盾構隧道同步注漿材料的浮力時效特性試驗研究*

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有限公司,廣東 廣州 511457; 2.華東交通大學軌道交通基礎設施性能監測與保障國家重點實驗室,江西 南昌 330013; 3.中鐵二十五局集團有限公司,廣東 廣州 511455; 4.中鐵四局集團有限公司,安徽 合肥 230041; 5.中鐵二局集團有限公司,四川 成都 610031; 6.中鐵工程裝備集團有限公司,河南 鄭州 450016)

0 引言

盾構掘進過程中,盾構機開挖直徑往往要大于盾構隧道外徑,由此導致完成拼裝的隧道脫出盾尾后,隧道與地層間形成空隙,因此需通過同步注漿填充該空隙。為加強隧道防水、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,當掘進施工過快,同步注漿浮力影響導致隧道發生局部上浮時,極易引發管片錯臺、破損、滲漏水等病害[1-2]。因此盾構隧道同步注漿材料的浮力時效特性對盾構施工掘進速度控制十分關鍵。

在地下結構浮力特性研究方面,向科等[3]開展了淺埋地下結構浮力模型試驗,研制了靜結構浮力測試模型試驗系統,針對不同種類土層環境模型結構所受浮力及孔隙水壓力進行測試;周俊宏等[4],張連凱[5],Zhou等[6]設計了盾構隧道上浮縮尺裝置,通過拉桿傳力替代上浮力,實現了隧道上浮量控制,同時得到了不同上浮量下的抗浮力大小,并采用了機器視覺技術觀測透明土中隧道上浮時土體運動過程;楊方勤等[7],Kasper等[8],朱合華等[9]通過模型試驗和理論分析的方法,進行隧道抗浮模型試驗,通過改變結構總重確定不同齡期漿液引起的結構上浮位移,基于此提出隧道上浮穩定機理,并建立盾構隧道上浮計算的理論模型;肖明清等[10],朱建春等[11],朱令等[12],葉俊能等[13],張雨帆[14]采用數值模擬法,基于不同埋深與掘進速度條件,對比分析不同齡期漿液下隧道結構縱向受力、管片錯臺量,認為縮短漿液齡期能有效減小管片間錯臺。阮承志等[15],黃大維等[16]基于不同的漿液材料配合比,測試了漿液流動度、稠度、分層度等性能,模擬了漿液在砂土地層中的擴散過程。然而,現有研究缺乏對同步注漿的浮力時效特性研究,因此同步注漿材料的浮力對施工期隧道結構的影響評估精度低。

本文通過設計模型試驗,對同步漿材料的浮力進行測試,并結合測試結果分析漿液凝固過程中同步注漿材料對隧道結構的作用。研究成果對盾構隧道同步注漿材料配制、施工期隧道上浮控制具有指導意義。

1 試驗簡介

試驗設計的浮力測試裝置主要結構如圖1所示,試驗土箱尺寸為88cm×82.5cm×105cm(長×寬×高),土箱四周為3cm厚有機玻璃。試驗同步注漿材料置于土箱內。浮力測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,試驗時量測裝置沉降;圓筒上部與吊秤通過墊有減振彈簧的螺栓連接,其中吊秤用來監測裝置浮力變化。圓筒內部設有配重,保持箱內整體結構(包括測試圓筒、配重塊、位移計、角碼與螺栓)自重大于所受最大浮力,本試驗箱內整體結構總重117.00kg。試驗時,通過讀取吊秤的重力減小值測得圓筒所受到的浮力。

圖1 同步注漿材料浮力測試裝置(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場所用的同步注漿材料配合比:水泥∶粉煤灰∶細砂∶膨潤土∶水為1∶2.7∶4.1∶0.5∶3。細砂級配曲線如圖2所示。配制的漿液密度為1.7g/cm3。試驗時向土筒內倒入配制好的漿液,當漿液液位到達圓筒底部后,通過控制漿液倒入量,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 細砂級配曲線Fig.2 Fine sand gradation curve

