基于響應(yīng)面法的泥水盾構(gòu)同步注漿材料性能

耿大新， 胡宇琛， 廖煜祺， 蔣亞龍

(華東交通大學(xué)土木建筑學(xué)院， 南昌 330013)

穿江泥水盾構(gòu)隧道掘進(jìn)過程中，時(shí)常會(huì)遇到高滲透、高水壓或分布有裂隙破碎帶的富水地層[1]。在此特殊地層環(huán)境下，普通水泥基注漿材料抗水分散性弱、早期強(qiáng)度不高，受涌水、地層暗流的沖刷侵蝕，極易導(dǎo)致同步注漿過程中出現(xiàn)漿液逸散流失，不能起到填充、防水與加固等作用[2]。因此，為滿足同步注漿施工要求，需根據(jù)不同外加劑的功能與特性，通過選取合適外加劑并改變配比摻量來改善注漿材料性能[3]。

目前，各類纖維素、減水劑與早強(qiáng)劑等外加劑材料對同步注漿漿液性能具有良好的改善作用，得到了廣泛使用。如徐建平等[4]采用聚羧酸減水劑、膨潤土、三乙醇胺早強(qiáng)劑復(fù)合研制出快硬高性能同步注漿材料；吳克雄等[5]、周少東等[6]基于盾構(gòu)泥沙、廢棄泥漿，研制出性能良好的同步注漿材料。陳友治等[7]、賀雄飛等[8]研究了有機(jī)絮凝劑、礦物摻和料和減水劑對單液活性同步注漿漿液性能的影響。但多數(shù)學(xué)者們都集中在利用晶粒尺寸較大的有機(jī)或無機(jī)材料，關(guān)于利用具有高活性納米材料來改善同步注漿材料性能的研究還很少。而納米二氧化硅具有優(yōu)異的物理化學(xué)性質(zhì)，如可填充漿體材料孔隙、促進(jìn)水泥水化、提高抗壓強(qiáng)度、抗?jié)B性及耐久性等[9-10]?；谝陨涎芯?，在傳統(tǒng)外加劑材料的基礎(chǔ)上引入納米二氧化硅，研制一種適用于富水高壓地層的同步注漿材料。

在試驗(yàn)設(shè)計(jì)中用得較成熟的方法為均勻設(shè)計(jì)和正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，上述兩種方法在試驗(yàn)處理時(shí)能取得較佳點(diǎn)，基本可以滿足一般試驗(yàn)要求，但在針對多因素多變量試驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)，還存在一些不足：建立的數(shù)學(xué)模型預(yù)測性較差，不能靈敏地考察各因素間的交互作用等。而相比于這兩種方法，響應(yīng)面法是一種結(jié)合試驗(yàn)設(shè)計(jì)和數(shù)學(xué)建模的設(shè)計(jì)優(yōu)化方法，尤其是在多因素多變量試驗(yàn)設(shè)計(jì)中，能夠設(shè)計(jì)出具有代表性的局部各點(diǎn)對其進(jìn)行試驗(yàn)，回歸擬合試驗(yàn)結(jié)果，尋求目標(biāo)值的最優(yōu)化。響應(yīng)面優(yōu)點(diǎn)在于試驗(yàn)次數(shù)少、回歸方程精度較高、預(yù)測性能好、連續(xù)分析試驗(yàn)因素的各個(gè)水平、得到多因素及其交互作用對目標(biāo)值的影響[11]。近些年來，在水泥砂漿及混凝土配合比設(shè)計(jì)和優(yōu)化中得到了很好的應(yīng)用[12-13]?，F(xiàn)選用膨潤土(betonite,BE)、羥乙基甲基纖維素(hymetellose328,HEMC)作為抗水分散劑，與納米二氧化硅(nano-silicon dioxide,NS)組成復(fù)合外加劑進(jìn)行復(fù)配，以3種外加劑摻量為配合比變量，基于響應(yīng)面法進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)，運(yùn)用Design Expert軟件對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行模擬分析[14]，探討3種外加劑及其交互作用對同步注漿材料性能的影響。

