
+
等阳离子定向捕捉乳液颗粒；避免了凝胶反应导致的乳液分布不均匀。在水泥水化反应进程中，由于水泥中的矿物颗粒吸水固化，螯合剂空间位阻效应逐渐减弱至消失，乳液在矿物颗粒表面持续聚集，突破双电层势能壁垒极限后破乳；伴随高聚态产物形成，乳液膜粘结产物、填充孔隙，增强了注浆材料的稳定性和密实性。最终实现了注浆材料耐溶蚀性和防水抗渗性的提升。
附图说明
[0036]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0037]
图1为本发明所采用盾构隧道双液注浆用注浆设备。
[0038]
附图标记：01、a液储罐；02、b液储罐；03、流速器；04、混合模块；05、活塞堵头；06、清洗管路。
具体实施方式
[0039]
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，对依据本发明提出的一种高抗渗盾构隧道同步注浆材料、制备及使用方法，其具体实施方式、特征及其功效，详细说明如后。
[0040]
实施例中所用原料来源：
[0041]
水泥：p
·
o42.5普通硅酸盐水泥，采自海螺水泥厂，比表面积为328m2/kg，28d抗压强度为47mpa；p
·
s42.5矿渣硅酸盐水泥，采自海螺水泥厂，比表面积为330m2/kg，28d抗压强度为45mpa；
[0042]
活性硅铝原材：其中粉煤灰采自句容电厂二级灰，比表面积287m2/kg，sio2含量36％，al2o3含量35％；矿渣粉为淮龙矿粉厂生产的s95矿渣粉，比表面积为385m2/kg,sio2含量36％，al2o3含量35％；煅烧偏高岭土采自石家庄丰铭矿产有限公司，目数为200目，sio2含量36％，al2o3含量35％；钢渣采自南京成弘建材，200目，密度为3.3g/cm3，cao含量40％，sio2含量22％；
[0043]
层间稳定剂：其中膨润土粉料采自山东信联土木材料有限公司，具有层片状结构，密度2.7g/cm3，ph值为7，细度为200目；黄原胶采自山东安泉化工厂，分子量为104，固含量为82％，水解度27％；蒙脱土采自山东信联土木材料有限公司，密度2.7g/cm3，ph值为7，细度为200目；聚丙烯酰胺采自河南贝达化工，化学式为(c3h5no)5，分子量为104，固含量为70％；聚乙烯亚胺采自山东优索化工科技，固含量为80％；改性粘土采自明光市涧溪镇大地凹凸棒公司；
[0044]
沥青乳液：沥青乳液为阴离子乳化沥青，其固含量为55％，ph值为7，恩格拉粘度为4，储存稳定性5d～4％，采用基质沥青为双龙70#沥青，表面活性剂为磺酸盐型直链烷烃阴离子乳化剂或环烷酸钠阴离子乳化剂，采自济南威尔克化工。
[0045]
低聚胶结剂：低聚胶结剂化学式为na2si3o7，采自浙江桐乡化工或alnasi2o6，采自山东乔邦化工，ph为7，固含量为40％。
[0046]
螯合剂：螯合剂单体化学式为c
15h53
o5ca，采自江苏中路交科，聚合度为30，ph为6.8，固含量为55％；螯合剂单体化学式为c
15h53
o5na2，采自江苏中路交科，聚合度为20，ph为6.8，固含量为55％。
[0047]
实施例1
[0048]
一种高抗渗盾构隧道注浆材料，高抗渗盾构隧道同步注浆材料为双液组分：a液和b液；a液由40份p
·
o42.5普通硅酸盐水泥、40份活性硅铝原材、20份层间稳定剂和100份水组成；b液由80份沥青乳液、10份低聚胶结剂na2si3o7和10份螯合剂c
15h53
o5ca组成。
[0049]
活性硅铝原材为粉煤灰：矿渣粉：煅烧偏高岭土按照2：6：2质量比组合而成。
