配比對盾構施工惰性漿液性能影響研究

程雪松,趙林嵩,鄭 剛,索曉明,吳薪柳

(1. 天津大學 濱海土木工程結構與安全教育部重點實驗室,天津 300072; 2. 天津大學 建筑工程學院,天津 300072; 3. 中國鐵路設計集團有限公司,天津 300308)

0 引 言

盾構法以其施工效率高、智能化程度高、施工環境安全等優點逐漸成為我國軌道交通中常用的施工方法。不過,由于其獨特的開挖方式,盾構施工并不能做到完全不擾動周邊地層,一旦采取了不恰當的施工措施,極有可能導致地表沉陷或隆起、隧道上浮變形及周圍建筑物變形等一系列安全事故。在盾構開挖過程中,脫出的管片直徑并不能完全填補開挖出的空隙,此空隙寬約12 cm[1],需要進行同步注漿填充,若不能及時、完整地充填此空隙,處于無支撐狀態的周邊地層將發生土體變形乃至局部坍塌,造成地表與周圍建筑物的損壞。壁后注漿的質量將直接影響盾構開挖工程的質量,注漿材料、注漿方法及施工參數等是重要影響因素[2]。對注漿材料的研究包括:現場試驗研究[3-4]、理論研究[5-6]、模型試驗研究[7-8]及數值方法研究[9-12]等。

單液漿液是一種注漿材料,其施工操作是將幾種材料一次集中拌和,然后注入到需要注漿的地方。按有膠凝性的強弱單液漿液可分為活性漿液和惰性漿液兩種,前者由于摻加了水泥在較短時間內可以達到較高強度,但存在堵管現象,且原料較貴;后者相對來說早期強度較低,凝結時間較長,但無堵管風險,且原料便宜,應用范圍較廣。

賀雄飛[13]試驗探討了減水劑、硅灰作為添加劑在惰性漿液中的作用;郭兆清等[14]通過對比試驗,發現減水劑能大幅增加漿液稠度,從而影響漿體的泌水;王友冕[15]通過室內試驗,證明材料配比、攪拌方式均對惰性漿液性能產生重要影響;慕欣等[16]試驗發現,惰性漿液凝結時間、抗壓強度隨著砂細度模數的增大而增加,火山灰反應造成的黏聚力與內摩擦角增加非常微弱;萬澤恩等[17]用同步注漿專用充填劑對惰性漿液進行改良,改良后惰性漿液泌水率降低了、凝結速度加快了,硬化壁后充填強度提高了;郄向光等[18]對比了新型惰性漿液、活性漿液及雙液漿,認為新型惰性漿液抗水分散性及保水性較好,不易離析,凝結時間適中;劉學彥等[19]通過對盾構現場穿越試驗段的研究,發現選取適當的同步注漿量能夠保證成功穿越危險地層;王吉永[20]、陳海豐等[21]基于實際高鐵路基工程,分析了盾構下穿高速鐵路施工過程中的關鍵控制點,設計了滿足性能要求的惰性漿液配比,最終成功控制了地層沉降。

筆者針對惰性漿液的特點,通過材料配比試驗及數據分析,揭示了材料配比對惰性漿液性能的影響規律,提出了確定惰性漿液配比的計算方法。研究結果可為工程實踐提供參考。

1 原材料、配比設計及試驗方法

為保證工程質量,同步注漿漿液應具有良好的泵送性、填充性,及適當的凝結時間、一定的早期強度和較低的體積收縮率,為了避免對周圍地層產生污染,漿液材料還應具有環保性。

1.1 原材料

含鈣95%±3%的熟石灰;3 000目Ⅰ級粉煤灰;1 500目的鈉基膨潤土;細度模數為2.0的細砂;羧甲基纖維素鈉(CMC)增稠劑;減水率約為20%的FDN-C型萘系減水劑。

1.2 配比設計

筆者采用正交試驗法進行惰性漿液配比(質量比)設計,選取水膠比(水與膠凝材料質量比)X1、膠砂比(膠凝材料與細砂質量比)X2、粉灰比(粉煤灰與熟石灰質量比)X3、膨水比(膨潤土與水質量比)X4、減膠比(減水劑與膠凝材料質量比)X5共5個因素作為分析對象,每個因素選取3個水平進行分析。因素水平見表1。表中取值參考了前期試配試驗結果及常用的高性能惰性漿液的配比范圍[11-21]。

