盾構(gòu)壁后注漿體在不同地層中固結(jié)排水試驗(yàn)研究

杜 瑞， 朱 偉， 閔凡路， 錢勇進(jìn)

(1. 河海大學(xué)巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 江蘇 南京 210098； 2. 河海大學(xué)土木與交通學(xué)院， 江蘇 南京 210098)

盾構(gòu)壁后注漿體在不同地層中固結(jié)排水試驗(yàn)研究

杜 瑞， 朱 偉， 閔凡路， 錢勇進(jìn)

(1. 河海大學(xué)巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 江蘇 南京 210098； 2. 河海大學(xué)土木與交通學(xué)院， 江蘇 南京 210098)

為分析盾構(gòu)壁后注漿過(guò)程中不同類型的漿體在不同地層中固結(jié)排水規(guī)律的差異，采用自制的漿體固結(jié)排水試驗(yàn)裝置，模擬盾構(gòu)壁后注漿體的固結(jié)排水過(guò)程，對(duì)惰性漿、硬性漿和厚漿3種典型漿體在不同地層中的固結(jié)排水規(guī)律展開研究。結(jié)果表明： 1)在粉質(zhì)黏土地層中，漿體的固結(jié)排水速度主要由漿體中水分入滲的難易程度決定； 2)在粉細(xì)砂地層中，漿體的固結(jié)排水速度主要取決于漿體的保水性和抗水分散性； 3)在滲透系數(shù)較大的粗砂地層中，固結(jié)初期漿體顆粒間的黏結(jié)作用對(duì)漿體的固結(jié)排水速度影響較大，固結(jié)完成后漿體的強(qiáng)度受漿體中膠凝材料的影響較大、受地層滲透系數(shù)的影響較小； 4)硬性漿固結(jié)完成后的7 d強(qiáng)度較3 d強(qiáng)度增加了30%，惰性漿和厚漿固結(jié)完成后強(qiáng)度隨時(shí)間變化較小。

盾構(gòu)壁后注漿； 漿體固結(jié)特性； 漿體類型； 固結(jié)過(guò)程

0 引言

盾構(gòu)法具有施工安全、快速和對(duì)環(huán)境影響小等優(yōu)點(diǎn)，近幾年在地下隧道建設(shè)中得到了廣泛的應(yīng)用[1]。盾構(gòu)壁后注漿是填充盾尾間隙、控制地層沉降的主要手段。盾構(gòu)壁后注漿控制地層沉降效果的好壞，與漿體在盾尾間隙中的固結(jié)規(guī)律密切相關(guān)[2-3]。在施工過(guò)程中，地層條件和漿體性質(zhì)是影響漿體固結(jié)規(guī)律的主要因素。在我國(guó)不同地區(qū)的盾構(gòu)施工地質(zhì)情況差異較大[4-5]，例如： 上海以淤泥質(zhì)土層和粉質(zhì)黏土層為主；廣州以中粗砂和風(fēng)化巖層為主；南京以粉細(xì)砂和砂卵石層為主。不同工程中所用漿體的材料組成、配比和性質(zhì)差別也較大。因此，有必要對(duì)不同類型的壁后注漿體在不同地層中的固結(jié)變形特性進(jìn)行研究。

針對(duì)盾構(gòu)壁后注漿對(duì)地層沉降的影響，A. Bezuijen等[6-7]通過(guò)硬性漿室內(nèi)固結(jié)試驗(yàn)，推導(dǎo)了以漿體孔隙率為自變量的固結(jié)體厚度變化公式；文獻(xiàn)[8-9]通過(guò)非自立三軸試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)惰性漿的固結(jié)變形特性與超軟弱黏土的大變形特征相似，即具有變形量大、彈性模量小和不排水強(qiáng)度低的特點(diǎn)；張莎莎等[10]推導(dǎo)了漿體在軟黏土地層中的固結(jié)方程，發(fā)現(xiàn)地層阻力可以延緩漿液的固結(jié)速度，對(duì)漿體最終的固結(jié)狀態(tài)也有較大的影響。在漿體配比優(yōu)化及工程性質(zhì)方面，蘇華等[11]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)配比試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在硬性漿中加入適量的CMC(羧甲基纖維素)可增大漿體的黏聚力，并使?jié){體不易離析；魏廣造等[12]發(fā)現(xiàn)在膨脹土地層中漿體的抗壓強(qiáng)度和泌水率是控制注漿效果的關(guān)鍵指標(biāo)；張洪鋒等[13]通過(guò)厚漿配比試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)石灰可以激發(fā)粉煤灰的活性、提高漿液的和易性、降低泌水率以及增加結(jié)石體的強(qiáng)度；張海濤[14]通過(guò)固結(jié)和直剪等力學(xué)試驗(yàn)得到了漿體的強(qiáng)度、流動(dòng)度和泌水率等指標(biāo)的變化規(guī)律。在以上的研究中，壁后注漿體的固結(jié)試驗(yàn)均是針對(duì)單一地層或漿體自身的固結(jié)而言的，均未考慮地層條件對(duì)漿體固結(jié)規(guī)律的影響；且在漿液配比的研究中，未能有效地分析漿體的工程性質(zhì)對(duì)固結(jié)排水規(guī)律的影響。

