地下工程注漿室內(nèi)試驗(yàn)綜述

張 許 （安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001）

1 引言

對(duì)于城市道路的擁擠，城市隧道建設(shè)成為解決問題的關(guān)鍵，越來越多的地鐵、過街隧道等地下線路正逐漸展示在人們的面前。而頂管技術(shù)和盾構(gòu)技術(shù)由于其效率高和不影響道路正常運(yùn)行的優(yōu)點(diǎn)被廣泛運(yùn)用在地下工程建設(shè)中。在研究不同的地質(zhì)參數(shù)時(shí)需要通過室內(nèi)泥漿滲透試驗(yàn)來達(dá)到最終的目的。

然而在頂管、盾構(gòu)和泥漿試驗(yàn)中，注漿是最為重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。頂管注漿可以達(dá)到潤滑目的，降低其頂推力。盾構(gòu)注漿可以降低土體的沉降，并有效形成防水層。針對(duì)地下工程注漿的研究，Jefferis通過研究得到頂管注漿后，泥漿在土體中的滲流公式。魏綱得出注漿的作用機(jī)理。葉飛通過大量理論、試驗(yàn)和真實(shí)案例得到盾構(gòu)壁后注漿泥漿的擴(kuò)散范圍，管片表面的注漿壓力大小。馮志強(qiáng)通過注漿擴(kuò)散模型破碎煤巖體化學(xué)注漿加固的漿液滲流特性。

由于地下工程注漿研究的不便捷性，越來越多的人采用室內(nèi)試驗(yàn)的方式得到相應(yīng)的研究結(jié)果，本文通過總結(jié)各類地下工程注漿試驗(yàn)，從而為以后的試驗(yàn)研究留下有價(jià)值的參考。

2 頂管注漿模擬試驗(yàn)

①劉招偉等設(shè)計(jì)了矩形頂管隧道施工泥漿套形成試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，該試?yàn)系統(tǒng)主要有試驗(yàn)箱、加壓裝置、滑動(dòng)系統(tǒng)、注漿系統(tǒng)組成。在模型箱中放入研究的土體，加壓系統(tǒng)巧妙地使用了千斤頂，用壓板代替矩形頂管，將千斤頂作用在壓板上，從而模擬來自土體的壓力，在試驗(yàn)箱下方有滑道，在外力作用下試驗(yàn)箱勻速滑動(dòng)，從而模擬矩形頂管頂進(jìn)的過程。注漿系統(tǒng)上安裝氣壓表監(jiān)測注漿壓力，注漿完成后，直接取走壓板，便可直觀地觀察出泥漿套的厚度和擴(kuò)散范圍。通過該試驗(yàn)，作者主要分析和研究了泥漿與土體接觸后所形成的泥漿套的微觀機(jī)理，以及在形成泥漿套后頂管在頂進(jìn)過程中摩阻力的變化。

②鄧文杰、曹廣勇等設(shè)計(jì)了圓形頂管施工模型，分別是由開挖部分、頂管部分、傳動(dòng)部分、注漿部分、監(jiān)測部分和模型試驗(yàn)箱體組成，如圖1所示。模型試驗(yàn)箱按照相似比模擬土體，在試驗(yàn)箱體兩端開孔，保證頂管可以進(jìn)入，頂管前方的切土部分通過傳動(dòng)軸和后方的驅(qū)動(dòng)裝置相連，從而控制其切土速率，在切土裝置下方裝上壓力傳感器，實(shí)時(shí)記錄土體壓力，該系統(tǒng)可通過改變刀盤和后方的傳動(dòng)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)速度來調(diào)整切土速度，從而控制土壓力的大小，并且通過出土量的多少和頂進(jìn)的位移的大小來計(jì)算土層損失率。切下的土體通過頂管機(jī)頭下方的螺旋式排土裝置排至土箱外。頂管在限位裝置上通過傳動(dòng)裝置勻速前進(jìn)模擬頂管頂進(jìn)，注漿系統(tǒng)是通過氣體加壓至注漿罐中，通過觀察注漿罐上方的壓力表，實(shí)時(shí)地調(diào)整氣體大小，從而按照既定的注漿壓力恒壓注漿。在土體中和試驗(yàn)箱上方安裝壓力盒和位移觀測裝置，達(dá)到預(yù)定的研究頂管在注漿條件下頂推力和土體位移的變化。

