盾構(gòu)同步注漿漿液性能影響分析及其配比優(yōu)化研究

楊 星 張榮輝 房寬達 劉盛龍 楊志勇

（1.中國礦業(yè)大學（北京）力學與建筑工程學院，北京 100083；2.廣州地鐵設(shè)計研究院股份有限公司，廣東廣州 510010）

0 引言

在盾構(gòu)隧道的施工過程中，為了保證地層的穩(wěn)定、降低地表沉降，需要向地層和管片襯砌之間的開挖間隙內(nèi)部填充一定量的同步注漿漿液。漿液一方面起到填充空隙、穩(wěn)定地層的作用，另一方面可以提升整體隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性[1]，因此，選擇良好性能的漿液是控制地表沉降、保證盾構(gòu)順利施工的關(guān)鍵。

目前，在關(guān)于盾構(gòu)同步注漿漿液性能方面的研究，郭銀新[2]以盾構(gòu)施工中的單液漿為研究對象，通過現(xiàn)場試驗和實測數(shù)據(jù)分析得出初凝時間和早期強度是影響地表沉降的重要因素。郭錦熹等[3]通過將減水劑摻入同步注漿漿液，改善了由于膨潤土導(dǎo)致的漿液過稠、流動性差的問題，并在室內(nèi)試驗獲得了減水劑的最佳配比。王 欣[4]以鄭州地鐵3號線的三個盾構(gòu)區(qū)間為工程背景，結(jié)合現(xiàn)場施工參數(shù)介紹了同步注漿漿液在沉降控制中的應(yīng)用。在考慮同步注漿對地表變形的影響方面，羅 康等[5]指出管片壁后注漿是影響地表沉降的主觀因素，通過改善漿液質(zhì)量可以起到降低地表變形的作用。鮑飛翔等[6]考慮了漿液的擴散機理，將注漿壓力簡化為均勻壓力對引起的地表變形進行了研究。孫龍飛等[7]運用有限元法對盾構(gòu)法聯(lián)絡(luò)通道進行了模擬，總結(jié)了地表沉降的規(guī)律。

盡管上述已有研究均通過工程實例分析出了漿液對地表變形的影響，但對于漿液性能影響的研究相對較少，同時也缺少有效的漿液性能優(yōu)化方案。鑒于此，本文以哈爾濱地鐵軌道交通2號線哈爾濱北站?大耿家站區(qū)間隧道工程為背景，通過建立FLAC3D有限差分模型，考慮漿液的強度、初凝時間、結(jié)石率三個因素對地表沉降的影響進行了評估，最后通過室內(nèi)試驗對漿液性能進行了優(yōu)化，將優(yōu)化后的配比運用于實際工程中，其沉降控制效果良好。

1 工程背景

哈爾濱地鐵軌道交通2號線哈爾濱北站?大耿家站隧道區(qū)間埋深9～12.5 m，區(qū)間采用2臺NFM直徑為6.28 m的土壓平衡盾構(gòu)施工，盾構(gòu)主要穿越中砂地層，地下水位最高位于隧道頂部11 m位置，隧道埋深最淺為5.3 m（不足一倍盾構(gòu)直徑），地層情況如圖1所示。各地層的巖土參數(shù)如表1所示。由于本工程地層為典型的富水砂層，具有滲透性大、水壓高的特點，因此，選用的同步注漿漿液除了強度和凝結(jié)特性需滿足要求外，還應(yīng)具有一定的稠度和抗稀釋能力。實際工程中選用的漿液為單液水泥砂漿，其調(diào)配材料為水泥、粉煤灰、膨潤土、砂和水。

圖1 地質(zhì)剖面圖

2 基于FLAC3D的漿液性能分析

2.1 模型建立

以哈爾濱北站?大耿家站隧道區(qū)間工程為背景，利用有限差分軟件FLAC3D建立尺寸為80 m×60 m×52 m（長×寬×高）的長方體盾構(gòu)開挖模型，如圖2所示，開挖隧道位置建立在平面中心，地表為自由邊界，底部及周邊采用固定位移邊界。由于隧道埋深較淺，主要受地層應(yīng)力的影響，因此，該本構(gòu)模型選用Mohr-Coulomb彈塑性模型[8]，各地層的參數(shù)賦值按表1，管片襯砌和注漿材料同樣采用彈塑性模型，服從M-C準則，結(jié)構(gòu)單元選用線–彈性本構(gòu)關(guān)系，其中，管片的彈性模量E取40 GPa、泊松比ν取0.2；注漿材料的彈性模量E取30 GPa、泊松比ν取0.3。模型的體積模量K（MPa）和剪切模量G（MPa）按式（1）和式（2）計算。