1 原材料與試驗(yàn)方法

1.1 原材料

(1)水泥：江西海螺牌42.5普通硅酸鹽水泥，比表面積為350 m2/kg。

(2)粉煤灰：南京華能Ⅱ級粉煤灰，密度為 2.5 g/cm3,比表面積大于400 m2/kg。

(3)膨潤土(BE)：納基，細(xì)度規(guī)格為200目。

(4)砂：江西贛江細(xì)砂，細(xì)度模數(shù)1.9，含泥量2.1%。

(5)羥乙基甲基纖維素(HEMC)：白色粉末，10 W 黏度。

(6)納米二氧化硅(NS)：親水型，比表面積 200 m2/g，堆積密度0.1 g/cm3。

1.2 試驗(yàn)方法與試驗(yàn)設(shè)備

1.2.1 試驗(yàn)方法

(1)同步注漿材料的稠度、流動(dòng)度、凝結(jié)時(shí)間參照J(rèn)GJ/T 70—2009《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測定。

(2)漿液抗水分散試驗(yàn)參照DL/T 5177—2000《水下不分散混凝土實(shí)驗(yàn)規(guī)范》進(jìn)行。

(3)抗壓強(qiáng)度參照GB/T 17671—2020《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法》進(jìn)行。

1.2.2 稠度試驗(yàn)過程

將漿液分層加入稠度儀盛漿容器，倒插振實(shí)，擰動(dòng)制動(dòng)螺絲，讓落錐自由下落直至穩(wěn)定，從電子刻度盤上讀取下落值，即為漿液稠度。

1.2.3 流動(dòng)度試驗(yàn)過程

將漿液分層倒入截錐圓模至頂口表面，刮刀刮平，將圓模迅速以垂直方向提起，取漿液流淌部分兩個(gè)相互垂直方向上的最大直徑即為漿液擴(kuò)展度。

1.2.4 凝結(jié)時(shí)間試驗(yàn)過程

將漿液倒入砂漿凝結(jié)時(shí)間測定儀試模，通過壓桿垂直向下施加壓力，測定不同時(shí)刻下漿液阻力值，阻力值0.5 MPa對應(yīng)的時(shí)間即為凝結(jié)時(shí)間。

1.2.5 抗水分散試驗(yàn)過程

同一配比注漿漿液分別在水中和空氣下成型，養(yǎng)護(hù)條件和養(yǎng)護(hù)齡期一致，對水中成型試塊和空氣下成型試塊的抗壓強(qiáng)度分別進(jìn)行測定，得到的水中強(qiáng)度與陸上強(qiáng)度之比即為水陸強(qiáng)度比，強(qiáng)度比代表著漿液抗水分散性能。

1.2.6 主要試驗(yàn)設(shè)備

凝結(jié)時(shí)間測定儀、微機(jī)壓力試驗(yàn)機(jī)、混凝土養(yǎng)護(hù)箱，如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)儀器與設(shè)備Fig.1 Test equipment and equipment

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

南昌市地鐵4號線安豐站—東新站區(qū)間采用泥水盾構(gòu)法施工，長距離穿越贛江，隧道埋深大、水壓力大，壁后注漿漿液易出現(xiàn)跑漿現(xiàn)象。在富水高壓地層盾構(gòu)隧道掘進(jìn)過程中，同步注漿材料應(yīng)具有良好性能，性能指標(biāo)如表1所示[15-17]，其中抗水分散性，早期強(qiáng)度和凝結(jié)時(shí)間為主要性能。本試驗(yàn)基于該過江區(qū)間段所用的現(xiàn)場同步注漿漿液配比，水膠比固定為0.77，膠砂比固定為0.7，水泥/粉煤灰為0.42，以膨潤土(BE)、羥乙基甲基纖維素(HEMC)、納米二氧化硅(NS)為響應(yīng)因子，以凝結(jié)時(shí)間、1 d抗壓強(qiáng)度和水陸強(qiáng)度比為響應(yīng)值，設(shè)計(jì)了3因素5水平試驗(yàn)。按照試驗(yàn)設(shè)計(jì)配比方案調(diào)配好每組同步注漿漿液，再按照相關(guān)試驗(yàn)規(guī)范對各漿液性能進(jìn)行測試，得到試驗(yàn)結(jié)果，用Design Expert對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行模擬分析。試驗(yàn)因素與水平取值見表2。

表2 試驗(yàn)因素與設(shè)計(jì)水平

3 結(jié)果與分析

本試驗(yàn)共需完成20組獨(dú)立試驗(yàn)，其中15組為析因試驗(yàn)，5組為中心試驗(yàn)，試驗(yàn)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)結(jié)果

