淺埋隧道高壓噴射灌漿初期強度性能測試研究

黃德敏

在軟土地基隧道施工中，采用水平高壓噴射灌漿柱是一種常用的支護方法。灌漿柱在制作完成初期（24 h以內）強度隨時間變化較大，過早安裝有可能會引起支護斷裂，嚴重時引發地表沉降，而安裝時間過長又會影響施工周期，因此有必要對灌漿柱制作完成初期的強度變化情況進行研究。文章對灌漿混合料強度初期變化情況進行了相關測試，包括無側限抗壓強度和楊氏模量的測試，此外，灌漿設備采用絕緣設置，以便測量澆筑過程中的溫度變化情況。

高壓噴射灌漿;隧道支護;強度性能測試

U455-A-36-123-3

0?引言

高壓噴射灌漿于20世紀70年代在日本開發，隨后引入歐洲，到20世紀80年代在北美使用。與滲透灌漿相比，滲透灌漿對所處理的土體類型要求較高，而高壓噴射灌漿幾乎可用于處理任何土體。高壓噴射灌漿最早采用了由硅酸鹽水泥和水組成的單流體噴射灌漿，可產生直徑達500～1 000 mm的泥漿柱。高壓噴射灌漿一般分兩個階段進行，在第一階段，采用旋轉鉆，推進鉆柱;第二階段，開始噴射，旋轉和抽出鉆柱。

高壓噴射灌漿在淺埋隧道施工中的應用越來越普遍，尤其是對于非圓形斷面的大型隧道，可使用多組水平高壓噴射灌漿柱分階段進行安裝，在隧道面前方形成一個水泥土拱，以提供開挖支護。如圖1所示。

淺埋隧道的設計要求之一是施工方法必須將表面沉降控制在規定的范圍以內。然而，采用高壓噴射灌漿時，高壓噴射灌漿泥漿的安裝與水泥土混合物的硬化之間存在延遲。如果這種硬化足夠延遲，高壓噴射灌漿柱可能沒有足夠的強度來抵抗覆蓋層荷載，從而導致隧道上方過度沉降和相關的表面變形。由于高壓噴射灌漿柱通常分為四個或四個以上的組進行安裝，如果不遵守嚴格的質量控制程序，這種方法很有可能引起表面沉降。因此對高壓噴射灌漿柱初期的強度進行評估有助于解決這一潛在問題。根據高壓噴射灌漿柱體強度隨時間變化的規律，讓開挖荷載由硬化程度最大的高壓噴射灌漿柱支撐，采用這種方式進行排序安裝能夠最大限度減少表面沉降的發生。

1?試樣的制備

1.1?試驗材料

漿液的成分部分取用所處理的地基土，高壓噴射灌漿過程涉及土體的侵蝕、混合、置換和孔隙空間填充，因此高壓噴射灌漿成分無法被準確地計算及分析。根據相關研究可知，在砂礫石和粉砂中進行高壓噴射灌漿的現場試驗中，漿液所占比重為40%～70%。

1.2?試驗方案

為了表征高壓噴射灌漿的特性，測試了41個試樣，以確定強度隨時間的變化。試驗的重點是從初始凝固到24 h的固化時間，在約6 h、7 h、8.5 h、10.5 h、13.75 h、18.5 h和24 h以及2 d、3 d和28 d時測試無側限抗壓強度、楊氏模量和進行反應過程中溫度變化測量。

1.3?試樣制備過程

測試的高壓噴射灌漿的水灰比為1∶1（按重量計），灌漿的比例與高壓噴射灌漿相同，砂土取自工作區地基土，水泥為一般硅酸鹽水泥。相關參數取值如表1所示。

漿液在內徑76.2 mm、長305 mm的亞克力管（聚丙烯酸類塑料）中進行澆鑄（如圖2所示）。這些管子被包裹在200 mm的聚苯乙烯絕緣材料（聚苯乙烯）中，將19 mm厚的塑料墊片插入間隔152 mm的亞克力管中，以便獲得2∶1的高徑比樣品。使用墊片，以便生產具有光滑方端的樣品，這樣就不需要覆蓋或切割樣品了。墊片上有兩個12 mm的孔，對其進行灌漿。