圖2 隧道開挖模型

2.2 開挖及注漿性能模擬

盾構(gòu)開挖過程中，隧道每前進一環(huán)，盾尾間隙附近的土體就要進行一部分應(yīng)力釋放[9]，為了盡量減少應(yīng)力的釋放，同時對注漿層和管片層賦予相應(yīng)的參數(shù)以模擬支護作用，本模型的管片厚度取0.3 m，環(huán)寬1.2 m，其彈性模量取3.45 GPa，泊松比取0.17，管片重度為26 kN/m3；注漿層重度為17 kN/m3，泊松比取值為0.25。

目前，已有研究[1,3,10]表明，對同步注漿漿液性能的評估主要依據(jù)漿液強度、初凝時間和結(jié)石率三個指標，本文對于上述三個指標在數(shù)值模擬過程中有如下表征：

（1）漿液強度

采用漿液凝結(jié)3 d的單軸抗壓強度作為盾構(gòu)通過前后漿液強度的平均值，分別對單軸抗壓強度為0.2 MPa、0.6 MPa、1.0 MPa、1.4 MPa的漿液進行數(shù)值模擬。

（2）初凝時間

為實現(xiàn)對漿液的凝結(jié)時間的模擬，取盾構(gòu)掘進速度為2 h/環(huán)，即模型中每開挖1環(huán)代表實際時間為2 h，這樣，不同初凝時間的漿液就可以用開挖環(huán)數(shù)的多少來表示。通過更改注漿層漿液的體積模量、剪切模量兩個參數(shù)來模擬漿液在不同凝結(jié)階段的強度，為了使?jié){液填充時即可發(fā)揮一定的填充效果，特使?jié){液注入時的強度為終凝時的1/3；初凝的強度增長為終凝的2/3。本模擬取三種不同初凝時間的漿液進行計算，對應(yīng)的初凝時間分別為4 h（終凝16 h）、8 h（終凝32 h）、12 h（終凝48 h），同時漿液強度的取值依據(jù)2.2節(jié)（1）中的描述。

（3）結(jié)石率

漿液在凝結(jié)硬化過程中，會有一定的固結(jié)收縮，固結(jié)收縮越小，漿液的填充性越好[10]。而固結(jié)收縮的程度通常用結(jié)石率來表示，本模型將漿液未凝結(jié)的部分（最外環(huán)漿液層）以強度很低的材料進行填充，最大限度地模擬了結(jié)石率對地層的影響，結(jié)石率選擇80%、90%和100%的三種漿液進行計算。

2.3 模擬結(jié)果分析

為了模擬不同漿液性能對地層沉降的影響，以模型Y=20 m的隧道開挖斷面為監(jiān)測位置，將隧道完全開挖后（此時監(jiān)測斷面位置漿液已終凝）監(jiān)測斷面的變形作為沉降評判標準。在進行不同漿液強度模擬時，為了避免其余參數(shù)產(chǎn)生過大的影響，初凝時間和結(jié)石率均取中間值，即初凝時間取為8 h，結(jié)石率取90%；而在進行初凝時間模擬時，漿液強度取值按先前模擬的最小沉降結(jié)果（即1.4 MPa），結(jié)石率同樣取90%；最后對不同結(jié)石率模擬時其他參數(shù)的取值依據(jù)上述兩組結(jié)果的最優(yōu)值（即漿液強度取1.4 MPa、初凝時間取4 h）。模擬計算結(jié)果如圖3所示，可以看出，漿液強度大、初凝時間短、結(jié)石率高所產(chǎn)生的地表沉降更低。初凝時間對沉降的影響最大，初凝時間為12 h的漿液所引起的沉降最高為23 mm。而漿液強度的改變會引起更大的沉降差，漿液強度為0.2 MPa和1.4 MPa導(dǎo)致的沉降差值最高為14.2 mm，因此，通過考慮增加漿液強度的方式來降低地表沉降會較其他方法更明顯、有效。

