盾構(gòu)法施工注漿新型填充雙漿液配比試驗(yàn)及應(yīng)用

李元?jiǎng)P,楊志勇,楊 星,邵小康,漆偉強(qiáng)

(1.北京市軌道交通建設(shè)管理有限公司,北京 100068； 2.城市軌道交通全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)與安全監(jiān)控北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100068； 3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院,北京 100083)

隨著城市地鐵線路的不斷建設(shè)與發(fā)展，地下空間的利用率正逐步縮小，新建盾構(gòu)隧道往往會(huì)面臨近接施工的難題[1]。在盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中，開挖間隙的產(chǎn)生是導(dǎo)致地層變形的重要原因，而當(dāng)盾構(gòu)近距離施工時(shí)，開挖間隙的有效填充是保證既有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定不受影響的前提，因此，通過(guò)采用良好性能的漿液填充開挖間隙可起到減小地層變形的作用，進(jìn)而降低對(duì)鄰近結(jié)構(gòu)的擾動(dòng)[2]。

開挖間隙所引起的地層變形一直是困擾著眾多科研人員和施工人員的難題，在關(guān)于開挖間隙有效填充方面，周慶合[3]以新建京張高鐵清華園隧道工程為背景，通過(guò)數(shù)值模擬和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比確定了沉降的影響范圍，并提出加快填充漿液的硬化速度是控制地表沉降的有效方法；YIN等[4]采用有限元法對(duì)盾構(gòu)下穿既有線時(shí)的中盾注漿填充效果進(jìn)行了模擬，表明采用高彈性模量的漿液材料來(lái)填充開挖間隙可有效地控制地層沉降；楊志勇等[5]將中盾克泥效工法運(yùn)用到實(shí)際工程中，解決了盾構(gòu)近距離上跨既有線的難題；謝雄耀，田闖等[6-8]均利用同步注漿雷達(dá)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)壁后注漿效果進(jìn)行了實(shí)時(shí)檢測(cè)，通過(guò)注漿地層剖面的顯示化分析來(lái)對(duì)漿液質(zhì)量、注漿壓力、注漿量等實(shí)時(shí)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，確保了實(shí)際工程中盾構(gòu)掘進(jìn)的地層微沉降控制。對(duì)于填充漿液性能方面，水泥-水玻璃雙液漿以其初凝時(shí)間短等優(yōu)越性能被廣泛應(yīng)用于盾構(gòu)的壁后注漿中，賈毅等[9]以水泥、膨潤(rùn)土和水玻璃作為雙液漿原料，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)漿液的凝結(jié)時(shí)間、泌水率、彈性模量等指標(biāo)進(jìn)行了測(cè)試，證明了水灰比對(duì)漿液強(qiáng)度的影響最大；陳城等[10]對(duì)超細(xì)水泥-水玻璃雙液漿的性能進(jìn)行了研究，并通過(guò)模型試驗(yàn)表明該雙液漿在砂土中具有良好的加固止水效果；葉飛等[11]考慮了雙液漿在開挖間隙中注入的時(shí)效性和空間效應(yīng)，分析出漿液性能和注漿壓力對(duì)管片的受力作用。

綜上所述，目前已有研究對(duì)于開挖間隙引起的地層變形總結(jié)主要有兩點(diǎn)：一是盾構(gòu)開挖過(guò)程中開挖間隙不能及時(shí)有效地填充導(dǎo)致的瞬時(shí)變形；二是壁后注漿后漿液的性能差異所導(dǎo)致的緩慢變形。顯然，前者的變形需在盾構(gòu)掘進(jìn)的同時(shí)進(jìn)行有效填充，目前工程上廣為熟知的克泥效工法[5，12]正是基于控制上述瞬時(shí)變形所采用的。然而，由于克泥效泥漿的價(jià)格及銷售渠道問(wèn)題，其僅在重大風(fēng)險(xiǎn)工程中或風(fēng)險(xiǎn)補(bǔ)救時(shí)采用，而在工程中得不到大面積應(yīng)用。鑒于此，設(shè)計(jì)了一種以水泥、粉煤灰、膨潤(rùn)土、外加劑和水玻璃為原料的新型填充雙液漿，以初凝時(shí)間、泌水率、強(qiáng)度等指標(biāo)作為性能評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)確定了漿液的最優(yōu)配比，結(jié)合模型試驗(yàn)對(duì)該漿液的應(yīng)用可行性進(jìn)行分析，并與克泥效泥漿在性能和使用經(jīng)濟(jì)上進(jìn)行對(duì)比。

