近年来，盾构工法在水文地质复杂的城市地铁及越江海隧道建设中的应用越来越广泛^[1-3]。盾构同步注浆作为盾构施工的关键工序，对于地面沉降控制、隧道结构稳定性和防止隧道渗漏等至关重要^[4-6]。同步注浆浆液的工程性能直接影响注浆效果，而浆液的组成原料则是其工程性能的重要影响因素。作为盾构同步注浆材料的细骨料成分，浆液中砂的含量占总体的50%以上^[7]，因此研究砂的特性对盾构同步注浆性能的影响十分必要^[8]。

河砂为天然砂，级配较好，在盾构施工中多被用作同步注浆的原材料^[9]，尽管目前对盾构隧道开挖出的渣土^[10]、尾矿砂^[11]等的再利用受到广泛关注，但这些弃砂中较大颗粒部分已经作为建筑用砂得到了资源化利用，而颗粒较小部分对提高混凝土或水泥砂浆的强度作用较小^[12]，一般进行堆积和弃置。砂的颗粒大小一般用细度模数作为指标，弃砂剩余的小颗粒部分的细度模数一般小于2.0。目前虽已有诸多学者对弃砂的再利用进行研究，并取得了较好的研究成果，但研究多集中在弃砂再利用的实施方案^[13-14]和弃砂再利用的影响因素方面(如水胶比、粉灰比、砂胶比等参数)^{[9, 15-16]}，对于细砂的特性对盾构同步注浆性能影响方面的研究较少。

细度模数和颗粒级配可以作为表征细砂特性的两个重要指标。关于砂颗粒的大小和级配对砂浆性能的影响，相关研究结果表明，砂的细度模数越大，水泥砂浆的保水性越好，砂浆的抗压强度越大^[17-20]；砂颗粒级配分布对水泥砂浆的流变性、和易性和强度等有重要影响^[21-25]。盾构同步注浆材料与砂浆有相似之处，但两者的实施目的和施工工艺不同，砂浆对终凝强度的要求较高，盾构同步注浆则对可泵送性和填充性要求更高，其终凝强度略高于周围土体的强度即可。上述关于砂浆的研究中所用的砂一般为细度模数大于2.2的中砂，而细度模数小于2.0的细砂对盾构同步注浆材料性能的影响关注度较少，然而其对浆液的和易性影响显著，因此需要对细砂的细度和级配对盾构同步注浆工程性能的影响做进一步研究。

为了消除砂颗粒形状等对同步注浆性能的影响，选用河砂作为盾构同步注浆用砂。为消除水泥水化作用的影响，本研究以工程中使用的惰性浆为研究对象，通过调整细砂的细度模数和盾构同步注浆的水胶比(水和粉煤灰、石灰的质量比)，得到了15组盾构同步注浆，对其流动性、稳定性、凝结时间及强度等基本工程性能进行测试，并对不同细度模数的细砂颗粒级配进行实测，探讨了细砂的细度模数和颗粒级配对盾构同步注浆工程性能的影响规律，从而为细砂在盾构同步注浆中的应用提供重要参考。

试验以盾构施工中常用的惰性浆为研究对象，浆液配方包括石灰、粉煤灰、砂、膨润土、减水剂及水。其中，石灰的氢氧化钙含量约为89%；粉煤灰为南京某电厂III级粉煤灰；膨润土为南京某膨润土有限公司生产的I级钠基膨润土；减水剂为南京某高新技术公司生产的HLC-NAF高效减水剂。试验用砂为河砂，经过筛分得到了5种细度模数的细砂见表 1，细砂的粒径级配曲线见图 1。可见，随着细度模数的增大，砂的颗粒级配由均匀粒径向不均匀粒径级配过渡，均属于不良级配的砂。

图 1 砂的颗粒级配分布 Fig. 1 Particle gradation distribution of different sand

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将不同细度模数的砂烘干后称重，作为原料加入到盾构壁后注浆中，并通过改变水的加入量来调整浆液的水胶比(水和粉煤灰、石灰的质量比)，得到15组浆液如表 2所示。