[0050]
层间稳定剂由膨润土粉料和黄原胶按照质量比1：1组成。
[0051]
一种高抗渗盾构隧道同步注浆材料的制备方法，包括如下操作步骤：
[0052]
s01：按a液的质量比组成，将水泥、活性硅铝原材和层间稳定剂搅拌均匀、加入水
继续搅拌至流态；
[0053]
s02：按b液的质量比组成，将沥青乳液、低聚胶结剂和螯合剂搅拌均匀至流态；
[0054]
s03：按10:1的体积比将a液和b液混合均匀，得到高抗渗盾构隧道同步注浆材料。
[0055]
在盾构隧道掘进时，在如图1所示的专用注浆设备按使用方法进行盾构隧道同步注浆：
[0056]
(1)制浆：按a液质量比组成，将水泥、活性硅铝原材、层间稳定剂投入a液储罐01中搅拌均匀、加入水继续搅拌至流态，按b液质量比组成，将沥青乳液、低聚胶结剂和螯合剂投入b液储罐02中搅拌均匀至流态，其中，a液储罐01和b液储罐02的输出端均设置有流速器03，在混合模块04中按体积比混合a液、b液。
[0057]
(2)同步注浆：盾构掘进开始后，将注浆设备中的油缸活塞堵头05退回，先后打开a液储罐01和b液储罐02输出端的流速器03，控制a液、b液体积；在管路中混合5s，先后关闭b液储罐02和a液储罐01的阀门，打开盾构注浆口阀门，将半固态注浆材料注浆至盾构管片与土体间的空隙内，形成注浆固结体；
[0058]
(3)清洗：打开清洗管路06的阀门，清洗混合部位。
[0059]
性能测试：
[0060]
一、注浆材料制备后，按如下测试方法评估注浆材料的性能：
[0061]
(1)凝胶时间按倒杯法测试：先用量筒量取a液(主液)与b液(固化液)，分别置于烧杯中，然后将a液倒入装有b液的烧杯中，立即把a液和b液的混合液再倒入a液的烧杯中，重复交替混合液，直到浆液不再流动时或浆液呈现黏稠状为止，期间所经历的时间为浆液的凝胶时间。
[0062]
(2)抗水分散性参照《水下不分散混凝土絮凝剂技术要求》gb/t 37990-2019，采用静水环境中的称重法，结果按照水下质量损失率(％)表示。
[0063]
其中凝胶时间及抗水分散性反映了盾构注浆材料快凝可塑性。
[0064]
(3)抗压强度参照《水泥胶砂强度检验方法(iso法)》gb/t 17671-1999，成型试件尺寸为40*40*160mm，在注浆材料凝结粘稠前浇筑至试模中，待成型后养护至规定的龄期(1d、28d、180d)进行性能测试。
[0065]
(4)表面软化层厚度测试水中养护的试件28d后取出，测试试件初始厚度，测量后采用刮刀均匀刮去表面软粘层，再次测试试件厚度，两次厚度差值即为软化层厚度，单位记为mm。
[0066]
(5)水陆强度比测试参照《水工混凝土外加剂技术规程》dl/t5100-2014，水中成型养护的受检试件与空气中成型的受检试件抗压强度之比，单位为％。
[0067]
(6)28d抗渗压力测试参照《建筑砂浆基本性能试验方法标准》jgj/t70-2009，成型砂浆试件，以每组6个试件中4个试件未出现渗水时的最大压力计算，记为mpa。
[0068]
(7)通过水陆强度比及表面软化层厚度测试反应盾构注浆材料的耐溶蚀性，通过28d抗渗压力反应盾构注浆材料的抗水渗透性。
[0069]
二、在盾构隧道同步注浆结束后，依据管片上浮量测试评估盾构注浆效果：
[0070]
(1)在盾构推进的过程中，每环管片脱出盾尾都有一个初始高程。在之后的监测过程中，每环管片脱出盾尾后不同时间采集到的高程与初始高程的差值就得到该管片的上浮量；计单个管片顶端、左侧、右侧为测点，每5h监测一次，取平均数值，单位记为mm。
