新型水下聚凝充填材料模擬填筑試驗(yàn)研究*

林 珊，阮艷妹，羅 旭，梅 源

(1.廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，廣東 廣州 510010；2.西安建筑科技大學(xué)土木工程學(xué)院，陜西 西安 710055；3.陜西省巖土與地下空間工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710055)

0 引言

我國(guó)灰?guī)r分布面積較廣，這些巖溶地層被次生的風(fēng)化或殘積物所填充、覆蓋，深埋于地下，給各種巖土地下工程帶來(lái)不可預(yù)見(jiàn)的風(fēng)險(xiǎn)，直接影響工程質(zhì)量和施工安全[1-3]。地下溶洞不僅會(huì)影響建筑物的穩(wěn)定性，還會(huì)引起建筑基礎(chǔ)沉降，在工程中危害極大，溶洞問(wèn)題已引起國(guó)內(nèi)外大量研究學(xué)者和從業(yè)人員的重視[4-6]。隧道盾構(gòu)施工中，隧道開(kāi)挖產(chǎn)生大量土體，與泥水混合形成泥漿，通過(guò)排漿泵或管道輸送至地面進(jìn)一步處理，泥水盾構(gòu)出漿量一般為隧道挖土體積的2～3倍，伴隨著隧道盾構(gòu)施工產(chǎn)生大量廢棄泥漿。由于城市儲(chǔ)存場(chǎng)地有限、人員密度大，若處置不當(dāng)，會(huì)造成環(huán)境污染、侵占土地等問(wèn)題，甚至對(duì)整個(gè)城市的正常運(yùn)行產(chǎn)生巨大影響。目前處理廢棄泥漿的方法有直接排放法[7]、焚燒法[8]、化學(xué)固化法[9]、機(jī)械處理法[10]和化學(xué)絮凝沉淀法?；瘜W(xué)固化處理法直接在泥漿中加入固化劑，可改善泥漿性質(zhì)，利于廢棄泥漿的資源化利用。

董邑寧等[11]研究發(fā)現(xiàn)固化后土樣無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與固化劑種類(lèi)、齡期、摻入比密切相關(guān)；楊?lèi)?ài)武等[12]研究表明用石灰作為主要固化劑，水泥、石膏作為外加劑來(lái)固化軟土，可明顯提高其無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度。Sowers George[13]詳細(xì)介紹了巖溶地區(qū)建設(shè)與施工相關(guān)問(wèn)題及注意事項(xiàng)。任新紅[14]以南廣鐵路巖溶路段為工程背景，現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行電阻率法注漿試驗(yàn)效果檢測(cè)，并討論注漿前后不同巖溶地質(zhì)概化模型檢測(cè)效果和地下水變化產(chǎn)生的影響。雷金山[15]就廣州地鐵沿線巖溶隧道出現(xiàn)的不同狀況，分析巖溶處理的范圍和深度，開(kāi)展新型廉價(jià)注漿材料及配漿工藝試驗(yàn)研究。李雄周等[16]以云南某高速公路隧道巖溶工程為背景，研究TGP、地質(zhì)雷達(dá)和超前地質(zhì)鉆孔等地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)，提出一種改進(jìn)后的綜合溶洞處治方法，對(duì)實(shí)際施工處理起到了指導(dǎo)作用。

本文基于溶洞特點(diǎn)，考慮地下水壓力，設(shè)計(jì)制作半封閉帶壓溶洞模擬箱，進(jìn)行新型水下聚凝充填材料注漿模擬試驗(yàn)，研究其在水下的流動(dòng)性、黏聚性等，評(píng)估新型水下聚凝充填材料巖溶注漿的工程效果。

1 新型水下聚凝充填材料模擬箱設(shè)計(jì)及安裝

設(shè)計(jì)并制作尺寸為1 500mm×800mm×500mm(長(zhǎng)×寬×高)的模擬箱，箱內(nèi)充滿(mǎn)水，以模擬真實(shí)充水溶洞。模擬箱材料采用有機(jī)玻璃，各邊用鋼帶固定，有機(jī)玻璃板接縫處用防水硅酮耐候膠封堵，保證模擬箱內(nèi)密閉不漏水。模擬箱頂板開(kāi)設(shè)3個(gè)直徑為100mm的圓孔，如圖1所示，A，B孔為注漿孔，C孔為排水孔。