试验需要测试的浆液密度、流动度、稠度、凝结时间和泌水率等工程性能，试验主要参照《建筑砂浆基本性能试验方法》(JGJ/T 70—2009)、《水泥胶砂流动度测定方法》(GB/T 2419—2005)和《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》(GB/T 50080—2002)进行。为了研究流动度和稠度随时间的变化，分别测试了壁后注浆浆液刚配置好(0 h)和配置完成后3 h的流动度和稠度。无侧限抗压强度试样的直径为3.91 cm，高8.00 cm，3个平行样取平均值，分别测试了龄期为7 d和28 d的试样强度。

通常情况下，惰性浆的性能满足如下要求：流动度处于200~250 mm，稠度90~130 mm，密度大于1 800 kg/m³，泌水率5%，凝结时间小于70 h^[13-14]。

盾构同步注浆的浆液密度是壁后注浆施工中影响隧道早期稳定的重要因素，一般应与地层密度相当，有利于提高浆液的填充率及隧道早期的稳定性。浆液的密度与细砂的细度模数关系如图 2所示。

图 2 浆液的密度与砂的细度模数的关系 Fig. 2 Relation between slurry density and sand fineness modulus

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15组浆液的密度都在1.90~2.00 g/cm³范围内，浆液密度在该细砂细度模数变化范围内的变化不大，随细度模数的增大而呈增大的趋势。以水胶比(w/b)为0.92的浆液为例，当细砂的细度模数小于1.210时，浆液的密度由细度模数为0.781时的1.92 g/cm³增大到细度模数为1.210时的1.94 g/cm³，浆液密度的增幅较小；当细砂的细度模数大于1.210时，浆液的密度由细度模数为1.210时的1.94 g/cm³增大到细度模数为1.652时的2.00 g/cm³，浆液密度的增幅较大，其他的浆液也存在此变化规律。同时，在同一细砂细度模数情况下，浆液的密度随水胶比(w/b)的增大而呈减小的趋势。

流动度和稠度是衡量浆液被泵送能力的指标，一般要求浆液的流动度和稠度都较大，从而有利于浆液的泵送。分别测试了浆液在刚配置完成和配置完成后3 h的流动度和稠度，如图 3和图 4所示。浆液的初始流动度都在23 cm以上，浆液的流动度较大。流动度随细度模数的增大呈增大的趋势，在细度模数为1.210前后，浆液流动度的增长存在差异，以水胶比(w/b)为0.92的浆液为例，当细砂的细度模数小于1.210时，流动度由细砂的细度模数为0.781时的24.3 cm增大到细度模数为1.210时的28.1 cm；当细砂的细度模数大于1.210时，浆液的流动度由细砂细度模数为1.210时的28.1 cm增大到细度模数为1.652时的28.8 cm，流动度的增幅较小，其他浆液也存在此变化规律。浆液的3 h流动度比初始流动度小，变化规律与初始流动的变化规律类似。在同一细砂细度模数情况下，浆液的流动度随水胶比(w/b)的增大而呈增大的趋势。

图 3 浆液的流动度与砂的细度模数的关系 Fig. 3 Relation between slurry fluidity and sand fineness modulus

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图 4 浆液的稠度与砂的细度模数的关系 Fig. 4 Relation between slurry consistency and sand fineness modulus

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由图 4可见，浆液的初始稠度在9~12 cm，浆液的3 h稠度较初始稠度有所减小。浆液的稠度随砂细度模数的增大先增大后略有减小，以水胶比(w/b)为0.92的浆液为例，当细砂的细度模数小于1.210时，稠度由细砂的细度模数为0.781时的11.0 cm增大到细度模数为1.210时的11.8 cm；当细砂的细度模数大于1.210时，浆液的流动度由细砂细度模数为1.210时所对应的11.8 cm降低到细度模数为1.652时所对应的10.6 cm，其他浆液也存在此变化规律。15组浆液的3 h稠度的变化规律与之类似。由于随着细砂的细度模数的增大，砂颗粒的不均匀性增大，颗粒间的空隙得到填充，在测试过程中对圆锥体的阻力增大，从而导致稠度减小。在同一细砂细度模数情况下，浆液的稠度随水胶比(w/b)的增大而呈增大的趋势。