[0071]
表1盾构注浆材料性能测试
[0072][0073][0074]
实施例2
[0075]
一种高抗渗盾构隧道注浆材料，高抗渗盾构隧道同步注浆材料为双液组分：a液和b液；a液由40份矿渣硅酸盐水泥p
·
s42.5、50份活性硅铝原材、10份层间稳定剂和100份水组成；b液由90份沥青乳液、8份低聚胶结剂alnasi2o6和2份螯合剂c
15h53
o5na2组成。
[0076]
活性硅铝原材由粉煤灰：钢渣：煅烧偏高岭土按照2：6：2比例组合而成。
[0077]
层间稳定剂由层片状结构的蒙脱土和聚丙烯酰胺按1：1组成。
[0078]
一种高抗渗盾构隧道同步注浆材料的制备方法，制备方法包括如下操作步骤：
[0079]
s01：按a液的质量比组成，将水泥、活性硅铝原材和层间稳定剂搅拌均匀、加入水继续搅拌至流态；
[0080]
s02：按b液的质量比组成，将沥青乳液、低聚胶结剂和螯合剂搅拌均匀至流态；
[0081]
s03：按12:1的体积比将a液和b液混合均匀，得到高抗渗盾构隧道同步注浆材料。
[0082]
在盾构隧道掘进时，在如图1所示的专用注浆设备按使用方法进行盾构隧道同步注浆：
[0083]
(2)制浆：按a液质量比组成，将水泥、活性硅铝原材、层间稳定剂投入a液储罐01中搅拌均匀、加入水继续搅拌至流态，按b液质量比组成，将沥青乳液、低聚胶结剂和螯合剂投入b液储罐02中搅拌均匀至流态，其中，a液储罐01和b液储罐02的输出端均设置有流速器03，在混合模块04中按体积比混合a液、b液。
[0084]
(2)同步注浆：盾构掘进开始后，将注浆设备中的油缸活塞堵头05退回，先后打开a液储罐01和b液储罐02输出端的流速器03，控制a液、b液体积；在管路中混合5s，先后关闭b液储罐02和a液储罐01的阀门，打开盾构注浆口阀门，将半固态注浆材料注浆至盾构管片与土体间的空隙内，形成注浆固结体；
[0085]
(3)清洗：打开清洗管路06的阀门，清洗混合部位。
[0086]
高抗渗盾构隧道注浆材料的性能试验方法均参照实施例1中的测试方法，结果如下表所示：
[0087]
表2盾构注浆材料性能测试。
[0088][0089][0090]
实施例3
[0091]
一种高抗渗盾构隧道注浆材料，高抗渗盾构隧道同步注浆材料为双液组分：a液和b液；a液由20份普通硅酸盐水泥p
·
o42.5、60份活性硅铝原材、20份层间稳定剂和100份水组成；b液由90份沥青乳液、8份低聚胶结剂alnasi2o6和2份螯合剂c
15h53
o5na2组成。
[0092]
活性硅铝原材由粉煤灰：矿渣粉按照2：8比例组合而成。
[0093]
层间稳定剂由层片状结构的改性粘土和黄原胶按1：1组成。
[0094]
一种高抗渗盾构隧道同步注浆材料的制备方法，制备方法包括如下操作步骤：
[0095]
s01：按a液的质量比组成，将水泥、活性硅铝原材和层间稳定剂搅拌均匀、加入水继续搅拌至流态；
[0096]
s02：按b液的质量比组成，将沥青乳液、低聚胶结剂和螯合剂搅拌均匀至流态；
[0097]
s03：按15:1的体积比将a液和b液混合均匀，得到高抗渗盾构隧道同步注浆材料。
[0098]
在盾构隧道掘进时，在如图1所示的专用注浆设备按使用方法进行盾构隧道同步注浆：
[0099]
(3)制浆：按a液质量比组成，将水泥、活性硅铝原材、层间稳定剂投入a液储罐01中搅拌均匀、加入水继续搅拌至流态，按b液质量比组成，将沥青乳液、低聚胶结剂和螯合剂投入b液储罐02中搅拌均匀至流态，其中，a液储罐01和b液储罐02的输出端均设置有流速器03，在混合模块04中按体积比混合a液、b液。