1 盾構(gòu)注漿系統(tǒng)與材料

1.1 中盾注漿系統(tǒng)

盾構(gòu)一般擁有兩套完整的注漿系統(tǒng)，即分別位于中盾位置的徑向注漿系統(tǒng)和盾尾位置通向管片壁后的同步注漿系統(tǒng)。由于盾構(gòu)本身從刀盤至盾尾呈現(xiàn)外徑逐漸減小的形狀，而同步注漿過(guò)程一般只能填充滿管片拼裝位置后2～3環(huán)的開挖間隙，因此，前盾、中盾和部分盾尾位置的開挖間隙則需采用中盾注漿的方式進(jìn)行填充。中盾注漿系統(tǒng)如圖1所示，A液漿和B液漿分別通過(guò)注漿泵送至混合泵進(jìn)行混合，最終進(jìn)入中盾位置的開挖間隙內(nèi)以達(dá)到填充的目的。

圖1 中盾注漿系統(tǒng)示意

1.2 新型填充漿液材料

同步注漿漿液直接作用在管片壁后和土層之間的開挖間隙中，因此，應(yīng)選用凝結(jié)快、強(qiáng)度高、與地層和管片外壁黏結(jié)性能好的漿液[13]。而中盾注漿漿液主要作用在盾殼與土層的間隙中，一方面要考慮漿液與土體的作用效果，如抗壓縮性能等，另一方面則要考慮漿液對(duì)盾殼的摩擦和黏滯作用。因此，不同于同步注漿漿液，中盾注漿材料除了應(yīng)具有一定的強(qiáng)度和良好的抗壓縮性能外，還要求對(duì)盾殼產(chǎn)生的阻力不能過(guò)大，以防止?jié){液卡住盾殼，造成推力過(guò)大的情況。

選用水泥、粉煤灰和膨潤(rùn)土作為A液漿的主要原材料，B液漿則為促進(jìn)漿液快速凝結(jié)的水玻璃溶液，各種材料的類型及作用如下。

(1)水泥

水泥為組成漿液最重要的膠凝材料，其用量是提高漿液強(qiáng)度最明顯的指標(biāo)，本試驗(yàn)采用P.O.42.5R普通硅酸鹽水泥，其自然凝結(jié)下28 d的抗壓強(qiáng)度可達(dá)到43 MPa。

(2)粉煤灰

粉煤灰是一種工業(yè)燃燒產(chǎn)生的廢料，而在工程中通過(guò)摻加粉煤灰可以改善漿液的和易性、降低收縮率，同時(shí)粉煤灰還擁有一種火山灰效應(yīng)[14-15]，這種效應(yīng)使?jié){液凝結(jié)后的強(qiáng)度仍能繼續(xù)增長(zhǎng)。本試驗(yàn)選用某公司生產(chǎn)的I級(jí)粉煤灰原料。

(3)膨潤(rùn)土

膨潤(rùn)土具有良好的吸水膨脹性和觸變性，適當(dāng)?shù)呐驖?rùn)土用量可以提高漿液保水能力、增強(qiáng)抗析水能力。本次試驗(yàn)選用工程上常用的鈣基膨潤(rùn)土。

(4)水玻璃

水玻璃為硅酸鹽水溶液，俗稱泡花堿，與水泥漿混合時(shí)可起到膠凝迅速、一體化的作用，且其可以與水泥發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，改善漿液性質(zhì)，還具有一定的防水、防酸效果。本次試驗(yàn)取用45°Bé的水玻璃溶液作為B液的主要材料，試驗(yàn)時(shí)通過(guò)加水進(jìn)行了稀釋以配置不同波美度的B液。

