一种隧道二衬注浆料及制备方法及降低隧道注浆层水化热的方法

技术领域

本发明涉及隧道施工领域。

背景技术

随着我国社会经济发展的不断提升，高铁、普铁建设进一步加大，而隧道的运用更加的普及，隧道漏水现象时有发生，隧道漏水一直危害着铁路运输车辆的安全。

导致漏水现象主要是隧道喷锚混凝土结构有个别涌漏水，隧道二衬钢筋混凝土拱圈结构产生的裂缝，使水便顺着裂缝漏到隧道里从而影响到隧道铁路运行车辆安全。

隧道通常在分段开挖结束后首先对隧道岩体进行喷浆初支锚固，其次通过台车架模、钢筋制安等后再进行二次衬混凝土浇筑，拱的结构是两边低中间高，在拱顶部分就会出现二衬混凝土和岩体喷锚支护结构浇筑无法实现密实的空顶情况，最后通过压力灌入注浆料来实现拱顶与岩体的密实结合。

二衬钢筋混凝土强度通常在≧30Mpa以上，其大体积浇筑特点使得对混凝土自身水化热的控制较严，但混凝土搅拌站通常相距开挖隧道较远且道路窄小，在混凝土运输中常遇各种原因的拥挤、堵塞后，混凝土搅拌车装载的大量混凝土由于运输时间增长，混凝土内部水化时间将比在二衬模架中的水化来得更快，所以超时运输的混凝土在入模浇筑时温度极易偏高，这种情况是隧道二衬混凝土产生裂缝的主要原因之一。

隧道拱各种等级岩体的在开挖时，顶处通常会出现局部多挖、塌落等现象，造成在同一曲面出现不同面积、体积大小的空顶，有些空顶高度达200mm到300mm以上，使得二衬注浆层的厚度、面积不一，注浆料强度要求为≧50Mpa，这会导致在体积较大和较厚处的注浆层水化热将远高于正常值，这些超量的热除对注浆层自身体积将产生裂缝风险外还将传递给二衬混凝土，使得本已大体积浇筑的二衬混凝土通过各种原因导致热量的累计叠加后使得产生裂缝的风险大大增强。

压力注浆通常是在二衬混凝土浇筑完成后2小时进行，工程实际中各种原因导致浇筑时间滞后少则几小时多则两三天，二衬混凝土是大体积浇筑，水化热蓄积较高，正常压力注浆后如遇二衬混凝土入模温度较高、注浆料浇筑厚度、体积较大时，注浆料自身会形成较大的水化热而这个温度的升高除对注浆层的混凝土易产生裂缝形成危险外，还会对二衬混凝土结构水化温度形成叠加，导致二衬混凝土层产生应力差裂缝风险。注浆料12小时和28天抗压强度要求为≧3.5Mpa和≧50Mpa高于二衬混凝土，当注浆料浇筑时遇上浇筑厚度和面积较大时水泥水化蓄积热远高于逼免混凝土产生裂缝的安全范围，如遇注浆时间延迟导致二衬混凝土水化热在蓄积高峰期和注浆料自身水化热的叠加时裂缝的产生不可逼免发生。

为此在铁路隧道建设中二衬注浆时需要有应对降低水化热蓄积与热叠加的对策，传统大体积混凝土浇筑通常采用低热水泥或混凝土中设置降温管或采用加冰的措施来降低混凝土水化热，防止混凝土裂缝产生。而铁路隧道的特殊地理位置和结构形式不便于完全采用除低热水泥以外方式，只能从水泥选择上和施工工序时间控制上去要求，但这些方法均不能从根本上解决水化热的蓄积和叠加，使得二衬混凝土结构和注浆料层产生裂缝的不可避免性。

