盾尾同步注漿模擬試驗(yàn)研究

黃大維，石海斌，3，羅仲睿，3，羅文俊，方 燾，宋 森

（1.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；2.華東交通大學(xué)江西省防災(zāi)減災(zāi)及應(yīng)急管理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌 330013；3.蘇州軌道交通集團(tuán)有限公司，江蘇 蘇州 215004；4.中鐵上海工程局集團(tuán)有限公司，上海 201906）

長(zhǎng)期以來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)盾構(gòu)隧道同步注漿理論進(jìn)行了大量的研究，但是各研究的側(cè)重點(diǎn)有所不同，如：學(xué)者針對(duì)同步注漿材料配比方案以及漿液泵送方式進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)[1-3]；研究水泥水化作用對(duì)漿液固結(jié)特性的影響及其在漿液擴(kuò)散中起到的作用[4-6]；對(duì)在礫砂地層中不同注漿量下引起的地表沉降進(jìn)行研究[7-9]。通過(guò)理論解析法，學(xué)者借助于牛頓流體模型、Bingham 流體本構(gòu)模型，推導(dǎo)出盾尾空隙橫斷面內(nèi)漿液壓力的分布公式，建立了盾尾同步注漿縱橫向整體擴(kuò)散理論模型[10-12]；通過(guò)數(shù)值仿真軟件分析了不同黏度、注漿速率以及初始動(dòng)水流速對(duì)注漿擴(kuò)散過(guò)程的影響[13-15]；分析在限定流量時(shí)采用不同的注漿方式所產(chǎn)生的漿液的擴(kuò)散情況[16-18]；通過(guò)室內(nèi)模型試驗(yàn)對(duì)不同注漿壓力下漿液在地層中的擴(kuò)散性質(zhì)進(jìn)行研究[19-22]；對(duì)非飽和地層中漿液的滲透擴(kuò)散機(jī)理進(jìn)行研究，建立漿液擴(kuò)散半徑與注漿壓力以及注漿時(shí)間之間的關(guān)系[23-26]。綜上所述，目前針對(duì)漿液在壁后的擴(kuò)散形式的研究大都是采用理論分析與數(shù)值仿真，但是由于注漿過(guò)程處于動(dòng)態(tài)變化中，影響因素眾多，單純的理論分析與數(shù)值模擬難度大。

本文基于同步注漿材料點(diǎn)式壓注的特點(diǎn)，建立了盾構(gòu)隧道同步注漿材料點(diǎn)式壓注模型試驗(yàn)平臺(tái)，分析了不同注漿壓力下漿液的空間分布以及注漿區(qū)域上部土壓力變化，并對(duì)不同注漿壓力下引發(fā)的地表沉降進(jìn)行了研究。揭示了盾尾注漿漿液擴(kuò)散機(jī)理，為注漿壓力的選取提供了合理依據(jù)，提高了同步注漿的可靠性與安全性。

1 試驗(yàn)簡(jiǎn)介

1.1 模型試驗(yàn)裝置

為了準(zhǔn)確模擬點(diǎn)式注漿的壓力控制以及漿液在壁后空間內(nèi)受土壓力影響下的擴(kuò)散特性，研發(fā)了一種同步注漿模擬裝置，模擬裝置如圖1 所示，主要包括土箱、恒壓同步注漿裝置、安裝有注漿管并可實(shí)現(xiàn)同步推進(jìn)的注漿板。試驗(yàn)采用的土箱內(nèi)部長(zhǎng)，寬，高分別為82.5，76，107.5 cm。正面下部安裝有高為20 cm 的有機(jī)玻璃板，上部采用雙層厚木板進(jìn)行封閉，并在兩者間預(yù)留有8 cm 的空間。注漿板從正面放入土箱，并通過(guò)留有的縫隙進(jìn)行拉出，為了能夠在試驗(yàn)過(guò)程中實(shí)時(shí)了解到注漿情況，土箱的另外三面使用透明有機(jī)玻璃板進(jìn)行封閉。