為了更真實(shí)地模擬盾構(gòu)壁后注漿體固結(jié)排水的過(guò)程，在前人研究的基礎(chǔ)上，以氣壓代替砝碼加壓[15-16]，進(jìn)行了不同地層條件下漿體的固結(jié)排水試驗(yàn)，對(duì)漿體的孔隙水壓力消散、軸向應(yīng)變和強(qiáng)度變化等規(guī)律進(jìn)行了探討，為實(shí)際工程中不同地層條件下盾構(gòu)壁后注漿體的選型問(wèn)題提供了理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1試驗(yàn)材料

制備單元試驗(yàn)地層時(shí)，無(wú)法對(duì)盾構(gòu)施工盾尾間隙進(jìn)行實(shí)際模擬，只能以地層滲透系數(shù)為變量對(duì)施工地層進(jìn)行模擬。試驗(yàn)時(shí)，用粉質(zhì)黏土配制D1地層，用2種不同粒徑的砂土分別配制D2和D3地層(D1、D2和D3地層分別代表粉質(zhì)黏土地層、粉細(xì)砂地層和粗砂地層)。試驗(yàn)地層的物理參數(shù)見表1。

表1 試驗(yàn)地層的物理參數(shù)Table 1 Physical parameters of test strata

惰性漿的主要成分為粉煤灰、中細(xì)砂、膨潤(rùn)土和水；硬性漿在惰性漿的基礎(chǔ)上添加了水泥作為膠凝材料，并通過(guò)添加減水劑調(diào)整漿液的和易性及凝結(jié)時(shí)間；厚漿中采用熟石灰代替水泥(水泥和熟石灰的顆粒級(jí)配曲線如圖1所示)，以激發(fā)粉煤灰的活性。3種漿體的具體配比見表2。按照相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)對(duì)3種漿體的基本工程參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果見表3。

圖1 水泥和熟石灰的顆粒級(jí)配曲線Fig. 1 Particle grading curves of cement and hydrated lime

漿液類型水膠質(zhì)量比膠砂質(zhì)量比膨水質(zhì)量比添膠質(zhì)量比惰性漿0．720．590．14硬性漿0．850．480．190．003厚漿0．910．730．150．002

表3 3種漿體的基本工程參數(shù)

1.2試驗(yàn)裝置與試驗(yàn)方法

自制的漿體固結(jié)試驗(yàn)裝置如圖2所示。裝置分為上、中、下3部分。試驗(yàn)時(shí)，首先將空氣壓縮機(jī)提供的氣壓加載到“4”水面上，把氣壓轉(zhuǎn)化為液壓，并通過(guò)液壓壓縮乳膠膜氣囊內(nèi)的漿液；然后通過(guò)調(diào)壓裝置(精度為0.01 MPa)調(diào)節(jié)和監(jiān)控注漿壓力，通過(guò)孔隙水壓力采集系統(tǒng)(精度為0.01 kPa)采集和記錄漿體中孔隙水壓力隨時(shí)間的變化情況，通過(guò)U型管(最小刻度為1 mm)及秒表(精度為0.01 s)讀取漿體的固結(jié)沉降量隨時(shí)間的變化情況。

1—法蘭盤； 2—缸蓋； 3—壓縮空氣； 4—清水； 5—乳膠膜； 6—乳膠膜套圈； 7—進(jìn)水閥； 8—漿體； 9—孔隙水壓力計(jì)； 10—地層； 11—透水石； 12—底座； 13—進(jìn)氣閥門； 14 —帶刻度的U型管； 15—出水閥； 16—調(diào)壓裝置； 17—空氣壓縮機(jī)； 18—排水閥； 19—濾水收集采集系統(tǒng)。