3.1 響應(yīng)因子對凝結(jié)時(shí)間的影響及其交互作用

運(yùn)用Design Exper10.0.7軟件對表3中的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行回歸模擬分析，得到了BE摻量(A)、HEMC摻量(B)、NS摻量(C)與凝結(jié)時(shí)間(T)之間的回歸模型，即

T=243.87-1.89A+1 517B+22.32C+

3.23AB-77.66AC-1 064.58BC+

1.89A2-548.84B2+5 742.65C2

目前各仿真平臺建設(shè)重點(diǎn)多放在實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目仿真技術(shù)方面，而網(wǎng)站安全防御措施、管理功能、運(yùn)營維護(hù)等相對薄弱。仿真平臺網(wǎng)站宜集中管理，可托管到公共服務(wù)系統(tǒng)機(jī)房等。一，便于集中維保，對服務(wù)器集中加密、設(shè)置防火墻等安全措施，避免受到偶然或惡意破壞，保證系統(tǒng)連續(xù)可靠正常運(yùn)行。二，便于移動(dòng)互聯(lián)，開放手機(jī)、平板等客戶終端提高用戶體驗(yàn)。三，提高網(wǎng)站共享服務(wù)范圍、水平。對民眾開放、科普知識、增強(qiáng)技能以適應(yīng)學(xué)習(xí)型社會(huì)的需求?！坝蓪I(yè)的人做專業(yè)的事”利于提升平臺服務(wù)水平。

(1)

其回歸方程方差分析結(jié)果見表4。

表4 凝結(jié)時(shí)間模型方差分析

對于模型方差分析結(jié)果，其中P欄反映試驗(yàn)因子在模型中的顯著程度，當(dāng)P<0.05時(shí)表示該因子顯著，反之則不顯著；而失擬項(xiàng)反映模型與試驗(yàn)的差異程度，當(dāng)該項(xiàng)P>0.05表明模型與試驗(yàn)數(shù)據(jù)相關(guān)顯著[18]。

由表4可知，模型項(xiàng)P<0.000 1，表明該模型效果顯著；本模型中失擬項(xiàng)P=0.121 4，大于0.05，說明該模型的預(yù)測值與試驗(yàn)值相關(guān)顯著，擬合較好。

通過回歸模型可以得到響應(yīng)面分析圖，該圖由響應(yīng)曲面圖與等高線圖構(gòu)成，其中等高線圖中等高線分布疏密表明各響應(yīng)因子對響應(yīng)值影響的顯著程度；響應(yīng)曲面與等高線曲率表明響應(yīng)因子之間交互作用的顯著程度。

由圖2(a)可知，縱坐標(biāo)等高線分布明顯密集于橫坐標(biāo)，這表明HEMC對注漿漿液凝結(jié)時(shí)間的影響較BE更顯著；但響應(yīng)曲面無很明顯扭曲，這說明兩者的交互作用不顯著。從三維曲面走勢可以看出，在BE含量一定時(shí)，凝結(jié)時(shí)間隨HEMC的增加而增加。

由圖2(b)可知，橫坐標(biāo)等高線分布較縱坐標(biāo)相比更密集，表明NS對凝結(jié)時(shí)間的影響要顯著大于BE；但響應(yīng)曲面無很明顯扭曲，這說明兩者的交互作用不顯著。從三維曲面走勢可以看出，在BE含量一定時(shí)，凝結(jié)時(shí)間隨NS的增加而減小。

由圖2(c)可知，縱坐標(biāo)等高線分布較橫坐標(biāo)相比更密集，表明NS對凝結(jié)時(shí)間的影響要顯著大于HEMC；同時(shí)響應(yīng)曲面存在明顯扭曲且等高線曲率較大，說明兩者之間的交互作用顯著。

圖2 凝結(jié)時(shí)間響應(yīng)面分析Fig.2 Response surface analysis of setting time

綜上所述，各響應(yīng)因子對同步注漿漿液凝結(jié)時(shí)間的影響程度為：NS>HEMC>BE。NS具有促凝作用，由于NS具有尺寸小和高活性的特性，在水泥基材料水化過程中可以提供更多的活性位點(diǎn)，易與水泥水化產(chǎn)物Ca(OH)2結(jié)合，生成凝膠產(chǎn)物C—S—H 并促進(jìn)了C3S的水化，加快了水泥水化進(jìn)程，可以縮短漿液的凝結(jié)時(shí)間[19]。相反，HEMC則具有明顯的緩凝作用，隨著纖維素醚的摻入，會(huì)使?jié){液黏稠度增大，對漿液中水分子遷移具有一定的阻礙，從而延遲了水化產(chǎn)物的聚合成形。而BE對凝結(jié)時(shí)間的影響很小。

