盾構(gòu)隧道同步注漿材料的浮力時(shí)效特性試驗(yàn)研究*

胡光靜,黃大維,申海鷗,趙 輝,劉清忠,陳曉飛,羅恒星,龐培彥

(1.中鐵廣州工程局集團(tuán)有限公司,廣東 廣州 511457; 2.華東交通大學(xué)軌道交通基礎(chǔ)設(shè)施性能監(jiān)測(cè)與保障國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江西 南昌 330013; 3.中鐵二十五局集團(tuán)有限公司,廣東 廣州 511455; 4.中鐵四局集團(tuán)有限公司,安徽 合肥 230041; 5.中鐵二局集團(tuán)有限公司,四川 成都 610031; 6.中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司,河南 鄭州 450016)

0 引言

盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中,盾構(gòu)機(jī)開(kāi)挖直徑往往要大于盾構(gòu)隧道外徑,由此導(dǎo)致完成拼裝的隧道脫出盾尾后,隧道與地層間形成空隙,因此需通過(guò)同步注漿填充該空隙。為加強(qiáng)隧道防水、減少施工期隧道上浮,普遍采用可硬性同步注漿材料,然而可硬性同步注漿材料在凝固前同樣具有浮力,當(dāng)掘進(jìn)施工過(guò)快,同步注漿浮力影響導(dǎo)致隧道發(fā)生局部上浮時(shí),極易引發(fā)管片錯(cuò)臺(tái)、破損、滲漏水等病害[1-2]。因此盾構(gòu)隧道同步注漿材料的浮力時(shí)效特性對(duì)盾構(gòu)施工掘進(jìn)速度控制十分關(guān)鍵。

在地下結(jié)構(gòu)浮力特性研究方面,向科等[3]開(kāi)展了淺埋地下結(jié)構(gòu)浮力模型試驗(yàn),研制了靜結(jié)構(gòu)浮力測(cè)試模型試驗(yàn)系統(tǒng),針對(duì)不同種類土層環(huán)境模型結(jié)構(gòu)所受浮力及孔隙水壓力進(jìn)行測(cè)試;周俊宏等[4],張連凱[5],Zhou等[6]設(shè)計(jì)了盾構(gòu)隧道上浮縮尺裝置,通過(guò)拉桿傳力替代上浮力,實(shí)現(xiàn)了隧道上浮量控制,同時(shí)得到了不同上浮量下的抗浮力大小,并采用了機(jī)器視覺(jué)技術(shù)觀測(cè)透明土中隧道上浮時(shí)土體運(yùn)動(dòng)過(guò)程;楊方勤等[7],Kasper等[8],朱合華等[9]通過(guò)模型試驗(yàn)和理論分析的方法,進(jìn)行隧道抗浮模型試驗(yàn),通過(guò)改變結(jié)構(gòu)總重確定不同齡期漿液引起的結(jié)構(gòu)上浮位移,基于此提出隧道上浮穩(wěn)定機(jī)理,并建立盾構(gòu)隧道上浮計(jì)算的理論模型;肖明清等[10],朱建春等[11],朱令等[12],葉俊能等[13],張雨帆[14]采用數(shù)值模擬法,基于不同埋深與掘進(jìn)速度條件,對(duì)比分析不同齡期漿液下隧道結(jié)構(gòu)縱向受力、管片錯(cuò)臺(tái)量,認(rèn)為縮短漿液齡期能有效減小管片間錯(cuò)臺(tái)。阮承志等[15],黃大維等[16]基于不同的漿液材料配合比,測(cè)試了漿液流動(dòng)度、稠度、分層度等性能,模擬了漿液在砂土地層中的擴(kuò)散過(guò)程。然而,現(xiàn)有研究缺乏對(duì)同步注漿的浮力時(shí)效特性研究,因此同步注漿材料的浮力對(duì)施工期隧道結(jié)構(gòu)的影響評(píng)估精度低。

本文通過(guò)設(shè)計(jì)模型試驗(yàn),對(duì)同步漿材料的浮力進(jìn)行測(cè)試,并結(jié)合測(cè)試結(jié)果分析漿液凝固過(guò)程中同步注漿材料對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的作用。研究成果對(duì)盾構(gòu)隧道同步注漿材料配制、施工期隧道上浮控制具有指導(dǎo)意義。