圖2自制的漿體固結(jié)試驗(yàn)裝置
Fig. 2 Consolidation test device of slurry

試驗(yàn)時(shí)，采用分層擊實(shí)的方法在下層筒體中裝入10 cm的試驗(yàn)地層(填裝時(shí)應(yīng)控制好擊實(shí)度)，如圖3(a)所示。然后在乳膠膜內(nèi)裝入900 mL的漿液(約高11 cm)，密封乳膠膜，在其上部注入清水。試驗(yàn)加壓過(guò)程中，水位會(huì)隨著漿體的固結(jié)沉降而下降。由于裝置內(nèi)徑較大，液面沉降量的讀取難度也較大，而U型管內(nèi)徑較小，且凹液面與裝置“4”的液面始終平齊，刻度變化較容易讀取，所以可通過(guò)U型管凹液面刻度隨時(shí)間的變化規(guī)律反映漿體沉降量隨時(shí)間的變化規(guī)律。當(dāng)U型管內(nèi)的液面穩(wěn)定后，打開底座閥門，將孔隙水壓力計(jì)清零，記錄U型管凹液面的初始刻度，通過(guò)調(diào)壓裝置將注漿壓力設(shè)置到100 kPa，待其穩(wěn)定后開始加壓，同時(shí)按下秒表開始計(jì)時(shí)。觀察U型管內(nèi)液面的讀數(shù)，并通過(guò)秒表記錄漿體固結(jié)沉降量隨時(shí)間的變化情況。固結(jié)完成后打開試驗(yàn)裝置，如圖3(b)所示；然后分別采用滲透儀環(huán)刀和無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度環(huán)刀取樣，如圖3(c)所示；接著對(duì)各漿體的滲透系數(shù)進(jìn)行測(cè)定，同時(shí)將無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試樣放入養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，當(dāng)達(dá)到設(shè)計(jì)齡期時(shí)測(cè)其無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，如圖3(d)所示。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1固結(jié)時(shí)間與地層之間的關(guān)系

試驗(yàn)過(guò)程中，在注漿壓力的作用下漿體中的水分不斷排向地層，直至漿體中的孔隙水壓力消散為0。因此，可以采用孔隙水壓力消散時(shí)間代表各漿體的固結(jié)完成時(shí)間，并繪制出注漿壓力為100 kPa時(shí)3種地層中各漿體的孔隙水壓力隨固結(jié)時(shí)間的變化曲線，如圖4所示。

(a) 裝入試驗(yàn)地層 (b) 固結(jié)完成

(c) 環(huán)刀取樣 (d) 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

由圖4(a)可知，加壓初期3種漿體的孔隙水壓力消散曲線形態(tài)相似，均在加壓后的1 500 s內(nèi)迅速下降，并逐漸趨于穩(wěn)定。而不同漿體的固結(jié)完成時(shí)間差異較大，惰性漿固結(jié)完成時(shí)間最短，約為3 700 s；其次是厚漿，約為5 000 s；硬性漿的固結(jié)完成時(shí)間最長(zhǎng)，約為6 000 s。經(jīng)分析認(rèn)為，在D1地層中，地層的滲透系數(shù)在一定程度上限制了漿體的固結(jié)排水速度，漿體中水分排出的難易程度直接決定了漿體孔隙水壓力消散的快慢，而漿體的含水率對(duì)漿體固結(jié)排水速度的影響相對(duì)較弱。

由圖4(b)可知，加壓后3種漿體都在各自1/4的固結(jié)時(shí)間內(nèi)完成了不少于70%的壓力轉(zhuǎn)化。隨著固結(jié)時(shí)間的延長(zhǎng)，孔隙水壓力消散速率逐漸減慢。厚漿和硬性漿的固結(jié)完成時(shí)間均在700 s左右；惰性漿的固結(jié)完成時(shí)間最短，約為440 s。經(jīng)分析可知，在D2地層中，漿體固結(jié)排水速度的快慢不再受地層滲透系數(shù)的限制，而更多地取決于漿體自身的工程性質(zhì)，漿體良好的保水性和抗水分散性會(huì)減緩漿體的排水速度，同時(shí)漿體中膠凝材料的膠結(jié)作用也對(duì)其有一定的影響。

