異形盾構(gòu)同步注漿運(yùn)動(dòng)模式SPH模擬及試驗(yàn)驗(yàn)證

李培楠， 丁文其， 黃德中， 李 剛

(1.同濟(jì)大學(xué) 土木工程學(xué)院，上海 200092；2.上海隧道工程有限公司，上海 200232)

同步注漿作為環(huán)境保護(hù)和隧道穩(wěn)定性控制方面的技術(shù)措施在盾構(gòu)施工過(guò)程中顯得極為重要，針對(duì)漿液及地層特性合理確定注漿參數(shù)是保證注漿效果的前提，而注漿參數(shù)的確定依賴(lài)于注漿理論模型的正確指導(dǎo)[1].目前多數(shù)注漿擴(kuò)散模型的建立并不完備，注漿填充機(jī)理的理解不夠充分，基于傳統(tǒng)理論方法建立的圓環(huán)形空隙內(nèi)的注漿擴(kuò)散模型含有過(guò)多簡(jiǎn)化和假設(shè)[2-3]，其難以精細(xì)化地描述注漿體在異形空隙中的運(yùn)動(dòng)充填特性和壓力分布模式.有限元等數(shù)值技術(shù)利用等代層概念執(zhí)行靜力學(xué)(準(zhǔn)動(dòng)力學(xué))分析，忽略了注漿過(guò)程動(dòng)態(tài)效應(yīng)和成環(huán)效果之間的聯(lián)系，其結(jié)果很難正確指導(dǎo)注漿參數(shù)的確定[4].

在具有特殊斷面形式的異形盾構(gòu)施工中，同步注漿細(xì)觀運(yùn)動(dòng)機(jī)制的研究尤為重要[5].本文以類(lèi)矩形盾構(gòu)施工中同步注漿過(guò)程為研究對(duì)象，引入光滑粒子流體動(dòng)力學(xué)(smoothed particle hydrohynamics,SPH)對(duì)具有自由面流動(dòng)與任意復(fù)雜幾何形狀物體間的相互作用進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，精細(xì)化地描述漿液的運(yùn)動(dòng)特征和填充機(jī)理.同時(shí)結(jié)合可視化大型模型試驗(yàn)，采用有機(jī)玻璃材料和拍攝儀器再現(xiàn)漿液在異形空間中的實(shí)時(shí)流淌過(guò)程并驗(yàn)證數(shù)值模擬的正確性.研究成果可為異形盾構(gòu)同步注漿擴(kuò)散過(guò)程提供必要的數(shù)值依據(jù)和試驗(yàn)基礎(chǔ).

1 SPH基本理論與材料本構(gòu)

1.1 SPH方法概述

光滑粒子流體動(dòng)力學(xué)(SPH)法的核心實(shí)為一種插值[6].在SPH中每一個(gè)宏觀物理變量(密度、壓力、溫度)f(x)能借助于一組無(wú)序點(diǎn)上的值表示成積分插值計(jì)算得到，包括函數(shù)光滑和粒子近似，其公式為

(1)

式中：f(x)為任意空間變量x的函數(shù)；光滑函數(shù)W(x-xi,h)又被稱(chēng)作插值函數(shù);h為定義光滑函數(shù)W的影響區(qū)域的光滑長(zhǎng)度；m，ρ分別為粒子的質(zhì)量和密度；i為計(jì)算質(zhì)點(diǎn)記號(hào)；N為質(zhì)點(diǎn)總數(shù).

基于流體動(dòng)力學(xué)理論和離散化處理，以下給出SPH格式下的Navier-Stokes控制方程.

質(zhì)量守恒方程為

(2)

動(dòng)量守恒方程為

(3)

能量守恒方程為

(4)

式(3)～(4)中:ν為速度；t為時(shí)間；e為熱能；σ為應(yīng)力張量；P為壓力；μ為動(dòng)力黏滯系數(shù)；ε為動(dòng)剪應(yīng)變率；x為坐標(biāo)軸符號(hào)；α和β代表不同坐標(biāo)方向；i和j代表不同質(zhì)點(diǎn)；其中i為計(jì)算質(zhì)點(diǎn)記號(hào)；j為鄰近質(zhì)點(diǎn)記號(hào).

