盾構隧道壁后注漿漿液組分對其滲透性影響研究

朱東元，鐘小春，王紅飛

(1.河海大學 土木與交通學院，江蘇 南京 210098；2.中國建設銀行 上海市分行造價咨詢中心，

上海 200120)

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盾構隧道壁后注漿漿液組分對其滲透性影響研究

朱東元1，鐘小春1，王紅飛2

(1.河海大學 土木與交通學院，江蘇 南京 210098；2.中國建設銀行 上海市分行造價咨詢中心，

上海 200120)

摘要：在盾構施工中，選用漿液配比時往往根據(jù)經(jīng)驗，造成漿液性質(zhì)和地層不匹配，得不到理想的注漿效果。從漿液配比方面入手，采用單因素分析法，做變水頭試驗測出漿液的滲透系數(shù)，得到不同漿液配比時，漿液自身滲透性的變化規(guī)律，并進一步分析漿液與地層的匹配關系。試驗結果表明，當漿液其它成分不變時，漿液自身的滲透性隨水泥、粉煤灰、膨潤土用量的增多而減小，隨砂、減水劑用量的增多而增大。

關鍵詞：盾構；壁后注漿；漿液；滲透性

盾構法施工因具有施工安全、快速、勞動強度低和對壞境影響小等優(yōu)點[1]，目前已成為我國城市隧道建設的主流施工法。但由于盾構機刀盤開挖直徑大于管片外徑，管片脫出盾尾后會形成盾尾空隙，使土體處于無支護狀態(tài)并發(fā)生位移，產(chǎn)生地面沉降，造成地面建、構筑物的沉降或隧道偏移[2]。現(xiàn)在的處理方法是即時注入漿液，想要獲得良好的注漿效果，漿液的滲透性與地層滲透性需要滿足一定的匹配關系。目前對于盾構壁后注漿漿液種類方面的研究，主要分為兩種大的類型：雙液型漿液及單液型漿液[3]。葉飛等[2,4-6]求出包含注入盾尾空隙的漿液的擴散半徑、注漿壓力、漿液沿程壓力等因素對管片造成的壓力公式；范昭平等[7]推導出了壁后注漿漿液注入盾尾空隙之后的漿體壓力擴散分布公式；袁小會等[8]對賓漢姆流體的流變特征進行了分析；梁精華[9]認為決定漿液各項工程特性的根本因素是漿液的配比關系；Bezui jen等[10]指出注入盾尾的漿體在環(huán)向上表現(xiàn)為上面小下面大的形式，隨著時間推移，漿液會發(fā)生擴散，漿體壓力會慢慢減小，直到最終接近于地層中地下水的水壓力值。從目前的研究可以看出，學者們對漿液的各種性質(zhì)及其對工程的影響做過一系列研究，但對漿液的配比和自身滲透性的關系研究較少，而漿液的自身滲透性跟盾構掘進地層應該存在匹配的關系，對獲取較好的注漿效果至關重要，所以針對漿液自身的滲透性的問題進行深入的研究有其實際意義。

1 漿液滲透性對注漿效果影響分析

在盾構施工中，為了使盾構機在掘進過程中避免磕碰到已經(jīng)安裝好的混凝土管片，一般設計盾構機盾殼內(nèi)徑都要比混凝土管片外徑大，當盾尾脫出之后，地層與拼裝好的混凝土管片之間會有一定的空隙，如圖1所示。所以，盾尾空隙的存在是盾構法施工中不可避免的，盾尾空隙的存在會引起地基的沉降，如不加處理，過大的地表沉降將破壞地表已有的建筑物、構筑物。因此采用壁后注漿對盾尾空隙進行填充，緩解地基變形，固定盾構管片。

但在施工時由于注漿漿液配比不當，使注漿效果不佳，引起地面和隧道沉降的現(xiàn)象時有發(fā)生。因為盾構施工在不同性質(zhì)的地層中進行時，地層性質(zhì)對注入盾尾孔隙中的漿液性質(zhì)的變化有很大影響。當周圍土體的滲透性大于漿液自身的滲透性時，漿液中的水分會很容易滲透進入周圍的土體，水分流失較快，漿液初凝時間較短，體積收縮率大；反之當周圍土體的滲透性小于漿液自身的滲透性時，土體將會抑制漿液中水分的流失，初凝時間較長，體積收縮率小。在同一種地層中，不同滲透性的漿液所得到的注漿效果也大不相同。因此，壁后注漿時地層性質(zhì)跟漿液的滲透性之間有著很大的適應關系，應該根據(jù)施工中周圍地層合理選用漿液，得到良好的注漿效果。

2 試驗材料與方法

2.1 試驗材料

本實驗采用單液硬性漿液進行試驗，硬性漿液所用材料包括：水泥、粉煤灰、砂、南京湯山膨潤土、水、減水劑。

實驗所用漿液以緯三路過江隧道某標段所用漿液配方為基礎配方，如表1所示，在漿液基本配方的基礎上，采用單因素變化分析法，在保持其它各種材料用量不變的情況下，改變一種材料的用量，得到各種不同配比的漿液Y1～ Y20。