由圖4(c)可知，惰性漿、厚漿和硬性漿3種漿體的起始孔隙水壓力為60～85 kPa，曲線形態(tài)相似，固結(jié)完成時(shí)間相差不大，分別約為370、470、560 s。經(jīng)分析可知，在滲透系數(shù)較大的D3地層中，漿體保水性和抗水分散性對(duì)漿體的固結(jié)排水速度影響較弱，而漿體中膠凝材料的膠結(jié)作用對(duì)漿體固結(jié)排水速度的影響較為顯著。

(a) D1地層

(b) D2地層

(c) D3地層

圖4 3種地層中各漿體的孔隙水壓力隨固結(jié)時(shí)間的變化曲線(注漿壓力為100 kPa)

Fig. 4 Variation curves of pore water pressure vs. consolidation time (grouting pressure of 100 kPa)

2.2軸向應(yīng)變與地層之間的關(guān)系

在不同地層條件下漿體的固結(jié)排水速度不同，U型管中凹液面下降的速度也不相同。在粗砂地層中漿體固結(jié)排水速度較快，與之對(duì)應(yīng)的凹液面下降速度也較快，若凹液面刻度每下降1 mm讀取固結(jié)時(shí)間，則誤差較大。為了增加結(jié)果的準(zhǔn)確性，在粗砂地層中凹液面刻度每下降5 mm記錄一次固結(jié)時(shí)間；在粉細(xì)砂地層中凹液面刻度每下降3 mm記錄一次固結(jié)時(shí)間；在粉質(zhì)黏土地層中凹液面刻度每下降1 mm記錄一次固結(jié)時(shí)間。采用U型管凹液面刻度隨時(shí)間的變化規(guī)律反映漿體沉降量隨時(shí)間的變化規(guī)律，并繪制漿體的軸向應(yīng)變曲線。各漿體在3種地層中的軸向應(yīng)變曲線如圖5所示。

(a) D1地層

(b) D2地層

(c) D3地層

Fig. 5 Axial strain curves of different slurries in three different strata

由圖5(a)可知，固結(jié)前期3種漿體的軸向應(yīng)變曲線形態(tài)相似，先線性增加，此后逐漸趨于穩(wěn)定直至達(dá)到最大值，曲線最終的斜率和軸向應(yīng)變隨漿體的不同而不同。惰性漿的最終軸向應(yīng)變最大，約為9.54%；厚漿次之，約為9.06%；硬性漿最小，約為8.41%。經(jīng)分析可知，飽和漿體的單元體體積減小量等于凈排水量，惰性漿排水量最大，故其軸向應(yīng)變最大； 此外，漿體中水分的入滲能力直接決定了漿體的排水速率，因此各漿體的軸向應(yīng)變隨時(shí)間大致呈線性增加的趨勢(shì)。

由圖5(b)可知，固結(jié)前期惰性漿和硬性漿的軸向應(yīng)變?cè)黾虞^快，在200 s左右時(shí)已經(jīng)達(dá)到了最大軸向應(yīng)變的90%，此后惰性漿的軸向應(yīng)變很快達(dá)到最大值并趨于穩(wěn)定，而硬性漿開始緩慢增加直至固結(jié)完成；與惰性漿和硬性漿相比，厚漿的軸向應(yīng)變曲線變化較為緩慢，最大軸向應(yīng)變約為9.20%。經(jīng)分析認(rèn)為，厚漿的保水性和抗水分散性最好，在D2地層中固結(jié)排水速度最緩慢，使得漿體在單位時(shí)間內(nèi)的軸向應(yīng)變最小，軸向應(yīng)變變化曲線較為平緩。

由圖5(c)可知，固結(jié)時(shí)間為100 s時(shí)，惰性漿的軸向應(yīng)變達(dá)到最大值并逐漸趨于穩(wěn)定；厚漿和硬性漿的軸向應(yīng)變變化曲線形態(tài)相近，呈先快后慢的增長(zhǎng)趨勢(shì)；惰性漿、厚漿和硬性漿的最大軸向應(yīng)變分別為13.41%、11.21%和9.94%。經(jīng)分析認(rèn)為： 1)惰性漿中顆粒間的黏結(jié)作用較弱，加壓的瞬間漿體中的細(xì)小顆粒在水流的作用下不斷被帶出，軸向應(yīng)變也迅速達(dá)到最大值； 2)硬性漿中，顆粒間的黏結(jié)作用較強(qiáng)，形成的骨架結(jié)構(gòu)在漿體與砂地層的交界處形成了1層“滯留帶”，在降低固結(jié)體滲透系數(shù)的同時(shí)，減少了漿體中細(xì)小顆粒的流失，使其軸向應(yīng)變最小。