圖1 圓形頂管施工試驗(yàn)裝置

上述試驗(yàn)裝置分別模擬了矩形和圓形頂管全過程，頂管施工試驗(yàn)主要研究在注漿情況下泥漿的擴(kuò)散范圍，泥漿套的形成以及在合理注漿情況下，頂推力的變化趨勢。劉招偉的試驗(yàn)很好地解決了泥漿擴(kuò)散范圍的觀測問題，方便簡單，與其目的相吻合；另一個(gè)試驗(yàn)則通過整個(gè)模擬過程來研究其土位移和頂力的變化。

3 盾構(gòu)注漿模擬試驗(yàn)

①梁精華等針對(duì)盾構(gòu)注漿壓力變化的研究制作了室內(nèi)模型試驗(yàn)，該試驗(yàn)裝置主要分為三個(gè)部分，分別為筒體部分、注漿系統(tǒng)和測量部分。筒體部分主要由圓柱形玻璃容器組成，便于觀測泥漿滲透情況，側(cè)部設(shè)置限壓排水管。千斤頂作用在容器頂部，施加壓力從而代替土壓力。在容器中放入所要研究的土樣，為了讓試驗(yàn)裝置模擬出盾構(gòu)機(jī)的盾尾和管片之間的間隙，所以土體埋深至容器頂部下方一定孔隙處，但是這樣會(huì)影響真實(shí)土壓力的大小，所以在這個(gè)部分中埋入一定大小的氣袋，來模擬盾構(gòu)尾部與土體的空隙，上面放筒體平蓋，平蓋模擬盾構(gòu)的管片，通過恒壓注漿，同時(shí)控制氣袋中氣體的釋放，達(dá)到一定的平衡。注漿系統(tǒng)為了阻止?jié){液的阻塞，設(shè)置了回路導(dǎo)管和清洗導(dǎo)管。注漿罐上部設(shè)置壓力計(jì)，實(shí)時(shí)觀察注漿壓力。監(jiān)測裝置主要布置土壓力計(jì)，分別在土體中和頂蓋上，實(shí)時(shí)記錄注漿后土體和管道壓力的變化。

②在特殊地層中盾構(gòu)施工同步注漿的研究問題上，董其昌設(shè)置了圖2的試驗(yàn)裝置。該裝置主要有土體裝置、盾構(gòu)推力裝置、注漿系統(tǒng)和測量系統(tǒng)構(gòu)成。試驗(yàn)箱為厚度15mm的有機(jī)玻璃組成。推力裝置用液壓千斤頂和反力支撐架組成，千斤頂支撐在反力架上，按照一定的速率推動(dòng)盾構(gòu)裝置勻速前進(jìn)。注漿系統(tǒng)由搖柄式鋼支架提供注漿壓力，用金屬帶有孔洞的管道粘貼在模擬盾構(gòu)機(jī)外壁上，注漿系統(tǒng)通過金屬管道進(jìn)行注漿。監(jiān)測裝置用土體位移計(jì)監(jiān)測盾構(gòu)施工注漿后土體的沉降，注漿后土壓力用土壓力盒監(jiān)測，實(shí)時(shí)記錄數(shù)據(jù)，完成后分析結(jié)果。此模擬裝置為全模擬，相比上述試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)間更長，但仿真程度更高。

