富水復(fù)合砂層大直徑盾構(gòu)掘進(jìn)同步注漿性能配比試驗(yàn)研究

劉　瑋,謝佳偉,賴友君,傅金陽,陽軍生

(1.廣東華隧建設(shè)股份有限公司,廣州　510620； 2.中南大學(xué)土木工程學(xué)院,長沙　410075)

1　概述

盾構(gòu)管片背后同步注漿可有效充填盾尾空隙，控制地面下沉、管片上浮等問題，對(duì)盾構(gòu)隧道施工控制起關(guān)鍵作用?？紤]到同步注漿的注漿成本、工藝、效果等問題，選擇合適的材料和配比顯得尤為重要。

在不同的地層條件下，盾構(gòu)隧道盾尾注漿需要滿足不同的性能要求，同時(shí)，漿液的特性還需要滿足現(xiàn)場設(shè)備的要求，因此需要對(duì)影響漿液性能的各因素進(jìn)行深入的試驗(yàn)研究。根據(jù)漿液不同的性質(zhì)，可將其劃分為惰性漿液和活性漿液。惰性漿液中不含水泥等凝膠物質(zhì)，強(qiáng)度較低，活性漿液的強(qiáng)度相對(duì)較高?？紤]到工程的最優(yōu)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，對(duì)于特定的地質(zhì)條件和施工條件需要選擇特定的注漿方案，目前注漿材料發(fā)展迅速，種類龐雜，如何選用合適的材料和配比成為了注漿工藝中的關(guān)鍵問題。

廣佛環(huán)城際鐵路陳村2號(hào)隧道工程盾構(gòu)段采用兩臺(tái)直徑為8.84 m的土壓平衡盾構(gòu)機(jī)開挖，管片外徑8.5 m，內(nèi)徑7.7 m，寬1.6 m。盾構(gòu)穿越地層條件復(fù)雜，包括細(xì)砂～粉砂層、淤泥～泥巖地層，且多處為復(fù)合地層。廣州南站段隧道上覆地層為富水復(fù)合地層，地下水位埋深較淺。由于存在盾構(gòu)直徑大、穿越地層條件復(fù)雜、地下水含量豐富等不利因素，使得陳村2號(hào)隧道盾構(gòu)段施工風(fēng)險(xiǎn)大為增加。尤其是盾構(gòu)穿越的為武廣客運(yùn)專線高架橋，屬于變形敏感建筑結(jié)構(gòu)物。因此，控制地表沉降成為了本項(xiàng)目的關(guān)鍵之處，要求同步注漿漿材具有充填速度快，保水性好，離析率低等性能。另外，漿液在高壓富含水的條件下灌注可能會(huì)部分流失，導(dǎo)致漿體出現(xiàn)離析，密度不均勻等問題[1]。

本研究主要探討同步注漿采用的活性單液漿材料配比優(yōu)化的問題，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法，對(duì)比不同配比漿液的性能指標(biāo)，綜合多種因素得到最優(yōu)性能的漿液材料配比，并及時(shí)運(yùn)用到現(xiàn)場同步注漿施工中去，以期對(duì)控制地表沉降有一定作用，獲得更高的工程效益，并可為類似工程提供借鑒。

2　漿液配比試驗(yàn)

2.1　漿材要求

經(jīng)過大量試驗(yàn)研究及相關(guān)資料分析，在富水復(fù)合地層盾構(gòu)快速掘進(jìn)中，同步注漿要求漿材滿足以下要求[2]：充填性能好，能快速、飽滿地填充盾尾空隙；和易性較好，離析率低，保水性強(qiáng)；初凝時(shí)間較短，并可根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)節(jié)；漿液硬化后的體積變化較小，具有較好的不透水性；應(yīng)有合適的稠度，以便不被泥水稀釋；注漿不堵管，無公害，價(jià)格低。本項(xiàng)目的具體技術(shù)性能要求見表1。

表1　漿液性能指標(biāo)

2.2　試驗(yàn)方法

(1)漿液的組成成分。漿液材料主要采用以水泥(華潤散裝水泥，規(guī)格為P.O32.5R)、粉煤灰(珠江電力Ⅱ級(jí)粉煤灰)、膨潤土(飛來峰鈣基膨潤土)、細(xì)砂(惠州金業(yè)生產(chǎn)的細(xì)河沙)和水為原料的可硬性活性漿液，其保水能力強(qiáng)、抗水分散性較好、體積收縮率低。外加劑為康特爾聚羥酸系高效減水劑和昊欣9 mm聚丙烯纖維[3]。