2 漿液配比試驗(yàn)

2.1 正交試驗(yàn)配比設(shè)計(jì)

由于本試驗(yàn)漿液采用5種(包含水)原材料，如果按每組材料4種添加配比則需進(jìn)行54=625組試驗(yàn)，且每組數(shù)據(jù)的重復(fù)比例也比較高。因此，本次試驗(yàn)決定采用正交試驗(yàn)[16]方法，用最少的試驗(yàn)次數(shù)涵蓋最多的試驗(yàn)可能，建立了5因素(5種原材料)、4水平(每種材料4種配比)共16組配合比試驗(yàn)。雙液漿的凝結(jié)過(guò)程區(qū)別于傳統(tǒng)單液漿，由于水玻璃溶液的添加導(dǎo)致漿液的凝結(jié)時(shí)間很短，而雙液漿的凝結(jié)又可分為化學(xué)膠凝和物理凝結(jié)，化學(xué)膠凝時(shí)間很短、凝結(jié)標(biāo)準(zhǔn)難以判斷，特別是對(duì)于盾構(gòu)法注漿材料，化學(xué)膠凝和物理初凝時(shí)間均很短，更加不好確定。因此，不明確區(qū)分化學(xué)膠凝和物理初凝過(guò)程，統(tǒng)一為初凝時(shí)間，并通過(guò)倒杯法(傾斜45°的穩(wěn)定時(shí)間)和維卡儀法(試針落差1 mm時(shí))對(duì)每組試驗(yàn)的初凝時(shí)間進(jìn)行測(cè)定。正交試驗(yàn)配比情況及初凝時(shí)間結(jié)果如表1所示。

表1 正交試驗(yàn)配比及初凝結(jié)果

2.2 漿液性能分析

2.2.1 初凝時(shí)間

添加了水玻璃溶液的雙液漿會(huì)在極短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生化學(xué)膠凝作用，而上下兩層漿液由于顆粒的沉淀會(huì)造成濃度的差異，進(jìn)而影響漿液的化學(xué)膠凝效果。因此，在表1的個(gè)別配比組中能夠明顯看到，由上層漿液和下層漿液凝結(jié)時(shí)間差所產(chǎn)生的分層現(xiàn)象(如圖2(a)、圖2(b))。這種不良現(xiàn)象會(huì)造成一定的離析，影響漿液的和易性甚至凝結(jié)后的早期強(qiáng)度[17]，作為填充漿液是應(yīng)該被避免的，故排除表1中初凝時(shí)間差較大的4個(gè)組：1、2、5、6。同時(shí)，漿液初凝時(shí)間不宜過(guò)短，否則容易發(fā)生管路堵塞并影響漿液擴(kuò)散和流動(dòng)[18]，已有研究表明[9，19-20]，雙液漿初凝時(shí)間應(yīng)控制在90～150 s，同樣應(yīng)該排除4、8、9、12、13五組。最后，在余下的7組中不難發(fā)現(xiàn)，盡管材料配比略有差異，但水膠比均在2.0～3.0之間，這相比于傳統(tǒng)的盾構(gòu)同步注漿漿液(水膠比0.6～0.9)和混凝土(水膠比<0.5)差異較大[21-23]。因此，相對(duì)而言，余下7組的配比差異并不明顯，再結(jié)合初凝時(shí)間在90～150 s內(nèi)若更靠近中間值120 s左右會(huì)更加有保證。鑒于此，最終選定了初凝時(shí)間最合適的配比組14，后續(xù)試驗(yàn)和應(yīng)用效果分析以組14為基礎(chǔ)進(jìn)行研究。