搭設(shè)新型水下聚凝充填材料模擬充填試驗(yàn)平臺(tái)，腳手架搭設(shè)高度為5m，充填材料入料平臺(tái)距地面3m，漏斗架設(shè)在平臺(tái)上，四周用鍍鋅鐵絲固定牢固，保證材料澆筑時(shí)模擬箱內(nèi)具有一定水壓力；注漿管通過(guò)頂板的預(yù)留注漿孔直接深入模擬箱底部，距箱底約20cm；排水管距頂板10cm，伸出頂板后通過(guò)轉(zhuǎn)換彎頭將模擬箱內(nèi)的水排入集水桶內(nèi)，安裝完成的溶洞模擬箱如圖2所示。

圖2 溶洞模擬箱

2 新型水下聚凝充填材料模擬試驗(yàn)研究

2.1 新型水下聚凝充填材料配合比

試驗(yàn)根據(jù)水下施工作業(yè)對(duì)水下聚凝充填材料的性能要求及前期課題試驗(yàn)成果，以廢棄盾構(gòu)泥為主，新型水下聚凝充填材料配合比(kg)為：水∶水泥∶ 粉煤灰∶礦粉∶絮凝劑∶盾構(gòu)泥∶減水劑∶早強(qiáng)劑=0.429∶0.286∶0.057∶0.021∶0.014∶1∶0.01∶0.01。

2.2 水下充填模擬試驗(yàn)過(guò)程

試驗(yàn)采用新型水下聚凝充填材料(NWC-FM)，試驗(yàn)前將晾曬完成的盾構(gòu)泥和各類(lèi)外加劑分4份稱(chēng)重待用；試驗(yàn)攪拌機(jī)采用JZM500型滾筒攪拌機(jī)，每盤(pán)出料0.3～0.5m3，可保證充填材料的連續(xù)攪拌供應(yīng)。

1)試驗(yàn)前將注漿管插入A注漿孔，距箱底200mm；排水管固定在模擬箱中，距頂面100mm，以保證與工程現(xiàn)場(chǎng)施工相符。

2)通過(guò)注漿管向模擬箱內(nèi)注入清水，直至排水管內(nèi)部充水后停止，保證模擬箱內(nèi)具有一定水壓力。

3)準(zhǔn)備工作結(jié)束后將預(yù)先攪拌好的NWC-FM材料通過(guò)漏斗灌入注漿管內(nèi)(見(jiàn)圖3)，觀察其在注漿管內(nèi)下降的性狀，同時(shí)注意排水管液面變化，將排水管接入集水桶內(nèi)，便于水順利排出。

圖3 充填材料澆筑

4)觀察NWC-FM材料入水的性狀、在水中的下落過(guò)程、到達(dá)模擬箱底部的形態(tài)、充填材料在模擬箱底部的擴(kuò)散過(guò)程、流動(dòng)性、覆蓋范圍、模擬箱內(nèi)充填材料表面的變化及模擬箱內(nèi)水的變化等。