泌水率是体现固-液分离性能的指标，泌水率越小浆液的稳定性越好。由图 5所示，试验中设计浆液的泌水率均在5%以下，泌水率均较小。浆体的泌水率随细砂细度模数的增大而呈增大的趋势，以水胶比(w/b)为0.92的浆液为例，浆液的泌水率由细砂细度模数为0.781时的1.7%增大到细度模数为1.652的4.5%。同一细度模数情况时，浆体的泌水率随水胶比(w/b)的增大而增大。

图 5 浆液的泌水率与砂的细度模数的关系 Fig. 5 Relation between slurry bleeding rate and sand fineness modulus

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凝结时间是评价浆液达到固态时间的指标。凝结时间过短，则易发生堵管或填充不完全；凝结时间过长，则不利于盾构隧道的早期稳定。本研究中使用的浆液为惰性浆，其中不含有水泥成分，浆液的凝结时间较长，由图 6可见，浆液的凝结时间小于65 h。随着细度模数的增大，浆液的凝结时间逐渐缩短。这是由于随着砂颗粒粒径的增大，砂颗粒的重量增大，在浆液中的沉积速度加快，从而会使浆液的凝结时间缩短。在同一细度模数下，浆液的凝结时间随水胶比的增大而增大。

图 6 浆液的凝结时间与砂的细度模数的关系 Fig. 6 Relation between slurry condensation time and sand fineness modulus

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对龄期分别为7 d，28 d的盾构壁后注浆进行无侧限抗压强度测试，如图 7所示。该类型的壁后注浆体为惰性浆，其中含有可发生水化胶结反应的成分较少，其无侧限抗压强度较小。龄期为7 d的浆体强度小于28 d的浆体强度，相同龄期不同水胶比的浆体强度相差不大，同一水胶比的浆体，其无侧限抗压强度随着细度模数的增大先略有减小然后增大。以水胶比(w/b)为0.92龄期的7 d浆液为例，无侧限抗压强度由细砂的细度模数为0.781时的0.2 MPa降低到细度模数为1.210时的0.18 MPa，而后随细度模数的增大而增大，即增大到细砂细度模数为1.652时的0.26 MPa，其他浆液也存在此变化规律。

图 7 浆液的无侧限抗压强度与砂的细度模数的关系 Fig. 7 Relation between slurry unconfined compressive strength and sand fineness modulus

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本试验中使用的砂为河砂，不考虑砂颗粒的形状对盾构同步注浆工程性能的影响。对于一般建筑用砂浆来说，适量的细骨料对其和易性有积极影响，但随着细颗粒的增多，其和易性显著降低^[25]。试验用砂的细度模数在0.781~1.652之间，属于特细砂，文献[25]中天然砂(N1)的比表面积为2 650 m²/kg，由两种砂的粒径级配曲线可知，本研究使用的特细砂的比表面积要大于文献[25]中天然砂(N1)的比表面积，砂颗粒对自由水有较强的吸附作用，其对浆液工程性能的变化会产生较大的影响。

图 8为盾构同步注浆中砂颗粒和水分的分布。如图 8(a)所示，当细砂颗粒较小时(细度模数小于1.210)，颗粒表面对水的吸附作用较强，能吸附较多的水，其吸附水膜的厚度较大，从而导致砂颗粒之间的自由水较少，浆液的和易性较差。随着砂子的细度模数增大，砂颗粒的粒径逐渐增大，颗粒吸附水的能力减弱，吸附水膜的厚度减小，砂颗粒之间的自由水较多，从而使同步注浆材料的和易性得到改善，如图 8(b)所示。当细度模数较大时(细度模数大于1.210)，颗粒对自由水的吸附作用较小，吸附水膜变薄，此时存在不能吸附水膜的较大粒径的颗粒，如图 8(c)所示。由于砂颗粒粒径的增大，砂颗粒在浆液中的沉积速度加快，从而会使浆液的凝结时间缩短。并且本研究中砂的细度模数小于1.210时，颗粒较均匀，浆液的整体孔隙率也随之增加，砂颗粒之间的孔隙不能被有效地填充，从而使水更容易排出，导致泌水率逐渐增大。由于不存在水泥等成分，浆液的强度主要来源于细颗粒接触形成的骨架结构，孔隙比的增大会导致浆液的强度降低。