表1 漿液的基礎配方

2.2 試驗裝置

各種配比漿液的滲透系數(shù)通過變水頭法測定，實驗所用儀器為變水頭實驗裝置，主要由變水頭管、進水管、供水瓶、滲透容器組成；滲透容器由透水石、環(huán)刀、套環(huán)、上蓋和下蓋組成，如圖2所示。

3 試驗結果及分析

將實驗記錄的數(shù)據(jù)代入變水頭實驗滲透系數(shù)計算公式，得到每種配比的漿液自身的滲透系數(shù)，各漿液滲透系數(shù)大小如表2所示。

表2 各配比的漿液的滲透系數(shù)

根據(jù)測得的各漿液的滲透系數(shù)，利用單因素分析法，做出每一種摻料用量變化時引起的漿液自身的滲透性的變化曲線，如圖3所示，進而分析各摻料對漿液滲透性的影響情況。

由圖3(a)～(c)可以看出，在配制漿液的其它用料都不變的情況下，漿液自身的滲透系數(shù)隨水泥、粉煤灰、膨潤土用量的增多而減小，這主要是因為水泥、粉煤灰、膨潤土都是細顆粒材料，細顆粒材料增多時，能更好的填充漿液中的空隙，使?jié){液中的聯(lián)通通道減少，因此漿液的滲透系數(shù)減小；由圖3(d)可以看出，在只改變細砂用量的情況下，漿液自身的滲透性隨細砂用量的增多而增大，這主要是因為細砂為粗顆粒材料，漿液中細顆粒材料用量不變而粗顆粒增多，會使得漿液中的孔隙增大，聯(lián)通通道增多，因此漿液的滲透系數(shù)會增大；由圖3(e)可以看出，只改變減水劑用量的情況下，漿液自身的滲透性隨減水劑用量的增多而增大，這是因為減水劑通常是一種表面活性劑，屬陰離子型表面活性劑，它吸附于水泥顆粒表面使顆粒顯示電性能，顆粒間由于帶相同電荷而相互排斥，使水泥顆粒被分散，而釋放顆粒間多余的水分而產(chǎn)生減水作用，細顆粒被分散后漿液中的孔隙會增大，因而漿液的滲透系數(shù)會增大。

4 結論

1)在壁后注漿時，漿液會在壓力作用下向地層滲透，漿液和地層均具有各自的滲透性，施工時必須滿足漿液和地層滲透性相匹配，才能獲得較好的注漿效果。

2)工程中壁后注漿時，應該盡量確保盾尾空隙均勻填充，減緩地基變形，但較大的體積收縮率和較長的初凝時間起不到良好的支撐土體的作用。當在卵礫層等滲透性較大的地層施工時，漿液體積收縮率較大，應該減小漿液自身的滲透性。當在淤泥質(zhì)粘土等滲透性較小的地層施工時，漿液初凝時間較長，穩(wěn)定性差，應該選用較大滲透性的漿液，并且減少用水量。

3)水泥、粉煤灰、膨潤土等細顆粒材料能夠更好地填充漿液中孔隙，隨著用量增大，漿液自身滲透性減小；反之，隨著細砂這種粗顆粒材料的增多而增大。而減水劑能分散漿液中的細顆粒，釋放顆粒間多余的水分，滲透性同樣隨著用量的增多而增大。

參考文獻：

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[9]梁精華.盾構隧道壁后注漿材料配比優(yōu)化及漿體變形特性研究[D].南京：河海大學，2006.

[10]BEZUIJEN A，TALMON A M，KAALBERG F J，et al.Field measurements of grout pressures during tunnelling of the Sophia Rail Tunnel[J].Tunnelling.A Decade of Progress.GeoDelft, 2006: 83.

(責任編輯王利君)

Experiment study of the influence of shield tunnel grouting behind segment components on its permeability

ZHU Dong-yuan1, ZHONG Xiao-chun1,WANG Hong-fei2

(1.College of Civil and Transportation Engineering, Hohai University, Jiangsu Nanjing 210098, China;2.Shanghai branch China Cost Consulting Center, Construction Bank of China Shanghai 200120,China)

Abstract：In practical engineering, slurry ratio are usually confirmed by experience, which causes slurry properties and formation mismatching, and cannot get ideal grouting effects. In this paper, we will start with the slurry ratio, using single factor analysis to measure permeability coefficient by doing variable head test. On the basis of experiment, we can discuss the change law of slurry permeability in different slurry ratio, and make a further analysis of the matching relationship between slurry and formation. The results showed that: when other components of slurry remain unchanged, slurry permeability decreased along with the cement, fly ash, bentonite growth, and increased along with sand, water reducing agent growth, which could provide an reference for selection of slurry in future engineering.

Key words：shield; backwall grouting; slurry; permeability

中圖分類號：TU753.7

文獻標識碼：A

文章編號：1673-9469(2016)01-0027-04

doi:10.3969/j.issn.1673-9469.2016.01.007

作者簡介：朱東元(1991-)，男，江蘇鹽城人，碩士，從事盾構隧道研究。

基金項目：國家自然科學基金資助項目(51378176)

收稿日期：2015-10-09