圖3 地表沉降曲線與地層沉降云圖

3 漿液配比優(yōu)化試驗

3.1 漿液材料配比

根據(jù)FLAC3D的數(shù)值模擬結(jié)果和富水砂層的地質(zhì)特性，本工程的同步注漿漿液除了應(yīng)具有穩(wěn)定的流動性、抗水分散性以外，還需盡可能地滿足高強度、短初凝時間和高結(jié)石率等性能。相關(guān)研究表明[11]，漿液的強度特性主要受水灰質(zhì)量比的影響，水泥含量的增加會提高漿液的整體強度；漿液的初凝時間會隨著水膠質(zhì)量比（水的含量與粉煤灰和水泥總含量的比值）的減小而變短；漿液結(jié)石率一般與泌水率有很大關(guān)系，漿液泌水率增加，結(jié)石率一般呈線性減小，泌水率會隨著水泥和粉煤灰的增加而減小。綜上，本文在工程已有配比（組1）的基礎(chǔ)上，還通過增加水泥的用量進行了兩組優(yōu)化試驗（組2、組3），三組試驗的材料配比情況如表2所示。

表2 試驗漿液材料配比情況

3.2 試驗過程及結(jié)果

為了獲得漿液的強度、初凝時間、結(jié)石率參數(shù)，分別通過單軸壓縮（凝結(jié)時間：3 d）試驗、維卡儀試驗和泌水率（2 h）試驗測量漿液的各項性能指標，同時，為了評價漿液在富水地層的抗水分散性，還進行了稠度（1 h）試驗。試驗過程與結(jié)果如表3所示，通過對比這三組的試驗結(jié)果可以看出，由于組2和組3的水泥用量增多，其凝結(jié)時間減小，強度大幅提高，但組3在水中凝結(jié)的強度卻明顯較自然凝結(jié)低，最終，綜合考慮泌水率和稠度結(jié)果后，組2的試驗結(jié)果穩(wěn)定性良好，強度受地下水影響較小，因此，本文選取組2的配比作為本次試驗的最優(yōu)配比。

表3 漿液配比試驗過程及結(jié)果

4 漿液優(yōu)化效果分析

通過室內(nèi)試驗確定了漿液的最優(yōu)配比，為了對優(yōu)化后漿液的沉降控制效果進行分析，參照上述數(shù)值模擬方法和試驗測試指標對組1和組2的配比漿液進行模擬分析，并與工程實測數(shù)據(jù)對比如圖4所示。可以看出，按組1配比的模擬結(jié)果和實測結(jié)果基本一致，沉降槽寬度約72 m，地層損失率（沉降槽的面積與盾構(gòu)開挖面積之比）達0.83%，沉降量最大位置位于隧道拱頂處，這說明本文的數(shù)值模擬方法具有一定的可靠性。同樣依照此數(shù)值模擬方法而采用組2的最優(yōu)配比后可以發(fā)現(xiàn)，沉降有了明顯的降低，拱頂處的最大沉降減小約4 mm，但沉降槽寬度與組1差別不大，地層損失率減小至0.62%。因此，可以確定，采用優(yōu)化后的漿液配比起到了一定的沉降控制作用。

圖4 實測地表沉降與數(shù)值模擬對比

5 結(jié)論

本文通過FLAC3D數(shù)值模擬，考慮了漿液的強度、初凝時間、結(jié)石率等特性對地表沉降的影響情況進行了分析，最后結(jié)合漿液配比試驗對漿液的性能進行了優(yōu)化，得出如下結(jié)論：

（1）數(shù)值模擬結(jié)果表明，漿液初凝時間對地表沉降的影響最大，而強度的變化引起的地表沉降最明顯，選擇強度大、初凝時間短、結(jié)石率高的漿液有利于控制地表沉降。

（2）漿液配比試驗表明，水泥用量的增加縮短了初凝時間，增強了凝結(jié)強度，但在水中的強度增加效果沒有自然凝結(jié)顯著，綜合考慮稠度和泌水率后，確定了組2的最優(yōu)漿液配比。

（3）將試驗的漿液指標應(yīng)用數(shù)值模擬中，得出的地表沉降結(jié)果與實測值較為吻合，同時采用最優(yōu)配比漿液（組2）后沉降有了明顯的控制，驗證了本文的數(shù)值模擬結(jié)果及對漿液性能的分析具有一定的合理性和準確性。在參考本文漿液配比材料類型的基礎(chǔ)上，建議選用水灰質(zhì)量比為2.4、水膠比在0.91左右的漿液可以滿足良好的沉降控制要求。