3.2 響應(yīng)因子對早期強(qiáng)度的影響及其交互作用

響應(yīng)因子與漿液早期抗壓強(qiáng)度(R)之間的回歸模型為

(2)

由表5知，模型P=0.000 9<0.000 1，表明該模型效果顯著；本模型中失擬項(xiàng)P=0.225 1>0.05，說明該模型的預(yù)測值與試驗(yàn)值相關(guān)顯著，擬合較好。

由圖3(a)可知，響應(yīng)曲面雖然有明顯扭曲，但等高線曲率不突出，近似為圓形，這表明BE與HEMC的交互作用較弱；而橫縱坐標(biāo)的等高線疏密

表5 抗壓強(qiáng)度模型方差分析

程度基本一致，無法很好地辨別兩者對漿液早期抗壓強(qiáng)度影響的顯著程度高低。從三維圖形的走勢來看，抗壓強(qiáng)度隨BE的增加而減小，同樣，隨著HEMC的增加也呈減小趨勢。

由圖3(b)可知，縱坐標(biāo)等高線密集程度較其在橫坐標(biāo)上要大，說明NS對漿液早期抗壓強(qiáng)度的影響比BE要更顯著；響應(yīng)曲面扭曲且等高線曲率大，說明兩者存在一定的交互作用。而抗壓強(qiáng)度隨著NS含量的增加呈遞增趨勢。

由圖3(c)可知，橫坐標(biāo)等高線密集程度較其在縱坐標(biāo)上要大，這表明HEMC對漿液抗壓強(qiáng)度的影響要顯著大于NS；響應(yīng)曲面扭曲且等高線曲率大，說明兩者存在交互作用。

圖3 抗壓強(qiáng)度響應(yīng)面分析Fig.3 Response surface analysis of compressive strength

綜上所述，BE、HEMC與NS均對同步注漿漿液早期強(qiáng)度有影響，影響程度為：HEMC>NS>BE。表明NS確實(shí)能夠有利于漿液早期抗壓強(qiáng)度的提升[9]。納米二氧化硅顆粒的比表面積大且具有良好的火山灰活性，能夠與水泥水化產(chǎn)物Ca(OH)2迅速反應(yīng)生成凝膠產(chǎn)物C—S—H，未參與水化的納米二氧化硅顆粒又能有效填充于各組分顆粒空隙之中，提升了漿體內(nèi)部結(jié)構(gòu)密實(shí)度，從而有利于強(qiáng)度的提高。而HEMC與BE對漿液強(qiáng)度有著不利影響，其原因在于：膨潤土的主要成分蒙脫石并非膠凝材料，其顆粒分散在水泥與粉煤灰等膠凝材料顆粒周圍，會(huì)阻礙水泥水化作用；隨著纖維素醚的加入，會(huì)增加漿體孔徑數(shù)量，增大孔隙率，致使?jié){體內(nèi)部結(jié)構(gòu)疏松。

3.3 響應(yīng)因子對水陸強(qiáng)度比的影響及其交互作用

響應(yīng)因子與漿液水陸強(qiáng)度比(W)之間的回歸模型為

W=0.22+0.08A+0.34B+0.25C+

0.002AB+0.006AC+0.125BC-

0.004A2-0.18B2-0.33C2

(3)

由表6知，模型P=0.000 6<0.000 1，表明該模型效果顯著；本模型中失擬項(xiàng)P=0.089 5>0.05，說明該模型的預(yù)測值與試驗(yàn)值相關(guān)顯著，擬合較好。

表6 水陸強(qiáng)度比模型方差分析

由圖4(a)可知，縱坐標(biāo)等高線分布較其在橫坐標(biāo)上要更密集，說明HEMC對漿液水陸強(qiáng)度比影響的顯著程度要大于比BE；響應(yīng)曲面有明顯扭曲且等高線曲率較大，說明兩者的交互作用顯著。從整體趨勢來看，水陸強(qiáng)度比隨著HEMC含量的增加而增加；而隨著BE摻量的增加，水陸強(qiáng)度比呈先增加后減小趨勢。