圖2 漿液分層現(xiàn)象和維卡儀測(cè)定

2.2.2 抗壓強(qiáng)度

對(duì)組14的漿液進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測(cè)試，試驗(yàn)采用單軸壓縮儀分別測(cè)量漿液在養(yǎng)護(hù)凝結(jié)1，3，7，28 d的強(qiáng)度，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示?？梢钥闯?，漿液在7 d以內(nèi)的強(qiáng)度變化不明顯，說(shuō)明其早期強(qiáng)度性能的變化比較穩(wěn)定，而盾構(gòu)往往會(huì)由于一定原因停機(jī)一小段時(shí)間，這正好可以避免由漿液強(qiáng)度過(guò)快增長(zhǎng)所導(dǎo)致對(duì)盾殼的過(guò)大摩擦阻力。

圖3 不同凝結(jié)時(shí)間漿液的單軸抗壓強(qiáng)度

2.2.3 固結(jié)壓縮特性

漿液從中盾位置注入開挖間隙后會(huì)受到地層應(yīng)力的固結(jié)壓縮作用，此時(shí)，漿液的抗壓縮性能對(duì)地層沉降變形起到了很大作用，壓縮模量Es為表征巖土類材料抗壓縮性能的指標(biāo)，Es越大的材料，其抗壓縮性能越強(qiáng)。本試驗(yàn)采用高壓固結(jié)儀測(cè)定組14配比初凝后的漿液分別在0～50 kPa、50～100 kPa、100～200 kPa、200～300 kPa階段的不排水壓縮模量，結(jié)果如圖4所示。其中，100～200 kPa階段的壓縮模量結(jié)果為10.7 MPa，在黏性土的范疇內(nèi)屬于中壓縮性；而200～300 kPa的固結(jié)應(yīng)力比較符合工程中盾殼周圍的圍巖應(yīng)力值，且該階段的壓縮模量達(dá)到了20 MPa以上，按黏土指標(biāo)屬于低壓縮性，具備一定的抗壓縮性能。

圖4 不同固結(jié)應(yīng)力階段漿液的壓縮模量

2.2.4 漿液穩(wěn)定性能

盡管漿液滿足自然條件下的凝結(jié)特性、強(qiáng)度和壓縮性能，但為能將其應(yīng)用到富水等復(fù)雜地層中，還必須具備一定的穩(wěn)定性。鑒于此，通過(guò)試驗(yàn)測(cè)定了組14漿液的滲透系數(shù)、稠度和泌水率。

(1)滲透系數(shù)

配制的雙液漿在性狀上與黏性土相似，即內(nèi)部存在大量的結(jié)合水，依據(jù)達(dá)西定律的常水頭滲透儀試驗(yàn)無(wú)法對(duì)其進(jìn)行滲透系數(shù)的測(cè)定，因此，本次試驗(yàn)采用變水頭滲透儀讓凝結(jié)的漿液受到高水壓差的作用，并用式(1)計(jì)算滲透系數(shù)k值，其公式如下

(1)

式中，k為待測(cè)定的滲透系數(shù)，cm/s；a為變水頭管的截面積，cm2；L為滲流路徑長(zhǎng)度，即試樣高度，cm；Δt為滲流時(shí)間，s；H1、H2分別為起始水頭和終止水頭，cm。

(2)稠度

稠度試驗(yàn)采用砂漿稠度儀進(jìn)行測(cè)定，首先將漿液灌入砂漿筒內(nèi)至離筒口約10 mm，然后調(diào)節(jié)測(cè)量圓錐使其與漿液表面接觸，最后放開固定螺絲使圓錐體自由沉入10 s后，測(cè)量出下沉距離即為稠度值，圓錐體下沉的距離越小，表示稠度越高、漿液越黏稠。

(3)泌水率

配置好的漿液經(jīng)充分?jǐn)嚢韬笞⑷肓客仓?，靜置3 h后測(cè)得表明，上浮的清水體積與漿液總體積之比即為泌水率，普通單液漿泌水率一般保持在5%以下即可滿足工程應(yīng)用。