(2)均勻試驗(yàn)設(shè)計(jì)。注漿材料單液硬性漿的主要影響因子可分為：膨水比、水膠比、粉灰比、膠砂比。其中膨水比為膨潤土與水的用量之比，水膠比為減水劑與膠凝材料的用量之比，粉灰比為粉煤灰與水泥的用量之比。本次試驗(yàn)探究各影響因子對(duì)漿液性能的影響程度，并據(jù)此找出適用于富水復(fù)合地層的活性單液漿配合比。傳統(tǒng)正交設(shè)計(jì)[4]的試驗(yàn)方法進(jìn)行各影響因子對(duì)比將需要巨大的試驗(yàn)量，試驗(yàn)周期長且成本較大，故本研究采用了均勻設(shè)計(jì)的試驗(yàn)方法。

均勻試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法源于數(shù)論方法中的“偽蒙特卡羅方法”，在多因素多水平試驗(yàn)設(shè)計(jì)方面有著巨大的優(yōu)勢(shì)。周梅等[6]用均勻試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法探討了各成分配比對(duì)自密實(shí)混凝土的性能影響，胡小勇等[7]用均勻試驗(yàn)的方法揭示了配比參數(shù)對(duì)充填料漿及膠結(jié)體性能的影響。本方法的原理為將數(shù)據(jù)點(diǎn)在高維空間內(nèi)充分均勻分散，提高數(shù)據(jù)的代表性，可以顯著精簡試驗(yàn)次數(shù)，適用于復(fù)雜科研課題的研究，為了方便建模和優(yōu)化，通常根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康膬H在重點(diǎn)試驗(yàn)因素上設(shè)置典型試驗(yàn)。

根據(jù)現(xiàn)場已有配比情況取水泥質(zhì)量范圍在100～180 kg，粉煤灰取值范圍在320～480 kg，膨潤土取值范圍在40～120 kg，砂的取值范圍在650～850 kg，水的取值范圍在300～400 kg，設(shè)計(jì)了以水泥、粉煤灰、膨潤土、砂、水的含量為基礎(chǔ)的均勻試驗(yàn)，根據(jù)均勻試驗(yàn)的原理安排15組試驗(yàn)，即5因素15水平均勻設(shè)計(jì)，選用U15(55)均勻設(shè)計(jì)表來安排試驗(yàn)，具體試驗(yàn)設(shè)計(jì)見表2。

表2　各試驗(yàn)漿液材料配比參數(shù)

為了排除試驗(yàn)的偶然因素干擾，每組配比同時(shí)制作了3個(gè)對(duì)比試塊，取各參數(shù)平均值進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，根據(jù)均勻試驗(yàn)的需求，制作了15組試驗(yàn)試塊，如圖1所示。

2.3　試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)上述均勻試驗(yàn)，得出的試驗(yàn)結(jié)果見表3。

圖1　均勻試驗(yàn)試塊分組

表3　均勻設(shè)計(jì)試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可以看出：漿液泌水率與水膠比成正比關(guān)系，與膠砂比、粉灰比、膨水比則成反比關(guān)系。泌水率與膨水比的關(guān)系曲線見圖2。

圖2　泌水率與膨水比關(guān)系變化曲線

漿液凝結(jié)時(shí)間與粉灰比成正比關(guān)系，與膠砂比成反比關(guān)系；當(dāng)水膠比、膨水比較小，凝結(jié)時(shí)間與之成反比關(guān)系，但變化不明顯，達(dá)到一定值后，與之成正比關(guān)系，呈非線性變化，具體見圖3和圖4。

圖3　凝結(jié)時(shí)間與膠砂比關(guān)系變化曲線

圖4　凝結(jié)時(shí)間與膨水比關(guān)系變化曲線

在給定的試驗(yàn)范圍內(nèi)，漿液流動(dòng)度隨時(shí)間增加而減小，漿液在前2 h內(nèi)流動(dòng)度的經(jīng)時(shí)損失較大，在2～8 h內(nèi)流動(dòng)度經(jīng)時(shí)損失比較均勻。流動(dòng)度經(jīng)時(shí)損失性變化曲線如圖5所示。

實(shí)際施工中，剛配制的漿液短時(shí)間內(nèi)便明顯降低流動(dòng)度，并可能殘存于注漿管道中造成堵管，因此，需要根據(jù)施工條件適當(dāng)調(diào)整漿液的流動(dòng)度經(jīng)時(shí)損失性。另外，流動(dòng)度受水膠比、膠砂比、膨水比影響較大，粉灰比影響則相對(duì)較小，流動(dòng)度與水膠比、粉灰比成正相關(guān)的關(guān)系，與膠砂比、膨水比成負(fù)相關(guān)的關(guān)系。