圖1 盾尾同步注漿模擬裝置Fig.1 Shield tail synchronous grouting simulation device

實(shí)際同步注漿施工中主要對(duì)漿液流量及注漿壓力兩個(gè)方面進(jìn)行控制。考慮到本試驗(yàn)著重研究的是同步注漿材料在不同注漿壓力下的擴(kuò)散情況以及土體的壓力變化規(guī)律，需要消除不同漿液注入量所帶來(lái)的影響，試驗(yàn)過(guò)程中需要對(duì)漿液注入量進(jìn)行控制。由于現(xiàn)場(chǎng)施工中采用的注漿設(shè)備為脈沖式注漿，產(chǎn)生的注漿壓力呈周期性變化，無(wú)法保證注漿的均勻性。為此，本試驗(yàn)設(shè)計(jì)了一種恒壓同步注漿裝置[15]，此裝置除了可以提供較為穩(wěn)定的注漿壓力以外，同時(shí)可以對(duì)漿液質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)漿液流量的粗略控制。以土箱正面底部的玻璃板為界，完成第一階段填土后放置注漿板，使出漿口與土箱內(nèi)壁保持5 cm 左右的距離。將其與螺紋拉桿連接并通過(guò)旋轉(zhuǎn)螺母來(lái)實(shí)現(xiàn)在進(jìn)行注漿的同時(shí)保持注漿板的逐步移動(dòng)，以此來(lái)模擬同步注漿。在完成注漿板與恒壓同步注漿裝置的安裝后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的第二次填土，使其提供一定的上部土壓力。

1.2 同步注漿材料配置

模型試驗(yàn)中使用的漿液為目前盾構(gòu)隧道施工中應(yīng)用廣泛的單液可硬性漿液。為消除不同材料對(duì)漿液性質(zhì)產(chǎn)生的影響，采用與現(xiàn)有同步注漿材料相同的材料進(jìn)行漿液配置，包括砂、水泥、水、粉煤灰及膨潤(rùn)土等。各組成成分的配比參照現(xiàn)有同步注漿材料進(jìn)行設(shè)計(jì)，具體配比為水∶水泥∶砂∶粉煤灰∶膨潤(rùn)土=5.63∶1∶11.02∶3.22∶0.85。

2 注漿過(guò)程中壓力分布規(guī)律

2.1 注漿過(guò)程中上部土壓力變化

為保證漿液能夠順利注入盾尾空隙中，需要提供一定的注漿壓力。從理論上來(lái)講，注漿壓力越大，越有利于漿液的擴(kuò)散，漿液對(duì)盾尾空隙的填充效果也越好，但是過(guò)大的注漿壓力會(huì)對(duì)周圍土體產(chǎn)生擾動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)鹚淼勒w上浮、地表隆起等一系列的危害。通過(guò)在注漿板上方距離為10 cm 的水平面布設(shè)水囊壓力計(jì)，對(duì)注漿過(guò)程中的上部土壓力變化進(jìn)行研究，進(jìn)而分析土體內(nèi)的應(yīng)力分布，具體布設(shè)方案如圖2 所示。

圖2 注漿區(qū)域上部壓力計(jì)布設(shè)Fig.2 Layout of pressure gauge at the upper part of grouting area

通過(guò)旋轉(zhuǎn)螺紋拉桿上的螺母將注漿板逐步拉出，每移動(dòng)5 cm 對(duì)各點(diǎn)讀數(shù)進(jìn)行一次記錄。垂直于出漿口移動(dòng)軸線布置的1、2、3 號(hào)壓力計(jì)讀數(shù)變化代表了注漿過(guò)程中該水平面橫向上的壓力變化情況，對(duì)采用注漿壓力為15 kPa 進(jìn)行注漿時(shí)的壓力變化進(jìn)行匯總，具體結(jié)果如圖3 所示。

圖3 注漿區(qū)域上部土壓力分布Fig.3 Earth pressure distribution in the upper part of grouting area

