地下工程注漿室內試驗綜述

張 許 （安徽理工大學土木建筑學院，安徽 淮南 232001）

1 引言

對于城市道路的擁擠，城市隧道建設成為解決問題的關鍵，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。而頂管技術和盾構技術由于其效率高和不影響道路正常運行的優點被廣泛運用在地下工程建設中。在研究不同的地質參數時需要通過室內泥漿滲透試驗來達到最終的目的。

然而在頂管、盾構和泥漿試驗中，注漿是最為重要的一個環節。頂管注漿可以達到潤滑目的，降低其頂推力。盾構注漿可以降低土體的沉降，并有效形成防水層。針對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理。葉飛通過大量理論、試驗和真實案例得到盾構壁后注漿泥漿的擴散范圍，管片表面的注漿壓力大小。馮志強通過注漿擴散模型破碎煤巖體化學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試驗的方式得到相應的研究結果，本文通過總結各類地下工程注漿試驗，從而為以后的試驗研究留下有價值的參考。

2 頂管注漿模擬試驗

①劉招偉等設計了矩形頂管隧道施工泥漿套形成試驗模型，該試驗系統主要有試驗箱、加壓裝置、滑動系統、注漿系統組成。在模型箱中放入研究的土體，加壓系統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，在試驗箱下方有滑道，在外力作用下試驗箱勻速滑動，從而模擬矩形頂管頂進的過程。注漿系統上安裝氣壓表監測注漿壓力，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散范圍。通過該試驗，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理，以及在形成泥漿套后頂管在頂進過程中摩阻力的變化。

②鄧文杰、曹廣勇等設計了圓形頂管施工模型，分別是由開挖部分、頂管部分、傳動部分、注漿部分、監測部分和模型試驗箱體組成，如圖1所示。模型試驗箱按照相似比模擬土體，在試驗箱體兩端開孔，保證頂管可以進入，頂管前方的切土部分通過傳動軸和后方的驅動裝置相連，從而控制其切土速率，在切土裝置下方裝上壓力傳感器，實時記錄土體壓力，該系統可通過改變刀盤和后方的傳動軸的轉動速度來調整切土速度，從而控制土壓力的大小，并且通過出土量的多少和頂進的位移的大小來計算土層損失率。切下的土體通過頂管機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裝置勻速前進模擬頂管頂進，注漿系統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，實時地調整氣體大小，從而按照既定的注漿壓力恒壓注漿。在土體中和試驗箱上方安裝壓力盒和位移觀測裝置，達到預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 圓形頂管施工試驗裝置

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

3 盾構注漿模擬試驗

①梁精華等針對盾構注漿壓力變化的研究制作了室內模型試驗，該試驗裝置主要分為三個部分，分別為筒體部分、注漿系統和測量部分。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，側部設置限壓排水管。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，為了讓試驗裝置模擬出盾構機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，但是這樣會影響真實土壓力的大小，所以在這個部分中埋入一定大小的氣袋，來模擬盾構尾部與土體的空隙，上面放筒體平蓋，平蓋模擬盾構的管片，通過恒壓注漿，同時控制氣袋中氣體的釋放，達到一定的平衡。注漿系統為了阻止漿液的阻塞，設置了回路導管和清洗導管。注漿罐上部設置壓力計，實時觀察注漿壓力。監測裝置主要布置土壓力計，分別在土體中和頂蓋上，實時記錄注漿后土體和管道壓力的變化。

②在特殊地層中盾構施工同步注漿的研究問題上，董其昌設置了圖2的試驗裝置。該裝置主要有土體裝置、盾構推力裝置、注漿系統和測量系統構成。試驗箱為厚度15mm的有機玻璃組成。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盾構裝置勻速前進。注漿系統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機外壁上，注漿系統通過金屬管道進行注漿。監測裝置用土體位移計監測盾構施工注漿后土體的沉降，注漿后土壓力用土壓力盒監測，實時記錄數據，完成后分析結果。此模擬裝置為全模擬，相比上述試驗，試驗時間更長，但仿真程度更高。

圖2 特殊地層盾構施工試驗裝置

③針對盾構施工漿液液壓分布，張莎莎設計了更為復雜的試驗模型，該模型由試驗箱、模擬盾構機、管道推進控制系統、注漿系統和量測系統組成，如圖3所示。用一定尺寸鋼套模擬盾構機，管套內側用玻璃樹脂套管模擬隧道的管片，注漿管路埋入鋼套中。預先在土箱中兩側開孔，方便盾構機的進出，然后將管片和模擬盾構機在土箱中固定，將所要研究的土體按照要求填充至土箱中，夯實，加水固結。根據實際工程中土體的密度和土體應力，按照一定的相似比，將液壓裝置對其頂部進行加壓。打開高精度注漿儀器，然后在推進裝置作用下，模擬盾構機勻速向前運動，在運動的過程中，位移計記錄頂進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散情況。

圖3 盾構施工液壓試驗裝置

通過上述試驗裝置可以看出盾構試驗大部分是以實際工程為背景，用試驗的方式來研究注漿壓力的分布，以及管片的受力變化。梁精華的實驗裝置用簡單的裝置模擬盾構試驗，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散范圍。另外，兩個試驗裝置更多地需要借用計算機來觀察漿液擴散范圍，精確度也更高。

4 泥漿滲透試驗

①林鈺豐等以泥水盾構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條件下，其滲透距離的大小。該試驗裝置如圖4所示，該裝置主要用有機玻璃組成的圓柱形筒體為主要構件，為了保證試驗儀器的密封效果，在筒體上下部插入圓環鋼板凹槽，凹槽鋪設防水密封圈，可以通過旋轉4個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，從而阻止筒體內部氣體和液體的流失。在筒體的底部設有一個透水孔，在注漿和高壓條件下，液體在下部流出，筒體上部設有2個閥門，這兩個閥門可以起到進出氣控制，還有一個壓力計，監測壓力變化情況。先將不同地層按序放入筒體，上面倒入泥漿，試驗采用6個不同的壓力，每次加壓3min，最后觀察不同的地層滲透情況。本試驗裝置更為簡單明了，通過該試驗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裝置

5 結論

①頂管試驗主要是全模擬試驗，主要研究泥漿套的形成、土體沉降和頂進力的變化。實驗方案較為復雜。

②盾構試驗大部分以實際案例為基礎，研究泥漿的擴散范圍、注漿壓力分布和管片受力情況。

③針對地層加固或者需要研究不同地質或材料等影響因素時，需要進行注漿滲透試驗，該試驗方案較為簡單便捷。