表1 因素水平Table 1 Factor level

1.3 試驗方法

按照JGJ/T 70—2009《建筑砂漿基本性能試驗方法標準》、JC/T 603—2004《水泥膠砂干縮試驗方法》進行試驗,測定惰性漿液的各項性能指標,包括:錐入度P、凝結時間ts、固結收縮率ε、28天抗壓強度f28、泌水率η、黏度μ和流動度F等。

2 試驗結果分析

2.1 正交試驗分析

圖1為惰性漿液各性能指標主效應圖。因素的δ值為對應于該因素3個水平中的惰性漿液性能指標最大、最小值之差,δ值越大,表明因素對惰性漿液性能指標的影響程度亦越大。

由圖1可知:

1)水膠比和膨水比對惰性漿液錐入度的影響較大,膠砂比、粉灰比的影響較小;惰性漿液的錐入度隨著水膠比的增大、膨水比的減小、減膠比的增大而增大。

2)水膠比和膠砂比對惰性漿液凝結時間影響較大,膨水比、粉灰比、減膠比的影響較小;惰性漿液的凝結時間隨著水膠比的增大、膠砂比的減小而增大。

3)水膠比和膨水比對惰性漿液泌水率影響較大,泌水率隨著水膠比的增大、膨水比的減小而增大,隨著減膠比的增大,先減小后增大。膠砂比、粉灰比的影響較小。

4)水膠比對惰性漿液28天抗壓強度的影響最大,隨著水膠比的增大,惰性漿液28天抗壓強度顯著減小。

5)水膠比對固結收縮率的影響最大,其次是膠砂比,而膨水比、粉灰比及減膠比影響較小;惰性漿液的固結收縮率隨著水膠比及膠砂比的增大而增大。

綜上,在惰性漿液配比設計時,要注意控制性能指標在合理范圍內,尋找配比的平衡點。

2.2 偏最小二乘回歸法

偏最小二乘回歸法(PLS)是一種廣受歡迎的回歸分析方法,它能解決變量共線性問題,可以同時對多個因變量進行分析,對小樣本數據間影響關系問題也有很好的解決能力[22]。PLS集多元線性回歸、主成分分析和典型相關性分析方法的優點于一身[23],可以提取對系統解釋性最強的信息,有效克服了傳統回歸方法的不足。

表2為利用PLS得出的指標回歸公式及可決系數R2。可見,各指標的R2>0.75,表明擬合較好,自變量至少能夠解釋75%關于因變量的變化。

表2 指標回歸公式及可決系數R2Table 2 Regression formulas and determinable coefficients R2 for indicators

圖2為根據回歸公式得到的惰性漿液各項指標擬合值及試驗得到的測試值。

圖2 惰性漿液的錐入度、凝結時間、泌水率、28天抗壓強度、固結收縮率的擬合值與測試值Fig. 2 Test values and fitting values of cone penetration, setting time, bleeding rate, 28-day compressive strength and consolidation shrinkage rate of inert slurry

由圖2可見:

1)測試值與擬合值基本呈線性關系,表明PLS擬合效果較好。

2)在因素變化范圍內(水膠比X1=0.7～0.9,膠砂比X2=0.5～0.7,粉灰比X3=3～5,膨水比X4=0.15～0.25,減膠比X5=0.002～0.008),各指標服從線性變化,表明可用回歸公式對惰性漿液性能指標進行擬合。

綜上,實際工程中,可利用回歸公式對不同配比惰性漿液性能進行擬合,從而優化惰性漿液配比,以獲得最佳的惰性漿液性能。

3 添加劑作用分析

以水膠比X1=0.8,膠砂比X2=0.6,粉灰比X3=4,膨水比X4=0.20為基準配比制備惰性漿液;再分別摻入減水劑、羧甲基纖維素鈉(CMC)增稠劑制備摻添加劑惰性漿液,配比詳見表3。按照試驗標準測定惰性漿液的錐入度P、泌水率η、黏度μ與流動度F,試驗結果見圖3。