5)對(duì)注漿管A進(jìn)行灌注，當(dāng)充填材料灌注速率下降時(shí)，換置注漿管B繼續(xù)灌注，并將A注漿管提高10～15cm。

6)重復(fù)上述過(guò)程，直至將模擬箱中的水全部排出，試驗(yàn)過(guò)程中觀察記錄各階段NWC-FM材料的工作性狀。

7)澆筑完成后及時(shí)進(jìn)行表面處理，試件整體包裹棉被進(jìn)行保溫保濕養(yǎng)護(hù)。

2.3 水下充填模擬試驗(yàn)現(xiàn)象

NWC-FM材料模擬澆筑試驗(yàn)分4次連續(xù)澆筑而成。首批NWC-FM材料接觸到水箱底板時(shí)，由于沖擊作用NWC-FM材料會(huì)被水稀釋?zhuān)蚁蛏暇徛穑鸬臐{液緩緩上升、增多，而后灌注的材料少部分被稀釋?zhuān)^大部分則沿底部向四周擴(kuò)散，并產(chǎn)生少量氣泡；NWC-FM材料繼續(xù)增多時(shí)，材料向四周擴(kuò)散速度增加，漿液繼續(xù)觸底后翻起，上升至模擬箱頂部后又向下運(yùn)動(dòng)，最終回落至模擬箱底部，此時(shí)被稀釋的漿液已擴(kuò)散至模擬箱內(nèi)體積的一半，上部和左側(cè)顏色淺，注漿管周?chē)捎贜WC-FM材料堆積顏色較深，堆積材料向外顏色逐漸變淺，且漿液未擴(kuò)散至模擬箱右側(cè)，故箱體右側(cè)仍為清水。

隨著澆筑的進(jìn)行，注漿管處的NWC-FM材料逐漸沉積，當(dāng)沉積量增加到一定程度后，新澆筑的材料在一定壓力下擠壓已沉積的NWC-FM材料，使其向四周均勻運(yùn)動(dòng)，箱底的NWC-FM材料呈現(xiàn)注漿管處多、均勻向四周減少的分布形態(tài)；由于注漿管A位于模擬箱左側(cè)，當(dāng)NWC-FM材料繼續(xù)增加時(shí)，靠近左側(cè)的材料首先碰觸到模擬箱側(cè)壁，在左側(cè)壁處堆積，右側(cè)材料繼續(xù)移動(dòng)，直到接觸到右側(cè)壁時(shí)才開(kāi)始緩慢堆積，且左側(cè)NWC-FM材料增加速度明顯高于右側(cè)。

首次澆筑完成時(shí)，注漿管A左側(cè)NWC-FM材料分布基本相同，右側(cè)隨著距離的增加分布逐漸減少，整體呈左高右低的趨勢(shì)。

雖然初始進(jìn)入模擬箱的NWC-FM材料被稀釋導(dǎo)致整個(gè)模擬箱充滿(mǎn)稀釋后的NWC-FM材料，但這一過(guò)程發(fā)展較慢，隨著持續(xù)澆筑，NWC-FM材料整體性保持較好，形成具有較強(qiáng)流動(dòng)性和黏聚性的水下充填材料在模擬箱內(nèi)移動(dòng)。首次澆筑完成后2min，模擬箱底部的NWC-FM材料表面已出現(xiàn)一層薄薄的白色絮狀析出物，分布較均勻，隨著時(shí)間增加白色析出物逐漸增加、增厚且分層清晰，5min后析出物厚度達(dá)1cm左右，形成一道乳白色隔離層，模擬箱底部明顯分為3層，從上向下依次為被稀釋的NWC-FM溶液、白色析出物隔離層和NWC-FM材料，隔離層有效將水與NWC-FM材料隔離，保持NWC-FM材料的黏聚性和不分散性。

首次澆筑NWC-FM材料時(shí)，攪拌機(jī)繼續(xù)工作，拌合下一批所用材料。

第2次澆筑前NWC-FM材料上方已有厚厚的隔離層(見(jiàn)圖4a)；NWC-FM材料落入時(shí)，首先要穿過(guò)隔離層，使注漿管處隔離層擾動(dòng)上翻，但隔離層仍連續(xù)，未分散；隨著澆筑材料的增加，上層材料逐漸與底層材料同時(shí)推動(dòng)隔離層向四周運(yùn)動(dòng)，隔離層受到連續(xù)強(qiáng)烈擾動(dòng)后緩慢分散；第2次澆筑完成后2min，在NWC-FM材料表面又形成一層薄薄的白色析出物，5min后析出物增多，最終形成新的隔離層；第3,4次澆筑模擬箱內(nèi)情況與第2次基本相同，均為材料先穿過(guò)隔離層，隔離層緩慢分散，NWC-FM材料逐漸向四周移動(dòng)并趨于穩(wěn)定，最終NWC-FM材料表面形成新的隔離層，第4次澆筑至距頂面1cm處停止，模擬試驗(yàn)澆筑結(jié)束(見(jiàn)圖4b)。