由圖4(b)可知，與縱坐標(biāo)相比，橫坐標(biāo)等高線分布程度明顯要更密集，這表明BE對漿液水陸強(qiáng)度比影響的顯著程度要大于NS；響應(yīng)曲面扭曲且等高線曲率大，說明兩者存在一定的交互作用。

圖4 水陸強(qiáng)度比響應(yīng)面分析Fig.4 Response surface analysis of water-land intensity ratio

由圖4(c)可知，與縱坐標(biāo)相比，橫坐標(biāo)等高線分布程度要更密集，這表明HEMC對漿液水陸強(qiáng)度比影響的顯著程度要大于NS；響應(yīng)曲面扭曲不明顯且等高線曲率不大，說明兩者的交互作用不顯著。

綜上所述，各因子對同步注漿漿液水陸強(qiáng)度比的影響程度為：HEMC>BE>NS。結(jié)果表明：摻入HEMC與BE，的確有利于提高漿液的抗水分散性能[6]，而NS對漿液抗水分散性的影響較弱。有機(jī)絮凝劑HEMC具有長鏈結(jié)構(gòu)，能夠?qū)λ嗯c粉煤灰等顆粒起吸附作用，通過分子鏈將顆粒連接在一起形成橋架；無機(jī)絮凝劑BE在水解后會(huì)形成卡屋結(jié)構(gòu)，兩者結(jié)合使得漿液穩(wěn)定性得到了很大的改善；同時(shí)NS具有非常大的比表面積，在漿液穩(wěn)定性提高的同時(shí)，又能有效填充漿體內(nèi)部結(jié)構(gòu)孔隙，進(jìn)一步提升漿液凝聚性，提高了漿液在水下的抗水洗能力。

3.4 配合比優(yōu)化

將凝結(jié)時(shí)間、抗壓強(qiáng)度、水陸強(qiáng)度比作為漿液優(yōu)化目標(biāo)值，利用Design Exper10.0.7軟件進(jìn)行優(yōu)化操作，可以得到優(yōu)化配比組合：BE摻量為11.81%，HEMC摻量為0.42%，NS摻量為0.7%。

以預(yù)測配比組合制備新型漿液，進(jìn)行了凝結(jié)時(shí)間、流動(dòng)性、稠度、抗壓強(qiáng)度與抗水分散性等性能測試，試驗(yàn)結(jié)果如表7與圖5所示，結(jié)果表明：以膨潤土、羥乙基甲基纖維素與納米二氧化硅為復(fù)摻外加劑組分的新型同步注漿材料工作性能好，具有良好的流動(dòng)性與稠度，凝結(jié)時(shí)間較快，能很好地填充管片后空隙，也能預(yù)防管片上??；漿體早期強(qiáng)度較高，在水下，漿液的抗分散性良好，可以滿足在富水地層盾構(gòu)隧道施工的注漿要求。也表明利用響應(yīng)面法優(yōu)化同步注漿漿液配合比是可行的。

表7 新型注漿材料性能

圖5 新型漿液性能測試Fig.5 New slurry performance test

4 結(jié)論

(1)膨潤土、羥乙基甲基纖維素作為抗水分散劑可以很好地改善漿液抗水洗能力，但卻不利于漿體早期強(qiáng)度的發(fā)展，而羥乙基甲基纖維素還具有緩凝作用；而納米二氧化硅具有小尺寸、高活性等特點(diǎn)，能夠加快漿液凝結(jié)和提高抗壓強(qiáng)度，三者形成互補(bǔ)。

(2)單因素對漿液凝結(jié)時(shí)間影響的顯著程度為：NS>HEMC>BE，凝結(jié)時(shí)間隨HEMC摻量的增加而增加，隨NS摻量的增加而減小。對抗壓強(qiáng)度影響的顯著程度為：HEMC>NS>BE，抗壓強(qiáng)度隨BE、HEMC摻量的增加呈減小趨勢，隨NS摻量的增加而增加。對抗水分散性影響的顯著程度為：HEMC>BE>NS，HEMC與BE有利于改善抗水分散性。

(3)基于響應(yīng)面法得到的回歸模擬和響應(yīng)曲面，不僅可以分析各響應(yīng)因子及其交互作用對響應(yīng)值的影響程度，同時(shí)，也能對復(fù)摻外加劑的同步注漿漿液配合比進(jìn)行優(yōu)化預(yù)測。