1 試驗(yàn)簡(jiǎn)介

試驗(yàn)設(shè)計(jì)的浮力測(cè)試裝置主要結(jié)構(gòu)如圖1所示,試驗(yàn)土箱尺寸為88cm×82.5cm×105cm(長(zhǎng)×寬×高),土箱四周為3cm厚有機(jī)玻璃。試驗(yàn)同步注漿材料置于土箱內(nèi)。浮力測(cè)試圓筒放置于模型箱幾何中心,圓筒底部距土箱底部的砂土約20cm。圓筒頂部安裝豎向位移計(jì),試驗(yàn)時(shí)量測(cè)裝置沉降;圓筒上部與吊秤通過(guò)墊有減振彈簧的螺栓連接,其中吊秤用來(lái)監(jiān)測(cè)裝置浮力變化。圓筒內(nèi)部設(shè)有配重,保持箱內(nèi)整體結(jié)構(gòu)(包括測(cè)試圓筒、配重塊、位移計(jì)、角碼與螺栓)自重大于所受最大浮力,本試驗(yàn)箱內(nèi)整體結(jié)構(gòu)總重117.00kg。試驗(yàn)時(shí),通過(guò)讀取吊秤的重力減小值測(cè)得圓筒所受到的浮力。

圖1 同步注漿材料浮力測(cè)試裝置(單位:cm)Fig.1 Simultaneous grouting material buoyancy test device(unit:cm)

同步注漿材料參考地鐵隧道施工現(xiàn)場(chǎng)所用的同步注漿材料配合比:水泥∶粉煤灰∶細(xì)砂∶膨潤(rùn)土∶水為1∶2.7∶4.1∶0.5∶3。細(xì)砂級(jí)配曲線如圖2所示。配制的漿液密度為1.7g/cm3。試驗(yàn)時(shí)向土筒內(nèi)倒入配制好的漿液,當(dāng)漿液液位到達(dá)圓筒底部后,通過(guò)控制漿液倒入量,使每次液位上升約5cm,共分3次,即液位距圓筒底部分別為5,10,15cm。

圖2 細(xì)砂級(jí)配曲線Fig.2 Fine sand gradation curve

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 倒入漿液時(shí)圓筒浮力與上浮量分析

土箱內(nèi)倒入漿液時(shí)液位與浮力的關(guān)系如圖3所示,試驗(yàn)值通過(guò)圓筒的稱量數(shù)據(jù)計(jì)算所得,理論值根據(jù)阿基米德原理計(jì)算所得。因倒入漿液時(shí),圓筒出現(xiàn)上浮趨勢(shì)(見(jiàn)圖4),因此在計(jì)算圓筒理論浮力時(shí),考慮圓筒上浮量,3次液位變化所對(duì)應(yīng)的理論浮力分別為226.9,451.3,695.0kN。由圖3可知,剛配制好的漿液由于其流動(dòng)性良好,實(shí)測(cè)浮力與理論浮力結(jié)果非常接近。稍有一定偏差與試驗(yàn)誤差、漿液的黏滯性等影響有關(guān)。

圖3 土箱內(nèi)倒入漿液時(shí)液位與浮力的關(guān)系Fig.3 Relationship between liquid level and buoyancy when slurry is poured into the soil box

圖4 土箱內(nèi)倒入漿液時(shí)圓筒的上浮量Fig.4 The uplift of the cylinder when the slurry is poured into the soil box

因圓筒與吊秤連接時(shí)在連接螺栓內(nèi)墊入了彈簧(見(jiàn)圖5),圓筒的重力由彈簧壓力所承擔(dān),因此彈簧將發(fā)生一定的壓縮。土箱內(nèi)倒入漿液使圓筒受到浮力時(shí),圓筒總重將減小,彈簧將伸長(zhǎng),由此導(dǎo)致圓筒發(fā)生豎向位移,即圖4所示的上浮量。由圖4可知,當(dāng)液位由0分別上升至5,10,15cm時(shí),結(jié)構(gòu)的累積上浮量分別為1.7,4.6,5.6mm,上浮量線性較好,總體與圓筒與吊秤的連接彈簧線性伸長(zhǎng)有關(guān)。

圖5 圓筒與吊秤的連接彈簧Fig.5 The spring connection of the cylinder to the lifting weight

2.2 漿液凝固時(shí)浮力與上浮量分析

漿液靜置過(guò)程中圓筒的浮力變化如圖6所示,由圖6可知,在漿液倒入土箱后靜置的4h內(nèi),圓筒浮力減小速率先增大后減小;靜置約19h后浮力減小速率增大(有一段沒(méi)有數(shù)據(jù)點(diǎn)是考慮到數(shù)據(jù)變化較小,未再讀數(shù)),在靜置約21h后浮力達(dá)到最小,值為402kN,此時(shí)與圓筒在純水中所受到的浮力非常接近(408kN);之后浮力再次增大,約32h后,圓筒浮力基本穩(wěn)定。