從圖3 可以看出，注漿全過(guò)程中布設(shè)于出漿口兩側(cè)的1 號(hào)、3 號(hào)壓力擁有基本相同的變化規(guī)律，且兩者數(shù)值的大小差異較小，而位于注漿軸線的2 號(hào)壓力計(jì)在變化規(guī)律與數(shù)值大小方面與另外兩者均有較大差異。隨著出漿口逐漸接近設(shè)置的測(cè)試斷面，由于出漿口保持有較大的注漿壓力，位于出漿口移動(dòng)軸線上的2 號(hào)壓力計(jì)受注漿壓力影響較大，壓力逐漸增大。由于本試驗(yàn)所采用的土體為砂性土，強(qiáng)度較低，穩(wěn)定性較差，土體承載能力較弱。在注漿過(guò)程中，注漿板向土箱外側(cè)移動(dòng)，原先在注漿板上方的土體發(fā)生失穩(wěn)并向下滑動(dòng)，而注入的注漿材料也未能及時(shí)將這一間隙進(jìn)行完全地填充，從而導(dǎo)致除了受注漿壓力影響較大的2 號(hào)壓力計(jì)外，兩側(cè)原本由注漿板承載的上部荷載轉(zhuǎn)由漿液直接承載，兩側(cè)的壓力計(jì)均出現(xiàn)了壓力減小的情況。隨著注漿過(guò)程的持續(xù)進(jìn)行，出漿口逐漸遠(yuǎn)離測(cè)試斷面，2 號(hào)壓力計(jì)讀數(shù)也逐漸減小，而此時(shí)由于注漿材料與土體結(jié)合的過(guò)程中水分會(huì)逐漸滲透入土體內(nèi)部，同步注漿材料體積縮小，注漿區(qū)域上部的土體發(fā)生沉降并產(chǎn)生土拱效應(yīng)，導(dǎo)致位于中部的2 號(hào)壓力計(jì)讀數(shù)持續(xù)減小的同時(shí)，位于兩側(cè)的1 號(hào)、2 號(hào)、3 號(hào)壓力計(jì)讀數(shù)逐漸增大。

2.2 出漿口與注漿區(qū)域頂端壓力差

注漿材料在注漿壓力的作用下從出漿口流出，隨著漿液在地層中擴(kuò)散，注漿壓力消散，在出漿口位置與注漿區(qū)域頂端形成壓力差。為了研究注漿過(guò)程中漿液的壓力變化，除了在模型土體內(nèi)部按上述方式布置1～4 號(hào)壓力計(jì)外，在與注漿板處于同一水平面的土箱內(nèi)壁上布設(shè)第5 號(hào)土壓力計(jì)，同時(shí)在注漿板的出漿口處布設(shè)第6 號(hào)土壓力計(jì)。具體的布設(shè)方案如圖4 所示。

圖4 測(cè)點(diǎn)布設(shè)Fig.4 Layout of measuring points

考慮到氣泵提供的壓力需要經(jīng)過(guò)儲(chǔ)漿罐及注漿管，由于儲(chǔ)漿罐內(nèi)漿液的量處于動(dòng)態(tài)變化中，無(wú)法保證每次到達(dá)出漿口時(shí)具有相同的壓力損失，在此情況下以氣壓泵一端的壓力作為注漿壓力缺乏準(zhǔn)確性，因此以出漿口處設(shè)置的壓力計(jì)（即圖4 中的6 號(hào)）的讀數(shù)進(jìn)行控制，并以此作為注漿壓力。得到不同的注漿壓力下出漿口位置以及土箱頂端的漿液壓力如圖5 所示。

圖5 不同注漿壓力下出漿口位置與土箱頂端壓力關(guān)系Fig.5 Relationship between grout outlet position and top pressure of soil box under different grouting pressure

圖5（a）～圖5（d）是當(dāng)注漿壓力逐漸減小時(shí)出漿口位置及土箱頂端壓力之間關(guān)系的變化過(guò)程。在試驗(yàn)開始時(shí)由于需要先對(duì)注漿管進(jìn)行填充，為了保證漿液能夠順利注入，同時(shí)也為了方便對(duì)后續(xù)的壓力進(jìn)行調(diào)控，因此在每次試驗(yàn)的初始階段均會(huì)采用較大的注漿壓力進(jìn)行注漿，這也就造成了圖5 中各組試驗(yàn)的初始?jí)毫鄬?duì)較大。從圖5（a）可以看出，當(dāng)注漿壓力控制在較大值時(shí)，隨著出漿口逐漸遠(yuǎn)離土箱頂端，漿液會(huì)有較為明顯的壓力損失，最終出漿口位置壓力大于土箱頂端壓力。圖5（b）采用的注漿壓力也相對(duì)較大，但是由于試驗(yàn)過(guò)程中操作不當(dāng)導(dǎo)致注漿管堵塞，出漿不暢，因此在曲線中部出現(xiàn)出漿口壓力小于土箱頂端壓力的情況。同時(shí)在試驗(yàn)后期由于更換漿液花費(fèi)時(shí)間較長(zhǎng)，讀數(shù)為靜置后讀數(shù)，這也就出現(xiàn)了兩者壓力相同的情況。圖5（c）表現(xiàn)的是在注漿壓力稍小時(shí)不同位置處的壓力變化。與圖5（a）類似，在開始的沖漿環(huán)節(jié)結(jié)束后，減少注漿壓力，出漿口及土箱頂端的漿液壓力均急劇減小。但不同的是土箱頂端的漿液壓力在減小至一定值后基本保持恒定，隨著注漿過(guò)程的持續(xù)進(jìn)行，最終土箱頂端壓力反而大于出漿口位置的壓力。上述情況在圖5（d）中更為明顯，當(dāng)漿液壓力控制在3 kPa 時(shí)，可以看到注漿全過(guò)程中土箱頂端的漿液壓力均大于出漿口的漿液壓力。