圖4 后續(xù)澆筑試驗(yàn)現(xiàn)象

NWC-FM材料形成的隔離層可很好地阻隔下層NWC-FM材料與水接觸，保持材料的不分散性，同時(shí)隔離層的膠凝物質(zhì)分布連續(xù)且具有一定黏性，不易受水流影響，可較好地維系NWC-FM材料的黏聚性和流動(dòng)性，充分發(fā)揮NWC-FM材料的優(yōu)良性能。

3 新型水下聚凝充填材料模擬填筑鉆芯取樣試驗(yàn)研究

3.1 模擬填筑試件鉆芯取樣過(guò)程

為研究NWC-FM材料模擬填筑后材料的強(qiáng)度性能，采用鉆芯取樣法分別在模擬填筑試驗(yàn)后7，14，28d取芯樣，芯樣每組6個(gè)，直徑100mm，長(zhǎng)150～200mm，如圖5所示。

3.2 模擬填筑鉆心取樣試驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果分析

對(duì)NWC-FM材料模擬填筑所取芯樣立即進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程如圖6所示，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

圖6 芯樣抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

表1 芯樣抗壓強(qiáng)度

由圖6可知，試驗(yàn)中7d芯樣裂縫寬度大，芯樣外鼓，成塊狀散落；14，28d芯樣最終破壞形態(tài)近似，均為截面豎向裂縫貫通導(dǎo)致圓柱體被分解，芯樣破壞，喪失承載力，未見(jiàn)散落的塊體。由表1可知，NWC-FM材料模擬填筑試驗(yàn)的芯樣隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間增加，強(qiáng)度逐漸提高，7，14，28d的平均抗壓強(qiáng)度分別為0.54，0.72，0.79MPa，可較好地滿(mǎn)足水下溶洞填筑工程現(xiàn)場(chǎng)的要求。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)NWC-FM材料巖溶注漿模擬試驗(yàn)，研究NWC-FM材料在水下澆筑的流動(dòng)性、黏聚性和不分散性；通過(guò)養(yǎng)護(hù)后的鉆芯取樣測(cè)試NWC-FM材料的強(qiáng)度指標(biāo)，評(píng)估NWC-FM材料巖溶注漿效果，主要得到以下結(jié)論。

1)初始進(jìn)入模擬箱的NWC-FM材料會(huì)被水稀釋?zhuān)^(guò)程緩慢，材料整體性保持較好，具有較強(qiáng)流動(dòng)性和黏聚性，在水下可向任意方向流動(dòng)。

2)NWC-FM材料每次澆筑完成后，由于外加劑作用表面會(huì)迅速形成一層白色絮狀析出膠凝物，分布較均勻，隨著時(shí)間的增加白色析出物逐漸增厚，且分層清晰，最終形成一道2～3cm隔離層。

3)隔離層的膠凝物質(zhì)分布連續(xù)且具有一定黏性，受水流的影響較小，可有效阻隔水與NWC-FM材料的接觸，保持NWC-FM材料的不分散性、黏聚性和流動(dòng)性，確保NWC-FM材料水下澆筑表層平整，防止材料流失，從而使NWC-FM材料具有很好的水下使用性能，滿(mǎn)足水下充填的要求。

4)養(yǎng)護(hù)后鉆芯取樣的芯樣加載初期變形較小，荷載增大后芯樣出現(xiàn)豎向裂縫，最終不同截面的豎向裂縫貫通導(dǎo)致芯樣被分解，喪失承載力。

5)NWC-FM材料模擬填筑試驗(yàn)的芯樣隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加強(qiáng)度逐漸提高，7，14，28d的平均抗壓強(qiáng)度分別為0.54，0.72，0.79MPa，可滿(mǎn)足水下溶洞填筑工程現(xiàn)場(chǎng)的要求。