传统注浆料生产为一次性将主要原料和微量添加剂同时加入螺带等搅拌机，通过约10分钟左右的搅拌后称重包装为成品。注浆料原料中：其粉体比重不一致：从零点几到两点几的比重差别、粒径尺寸偏差大：从纳米到几十微米、添加量差异大：从每吨几十克到几百公斤，仅靠螺带搅拌方式或其它搅拌方法10多分钟是无法保证注浆料中各种不同原料均匀分散混合的，而离散性大的注浆料在加水搅拌时更难以让各种高分子原料显现出它均匀的优异性能，这使得注浆料的品质大大下降，从而影响到注浆料工艺性能和注浆料各项强度指标及耐久性等质量问题。一种围绕注浆料品质均匀性和稳定性的生产方法及工艺急待出现。

发明内容：

为了解决现有技术存在的问题，本发明通过在注浆料中加入3至5层的氧化石墨烯和二氧化硅气凝胶很好的解决了注浆料层水化热传递不畅导致水化热蓄积和叠加的难题，以及增强了注浆层的混凝土抗拉强度来抵御掉二衬混凝土蓄积热导致应力差裂缝的传导；石墨烯是由6个碳元素组成的六角形在二维平面上相互连接形成的六连环的薄片，在这个平面上原子的结合力很强。石墨烯薄片的厚度仅仅是一个原子的厚度，它只有头发的20万分之一，氧化石墨烯为网状结构体并具有超强导热性，在注浆料浆体形成中氧化石墨烯迅速形成微结构网，氧化石墨烯具有羟基，容易分散和水泥机体通过氢键结合，增大水泥的抗压强度和抗拉强度，而最先水化中的铝酸三钙形成的钙钒石晶体穿刺在石墨烯网结构中增强了混凝土的抗拉强度，石墨烯的网结构还将水泥水化热迅速均匀传递到外部的喷锚结构岩层和二衬钢筋混凝土，使得注浆料结构层中心热没有蓄积的可能产生，从而避免中心高热导致的混凝土应力差裂缝产生。二氧化硅气凝胶是一种微米级中空堕性气体的圆球颗粒，具有比重轻、导热系数低特点，掺入注浆料中具有提高注浆料流动性和阻隔热传递作用。塑性膨胀剂在初凝之前防止浆料收缩，膨胀剂用于注浆料终凝后体积收缩的补偿。低粘度的纤维素起到保水悬浮作用，能够满足注浆料的粘度要求，高粘度的容易导致浆料不易流动。

注浆料是一种具有极高流动性和微膨胀以及高强度等要求的特殊性能材料，为了达到前述要求，注浆料需采用较高铝酸三钙含量和较高水泥添加量来满足12小时和28天抗压强度的需要，通过掺入细骨料40目到70目石英砂来保障强度和压力注浆时的流动通过性和抗折比，通过添加各种粒径为微米和纳米的高分子粉体添加剂来改善注浆料的流动性、膨胀率、保水性、强度等质量和工艺性能。

为了解决注浆料品质均匀性和稳定性的问题，本发明将注浆料生产分为：核心母料和成品两级分散混合工艺：核心母料生产工艺：首先将气凝胶、石墨烯、分散剂、塑性膨胀剂、进口消泡剂、进口400粘纤维素同一级粉煤灰放入双运动混合机搅拌约15分钟装袋后再放入成品生产设备的母料仓，成品生产时按2％的比例称重投入成品搅拌仓；其次，所有原料采用罐装运输车气泵打入立式罐仓，通过螺旋输送进入计量仓，再通过封闭提升进入待混仓，再将待混仓原料和母料仓、小料仓原料称重投入小料待混仓后，一同投入梨刀式无重力混合机搅拌仓，搅拌约5分钟后放入成品待包装仓，采用气浮式包装机自动称重装袋，完成包装后码垛。