1.2 注漿體材料特性

通常情況下，盾構(gòu)隧道同步注漿由于其漿液的水灰比在1.2～1.6之間，因此在理論分析中?；贐ingham流體模型對(duì)漿液填充過(guò)程進(jìn)行描述[2-3].即當(dāng)泥漿進(jìn)入流動(dòng)狀態(tài)時(shí)，其剪應(yīng)變率與剪應(yīng)力之間呈非線性關(guān)系.由于Bingham模型具有剪切屈服強(qiáng)度的定義，本文基于等效牛頓黏度系數(shù)的概念[7]，采用該模型描述注漿體的流動(dòng)，表達(dá)式如下：

(5)

(6)

式中:η′為等效黏度系數(shù).引入經(jīng)典的摩爾-庫(kù)倫(M-C)破壞準(zhǔn)則τy=σntanφ+c(其中σn為正應(yīng)力；φ為內(nèi)摩擦角；c為黏聚力).則，式(6)可寫(xiě)作為

(7)

結(jié)合M-C破壞準(zhǔn)則的Bingham流體模型便可以應(yīng)用于同步注漿漿液流動(dòng)分析.

2 SPH數(shù)值模擬方案與模型

2.1 SPH適應(yīng)性改進(jìn)及實(shí)現(xiàn)路徑

對(duì)異型空隙中的同步注漿過(guò)程進(jìn)行SPH動(dòng)態(tài)模擬還需考慮固壁邊界的處理，特別是當(dāng)該數(shù)值仿真工作的計(jì)算區(qū)域呈現(xiàn)相對(duì)較薄的條帶狀/環(huán)狀分布形態(tài)時(shí)，由于在邊界上或鄰近邊界處的粒子存在缺陷，在積分的時(shí)候會(huì)被邊界截?cái)啵识鳶PH方法不能完全適用于整個(gè)區(qū)域.本文采用兩種類(lèi)型的虛粒子來(lái)處理固定邊界條件，即在固定邊界上(型號(hào)Ⅰ的虛粒子)和邊界外的一定領(lǐng)域內(nèi)(型號(hào)Ⅱ的虛粒子)分別布置兩層(或多層)的虛粒子[6].

另外，考慮到本文方法在一個(gè)數(shù)值模型中同時(shí)引入SPH粒子和FEM有限單元，而SPH與FEM耦合關(guān)鍵為最靠近有限元網(wǎng)格的一排SPH粒子如何順利地將應(yīng)力、應(yīng)變等信息傳遞給FEM.比較有效的方法是將邊界處SPH粒子固結(jié)與有限元網(wǎng)格粘結(jié)在一起，通過(guò)接觸設(shè)置，被粘結(jié)的粒子將會(huì)將從其他粒子傳遞過(guò)來(lái)的運(yùn)動(dòng)方程等信息傳遞給有限元網(wǎng)格，以點(diǎn)-面膠結(jié)方式保證兩者間的位移協(xié)調(diào).

本次SPH模擬利用Ls-Dyna軟件中的SPH引擎進(jìn)行流體動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算.異型空間中的固壁邊界缺陷與流固耦合接觸的處理可通過(guò)Fortran語(yǔ)言二次開(kāi)發(fā)來(lái)實(shí)現(xiàn)，流變參數(shù)和受力模式以自定義的方式接入程序.仿真實(shí)現(xiàn)流程如圖1所示.

圖1 SPH適應(yīng)性改進(jìn)和分析流程圖Fig.1 Flow chart of SPH adaptive improvement and analysis

2.2 數(shù)值模型與邊界條件

本文數(shù)值模型對(duì)象依據(jù)寧波市軌道交通3號(hào)線一期工程出入段線類(lèi)矩形盾構(gòu)法隧道工程結(jié)構(gòu)斷面形式進(jìn)行建模.區(qū)間推進(jìn)的類(lèi)矩形土壓平衡盾構(gòu)機(jī)外徑為11.83 m×7.27 m，隧道的結(jié)構(gòu)采用4段圓弧的類(lèi)矩形截面，其長(zhǎng)寬比為1.66，襯砌環(huán)共分為11塊，隧道的管片外徑為11.50 m×6.94 m.