將試驗(yàn)測(cè)得的滲透系數(shù)、稠度和泌水率整理如表2所示，并與工程中常見(jiàn)材料的性能進(jìn)行對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)，本試驗(yàn)配比漿液的滲透系數(shù)達(dá)到了粉土水平，具有較低的滲透性；較普通單液漿來(lái)說(shuō)，其稠度較大，泌水率極低，說(shuō)明其具有良好的穩(wěn)定性。

表2 滲透系數(shù)、稠度、泌水率試驗(yàn)結(jié)果及對(duì)比

3 應(yīng)用可行性分析

3.1 模型試驗(yàn)

3.1.1 模型試驗(yàn)設(shè)備及流程

為評(píng)估本漿液在填充開挖間隙后對(duì)盾殼的摩阻效果，依托北京某高校大型盾構(gòu)模型試驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)行了自動(dòng)化盾構(gòu)掘進(jìn)及信息采集模型試驗(yàn)，整體試驗(yàn)?zāi)Ｐ图笆疽庑Ч鐖D5所示。本次試驗(yàn)采用的立方體土箱尺寸為200 mm×200 mm×200 mm，盾體模型為φ309 mm×200 mm的空心圓柱體，且?guī)в虚_挖直徑為314 mm的刀盤模型，由于盾體直徑與土箱長(zhǎng)度相同，因此，本模型實(shí)際上簡(jiǎn)化了盾構(gòu)通過(guò)后管片的拼裝過(guò)程。盾構(gòu)每推進(jìn)300 mm進(jìn)行一次排土和數(shù)據(jù)采集，同時(shí)，在土箱中間位置的盾體正上方每隔300 mm設(shè)置1個(gè)注漿管路，共設(shè)置4個(gè)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)使用TML公司生產(chǎn)的TDS-303數(shù)據(jù)采集儀，除此之外，整體模型還具有水壓加載系統(tǒng)等。本次試驗(yàn)土樣取自北京地鐵12號(hào)線西壩河站—三元橋站區(qū)間的粉質(zhì)黏土。

圖5 模型試驗(yàn)系統(tǒng)(單位：mm)

3.1.2 試驗(yàn)效果分析

由于本次試驗(yàn)主要研究漿液對(duì)盾殼的摩擦作用，因此，主要采集盾構(gòu)推力參數(shù)進(jìn)行分析，同時(shí)為避免端頭效應(yīng)的影響，取盾構(gòu)刀盤推進(jìn)至端頭600 mm位置時(shí)開始采集，此時(shí)注漿管路①位于刀盤后100 mm位置。分別進(jìn)行不填充漿液、填充漿液即刻推進(jìn)、填充漿液停機(jī)24 h后推進(jìn)3組試驗(yàn)，在預(yù)留注漿管路位置進(jìn)行注漿和數(shù)據(jù)采集，每組試驗(yàn)共采集4次數(shù)據(jù)，由于每次推進(jìn)、排土加采集數(shù)據(jù)過(guò)程的時(shí)間不會(huì)超過(guò)20 min，因此，相對(duì)于停機(jī)24 h可以忽略。

將試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理(圖6)可以看出，未填充漿液時(shí)的推力平均值呈現(xiàn)出良好的線性遞增關(guān)系，且經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)擬合后的R2=0.965 7，說(shuō)明高度線性相關(guān)，這可以解釋成隨著盾構(gòu)的逐步開挖，其盾殼在土中的嵌入量也逐漸增多，故盾構(gòu)推力也會(huì)呈現(xiàn)一定的線性增長(zhǎng)。填充漿液的點(diǎn)并沒(méi)有呈現(xiàn)出明顯的線性關(guān)系，而是隨著推進(jìn)距離的增加，推力平均值的增量反而減小，這說(shuō)明相對(duì)于土體直接作用在盾殼上來(lái)說(shuō)，填充漿液與盾殼作用的摩阻力更小。因此，通過(guò)本次模型試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，即使停機(jī)24 h的填充漿液也并未大幅增加盾殼的摩擦阻力，且相對(duì)于土體，漿液反而會(huì)起到一定的潤(rùn)滑作用。