图 8 盾构同步注浆中砂颗粒和水分的分布 Fig. 8 Distributions of sand particles and water in shield synchronous grouting materials

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由此可见，当砂颗粒的粒径较小(细度模数在0.781~1.210之间)且级配较均匀时，可通过添加外加剂的方式，减小砂颗粒表面吸附水膜的厚度，增加颗粒之间自由水的量，进而改善盾构同步注浆浆液的和易性。

由图 1可知5组细砂都属于不良级配的细砂，且随着细度模数的增大，颗粒级配逐渐向不均匀级配过渡，研究结果与文献[20]所得结果相似，砂的级配对砂浆的和易性有重要影响。由表 1和3可见，5种浆液的不均匀系数C_u < 5，曲率系数C_c < 1，均为颗粒较均匀的不良级配砂，且缺少中间颗粒。当细度模数小于1.210时(即A, B, C这3种浆液)，三者的粒径分布特征差异不大，可认为在此区间粒径级配对浆液工程性能影响不大；当细度模数大于1.210时(即C, D, E这3种浆液)，三者的粒径分布存在差异，即随着细度模数的增大，颗粒分布逐渐不均匀，此时粒径的级配对浆液的工程性能的影响逐渐显现。在此区间，大粒径的颗粒占比增大，砂颗粒的总表面积明显减小，对水的吸附作用减小，自由水逐渐增多，同步注浆的稠度、流动度等增大。同时，级配也发生变化，如图 9所示。砂颗粒的不均匀性越来越明显，大颗粒之间的空隙逐渐被小颗粒填充，从而使浆液的密度逐渐增大，浆液的无侧限抗压强度也逐渐增大。如图 10和图 11所示，砂颗粒细度模数大于1.210时，浆液的密度和无侧限抗压强度随不均匀系数的增大而增大，表明颗粒不均匀性的增加，加强了浆液的密度和无侧限强度发展。

图 9 细砂粒径不均时砂颗粒和水分的分布 Fig. 9 Distributions of sand particles and water with uneven particle size of sand

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图 10 浆液的密度与砂的不均匀系数的关系(细度模数≥1.210) Fig. 10 Relation between slurry density and sand uniformity coefficient

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图 11 浆液的无侧限抗压强度与砂的不均匀系数的关系(细度模数≥1.210) Fig. 11 Relation between slurry unconfined compressive strength and sand uniformity coefficient

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在浆液的泵送过程中，颗粒之间的相对移动对浆液的流动性也有重要影响，级配较好的砂，较小的颗粒对较大颗粒之间的相对运动会起到滚动润滑的作用，浆液的流动度会大大增加，但由图 12可见，本研究中浆液的流动度随不均匀系数增大而增幅较小，这是由于所用的细砂缺少中间颗粒，填充在大颗粒之间的小颗粒所起到的滚动润滑作用较小，而颗粒间的摩擦作用较大，从而导致浆液的流动度随细度模数的增长而减缓。由此可见，为了提升浆液的工程性能，可采用改变细砂级配的方法，即增加细砂的不均匀性。

图 12 浆液的流动度与砂的不均匀系数的关系(细度模数≥1.210) Fig. 12 Relation between slurry fluidity and sand uniformity coefficient

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展开室内试验探究了盾构壁后注浆中细砂的特性对其工程性能的影响，得到以下结论：

(1) 细度模数在0.781~1.652范围内的细砂，可做为盾构同步注浆材料用砂，所得注浆的工程性能可以满足工程要求。

(2) 细砂的细度模数对浆液性能的变化起主导作用，究其原因是随细度模数的变化，细砂的比表面积改变，导致细颗粒吸附水的能力发生变化；随砂颗粒不均匀性的增强，除细砂的颗粒大小外，颗粒的填充作用对浆液的工程性能产生显著影响。

(3) 当特细砂的粒径较小时，可采取添加外加剂和改变砂的级配的方法，以提升浆液的工程性能。

(4) 对于砂的特性对不同类型的盾构同步注浆工程性能的影响，以及影响机制的解释，还需要进一步研究，后续研究可以从浆液中的水分转化、孔隙分布等角度进行探讨。