漿液中水泥的含量和等級(jí)對(duì)硬化后的強(qiáng)度影響很大，在相同水泥等級(jí)條件下，漿液強(qiáng)度就取決于漿液中水泥的含量，由于粉煤灰的強(qiáng)度很低，當(dāng)粉灰比增大，水泥的含量相對(duì)變小，漿液的強(qiáng)度隨著粉灰比的增大而減小。

圖5　流動(dòng)度的經(jīng)時(shí)損失性

2.4　配比優(yōu)化

盾構(gòu)管片背后同步注漿要求漿液短時(shí)間內(nèi)滿足良好的可泵性，快速充分地填充相應(yīng)的空隙，具有一定的早期強(qiáng)度，同時(shí)達(dá)到一定的經(jīng)濟(jì)效益。為了同時(shí)滿足以上多個(gè)目標(biāo)的要求，求解得到同步注漿材料的最優(yōu)配合比，需要采用多目標(biāo)規(guī)劃方法。多目標(biāo)規(guī)劃方法廣泛運(yùn)用于將復(fù)雜問題量化決策，本次試驗(yàn)采用Matlab軟件進(jìn)行優(yōu)化求解。

對(duì)于此類任何多目標(biāo)規(guī)劃問題，都由兩個(gè)基本部分組成[9]：

(1)兩個(gè)以上的目標(biāo)函數(shù)；

(2)若干個(gè)約束條件。

根據(jù)每個(gè)目標(biāo)函數(shù)的約束條件，對(duì)每個(gè)目標(biāo)函數(shù)先分別假定一個(gè)合理的期望值，最終試驗(yàn)結(jié)果應(yīng)該使每個(gè)目標(biāo)函數(shù)盡可能地接近該期望值，用Matlab優(yōu)化工具使得各級(jí)目標(biāo)的偏差變量達(dá)到最小。

可硬性漿液在實(shí)際施工中，漿液達(dá)到以下要求，即可認(rèn)為漿液的性能達(dá)到最優(yōu)[10]：

(1)漿液的初始稠度應(yīng)介于9～13 cm；

(2)漿液的初始流動(dòng)度值應(yīng)大于25 cm；

(3)漿液4 h后的流動(dòng)度值應(yīng)不小于20 cm，8 h后的流動(dòng)度值不小于16 cm；

(4)漿液泌水率應(yīng)小于5%；

(5)漿液的1 d強(qiáng)度應(yīng)大于0.2 MPa；

(6)漿液的28 d強(qiáng)度應(yīng)大于2.5 MPa。

根據(jù)漿液最佳凝結(jié)時(shí)間，得到目標(biāo)函數(shù)：

min|f凝結(jié)時(shí)間-8|=125.102-182.38x1-

88.432x1x3+111.207x2x3+6.202x2x4+

實(shí)際施工中，每環(huán)的注漿量按方量來計(jì)算，本試驗(yàn)各配比的漿液的密度在2.03～2.16 kg/L，較為接近，因此，本報(bào)告將每環(huán)的注漿量近似按照質(zhì)量計(jì)算，得到每1 000 kg漿液各材料組分的質(zhì)量為(水泥、粉煤灰、膨潤土、砂、水的質(zhì)量分別用C、F、B、S、W表示)。

考慮優(yōu)化配比后的砂漿成本不高于現(xiàn)場原設(shè)計(jì)采用砂漿配比的注漿成本。水泥的市場價(jià)格為290元/t，密度2.60 g/cm3；粉煤灰244元/t，密度2.40 g/cm3；膨潤土330元/t，密度2.20 g/cm3；砂122元/m3，密度2.50 g/cm3。原設(shè)計(jì)采用的單液型活性水泥砂漿的成本為123.7元/t，對(duì)應(yīng)的同步注漿材料成本

c成本=

在Matlab中，調(diào)用多目標(biāo)規(guī)劃算法，輸入以上約束條件，得出漿液的優(yōu)化配比見表4。

表4　漿液最優(yōu)配合比

該配比的注漿成本為115.9元/t，相對(duì)現(xiàn)場采用的單液型活性水泥砂漿節(jié)省成本7.8元/t。

3　配合比優(yōu)化結(jié)果

分別采用優(yōu)化后的配比和現(xiàn)場原設(shè)計(jì)采用的配合比進(jìn)行砂漿試驗(yàn)，以驗(yàn)證配比優(yōu)化試驗(yàn)的正確性和有效性，試驗(yàn)結(jié)果見表5。