數(shù)值計(jì)算幾何模型采用1:1全尺寸建模，同步注漿填充環(huán)狀腔體范圍分別由盾尾邊界、地層界面、管片外表面及尾部人工邊界封閉構(gòu)成.注漿材料為SPH粒子，注漿影響層和襯砌管片為FEM單元.注漿孔位布設(shè)參照標(biāo)準(zhǔn)管路設(shè)計(jì)建模，并對(duì)孔位排布順時(shí)針編號(hào)(1～8)，如圖2所示.在SPH模擬過(guò)程中，盾構(gòu)機(jī)前進(jìn)(盾尾邊界移動(dòng))速度設(shè)置為類(lèi)矩形盾構(gòu)施工中的平均推進(jìn)速度：3 cm·min-1.

圖2 同步注漿SPH數(shù)值模型Fig.2 Numerical model of synchronous grouting for SPH

盾構(gòu)同步注漿盾尾間隙腔體外的應(yīng)力邊界條件為埋深環(huán)境下(8～15 m)的水土壓力，其中水土壓力自上到下取為0.15～0.27 MPa，如圖3所示.同步注漿工藝的模擬主要通過(guò)動(dòng)態(tài)生成并發(fā)射粒子實(shí)現(xiàn)，水土壓力施加到注漿影響層外邊界，粒子數(shù)最多達(dá)到100 000，粒子初始網(wǎng)格間距一般約10 mm.

2.3 注漿物理及工況參數(shù)設(shè)置

借助同濟(jì)大學(xué)巖土實(shí)驗(yàn)室的美國(guó)博力飛可編程控制式旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)流變儀，其可測(cè)量各種牛頓/非牛頓流體的流變特性，試驗(yàn)流變曲線如圖4所示.

漿液材料物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1.注漿施工參數(shù)則根據(jù)既有經(jīng)驗(yàn)和研究總結(jié)，見(jiàn)表2.

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

在同步注漿SPH數(shù)值模擬中，本研究盡可能貼合實(shí)際地再現(xiàn)施工工況中的注漿情況，其中還包括注漿起始過(guò)程和狀態(tài)的模擬.首先采用一部分粒子填充盾尾環(huán)狀腔體空間，并保持一定的壓力水平，類(lèi)似于盾構(gòu)進(jìn)洞在加固區(qū)中先注滿(mǎn)漿液的過(guò)程.然后再借助加了示蹤劑的漿液顆粒對(duì)象進(jìn)行正常注漿運(yùn)動(dòng)模擬，這些不同顏色的無(wú)網(wǎng)格粒子可以用來(lái)對(duì)同步注漿中漿液顆粒的細(xì)觀運(yùn)動(dòng)機(jī)制和規(guī)律進(jìn)行精細(xì)化描述，具體的計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1和表2.

圖3 類(lèi)矩形盾構(gòu)隧道受力分析圖

Fig.3Stressanalysissketchofquasi-rectangularshieldsection

圖4 矩形漿流變?cè)囼?yàn)和成果曲線圖Fig.4 Rheological tests and results curves of rectangular grout

表2 對(duì)應(yīng)SPH模擬中的注漿施工工況參數(shù)Tab.2 Grouting construction parameters for SPH simulation

3.1 同步注漿(漿液顆粒)整環(huán)填充規(guī)律

基于SPH方法計(jì)算得到的不同時(shí)段處盾尾同步注漿整環(huán)填充規(guī)律，如圖5所示(為了可視化效果，僅給出新注入漿液不同時(shí)刻處的形態(tài)特征).

圖5 盾尾整環(huán)注漿動(dòng)態(tài)填充規(guī)律

Fig.5Groutingdynamicfillinglawoftheshieldtailwholeloop

從圖5中可以看出，漿液注入盾尾間隙是一個(gè)空間動(dòng)態(tài)填充過(guò)程，由于注漿管路平行于隧道軸線方向，漿液顆粒從管路發(fā)射進(jìn)腔體先是沿隧道縱向注入，但考慮到盾尾建筑空隙內(nèi)部已填滿(mǎn)了之前注入并保有一定壓力的半流塑半凝固既有漿液層，其會(huì)給新注入漿液帶來(lái)一定阻力，該阻力會(huì)造成漿液顆粒在離開(kāi)出漿口一定距離后逐步轉(zhuǎn)為具有環(huán)向趨勢(shì)的流動(dòng)，因此初始階段各孔位所注入的漿液在出漿口附近的分布形態(tài)主要呈扇形面擴(kuò)散模式為主.某時(shí)刻處漿液擴(kuò)散面積和流動(dòng)速率需要根據(jù)注漿參數(shù)及周?chē)h(huán)境壓力來(lái)定，由于盾尾底部的水土環(huán)境壓力比頂部壓力大，且相應(yīng)底部的漿液注入比也較頂部少，所以同一時(shí)段內(nèi)頂部注漿擴(kuò)散面積更大，即底部注漿更加容易淤積在注漿孔位附近.