2.3固結(jié)體的滲透系數(shù)kt和強(qiáng)度與地層之間的關(guān)系

漿體的滲透系數(shù)是影響漿體固結(jié)排水速度快慢的重要因素之一，同時(shí)對(duì)提高管片的抗?jié)B性也起著決定性作用；固結(jié)體的強(qiáng)度直接影響管片和地層的早期穩(wěn)定性。試驗(yàn)結(jié)束后，采TST-55型變水頭試驗(yàn)儀和YYW-2型應(yīng)變控制式無(wú)側(cè)壓力儀對(duì)各漿液固結(jié)體的滲透系數(shù)及第3天和第7天的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度進(jìn)行了測(cè)試(每組試驗(yàn)取3個(gè)平行試樣，求其平均值)。3種地層中各固結(jié)體的物理參數(shù)測(cè)試結(jié)果如圖6所示。R3d和R7d分別代表漿體第3天和第7天的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度。

由圖6可知： 1)惰性漿在D1地層中的R3d和R7d較為接近，隨著地層滲透系數(shù)的增加固結(jié)體的強(qiáng)度逐漸降低，且R7d略高于R3d； 2)厚漿在同種地層中的R3d和R7d較為接近，且在D3地層中的固結(jié)體強(qiáng)度明顯小于D1和D2地層的固結(jié)體強(qiáng)度； 3)硬性漿的固結(jié)體強(qiáng)度隨地層的不同變化較小，但同種地層條件下的R7d較R3d增加較多； 4)隨著地層滲透系數(shù)的增加固結(jié)完成后的漿體滲透系數(shù)明顯增加，在同種地層條件下硬性漿的固結(jié)體滲透系數(shù)最小，惰性漿的固結(jié)體滲透系數(shù)最大。

(a) D1地層

(b) D2地層

(c) D3地層

Fig. 6 Test results of physical parameters of consolidation body in three different strata

經(jīng)分析認(rèn)為，當(dāng)漿液固結(jié)體的滲透系數(shù)大于地層的滲透系數(shù)時(shí)，漿體的力學(xué)性質(zhì)主要受漿體中膠凝材料的影響，地層滲透系數(shù)對(duì)其影響較弱；當(dāng)漿液固結(jié)體的滲透系數(shù)遠(yuǎn)小于地層時(shí)，漿液中的細(xì)小顆粒開始流失，漿體強(qiáng)度受地層滲透系數(shù)的影響較大，同時(shí)漿體內(nèi)細(xì)小顆粒間的黏結(jié)強(qiáng)度開始逐漸發(fā)揮作用。惰性漿顆粒間的黏結(jié)強(qiáng)度最小，漿體中的細(xì)小顆粒流失最嚴(yán)重，使得固結(jié)體的滲透系數(shù)最大、強(qiáng)度最低；硬性漿中顆粒間的黏結(jié)強(qiáng)度大，固結(jié)體孔隙結(jié)構(gòu)均勻度較好，細(xì)小顆粒的流失量小，使得固結(jié)體滲透系數(shù)小、強(qiáng)度最高。

3 討論

3.1不同地層條件下各漿體的固結(jié)特性

通過(guò)對(duì)比不同地層條件下各漿體的固結(jié)排水規(guī)律發(fā)現(xiàn): 隨著地層滲透系數(shù)的增大漿體孔隙水壓力消散完成時(shí)間逐漸減小，軸向應(yīng)變量逐漸增大；同一地層條件下各漿體的固結(jié)完成時(shí)間和軸向應(yīng)變速率取決于漿體的材料和工程性質(zhì)。具體分析如下。

粉質(zhì)黏土地層中，漿體固結(jié)排水速度受到了地層滲透系數(shù)的限制，且漿體中水分的入滲能力直接決定著排水速度。由圖1可知，水泥和熟石灰中可溶于水的物理性黏粒(粒徑小于10 μm)含量占30%左右，粒徑小于1 μm的顆粒含量占5%左右。所以，以水泥和熟石灰為主要膠凝材料的硬性漿和厚漿的水分入滲能力較差，固結(jié)排水速度較慢；惰性漿中可融入水的黏粒含量少，固結(jié)排水速度快。