表5　最優(yōu)配合比驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果

與現(xiàn)場原設(shè)計(jì)采用的配合比相比，采用最優(yōu)配合比砂漿的流動(dòng)度、凝結(jié)時(shí)間、抗壓強(qiáng)度性能均有明顯改善，泌水率則略有增大，但小于5%?，F(xiàn)場設(shè)計(jì)配比砂漿的流動(dòng)度經(jīng)時(shí)損失性較大，無法滿足表1提出的注漿漿液的各項(xiàng)物理性能指標(biāo)要求，最優(yōu)配比的試驗(yàn)結(jié)果則達(dá)到了以上要求。優(yōu)化配比試驗(yàn)的正確性與有效性獲得了驗(yàn)證，可為現(xiàn)場應(yīng)用提供有益參考。

4　結(jié)語

通過上述試驗(yàn)，得出以下結(jié)論。

(1)在漿液的物理性能方面：流動(dòng)度的經(jīng)時(shí)損失性受含水率影響較大，需要根據(jù)施工條件適當(dāng)調(diào)整漿液的流動(dòng)度經(jīng)時(shí)損失性，盡量做到漿液隨用隨配。漿液泌水率與水膠比成正比關(guān)系，與膠砂比、粉灰比、膨水比成反比關(guān)系。在一定范圍內(nèi)，漿液凝結(jié)時(shí)間與膠砂比成反比，與粉灰比成正比，隨水膠比、膨水比的增大先縮短再增加。

(2)在漿液的力學(xué)性能方面，由試驗(yàn)結(jié)果可知，在一定范圍內(nèi)，漿液的強(qiáng)度與膠砂比成正比，與水膠比、粉灰比成反比。

(3)根據(jù)均勻試驗(yàn)的結(jié)果，對(duì)于本地區(qū)類似富水復(fù)合地層大直徑盾構(gòu)掘進(jìn)工況，推薦選用質(zhì)量比為水泥∶粉煤灰∶黏土∶生石灰∶硫酸∶鈉∶水=1∶2.56∶0.30∶4.90∶2.32的配合比的漿液。

(4)最優(yōu)配合比砂漿的流動(dòng)度、凝結(jié)時(shí)間、抗壓強(qiáng)度性能相對(duì)于原設(shè)計(jì)配比砂漿均有明顯改善，可彌補(bǔ)其流動(dòng)度經(jīng)時(shí)損失性不滿足要求的不足。

參考文獻(xiàn)：

[1]孫立功，金花，龐旭卿，等.廣州地鐵3號(hào)線盾構(gòu)區(qū)間同步注漿施工技術(shù)[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2010(10)：125-128.

[2]周智.淺埋砂層中土壓平衡盾構(gòu)機(jī)土倉壓力和同步注漿量與地表沉降的關(guān)系淺析[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2010(S1)：125-126.

[3]周少東，林文書，王紅喜，等.高性能同步注漿材料專用外加劑的研制[J].隧道建設(shè)，2014(3)：205-211.

[4]楊秀竹，王星華，雷金山.正交法在注漿材料優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].探礦工程(巖土鉆掘工程)，2004(3)：7-9.

[5]王元，方開泰.關(guān)于均勻分布與試驗(yàn)設(shè)計(jì)(數(shù)論方法)[J].科學(xué)通報(bào)，1981(2)：65-70.

[6]周梅，周鋼，朱涵，等.基于均勻試驗(yàn)設(shè)計(jì)的自密實(shí)混凝土性能研究[J].硅酸鹽通報(bào)，2008(2)：285-291.

[7]胡小勇，劉浪，李廣輝，等.基于均勻試驗(yàn)的礦山充填料漿配比優(yōu)化研究[J].礦業(yè)研究與開發(fā)，2015(3)：7-12.

[8]孫彩霞，劉濤，萬瑩瑩.降低水泥凈漿流動(dòng)度經(jīng)時(shí)損失方法的研究[C]∥公路交通與建設(shè)論壇論文集，2003.

[9]張士剛.基于Matlab語言的多目標(biāo)優(yōu)化抗裂混凝土配合比設(shè)計(jì)研究[D].長沙：中南大學(xué)，2012.

[10] 賀雄飛，王光輝.單液活性同步注漿漿液的配合比試驗(yàn)[J].隧道建設(shè)，2010(1)：9-14，23.