[0100]
(2)同步注浆：盾构掘进开始后，将注浆设备中的油缸活塞堵头05退回，先后打开a液储罐01和b液储罐02输出端的流速器03，控制a液、b液体积；在管路中混合5s，先后关闭b液储罐02和a液储罐01的阀门，打开盾构注浆口阀门，将半固态注浆材料注浆至盾构管片与土体间的空隙内，形成注浆固结体；
[0101]
(3)清洗：打开清洗管路06的阀门，清洗混合部位。
[0102]
高抗渗盾构隧道注浆材料的性能试验方法均参照实施例1中的测试方法，结果如下表所示：
[0103]
表3盾构注浆材料性能测试
[0104]
测试项目单位实施例3
凝胶时间s12抗水分散性％981d抗压强度mpa3.728d抗压强度mpa11.228d水陆强度比％95180d水陆强度比％90180d表面软化层厚度mm128d抗渗压力mpa1.1初始管片上浮量mm024h管片上浮量mm028d管片上浮量mm0180d管片上浮量mm0
[0105]
实施例4
[0106]
一种高抗渗盾构隧道注浆材料，高抗渗盾构隧道同步注浆材料为双液组分：a液和b液；a液由30份普通硅酸盐水泥p
·
o42.5、50份活性硅铝原材、20份层间稳定剂和100份水组成；b液由90份沥青乳液、8份低聚胶结剂alnasi2o6和2份螯合剂c
15h53
o5na2组成。
[0107]
活性硅铝原材由偏高岭土：矿渣粉按照2：8比例组合而成。
[0108]
层间稳定剂由层片状结构的膨润土和聚乙烯亚胺按1：1组成。
[0109]
一种高抗渗盾构隧道同步注浆材料的制备方法，制备方法包括如下操作步骤：
[0110]
s01：按a液的质量比组成，将水泥、活性硅铝原材和层间稳定剂搅拌均匀、加入水继续搅拌至流态；
[0111]
s02：按b液的质量比组成，将沥青乳液、低聚胶结剂和螯合剂搅拌均匀至流态；
[0112]
s03：按15:1的体积比将a液和b液混合均匀，得到高抗渗盾构隧道同步注浆材料。
[0113]
在盾构隧道掘进时，在如图1所示的专用注浆设备按使用方法进行盾构隧道同步注浆：
[0114]
(4)制浆：按a液质量比组成，将水泥、活性硅铝原材、层间稳定剂投入a液储罐01中搅拌均匀、加入水继续搅拌至流态，按b液质量比组成，将沥青乳液、低聚胶结剂和螯合剂投入b液储罐02中搅拌均匀至流态，其中，a液储罐01和b液储罐02的输出端均设置有流速器03，在混合模块04中按体积比混合a液、b液。
[0115]
(2)同步注浆：盾构掘进开始后，将注浆设备中的油缸活塞堵头05退回，先后打开a液储罐01和b液储罐02输出端的流速器03，控制a液、b液体积；在管路中混合5s，先后关闭b液储罐02和a液储罐01的阀门，打开盾构注浆口阀门，将半固态注浆材料注浆至盾构管片与土体间的空隙内，形成注浆固结体；
[0116]
(3)清洗：打开清洗管路06的阀门，清洗混合部位。
[0117]
高抗渗盾构隧道注浆材料的性能试验方法均参照实施例1中的测试方法，结果如下表所示：
[0118]
表4盾构注浆材料性能测试
[0119]
测试项目单位实施例4凝胶时间s10
抗水分散性％971d抗压强度mpa3.028d抗压强度mpa10.028d水陆强度比％97180d水陆强度比％90180d表面软化层厚度mm128d抗渗压力mpa1.0初始管片上浮量mm024h管片上浮量mm028d管片上浮量mm0180d管片上浮量mm0
[0120]
对比例1:
[0121]
与实施例1区别在于，b液组分中无螯合剂，其他原料及用量以及制备方法、性能检测方法完全相同。对实施例1和对比例1制备的注浆材料，进行性能对比。