隨注漿模擬進(jìn)一步開(kāi)展，漿液由壓力大的地方往壓力小的地方流淌，整體來(lái)看其填充規(guī)律以沿盾尾環(huán)向運(yùn)動(dòng)為主，受重力作用影響，盾尾肩頂部注漿孔噴出的漿液顆粒隨時(shí)間增加有明顯的下滑趨勢(shì)；底部由于壓力較大，漿液在環(huán)境阻力下未能較快向周邊擴(kuò)散；而在拱腰處注入的一部分漿液顆粒隨拱肩處因重力作用下來(lái)的漿液一起進(jìn)一步往下流淌，另一部分則因底部較大的卸荷壓力而往上涌.

盾尾頂部至腰部孔位處新注入的漿液在300 s時(shí)段處已開(kāi)始接觸，500 s時(shí)段處就已填充飽滿(mǎn)；而此時(shí)盾尾底部卻有較大面積沒(méi)有得到新注漿液填充，直到800 s時(shí)段處盾尾底部的漿液才有閉合的趨勢(shì).考慮模擬過(guò)程中無(wú)網(wǎng)格粒子容易產(chǎn)生隨機(jī)波動(dòng)性，漿液擴(kuò)散模式并非完全對(duì)稱(chēng)，由此會(huì)導(dǎo)致漿液整體形態(tài)會(huì)產(chǎn)生微量的順時(shí)針扭轉(zhuǎn)變形，并造成左上方的漿液層和右下方漿液層的厚度偏大.

3.2 同步注漿(漿液顆粒)局部擴(kuò)散模式

(1) 頂面橫斷面視圖

借助局部視角對(duì)注漿模擬結(jié)果進(jìn)行觀測(cè)可以更加精細(xì)化地展示漿液從注漿孔射出后運(yùn)動(dòng)特征和擴(kuò)散模式的細(xì)節(jié)，基于SPH方法計(jì)算得到的不同時(shí)段處盾尾頂部同步注漿擴(kuò)散模式如圖6所示，即1、8號(hào)孔位和2、7號(hào)孔位部分的注漿填充過(guò)程.

圖6 盾尾頂部注漿動(dòng)態(tài)擴(kuò)散模式

Fig.6Groutingdynamicdiffusionmodelatthetopofshieldtail

由于盾尾頂部的周?chē)翂毫^小，且該部位至盾尾拱肩處注漿填充率比盾尾底部至腰部的大，因此在300 s時(shí)段處頂部中間兩孔的新注漿液就開(kāi)始接觸，而到了500～800 s時(shí)段處，頂部新注漿液已經(jīng)相互充分融合，新注漿層橫向分布較為均勻.圖6中兩邊拱肩孔位所新注漿液在500 s時(shí)段處也和頂部漿液相互接觸，800 s時(shí)段處則充分閉合.從中可以看出漿液是呈橢圓弧狀擴(kuò)散的動(dòng)態(tài)注漿過(guò)程，該橢圓弧的長(zhǎng)軸和短軸任意時(shí)刻的長(zhǎng)度除了受周邊的環(huán)境壓力影響，也跟注漿參數(shù)的選取有關(guān).

(2) 側(cè)部視角

不同時(shí)段處盾尾側(cè)面同步注漿局部擴(kuò)散模式，即2、3和4號(hào)孔位(盾尾右側(cè)3個(gè)孔位，從上到下三種顏色表示)注漿填充過(guò)程，如圖7所示.