粉細(xì)砂地層中，各漿液固結(jié)體的滲透系數(shù)與地層的滲透系數(shù)相近，固結(jié)快慢主要取決于漿體自身的工程性質(zhì)。1)惰性漿的保水性差、泌水率大，固結(jié)排水速度快，顆粒間的膠結(jié)作用弱，軸向應(yīng)變大； 2)厚漿中熟石灰激發(fā)了粉煤灰的活性，使得漿體的保水性和抗水分散性較好，所以漿體固結(jié)排水速度慢、軸向應(yīng)變較??； 3)硬性漿中水泥的膠結(jié)作用使得漿體的軸向應(yīng)變小，同時(shí)水泥的水化反應(yīng)消耗了孔隙內(nèi)的水，縮短了固結(jié)完成時(shí)間。

粗砂地層中，漿體的固結(jié)特性主要與固結(jié)體的孔隙結(jié)構(gòu)有關(guān)。1)惰性漿中細(xì)小顆粒間的黏結(jié)作用弱，固結(jié)排水時(shí)流失嚴(yán)重，固結(jié)體孔徑較大、連通性好，固結(jié)排水速度快，軸向應(yīng)變大； 2)硬性漿中水泥的膠結(jié)作用將顆粒黏結(jié)起來(lái)形成骨架結(jié)構(gòu)，且產(chǎn)生的結(jié)石體不斷對(duì)骨架孔隙進(jìn)行填充，使得漿體孔隙結(jié)構(gòu)的均勻度較好，所以漿體的固結(jié)排水速度慢、軸向應(yīng)變??； 3)厚漿的膠結(jié)反應(yīng)速度較快，前期形成的骨架結(jié)構(gòu)后期得不到有效填充，孔隙結(jié)構(gòu)的均勻度較差，固結(jié)排水速度和軸向應(yīng)變均介于惰性漿和硬性漿之間。

3.2模擬試驗(yàn)與實(shí)際情況的對(duì)比分析

試驗(yàn)?zāi)M條件與盾構(gòu)壁后注漿的實(shí)際情況存在一些差異，但漿體在盾尾間隙中的固結(jié)排水過(guò)程與實(shí)際情況相同，得到的試驗(yàn)結(jié)果能較為真實(shí)地反映各漿體在盾構(gòu)施工地層中的孔隙水壓力消散規(guī)律、沉降規(guī)律和強(qiáng)度變化規(guī)律。具體對(duì)比分析如下。

試驗(yàn)條件與實(shí)際情況的相同點(diǎn)： 1)試驗(yàn)漿液采用工程中最常用的3種典型漿液，各漿液的工程性質(zhì)與實(shí)際情況相近； 2)盾構(gòu)施工中注漿壓力一般為在地層阻力的基礎(chǔ)上增加0.05～0.15 MPa的壓力差，試驗(yàn)所選取的注漿壓力為0.1 MPa，與實(shí)際情況相符合； 3)選用的粉質(zhì)黏土、粉細(xì)砂和粗砂3種地層是盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中經(jīng)常穿越的地層類型； 4)試驗(yàn)時(shí)裝入的高度約為11 cm的漿液與施工中的盾尾間隙(10～20 cm)相近。

試驗(yàn)條件與實(shí)際情況的不同點(diǎn)： 1)試驗(yàn)中的地層未考慮地下水壓，在實(shí)際工程中漿體中的水是在壓力差的作用下不斷向地層中排出的，地下水壓對(duì)其影響較小，試驗(yàn)中可以不考慮； 2)試驗(yàn)裝置尺寸遠(yuǎn)小于實(shí)際尺寸，屬于單元試驗(yàn)，但其受力狀態(tài)與盾構(gòu)壁后注漿體在盾尾間隙中的局部應(yīng)力狀態(tài)一致； 3)盾構(gòu)壁后注漿過(guò)程中漿體是流動(dòng)的，而本文主要進(jìn)行的是漿體固結(jié)試驗(yàn)，側(cè)重于漿體固結(jié)特性的研究，所以未考慮漿體的流動(dòng)性。