表3 惰性漿液配比Table 3 Mixing proportion of inert slurry

圖3 添加減水劑、CMC惰性漿液性能試驗結果Fig. 3 Performance test results of inert slurry mixed with water reducing agent and CMC

由圖3可見:

1)對于摻減水劑惰性漿液,隨著減膠比的增大,錐入度P逐漸增大,但增長速度逐漸減小,泌水率η呈先減小后增大變化趨勢;當減膠比X5=0.004時,惰性漿液的錐入度與泌水率均達到最優效果。說明在惰性漿液配比設計過程中,通過加入適量減水劑并適當減小水膠比,可滿足惰性漿液稠度要求。

2)對于摻CMC惰性漿液,當CMC摻量小于0.1%時,隨著CMC的增大,漿液黏度μ快速增大,而流動度F則逐漸減小。表明添加適量的CMC能夠改善惰性漿液黏度,起到防沉淀的作用,但也會降低惰性漿液的泵送性,因此在CMC添加時應綜合考慮泵送性與漿液黏度的影響。

3)為實現盾構法施工工藝背后注漿,要求惰性漿液3 h可泵性好,流動度F>180 mm[24-25]。鑒于當CMC摻量在0～0.05%之間時,漿液流動度下降速度及黏度增長速度均較快,因此,控制CMC摻量小于0.05%,既能增大漿液黏度又保證流動度F>180 mm,實現了經濟性與漿液性能的平衡。

4 惰性漿液適用性分析

土層大致有碎石土/卵石土、中粗砂、細砂、粉砂、粉土、黏性土及淤泥質土等幾大類。

1)對于富水的碎石土/卵石土與中粗砂地層,由于地下水對注漿漿液的稀釋和沖蝕作用,漿液易被沖刷,流失現象明顯,會大幅影響漿液凝結時間與凝結強度。

2)對于富水粉土粉砂地層,與砂卵石地層相比較為軟弱,滲透系數相對較小,但沖刷現象也較為明顯,注漿效果較差,凝結時間要求較高。

3)對于黏性土與淤泥質土,水含量一般較高,管片脫出后地層收縮變形發展較快,地層承載能力差,因此,應使漿液具備良好的填充性,能夠及早發揮強度。

4)對于富水地層而言,管片壁后注漿應選取凝結速度快、后期強度高、遇水不易稀釋或離析的漿液材料,依據T/CECS 563—2018《盾構法隧道同步注漿材料應用技術規程》、DB/T 29-20—2017《天津市巖土工程技術規范》,盾構穿越富水地層,同步注漿漿液初凝時間應不大于12 h,惰性單液漿難以滿足要求,宜采用單液活性漿液或者雙液漿。

5)在無水且地層情況較為穩定的區域較為適合使用惰性漿液。為了便于施工,一般要求漿液凝結時間在5 h以上,同時漿液要保證有一定的后期強度,保持較小的固結收縮率。

5 結 論

首先,根據正交試驗得到的初步配比配制惰性漿液,分析了材料各種組分對惰性漿液錐入度、凝結時間、泌水率、固結收縮率、抗壓強度的影響;然后,用偏最小二乘法(PLS)擬合得到惰性漿液各性能指標的回歸公式,對惰性漿液添加劑作用效果及惰性漿液的適用條件進行了分析。得到以下主要結論:

1)水膠比對各個指標影響均較大,膠砂比對凝結時間、固結收縮率影響較大,膨水比與減膠比對錐入度、泌水率影響較大,粉灰比影響較小。

2)惰性漿液配比設計時,加入適量減水劑同時相應減小水膠比,可保證惰性漿液錐入度要求;適當摻入CMC,在滿足惰性漿液流動性要求的同時,可改善惰性漿液黏性。

3)惰性漿液各項性能指標回歸公式的自變量至少能夠解釋75%關于因變量的變化,驗證了回歸公式的合理性,公式可用于惰性漿液配比優化。

4)惰性漿液適用于無水且地層較為穩定地區。