2 試驗結果分析

2.1 倒入漿液時圓筒浮力與上浮量分析

土箱內倒入漿液時液位與浮力的關系如圖3所示,試驗值通過圓筒的稱量數據計算所得,理論值根據阿基米德原理計算所得。因倒入漿液時,圓筒出現上浮趨勢(見圖4),因此在計算圓筒理論浮力時,考慮圓筒上浮量,3次液位變化所對應的理論浮力分別為226.9,451.3,695.0kN。由圖3可知,剛配制好的漿液由于其流動性良好,實測浮力與理論浮力結果非常接近。稍有一定偏差與試驗誤差、漿液的黏滯性等影響有關。

圖3 土箱內倒入漿液時液位與浮力的關系Fig.3 Relationship between liquid level and buoyancy when slurry is poured into the soil box

圖4 土箱內倒入漿液時圓筒的上浮量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在連接螺栓內墊入了彈簧(見圖5),圓筒的重力由彈簧壓力所承擔,因此彈簧將發生一定的壓縮。土箱內倒入漿液使圓筒受到浮力時,圓筒總重將減小,彈簧將伸長,由此導致圓筒發生豎向位移,即圖4所示的上浮量。由圖4可知,當液位由0分別上升至5,10,15cm時,結構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有關。

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 漿液凝固時浮力與上浮量分析

漿液靜置過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,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(有一段沒有數據點是考慮到數據變化較小,未再讀數),在靜置約21h后浮力達到最小,值為402kN,此時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,圓筒浮力基本穩定。

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

結合試驗所觀察到的現象可知,漿液靜置后,開始發生泌水,可見漿液中固體成分開始向下沉淀,因漿液中的固體成分重力逐漸傳遞到底部基礎(砂土)中,其懸浮顆粒逐漸減少,因此漿液對圓筒的浮力開始減小,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。靜置過程中漿液開始凝固,其流動性繼續降低,靜置約21h浮力達到最小值,與漿液凝固有關,漿液繼續發生水化反應,具有一定強度的漿體體積發生一定變化,由此對圓筒產生支承力,因此吊秤所測重力減小,計算所得的浮力再次增大。

漿液靜置過程中圓筒豎向位移變化如圖7所示。由圖7可知,靜置過程中因浮圓筒的浮力逐漸減小,圓筒向下發生沉降,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,對比圖6,7可知,漿液靜置過程浮力變化與圓筒的豎向位移變化趨勢一致。

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

根據同步注漿材料室內浮力測試發現,在注漿材料剛完成配制時,漿液流動性好,漿液中的固體顆料呈懸浮狀態,漿液對圓筒的浮力等于圓筒排開漿液的重力(符合阿基米德浮力原理)。當漿液開始靜置后,漿液中固體成分開始向下沉淀而發生泌水現象,圓筒浮力開始迅速減小,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水的重力。在達到最小值后,圓筒所受到的浮力有一定的增大,主要與漿液水化反應過程中發生凝固及一定的體積變化有關。

基于上述相關測試分析可知,為減小施工期隧道上浮對隧道施工質量的影響,可適當降低盾構隧道掘進速度,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,即基本沒有強度,考慮到即便在最小浮力時也與圓筒排開水的重力相等,因此位于地下水位以下的盾構隧道仍為典型的上浮結構,隧道上部的同步注漿材料需承擔隧道的上浮荷載。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 結語

1)在土箱內倒入漿液時,圓筒受到浮力與其排開的同步注漿材料重力相等,與液位上升的線性關系良好,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始減小,在靜置約4h內浮力迅速減小,主要與漿液沉降及凝固有關;在靜置約21h浮力達到最小值,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過程中發生凝固及一定的體積變化有關。

4)為減小施工期隧道上浮對隧道施工質量的影響,可適當降低盾構隧道掘進速度,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。