4 結(jié)論與建議

1)隨著地層滲透系數(shù)的增大，不同類型漿體的孔隙水壓力消散完成時(shí)間均逐漸減小，軸向應(yīng)變均逐漸增大。在同種地層中，其減小或增大的速率主要與漿體材料組成、材料配比以及工程性質(zhì)有關(guān)。

2)粉質(zhì)黏土地層中，漿體的軸向應(yīng)變速率主要由漿體中水分入滲的難易程度決定；粉細(xì)砂地層中，漿體的軸向應(yīng)變速率主要取決于漿體的保水性和抗水分散性；在滲透系數(shù)較大的粗砂地層中，固結(jié)初期漿體顆粒間的黏結(jié)作用對(duì)漿體的軸向應(yīng)變速率影響較大。

3)漿液的材料性質(zhì)直接決定了漿體的強(qiáng)度，地層的滲透系數(shù)對(duì)漿體強(qiáng)度的影響較小。硬性漿中水泥的膠結(jié)作用使得漿體強(qiáng)度最大，并隨時(shí)間不斷增加；與惰性漿相比，厚漿中的石灰能激發(fā)粉煤灰的活性，在一定程度上增加了漿體強(qiáng)度，但隨著時(shí)間的延長(zhǎng)漿體強(qiáng)度不再明顯增加。

4)通過(guò)漿液類型、壓力條件和地層滲透系數(shù)的設(shè)置模擬了實(shí)際工程中盾構(gòu)壁后注漿體的固結(jié)排水過(guò)程。雖然試驗(yàn)中未考慮地層介質(zhì)等物理參數(shù)的影響以及盾構(gòu)施工對(duì)周圍地層的擾動(dòng)影響，但單元試驗(yàn)中漿體固結(jié)排水的物理過(guò)程與實(shí)際盾構(gòu)壁后注漿情況相同，得到的試驗(yàn)結(jié)果仍能較為真實(shí)地反映各漿體在工程地層中的固結(jié)特性。

本文僅探討了各漿體在某單一地層中的固結(jié)規(guī)律，建議下一步應(yīng)對(duì)各漿體在復(fù)合地層中的固結(jié)規(guī)律展開研究，深入地揭示不同地層條件下各漿體的固結(jié)特性差異，為不同掘進(jìn)地層條件下盾構(gòu)壁后注漿體的選型問(wèn)題提供更多的依據(jù)。

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ExperimentalStudyofDrainageConsolidationofShieldBackfillGroutingGroutinDifferentStrata

DU Rui, ZHU Wei, MIN Fanlu, QIAN Yongjin

(1.KeyLaboratoryofGeomechanicsandEmbankmentEngineering(HohaiUniversity),MinistryofEducation,Nanjing210098,Jiangsu,China; 2.CollegeofCivilandTransportationEngineering,HohaiUniversity,Nanjing210098,Jiangsu,China)

In order to analyze the difference among drainage consolidation rules of different slurries in different strata during shield backfill grouting, the process of drainage consolidation of shield backfill grouting is simulated by a home-made experiment apparatus; and then the drainage consolidation rules of three kinds of typical slurries, inert slurry, hardness slurry and thick slurry, in different strata are studied. The results show that: 1) In the silty clay stratum, the drainage consolidation speed of the slurry depends on the infiltration degree of water in slurry. 2) In the silty-fine sandy stratum, the drainage consolidation speed of the slurry depends on the water-retaining property and water dispersion resistance of the slurry. 3) In the coarse sandy stratum with large permeability coefficient, the cohesive action of slurry particle has a great impact on drainage consolidation speed of the slurry in the early stages of consolidation; the strength of the slurry is greatly affected by the cementing materials after consolidation; and that is little affected by permeability coefficients of the strata. 4) The 7-day strength of hard slurry increases by 30% compared to the 3-day strength of hard slurry after consolidation; the strengths of inert slurry and thick slurry vary little after consolidation.

shield backfill grouting; consolidation property of slurry; types of slurry; process of consolidation

2017-04-19;

2017-07-19

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973 計(jì)劃) (2015CB057803)； 國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51408191)

杜瑞(1991—)，男，山東威海人，河海大學(xué)巖土工程專業(yè)在讀碩士，研究方向?yàn)閹r土工程和盾構(gòu)施工。E-mail: durwmm@163.com。

10.3973/j.issn.2096-4498.2017.11.009

U 455

B

2096-4498(2017)11-1417-07