本发明公开了一种用于隧道二衬注浆料，其特征在于所述的注浆料按照重量份包括：

水泥：40～60份；

粉煤灰：2～8份；

石英砂：40～60份；

二氧化硅气凝胶：0.5～1.5份；

石墨烯：0.01～5份；

分散剂：0.01～0.15份；

塑性膨胀剂：0.01～0.05份；

膨胀剂：0.01～0.15份；

消泡剂：0.01～0.1份；

低粘度纤维素：0.01～0.1份。

在优选的实施例当中，所述的石墨烯为3～10层结构氧化石墨烯。

在优选的实施例当中，所述二氧化硅气凝胶为含氮气结构5～50um粒径级配气凝胶。

在优选的实施例当中，所述的粉煤灰为一级粉煤灰。

在优选的实施例当中，石英砂含硅量为95％以上，目数为20～40。

本发明还公开了一种用于隧道二衬注浆料的制备方法，其特征在于，步骤如下：

步骤一、将低含量原料混合放入双运动混合机搅拌形成母料；

步骤二、将上述母料和高含量原料投入无重力混合机搅拌仓，搅拌形成注浆料。

在优选的实施例当中，所述的低含量原料为气凝胶、石墨烯、分散剂、塑性膨胀剂、膨胀剂、消泡剂、低粘度纤维素。

在优选的实施例当中，所述高含量原料为水泥、粉煤灰、石英砂。

本发明还公开了一种降低隧道注浆层水化热的方法，方法如下：

步骤一、制备权利要求1～8任一项所述的注浆料；

步骤二、将上述注浆料加入到隧道二衬注浆层。

具体实施方式

一、现有技术的实施例

在近几年某铁路复线隧道建设中，中铁某局在最初一个隧道开挖时采用常规注浆料，在浇筑完成的检查中，拱顶部位时有从岩体灌穿裂缝流出的水撒落在隧道中，通过对不同段裂缝抽芯取样结果见表一；

通过取样和检查发现裂缝的表现形式有二衬混凝土与注浆层结合紧密而共同贯穿裂缝漏水严重的、有二衬混凝土与注浆层脱开仅二衬混凝有裂缝、有仅二衬混凝土相邻裂缝较多漏水等现象。

二、本发明的实施例

425水泥540公斤

一级粉煤灰50公斤

含硅量为95％以上石英砂20-40目  380公斤

二氧化硅气凝胶  10公斤

3～10层结构氧化石墨烯  500克

分散剂  1.8公斤

塑性膨胀剂480克

铝酸盐类膨胀剂15公斤

P803聚醚类环保性粉体消泡剂1公斤

进口400低粘度纤维素1公斤

核心母料生产：首先将石墨烯500g、分散剂1.8公斤、塑性膨胀剂480g、进口消泡剂1公斤、进口400粘纤维素1公斤和一级粉煤灰15.25公斤放入双运动混合机(郑州金合设备制造有限公司制造专利产品)搅拌约15分钟装袋后放入成品生产设备的母料仓。

注浆料生产：将水泥、石英砂、粉煤灰采用罐装运输车气泵打入立式罐仓，通过螺旋输送进入计量仓，再通过封闭提升进入待混仓；将气凝胶和母料仓中的小料自动称重投入待混仓，将待混仓中的所有物料一同投入梨刀式无重力混合机搅拌仓，搅拌约5分钟后放入成品待包装仓，采用气浮式包装机自动称重装袋，完成包装后码垛。

传统的制备注浆料的一步法方法均匀性不够，本发明二步法制备的注浆料的混合均匀度能够达到99.9％以上，若上述无重力混合机更换为普通混合机，其混合均匀度为85％～90％。

通过以上实使例注浆料在某铁路复线隧道上的其它两个隧道上使用，在长达一年多对两条隧道共1公里多的跟踪检查发现在一个台车段有3条裂缝，对裂缝处抽芯取样检查发现裂缝仅表现为二衬混凝土层开裂，再对施工过程资料进行排查中发现3条裂缝属于二衬混凝土运输时间延长导致水化热蓄积后生产应力差裂缝，但注浆层没有产生裂缝，从1公里多的注浆料层检查结论是：该实使例注浆料注浆层中心水化热得到了很好的降低、排解，注浆层混凝土抗拉强度的提高有效的抵御掉二衬混凝土蓄积热导致应力差裂缝的传导。