[0122]
表5盾构注浆材料性能测试
[0123][0124][0125]
由表5可知，在无螯合剂存在时，对比例1中180d水陆强度比降低了78％，28d抗渗压力降低了0.9mpa，180d管片上浮量增加了25mm，这是由于没有螯合剂作用下，乳液颗粒无法有效地在凝胶材料中均匀分散，无法实现颗粒团聚成膜，导致了对固结体的粘接力、孔隙填充作用不足，进而无法实现耐溶蚀性和抗水渗透性提升，导致部分注浆材料在长期富水时发生了溶出，结构稳定性下降，发生了管片上浮。
[0126]
对比例2：
[0127]
与实施例2区别在于，b液组分中无低聚胶结剂，其他原料及用量以及制备方法完全相同。对实施例2和对比例2制备的注浆材料，进行性能对比，结果如下表所示。
[0128]
表6盾构注浆材料性能测试。
[0129]
测试项目单位实施例2对比例2凝胶时间s12》》600抗水分散性％95701d抗压强度mpa3.01.028d抗渗压力mpa1.10
初始管片上浮量mm026
[0130]
由表6可知，对比例2在没有低聚胶结剂时，凝胶时间已远远大于10min，抗水分散性降低至70％，28d抗渗压力降低至0，这是由于a液和b液之间无激发反应，无法形成快速凝胶，抗水分散性只能靠层间稳定剂的弱连接作用，浆液具有一定的可塑性。在较大水流下易流失，初始管片上浮量增加了26mm，无法满足稳固管片衬砌的要求。
[0131]
对比例3：
[0132]
与实施例2区别在于，a液组分中无层间稳定剂，其他原料及用量以及制备方法完全相同。对实施例2和对比例3制备的注浆材料，进行性能对比，结果如下表所示。
[0133]
表7盾构注浆材料性能测试。
[0134]
测试项目单位实施例2对比例3凝胶时间s1215抗水分散性％95751d抗压强度mpa3.03.1180d水陆强度比％9288180d表面软化层厚度mm1.52.028d抗渗压力mpa1.10.9初始管片上浮量mm05
[0135]
由表7可知，对比例3在无层间稳定剂存在时，抗水分散性降低至75％、初始管片上浮量为5mm，说明了层间稳定剂的层间填充和桥架吸附作用可进一步提升注浆材料的凝聚状态，使得注浆材料在流水下成型不受影响，进而抵御地下水、泥浆的冲蚀，提高管片的稳固性。
[0136]
对比例4：
[0137]
与实施例2区别在于，a液组分中无活性硅铝原材，其他原料及用量以及制备方法完全相同。对实施例2和对比例3制备的注浆材料，进行性能对比，结果如下表所示。
[0138]
表8盾构注浆材料性能测试。
[0139]
测试项目单位实施例2对比例4凝胶时间s12》》300抗水分散性％9550初始管片上浮量mm030
[0140]
由表8可知，对比例2在没有活性硅铝质原材时，凝胶时间已远远大于300s，抗水分散性降低至50％，这是由于组分a、b间无法形成快速凝胶，在较大水流下易流失，初始管片上浮量为30mm，无法满足稳固管片衬砌的要求。
[0141]
本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

技术特征：