圖7 盾尾側(cè)面注漿動(dòng)態(tài)擴(kuò)散模式

Fig.7Groutingdynamicdiffusionmodelatthesideofshieldtail

盾尾新注入的漿液剛開(kāi)始都有各自相對(duì)獨(dú)立的充填區(qū)域，其總是分布在注漿孔附近區(qū)域，即單位時(shí)間內(nèi)新形成的盾尾空隙不是完全由新注入的漿液來(lái)充填(圖7中右側(cè)虛線圓圈).盾尾當(dāng)前環(huán)的注漿初始階段(100～200 s時(shí)段內(nèi))，在注漿孔一定距離外，新注入漿液尚未到達(dá)此處空間時(shí)，建筑空隙基本上依靠盾尾后方0～2環(huán)范圍內(nèi)尚未完全凝固的流塑狀已注漿液進(jìn)行擠壓填充，其動(dòng)力主要來(lái)自于隧道周?chē)乃翂毫?、新注漿液逐漸傳遞來(lái)的擠壓力和摩擦力，甚至盾構(gòu)推進(jìn)后造成的真空吸力.已注漿液填充新空隙后所損失的這部分壓力和流量可由新注漿液通過(guò)逐層擠壓來(lái)補(bǔ)充.

注漿模擬初始階段2號(hào)和3號(hào)孔位的新注入漿液由于受到重力作用，是以非對(duì)稱(chēng)扇形方式擴(kuò)展.在133 s時(shí)段處，2、3號(hào)孔位的新注入漿液面開(kāi)始接觸.隨注漿模擬繼續(xù)進(jìn)行，在200 s時(shí)段處2號(hào)孔位注入的漿液擴(kuò)散堆積在3號(hào)孔位注入的漿液擴(kuò)散面前方，盾尾側(cè)面注入的漿液易受重力影響夾裹住其他孔位的漿液一起旋轉(zhuǎn)著向前運(yùn)動(dòng)，在模擬進(jìn)行到300～400 s時(shí)段處，3號(hào)孔位新注入的部分(下側(cè))漿液在重力作用下向底部流動(dòng)，而靠近拱腰壁面處的部分(上側(cè))漿液在底部較大的卸荷壓力作用下會(huì)往上流淌，即此處產(chǎn)生了一個(gè)細(xì)微上浮通道(圖7中左側(cè)虛線圓圈)，其中漿液顆粒上涌高度取決于重力作用和卸荷壓力的平衡位置.

(3) 底部視角

不同時(shí)段處底部注漿擴(kuò)散模式如圖8所示，即4、5號(hào)孔位和3、6號(hào)孔位部分的注漿填充過(guò)程.

圖8 盾尾底部注漿動(dòng)態(tài)擴(kuò)散模式

Fig.8Groutingdynamicdiffusionmodelatthebottomofshieldtail

從圖8中可以看出，4、5號(hào)孔位所新注入的漿液在100～800 s時(shí)段內(nèi)幾乎都在出漿孔附近淤積.隨時(shí)間的推移，在300 s和500 s時(shí)段處，這兩個(gè)孔位所注漿液靠外側(cè)部分會(huì)在底部較大卸荷壓力作用下往外側(cè)(向上)移動(dòng)，同時(shí)也帶動(dòng)4、5號(hào)孔位所注漿液一部分顆粒向外運(yùn)移.在800 s時(shí)段處，底部漿液可認(rèn)為靠外側(cè)部分基本融合，而完全封閉仍需時(shí)間.盾尾底部在新注入漿液量較少，且由于大阻力不易流動(dòng)擴(kuò)散的情況下，其空隙中間腔體更多是靠之前已經(jīng)注入的既有漿液來(lái)彌補(bǔ).另一方面，在管片脫出盾尾的一瞬間，底部較大的水土壓力會(huì)在非常短的時(shí)間內(nèi)使得周?chē)馏w快速地釋放能量以及變形增加，因此盾尾底部空隙相較于其上部會(huì)更加狹小，這也是從整體擴(kuò)散規(guī)律中可看出底部存留漿液要比上部稀薄的原因所在，如圖5所示.