圖6 模型試驗(yàn)盾構(gòu)推力變化情況

3.2 工程應(yīng)用效益對(duì)比

3.2.1 工程簡(jiǎn)介

北京地鐵12號(hào)線西壩河站—三元橋站區(qū)間埋深16.9～24.5 m(至隧道拱頂)，區(qū)間采用2臺(tái)開挖直徑為6 610 mm的土壓平衡盾構(gòu)施工，其中，盾體(中盾)直徑6 600 mm，盾尾直徑6 590 mm，盾尾間隙約30 mm，管片襯砌選擇C50混凝土，環(huán)寬1.2 m。盾構(gòu)(左線)穿越既有地鐵10號(hào)線段剖面位置關(guān)系如圖7所示，其最小穿越凈距約2.19 m，本工程穿越方案在145～213環(huán)段采用克泥效工法[24]。

圖7 西壩河站—三元橋站區(qū)間下穿既有10號(hào)線段剖面位置(單位：m)

3.2.2 經(jīng)濟(jì)效益對(duì)比

對(duì)西壩河站—三元橋站區(qū)間穿越10號(hào)線段使用克泥效泥漿的成本進(jìn)行計(jì)算，如式(2)所示

(2)

式中，C為總成本，元；n為使用漿液的總環(huán)數(shù)，按本工程取68環(huán)；b為管片環(huán)寬，m；dc為盾構(gòu)開挖直徑，m；dm為中盾直徑，m；u為每環(huán)漿液的單價(jià)，元，u=pm，p、m的取值按表3計(jì)算。

表3 新型泥漿與克泥效單價(jià)及用量

經(jīng)過(guò)計(jì)算，本工程在穿越10號(hào)線的68環(huán)之間，采用克泥效的原料總成本為27 138元(僅左線)，而使用新型雙液漿的原料成本僅為2 694.5元(僅左線)，二者相差近10倍的經(jīng)濟(jì)效益。因此，本文新型填充雙液漿經(jīng)濟(jì)效益可觀，可考慮在盾構(gòu)施工階段大面積使用。

4 結(jié)論

設(shè)計(jì)了一種用于開挖間隙填充的新型雙液漿，通過(guò)正交試驗(yàn)找到了該漿液的最優(yōu)配比，在此配比基礎(chǔ)上對(duì)漿液的強(qiáng)度、壓縮特性和穩(wěn)定性進(jìn)行了分析；并結(jié)合模型試驗(yàn)和實(shí)際工程對(duì)其應(yīng)用效果進(jìn)行了對(duì)比，從而驗(yàn)證了研制的新型填充漿液具有一定的應(yīng)用價(jià)值，可為中盾注漿材料的發(fā)展和優(yōu)化提供全新的思路。具體總結(jié)如下。

(1)盡管中盾注漿工法對(duì)地層的良好沉降控制效果已得到共識(shí)，但填充漿液的配比和選擇還是有待發(fā)展和廣泛應(yīng)用的，本文研制的新型漿液正是考慮了作為中盾注漿材料應(yīng)具有的特性。

(2)本漿液具有初凝時(shí)間短、強(qiáng)度增長(zhǎng)緩慢、抗壓縮性強(qiáng)及穩(wěn)定性良好的特性，在性能方面適用于盾構(gòu)開挖間隙的填充。

(3)室內(nèi)模型試驗(yàn)表明，填充漿液對(duì)盾殼的摩擦阻力不大，且相對(duì)于土體對(duì)盾殼的作用，漿液的填充反而會(huì)起到一定的潤(rùn)滑減阻效果。

(4)對(duì)比北京地鐵12號(hào)線西壩河站—三元橋站區(qū)間下穿既有10號(hào)線段的克泥效工法，采用新型填充雙液漿僅單線的材料成本可降低約10倍，其經(jīng)濟(jì)效益可觀，可考慮在盾構(gòu)施工階段大面積使用。