圖6 漿液靜置過(guò)程中圓筒的浮力變化Fig.6 Change in buoyancy of the cylinder during the resting of the slurry

結(jié)合試驗(yàn)所觀察到的現(xiàn)象可知,漿液靜置后,開(kāi)始發(fā)生泌水,可見(jiàn)漿液中固體成分開(kāi)始向下沉淀,因漿液中的固體成分重力逐漸傳遞到底部基礎(chǔ)(砂土)中,其懸浮顆粒逐漸減少,因此漿液對(duì)圓筒的浮力開(kāi)始減小,在靜置約4h后,大部分圓體顆粒完成沉淀,因此浮力減小速率顯著減小。靜置過(guò)程中漿液開(kāi)始凝固,其流動(dòng)性繼續(xù)降低,靜置約21h浮力達(dá)到最小值,與漿液凝固有關(guān),漿液繼續(xù)發(fā)生水化反應(yīng),具有一定強(qiáng)度的漿體體積發(fā)生一定變化,由此對(duì)圓筒產(chǎn)生支承力,因此吊秤所測(cè)重力減小,計(jì)算所得的浮力再次增大。

漿液靜置過(guò)程中圓筒豎向位移變化如圖7所示。由圖7可知,靜置過(guò)程中因浮圓筒的浮力逐漸減小,圓筒向下發(fā)生沉降,最大沉降值約為3mm。因彈簧剛度較大,靜置4h后圓筒的浮力變形較小,其豎向位移變化并不明顯,因此圖7只記錄了靜置約8h的圓筒豎向位移,對(duì)比圖6,7可知,漿液靜置過(guò)程浮力變化與圓筒的豎向位移變化趨勢(shì)一致。

圖7 漿液靜置過(guò)程中圓筒豎向位移變化Fig.7 The vertical displacement change of the cylinder during the slurry standing process

根據(jù)同步注漿材料室內(nèi)浮力測(cè)試發(fā)現(xiàn),在注漿材料剛完成配制時(shí),漿液流動(dòng)性好,漿液中的固體顆料呈懸浮狀態(tài),漿液對(duì)圓筒的浮力等于圓筒排開(kāi)漿液的重力(符合阿基米德浮力原理)。當(dāng)漿液開(kāi)始靜置后,漿液中固體成分開(kāi)始向下沉淀而發(fā)生泌水現(xiàn)象,圓筒浮力開(kāi)始迅速減小,在靜置約4h后圓筒浮力減小速率顯著降低。靜置約21h后圓筒浮力減小到最小值,其大小等于圓筒排開(kāi)水的重力。在達(dá)到最小值后,圓筒所受到的浮力有一定的增大,主要與漿液水化反應(yīng)過(guò)程中發(fā)生凝固及一定的體積變化有關(guān)。

基于上述相關(guān)測(cè)試分析可知,為減小施工期隧道上浮對(duì)隧道施工質(zhì)量的影響,可適當(dāng)降低盾構(gòu)隧道掘進(jìn)速度,以減小漿液的浮力影響范圍;此外,盡管在漿液靜置約4h后其受到的到浮力已大幅度降低,但漿液并未凝固,即基本沒(méi)有強(qiáng)度,考慮到即便在最小浮力時(shí)也與圓筒排開(kāi)水的重力相等,因此位于地下水位以下的盾構(gòu)隧道仍為典型的上浮結(jié)構(gòu),隧道上部的同步注漿材料需承擔(dān)隧道的上浮荷載。為減小隧道上浮,配制快凝的同步注漿材料,或在隧道頂部合理注入速凝的雙液漿(采用水泥與水玻璃配制而成)。

3 結(jié)語(yǔ)

1)在土箱內(nèi)倒入漿液時(shí),圓筒受到浮力與其排開(kāi)的同步注漿材料重力相等,與液位上升的線性關(guān)系良好,即圓筒在同步注漿材料中所受到的浮力符合阿基米德浮力原理。

2)注漿材料靜置后圓筒的浮力開(kāi)始減小,在靜置約4h內(nèi)浮力迅速減小,主要與漿液沉降及凝固有關(guān);在靜置約21h浮力達(dá)到最小值,最小浮力與圓筒在純水中所受到的浮力非常接近。

3)靜置約21h后浮力再次增大,最終所測(cè)得的浮力稍大于圓筒所受到水的浮力,主要與漿液水化反應(yīng)過(guò)程中發(fā)生凝固及一定的體積變化有關(guān)。

4)為減小施工期隧道上浮對(duì)隧道施工質(zhì)量的影響,可適當(dāng)降低盾構(gòu)隧道掘進(jìn)速度,以減小漿液的浮力影響范圍;或在隧道頂部合理地注入速凝的雙液漿。