4 可視化大型模型試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用上海盾構(gòu)試驗(yàn)中心下沉式盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)綜合模擬試驗(yàn)平臺(tái)，該平臺(tái)主要包括多功能模擬盾構(gòu)機(jī)、組合式液壓加載系統(tǒng)、監(jiān)控測(cè)量系統(tǒng)、盾構(gòu)推進(jìn)導(dǎo)向系統(tǒng)、盾構(gòu)進(jìn)出洞門(mén)和洞門(mén)密封系統(tǒng)、吊裝和運(yùn)輸系統(tǒng)、土建結(jié)構(gòu)等部分.模擬土體掘進(jìn)區(qū)域凈空尺寸為：長(zhǎng)度10 m、寬度7 m、深度8.5 m，在尺寸上充分考慮了邊界效應(yīng)的影響，試驗(yàn)更符合工程實(shí)際.最大土壓力可模擬0.6 MPa.試驗(yàn)基坑由3部分組成，分別模擬盾構(gòu)隧道進(jìn)、出洞及區(qū)間段.坑內(nèi)最大覆土深度5 m，如圖9和圖10所示.

圖9 試驗(yàn)平臺(tái)示意圖Fig.9 Sketch map of test equipment

圖10 試驗(yàn)推進(jìn)現(xiàn)場(chǎng)圖Fig.10 Field picture of test propulsion

試驗(yàn)土體采用分層裝載方式，每層厚約0.5 m，每層應(yīng)壓實(shí)一遍，總體采用長(zhǎng)臂挖機(jī)夯擊，局部人工處理.可視化大型模型試驗(yàn)對(duì)象采用寧波軌道交通3號(hào)線類(lèi)矩形盾構(gòu)試驗(yàn)段等比例縮尺模型，模擬管片直徑為1.8 m×1.1 m，接收井的端部固定在洞門(mén)上.外套筒套在模擬管片外，尺寸為1.9 m×1.2 m，套筒尾部設(shè)置注漿孔，見(jiàn)圖11a所示.通過(guò)始發(fā)井處回拉外套筒，尾部自接收井處開(kāi)始逐漸形成盾尾間隙，同時(shí)注漿孔注漿.模擬盾構(gòu)內(nèi)管采用5節(jié)1.8 m×1.1 m×2 m的鋼管節(jié)，1節(jié)1.8 m×1.1 m×1.5 m的有機(jī)玻璃管節(jié)作為模擬管片，見(jiàn)圖11b所示.本次可視化大型模型試驗(yàn)的土體材料為寧波原狀土，漿液配合比材料、盾構(gòu)機(jī)和管節(jié)形狀、注漿泵及管路尺寸和布置方式、覆土環(huán)境都與實(shí)際工程一致.

a 鋼制外套筒

b 鋼骨架及有機(jī)玻璃管片

試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭械淖{孔位安放方式與實(shí)際工程中盾構(gòu)機(jī)的注漿孔位相匹配，對(duì)應(yīng)數(shù)值模擬中的1～8號(hào)孔位(圖11中多出的管路布置是為了漿液堵管時(shí)備用).試驗(yàn)?zāi)Ｐ团c盾構(gòu)機(jī)注漿孔通徑同為0.4 m.本次試驗(yàn)通過(guò)拍攝儀器記錄同步注漿漿液(顆粒)的流動(dòng)情況，具體采用4臺(tái)高像素單反相機(jī)作為拍攝儀器，分別架設(shè)在有機(jī)玻璃管節(jié)的上部和下部，對(duì)管節(jié)4個(gè)位置的注漿填充規(guī)律和擴(kuò)散模式進(jìn)行全面記錄，并以此來(lái)分析漿液的細(xì)觀運(yùn)動(dòng)機(jī)制.

4.2 注漿流場(chǎng)運(yùn)動(dòng)特征

為了得到更好的漿液整體填充規(guī)律和局部擴(kuò)散模式，結(jié)合示蹤劑的幫助來(lái)改善注漿過(guò)程中漿液的實(shí)時(shí)定位觀測(cè)效果，即針對(duì)不同注漿孔位中注入的漿液分別摻入不同顏色的染色劑，如圖12所示(側(cè)部視角).從圖中可看到當(dāng)盾尾刷經(jīng)過(guò)后，盾尾間隙內(nèi)及時(shí)注入紅色(下部)和黃色(上部)漿液，漿液的充填過(guò)程是從注漿孔位附近逐漸向兩側(cè)平滑地圓弧狀擴(kuò)散，每個(gè)注漿孔注入的漿液都有各自相對(duì)獨(dú)立的充填區(qū)域，即單位時(shí)間內(nèi)新形成的盾尾空隙不是完全由新注入的漿液來(lái)充填，剛開(kāi)始注入的漿液總是分布在注漿孔附近的區(qū)域.