隨著出漿口的逐漸遠(yuǎn)離，土箱頂端位置受到注漿壓力的影響逐漸減小，在一定距離后土箱頂端位置處的壓力值受到注漿壓力的影響較小，可以大致看作是漿液內(nèi)部的壓力。從圖5 中可以看出，雖然每次采取的注漿壓力有所不同，但是各種試驗(yàn)漿液內(nèi)部的壓力在穩(wěn)定后均保持在6 kPa 左右。由此可知，在注漿過(guò)程中隨著注漿壓力的逐漸消散，土箱頂端壓力即漿液內(nèi)部壓力主要受土體上部荷載影響，趨于穩(wěn)定并保持定值。

3 地表沉降與注漿材料擴(kuò)散特性

3.1 注漿過(guò)程中的地表沉降規(guī)律

同步注漿過(guò)程中漿液擴(kuò)散以及注漿板的逐步拉出均會(huì)對(duì)上部土體產(chǎn)生擾動(dòng)，通過(guò)在土體上表面布設(shè)沉降標(biāo)來(lái)對(duì)地表沉降進(jìn)行監(jiān)測(cè)，如圖6 所示。對(duì)每注漿5 cm 距離進(jìn)行一次地表沉降的記錄。測(cè)量結(jié)果如圖7 所示。從圖7 可以看出，各組試驗(yàn)的地表沉降曲線形狀大致相同，呈現(xiàn)為兩邊高中間低的凹形曲線。由于兩端的土體直接與土箱有機(jī)玻璃板接觸，摩擦相對(duì)較大，因此土箱兩端的沉降一般較小。在距離土箱注漿區(qū)域頂端較近的中部區(qū)域發(fā)生沉降較大，并且最大沉降發(fā)生的位置也較為固定，均出現(xiàn)在距離土箱頂端16 cm 位置處。考慮在出漿口與土箱頂端預(yù)留有5 cm 空隙以及沉降標(biāo)的布設(shè)密度，實(shí)際表現(xiàn)為在注漿過(guò)程中隨著注漿距離的增大，所引起的地表沉降逐漸減小。

圖6 地表沉降標(biāo)布設(shè)Fig.6 Layout of surface settlement markers

圖7 不同含水率注漿材料在不同注漿壓力下的地表沉降Fig.7 Ground settlement of grouting materials with different water content under different grouting pressure

圖7（a）中注漿壓力為3 kPa，采用含水率為30%的漿液進(jìn)行壓注，此時(shí)產(chǎn)生的地表沉降較大，最大沉降值為14.9 mm。增加注漿壓力至5 kPa，同時(shí)增大漿液含水率至40%，此時(shí)雖然增加了注漿壓力，但是最大沉降值反而增大，達(dá)到了21.1 mm。由此可以看出，注漿壓力和漿液含水率均會(huì)對(duì)地表沉降值產(chǎn)生影響，并且在注漿壓力較小時(shí)，漿液性質(zhì)對(duì)地表沉降的影響更大。保持漿液含水率為40%，此時(shí)增大注漿壓力至10 kPa，沉降結(jié)果如圖7（c）所示。此時(shí)地表沉降值明顯減小，最大沉降值僅有5.7 mm，結(jié)合圖7（b）、圖7（c）來(lái)看，在漿液含水率相同的情況下，增大注漿壓力可以有效減小地表沉降。圖7（c）、圖7（d）與圖7（a）、圖7（b）類似，同時(shí)小幅度增大注漿壓力與漿液含水率，地表沉降值受漿液含水率影響較大，沉降值變大。從圖7（a）的沉降值明顯大于圖7（d）的沉降值也可以看出，在大幅度增加注漿壓力與漿液含水率的情況下，地表沉降值受注漿壓力影響較大。從各個(gè)曲線的最大沉降值可以看出，適當(dāng)增大注漿壓力將有助于減小在注漿過(guò)程中引發(fā)的地表沉降。在注漿過(guò)程中除了會(huì)發(fā)生沉降之外，還會(huì)在距離土箱頂端較遠(yuǎn)的地方產(chǎn)生隆起，隆起區(qū)域的范圍與采用的注漿壓力有關(guān)，注漿壓力越大，產(chǎn)生隆起的范圍越大，并且隆起值也越大。