圖2 特殊地層盾構(gòu)施工試驗(yàn)裝置

③針對(duì)盾構(gòu)施工漿液液壓分布，張莎莎設(shè)計(jì)了更為復(fù)雜的試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，該模型由試?yàn)箱、模擬盾構(gòu)機(jī)、管道推進(jìn)控制系統(tǒng)、注漿系統(tǒng)和量測系統(tǒng)組成，如圖3所示。用一定尺寸鋼套模擬盾構(gòu)機(jī)，管套內(nèi)側(cè)用玻璃樹脂套管模擬隧道的管片，注漿管路埋入鋼套中。預(yù)先在土箱中兩側(cè)開孔，方便盾構(gòu)機(jī)的進(jìn)出，然后將管片和模擬盾構(gòu)機(jī)在土箱中固定，將所要研究的土體按照要求填充至土箱中，夯實(shí)，加水固結(jié)。根據(jù)實(shí)際工程中土體的密度和土體應(yīng)力，按照一定的相似比，將液壓裝置對(duì)其頂部進(jìn)行加壓。打開高精度注漿儀器，然后在推進(jìn)裝置作用下，模擬盾構(gòu)機(jī)勻速向前運(yùn)動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)的過程中，位移計(jì)記錄頂進(jìn)距離和注漿情況下土體位移。在空隙中埋有壓力傳感器和視頻錄像裝置，可以清楚地反饋出漿液壓力分布和擴(kuò)散情況。

圖3 盾構(gòu)施工液壓試驗(yàn)裝置

通過上述試驗(yàn)裝置可以看出盾構(gòu)試驗(yàn)大部分是以實(shí)際工程為背景，用試驗(yàn)的方式來研究注漿壓力的分布，以及管片的受力變化。梁精華的實(shí)驗(yàn)裝置用簡單的裝置模擬盾構(gòu)試驗(yàn)，用氣袋來代替管片與盾尾之間的間隙，用平蓋模擬管片，也可監(jiān)測管片的受力大小，相比其他裝置更為簡單，也可以更加直觀地看出泥漿的擴(kuò)散范圍。另外，兩個(gè)試驗(yàn)裝置更多地需要借用計(jì)算機(jī)來觀察漿液擴(kuò)散范圍，精確度也更高。

4 泥漿滲透試驗(yàn)

①林鈺豐等以泥水盾構(gòu)施工穿越砂卵石地層為工程背景，研究泥漿在許多不一樣的地層參數(shù)條件下，其滲透距離的大小。該試驗(yàn)裝置如圖4所示，該裝置主要用有機(jī)玻璃組成的圓柱形筒體為主要構(gòu)件，為了保證試驗(yàn)儀器的密封效果，在筒體上下部插入圓環(huán)鋼板凹槽，凹槽鋪設(shè)防水密封圈，可以通過旋轉(zhuǎn)4個(gè)螺旋式鋼帽收緊凹槽，將凹槽和防水密封圈緊密粘貼在一起，從而阻止筒體內(nèi)部氣體和液體的流失。在筒體的底部設(shè)有一個(gè)透水孔，在注漿和高壓條件下，液體在下部流出，筒體上部設(shè)有2個(gè)閥門，這兩個(gè)閥門可以起到進(jìn)出氣控制，還有一個(gè)壓力計(jì)，監(jiān)測壓力變化情況。先將不同地層按序放入筒體，上面倒入泥漿，試驗(yàn)采用6個(gè)不同的壓力，每次加壓3min，最后觀察不同的地層滲透情況。本試驗(yàn)裝置更為簡單明了，通過該試驗(yàn)方式可以清晰地看到，在不同的注漿壓力下的泥漿在不同底層的滲透情況。

圖4 不同滲透地層注漿滲透試驗(yàn)裝置

5 結(jié)論

①頂管試驗(yàn)主要是全模擬試驗(yàn)，主要研究泥漿套的形成、土體沉降和頂進(jìn)力的變化。實(shí)驗(yàn)方案較為復(fù)雜。

②盾構(gòu)試驗(yàn)大部分以實(shí)際案例為基礎(chǔ)，研究泥漿的擴(kuò)散范圍、注漿壓力分布和管片受力情況。

③針對(duì)地層加固或者需要研究不同地質(zhì)或材料等影響因素時(shí)，需要進(jìn)行注漿滲透試驗(yàn)，該試驗(yàn)方案較為簡單便捷。