隨著試驗(yàn)盾構(gòu)機(jī)向前推進(jìn)，同步注漿漿液不斷向空隙內(nèi)充填，試驗(yàn)注漿工況可參考已有研究[8].由于埋深導(dǎo)致土壓力分布有差異，漿液會(huì)從壓力大的地方往壓力小的地方流淌，盾尾處的拱頂和拱底部位主要呈扇狀擴(kuò)散形態(tài)，拱頂上部由于壓力小，扇形面積更大，且邊緣部位會(huì)向兩側(cè)移動(dòng)；底部漿液擴(kuò)散速率較慢，在重力作用下部分漿液會(huì)緩慢向拱底中間流淌；而盾尾側(cè)面部位漿液則具有較復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)特征，在初始類(lèi)扇形擴(kuò)散以后，拱腰處部分靠盾尾壁面處的漿液顆粒受卸荷壓力差驅(qū)動(dòng)先向上運(yùn)動(dòng)，壓力重分布后再與拱肩處漿液逐漸混合并呈回旋狀往下運(yùn)動(dòng)，見(jiàn)圖12中箭頭和虛線所示.

圖12 盾尾側(cè)面注漿流場(chǎng)特征

Fig.12Groutingflowfieldcharacteristicsinthesideofshieldtail

4.3 漿液凝固形態(tài)

凝固后的漿液斷面形態(tài)特征能被用來(lái)反映注漿擴(kuò)散規(guī)律，通過(guò)對(duì)漿液層考古測(cè)量，可以繪制凝固后的漿液橫斷面填充幾何形態(tài)，如圖13所示.

a 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)拍照片b CAD(計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì))輪廓圖

圖13凝固后的漿液橫斷面填充幾何形態(tài)特征圖

Fig.13Geometriccharacteristicsofcoagulatedgroutcross-section

根據(jù)所得數(shù)據(jù)及繪制的圖像可知，在注漿管路通暢區(qū)段，漿液能夠較好地填充盾尾間隙.從整個(gè)漿液凝固后的形態(tài)可以發(fā)現(xiàn)，肩頂部的漿液厚度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于底部漿液的厚度，排除因重力作用引起管片下沉的影響，更多是由于底部水土壓力過(guò)大而造成的注漿困難.而對(duì)于左上頂部及側(cè)面漿液凝固層厚度略大于右上頂部及側(cè)面漿液凝固層厚度的現(xiàn)象，則是由于注漿管局部堵管所造成.基于上述兩種原因，漿液在被壓密后由于其不對(duì)稱(chēng)分布的形態(tài)使得管片產(chǎn)生順時(shí)針扭轉(zhuǎn)變形，就造成了右下方漿液凝固層厚度大于左下方漿液凝固層厚度，同時(shí)考慮在試驗(yàn)過(guò)程中抽拉外側(cè)管片而造成的內(nèi)側(cè)管片受力不均，也可能使?jié){液填充整體發(fā)生一定的偏轉(zhuǎn).

5 數(shù)值模擬與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比驗(yàn)證

同步注漿漿液顆粒細(xì)觀運(yùn)動(dòng)機(jī)制的SPH模擬結(jié)果和可視化大型模型試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如圖14所示.由SPH數(shù)值計(jì)算所得到的漿液顆粒在盾尾拱頂部、拱肩部、拱腰部及拱底部任意時(shí)刻的整體填充規(guī)律與局部擴(kuò)散模式和模型試驗(yàn)結(jié)果基本相同.

基于SPH方法的漿液顆粒運(yùn)動(dòng)規(guī)律數(shù)值模擬細(xì)節(jié)在于：拱頂處因壓力較小使得漿液擴(kuò)散面較為均勻；拱肩處漿液在重力作用下下滑趨勢(shì)明顯，與拱腰處部分因底部較大卸荷壓力造成的上涌漿液顆粒混合而呈漩渦狀復(fù)合擴(kuò)散形態(tài)，同樣原因也造成底部出漿口處漿液擠壓淤積嚴(yán)重.這與模型試驗(yàn)中肩頂部位注入擴(kuò)散形態(tài)較好，拱腰靠側(cè)壁處有漿液受力上浮通道，以及底部漿液擠壓效果顯著等特征非常吻合.而同時(shí)漿液凝固后的形態(tài)對(duì)比顯示數(shù)值模擬與試驗(yàn)結(jié)果也較為接近，由此可認(rèn)為本文采用SPH方法描述的注漿精細(xì)化運(yùn)動(dòng)規(guī)律和擴(kuò)散機(jī)制是正確的，漿液顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡細(xì)節(jié)如圖15所示.