圖7（a）是選用較小注漿壓力時(shí)的地表沉降，與其余的沉降曲線相比，注漿壓力較小時(shí)，漿液無(wú)法很好地填充注漿區(qū)域，從而導(dǎo)致在注漿過(guò)程中在注漿區(qū)域內(nèi)發(fā)生較大沉降。相比較而言，3 kPa 注漿壓力下的地表沉降曲線中平均沉降更大且產(chǎn)生的范圍更廣。除此之外，在土箱另一端也未產(chǎn)生隆起，反而是發(fā)生有小幅度的地表沉降。由此可見，注漿壓力的選取將會(huì)對(duì)注漿過(guò)程中的地表沉降有較大影響。結(jié)合圖7 中注漿壓力對(duì)地表沉降的影響，注漿壓力直接影響注漿過(guò)程中漿液進(jìn)入盾尾空隙的效率以及填充空隙的飽滿程度。注漿壓力過(guò)小將導(dǎo)致漿液無(wú)法較好地填充盾尾空隙，從而加大注漿過(guò)程中的地層損失，造成地表沉降值過(guò)大，影響施工安全，并且這在軟弱地層中的影響尤為明顯。

3.2 注漿材料擴(kuò)散特性

完成注漿待漿液完全凝固后，將各組試驗(yàn)的注漿體挖出，如圖8 所示。從圖中可以看出，由于選取的土箱尺寸較小，采用的4 組不同注漿壓力均能夠使?jié){液完全填充整個(gè)注漿空間，并沒(méi)有出現(xiàn)漿液填充不完全的情況。為了能夠定性掌握漿液的擴(kuò)散情況，對(duì)各注漿體的橫斷面及縱斷面厚度進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果如表1、表2 所示。

表2 注漿體縱斷面各測(cè)點(diǎn)厚度Tab.2 Thickness of each measuring point on the vertical section of grouting bodycm

圖8 各組試驗(yàn)注漿體Fig.8 Test grouting body of each group

結(jié)合各注漿體的縱橫斷面平均厚度可以看出，注漿壓力越大，相對(duì)應(yīng)的注漿體的平均厚度也越大。從各個(gè)注漿體縱橫斷面各測(cè)點(diǎn)的厚度分布可以大致看出，較大的注漿壓力有助于漿液的均勻分布。注漿壓力對(duì)注漿體橫斷面的厚度影響較大，隨著注漿壓力的減小，最終形成的注漿體的厚度也有所下降。在漿液凝固過(guò)程中，由于兩側(cè)土體受到摩擦較大，兩側(cè)漿體受到荷載較小，從而產(chǎn)生了注漿體橫斷面的中間位置相對(duì)較薄的情況，而兩邊由于土箱產(chǎn)生的邊界效應(yīng)相對(duì)稍厚。由此可以看出，注漿材料的擴(kuò)散分布情況與地層壓力分布有較大聯(lián)系。注漿體在縱向方向上厚度沒(méi)有較大差異，除了在注漿開始時(shí)施加的大注漿壓力以及土箱邊界效應(yīng)的影響下，接近土箱頂端的厚度較大以外，其余測(cè)點(diǎn)的厚度分布較為均勻。

4 結(jié)論

1）注漿過(guò)程中，受出漿口注漿壓力影響較大的上部土體壓力增大，兩側(cè)的土體壓力減小；隨著出漿口的逐漸遠(yuǎn)離，上部土體兩側(cè)壓力逐漸增大，中間壓力逐漸減小，產(chǎn)生土拱效應(yīng)。

2）土箱頂端壓力（即漿液內(nèi)部壓力）受注漿壓力影響較小，其大小主要與土體上部荷載有關(guān)。試驗(yàn)時(shí)采用不同的注漿壓力，隨著漿液壓力的消散，土箱頂端水囊壓力計(jì)均穩(wěn)定在6 kPa 左右。

3）注漿過(guò)程中地表沉降同時(shí)受到注漿壓力與漿液含水率的影響，注漿壓力越大，地表沉降越小；而漿液含水率越大，地表沉降越大。相比較而言，注漿過(guò)程中的地表沉降受注漿壓力影響更大。

4）凝固后的注漿體橫斷面厚度表現(xiàn)為縱向中軸線位置厚度小，而兩側(cè)厚度大；縱斷面厚度分布相對(duì)較為均勻。