隔熱層采用聚苯乙烯材料，以便實驗室試驗具有與現場澆筑高壓噴射灌漿柱類似的時間-溫度變化，因為硬化水泥的強度與溫度變化有直接關系。水泥漿在水化過程中用熱敏電阻記錄溫度。

2?高壓噴射灌漿初期性能測試分析

由高壓噴射灌漿柱初期強度性能試驗結果可知（見圖3），水泥漿在初次攪拌后約6 h初凝，此時，水泥漿具有一定的強度，足以能夠將76 mm的樣品從模具中取出，而不會造成明顯的損壞。此后，漿液的硬化速度很快，在最初的24 h內硬化速度最快。此外，在大約11 h后，灌漿的性質發生了變化，材料性能從塑性變為脆性。

2.1?灌漿柱無側限抗壓強度測試結果分析

在圖3（a）中可以看出，無側限抗壓強度（UCS）隨時間的增加呈冪型關系，即強度增長率隨時間的增加而增加。從圖中可以看出直線部分長達約10.5 h，此時強度增加率最大。超過10.5 h后，強度增加的速度會隨著時間而變慢。由試驗數據可得出無側限抗壓強度隨時間變化的經驗公式，式（1）表示<10.5 h的強度，式（2）表示>10.5 h的強度。時間t單位為h，無側限抗壓強度UCS單位為kPa。

UCS=1.088×10-4t6.638<10.5 h（1）

UCS=1.088ln（t-8.34）-408.7>10.5 h（2）

2.2?灌漿柱無側限抗壓強度測試結果分析

如圖3（b）所示，楊氏模量隨時間的變化與UCS隨時間的變化具有相似的走勢。同樣可得出楊氏模量隨時間變化的經驗公式，式（3）表示<10.5 h的楊氏模量，式（4）表示>10.5 h的楊氏模量。時間t單位為h，楊氏模量E單位為MPa。

E=1.088×10-4t5.697<10.5 h（3）

E=184.3ln（t-9.51）-183.7>10.5 h（4）

2.3?高壓噴射灌漿初期溫度變化分析

試驗過程中的平均室溫為24.3 ℃。如圖4（a）所示，第一次水化循環將水泥漿溫度提高了8.8 ℃，并在攪拌后的1 h內發生。接下來是大約5 h的穩定溫度，然后是5～15 h之間的顯著溫度增加，在15 h左右溫度達到最高值，而溫度增加速率在大約11 h達到峰值，在11～15 h之間不斷減小，并且在15 h左右減小到0。

通過觀察圖3和圖4，可以看出灌漿強度變化與溫度變化之間有很強的關聯性。在剛開始澆筑時溫度迅速升高，又很快冷卻下來，在往后的5～15 h之間溫度變化率先增加后減小，溫度也在持續升高。這個階段漿液硬化速度最快，當溫度不再升高時，漿液硬化速度減慢，但依然在增加，因此水泥水化釋放的熱量有助于漿液加快硬化。

3?結語

本文通過室內試驗總結了高壓噴射灌漿材料的

時變特性。實驗結果顯示，硬化開始前6 h及硬化6 h后，強度和剛度迅速增加，初始混合后持續約12 h。此后，硬化過程繼續進行，但速度較慢。強度和剛度特性都與溫度有很強的相關性，因此現場溫度測量是評估強度和剛度的有用指標。同時，給出了高壓噴射灌漿柱初期硬度變化的經驗公式，結合漿液硬化隨時間的變化，保證相鄰立柱安裝之間必須留出足夠的時間，以使水泥漿硬化，提供足夠的隧道支撐，進而能夠高效完成隧道支護結構的安裝。

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