圖14 數(shù)值模擬和試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析Fig.14 Comparative analysis between numerical simulation and test results

6 討論與結(jié)論

盾構(gòu)隧道同步注漿填充機(jī)理以及壓力分布與傳播規(guī)律的準(zhǔn)確把握需要建立在對(duì)注入漿液(顆粒)細(xì)觀運(yùn)動(dòng)機(jī)制充分理解和認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上.實(shí)際施工中同步注漿注入建筑空隙的漿液(顆粒)并非完美匹配諸多研究中的理論假設(shè)，其存在較多復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)軌跡，尤其在含非常規(guī)異形斷面結(jié)構(gòu)的盾構(gòu)工程中更加明顯.傳統(tǒng)盾構(gòu)施工中的注漿研究更多的是通過(guò)漿液配比試驗(yàn)是否達(dá)到了需要的指標(biāo)來(lái)衡量結(jié)果的好壞[9]，對(duì)于漿液本身在受力極為復(fù)雜的環(huán)狀空隙內(nèi)的細(xì)觀流動(dòng)機(jī)制及其對(duì)應(yīng)的填充擴(kuò)散模式則關(guān)注較少，而這恰恰是諸多工程在面臨上浮問(wèn)題、沉降問(wèn)題時(shí)束手無(wú)策根本原因.因此，可以通過(guò)更多地關(guān)注漿液細(xì)觀運(yùn)動(dòng)規(guī)律以及凝固后的分布形態(tài)來(lái)探討合適的注漿管位布置，上下注漿比例，甚至各個(gè)孔位不同的材料配比和加注方式等.

本文基于SPH方法分析類(lèi)矩形盾構(gòu)同步注漿整體填充規(guī)律及局部擴(kuò)散模式，結(jié)合可視化大型模型試驗(yàn)結(jié)果對(duì)數(shù)值模擬進(jìn)行驗(yàn)證，精細(xì)化地再現(xiàn)了漿液在異形空間中的細(xì)觀運(yùn)動(dòng)機(jī)制，結(jié)論如下：

(1) 通過(guò)整環(huán)注漿模擬可以看出，漿液擴(kuò)散模式具有縱環(huán)向相互關(guān)聯(lián)的擠壓填充性流動(dòng)特征.考慮到類(lèi)矩形盾構(gòu)盾尾上下具有水平構(gòu)造的特征，其盾尾間隙中的漿液流動(dòng)性相比圓形盾構(gòu)更低，特別是由于盾尾底部周?chē)翂毫Υ蟮脑蛑率乖撎幾{得填充擴(kuò)散效率較差，呈現(xiàn)擠壓堆積形態(tài).

(2) 盾尾頂部和側(cè)面相對(duì)較好的外部水土壓力環(huán)境，使得該處漿液在盾尾間隙中能夠快速充填，其擴(kuò)散面較為均勻.而拱腰靠近管壁處受盾尾底部上下卸荷壓力差的作用有局部漿液上升通道，漿液顆粒受力上升趨勢(shì)明顯，其在拱肩部位壓力重分布后與新注入漿液混合，再呈漩渦狀往下流淌.

(3) 盾尾頂?shù)撞坑捎谄渌綐?gòu)造使得此處漿液縱向擴(kuò)散距離較大，而盾尾側(cè)面的漿液受重力影響其環(huán)向流淌趨勢(shì)更加明顯，如此對(duì)于注漿壓力擴(kuò)散的推導(dǎo)則需考慮建立不同的模式來(lái)進(jìn)行分析.

(4) 由數(shù)值模擬得到的盾尾拱頂部、拱肩處、拱腰處及拱底部任意時(shí)刻漿液的整體填充規(guī)律與局部擴(kuò)散模式與模型試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比非常吻合，說(shuō)明本文給出的同步注漿擴(kuò)散模式是合理且正確的.