1.一种高抗渗盾构隧道同步注浆材料，其特征在于，所述高抗渗盾构隧道同步注浆材料为a液和b液按照1~20:1的体积比混合制得：按照质量份数计，所述a液包括20~40份水泥、30~50份活性硅铝原材，10~20份层间稳定剂和50~200份水；所述b液包括80~90份沥青乳液，5~10份低聚胶结剂和5~10份螯合剂。2.根据权利要求1所述的高抗渗盾构隧道同步注浆材料，其特征在于，所述水泥为硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥和硫铝酸盐水泥中的一种或多种。3.根据权利要求1所述的高抗渗盾构隧道同步注浆材料，其特征在于，所述活性硅铝原材为粒化高炉矿渣、钢渣、粉煤灰和煅烧偏高岭土中的一种或多种。4.根据权利要求1所述的高抗渗盾构隧道同步注浆材料，其特征在于，所述活性硅铝原材中sio2的含量不低于15%，al2o3的含量不低于25%。5.根据权利要求1所述的高抗渗盾构隧道同步注浆材料，其特征在于，所述层间稳定剂包括按照1：1的质量比复配的无机稳定剂和有机稳定剂，所述无机稳定剂为蒙脱石、膨润土和改性粘土中的一种或多种；所述有机稳定剂为聚丙烯酰胺、聚丙烯酸钠、聚乙烯亚胺和黄原胶中的一种或多种。6.根据权利要求1所述的高抗渗盾构隧道同步注浆材料，其特征在于，所述沥青乳液为阴离子乳化沥青，所述阴离子乳化沥青的固含量为50~70%，ph值为7~10。7.根据权利要求1所述的高抗渗盾构隧道同步注浆材料，其特征在于，所述低聚胶结剂为低聚硅氧化合物和低聚硅铝氧化合物中的一种或几种的混合液，所述低聚胶结剂的ph值为10~14，固含量为30~50%，所述低聚胶结剂的单体结构式如下，其中a为0~50之间的自然数，b为0~50之间的自然数，r为li、na和k中的一种：。8.根据权利要求1所述的高抗渗盾构隧道同步注浆材料，其特征在于，所述螯合剂为液态，所述螯合剂的ph值为6.5~7.5，固含量为40~70%，所述螯合剂的结构式如下，其中n1为10~400之间的自然数，n2为1~40之间的自然数，n3为1~60之间的自然数，r1为na
+
和k
+
中的一种，r2为na
+
、k
+
和ca
2+
中的一种：
。9.根据权利要求1~8任一项所述的一种高抗渗盾构隧道同步注浆材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下操作步骤：s01：按a液的质量比组成，将水泥、活性硅铝原材和层间稳定剂搅拌均匀、加入水继续搅拌至流态；s02：按b液的质量比组成，将沥青乳液、低聚胶结剂和螯合剂搅拌均匀至流态；s03：按1~20:1的体积比将a液和b液混合均匀，得到高抗渗盾构隧道同步注浆材料。10.根据权利要求1~8任一项所述的一种高抗渗盾构隧道同步注浆材料的使用方法，其特征在于，所述使用方法包括如下步骤：（1）制浆：预先配置a液，管道运至a液罐；b液中先混合低聚胶结剂和螯合剂，与沥青乳液独立运至b液罐内混合，持续搅拌、待用；（2）同步注浆：盾构掘进开始后，注浆设备中油缸活塞头退回，先后打开a液、b液罐流速器，控制a液、b液体积；管路中混合5s，先后关闭b液、a液罐阀门，打开盾构注浆口阀门，注浆至管片与土体间空隙内；（3）清洗：打开清洗管路阀门，清洗混合部位。

技术总结

本发明提供一种高抗渗盾构隧道同步注浆材料、制备及使用方法，高抗渗盾构隧道同步注浆材料包括A液：20~40份水泥、30~50份活性硅铝原材，10~20份层间稳定剂和50~200份水；B液：10~80份沥青乳液，5~10份低聚胶结剂和5~10份螯合剂。低聚胶结剂与水泥、活性硅铝原材反应使A液、B液混合后5~10s内由流态转变为可塑性半固态，快速稳固管片；螯合剂促使沥青乳液在矿物颗粒定向聚集、成膜、填充孔隙，提升注浆材料耐溶蚀性和抗渗性。按照A液、B液组成配置注浆材料，在专用设备混合后注浆至管片和土体间隙，可快速凝结、抑制管片上浮、降低隧道渗漏水危害。本发明提供的高抗渗盾构隧道同步注浆材料可有效提升隧道结构稳定和安全性。可有效提升隧道结构稳定和安全性。可有效提升隧道结构稳定和安全性。