暗挖地鐵車站施工中靶向注漿技術(shù)的影響因素及效果控制

查麗娟

(河南建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院工程管理系, 450001, 鄭州)

為了保證地鐵車站施工的安全,在黃土、破碎巖體等不良地質(zhì)條件下往往采用預(yù)注漿的方式加固開挖范圍內(nèi)及周邊的巖土體。目前,地鐵車站施工中常采用的超前注漿方法有:①從地面垂直打設(shè)注漿管,對開挖范圍實(shí)施注漿;②從平行的導(dǎo)洞內(nèi)側(cè)向打設(shè)注漿管,對開挖范圍實(shí)施注漿;③從開挖面向前打設(shè)注漿管,對開挖范圍實(shí)施注漿等方式[1-2]。針對不同的巖土體力學(xué)特性以及漿體性質(zhì),漿體在被注介質(zhì)中的擴(kuò)散大致可分為:劈裂注漿、壓密注漿、滲透注漿和巖體注漿等形式[3]。此外,根據(jù)漿體的流變方程,漿體流型還可以劃分為牛頓、賓漢姆及冪律型流體等[4]。

由于注漿加固區(qū)域內(nèi)水文地質(zhì)條件的復(fù)雜性及漿液自身理化性能的不確定性,在一定的時(shí)間和成本內(nèi),單靠一種方法或普通的注漿工藝難以實(shí)現(xiàn)對漿液擴(kuò)散的控制,跑漿、串漿現(xiàn)象普遍發(fā)生,還會造成環(huán)境污染和材料浪費(fèi)。由此,采用復(fù)合控制的靶向注漿技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。靶向注漿技術(shù)將壓密注漿法和滲透注漿法結(jié)合起來,進(jìn)而限定漿液的擴(kuò)散范圍,將漿液留存于目標(biāo)加固區(qū)域內(nèi),從而達(dá)到控域注漿的目的。

靶向注漿技術(shù)已在隧道超前注漿施工中得到應(yīng)用。該技術(shù)不僅能防止?jié){液沿注漿管壁和巖層裂隙無效擴(kuò)散,還能有效地解決袖閥管注漿等常用施工方法擾動大和質(zhì)量不易控制的問題[5]。

本文以某臨海地區(qū)的地鐵車站為例,闡述靶向注漿的力學(xué)機(jī)理,討論漿液擴(kuò)散半徑的影響因素,并分析采用靶向注漿技術(shù)對地層進(jìn)行預(yù)加固的效果,以期為類似工程提供參考。

1 車站概況

某地鐵車站臨近黃海、渤海區(qū)域,圍巖強(qiáng)度較低。現(xiàn)場鉆孔取芯發(fā)現(xiàn),巖土體主要為稀疏的礫石、粉質(zhì)黏土和砂土,自穩(wěn)能力較差。站址范圍內(nèi)沿道路兩側(cè)主要有燃?xì)夤堋⑽鬯堋⒂晁登⑼ㄐ偶半娏Φ裙芫€,且周邊河流等水系發(fā)達(dá)。因此,采用暗挖施工存在較大的安全風(fēng)險(xiǎn),需采用靶向注漿技術(shù)對車站周邊巖土體進(jìn)行注漿加固。漿液采用具有速凝特性的水泥-水玻璃雙液漿。地表注漿加固區(qū)域的寬度為25 m,高度為6 m,注漿孔終孔間距為3 m,注漿分段長度為5～6 m。

2 靶向注漿的工作原理

靶向注漿技術(shù)的工作原理如圖1所示。該技術(shù)將壓密注漿技術(shù)和滲透注漿技術(shù)相結(jié)合,在圍巖較差的土層中注漿時(shí):首先,使用壓密注漿法(在土工模袋內(nèi)注漿,使模袋膨脹進(jìn)而擠密土體)對地層的擠密效應(yīng)形成止?jié){巖盤;止?jié){巖盤形成后,對目標(biāo)加固區(qū)域進(jìn)行滲透注漿加固,填充巖土體內(nèi)部的孔隙,使之形成較高強(qiáng)度的結(jié)石體,從而達(dá)到加固的目的[6],以此來提高注漿的“靶向性”。

單位:m

2.1 壓密注漿部分的力學(xué)計(jì)算

在向模袋內(nèi)注漿的過程中,模袋向四周呈柱形擴(kuò)張,使周圍土體均勻壓縮。由此,可以按照平面應(yīng)變軸對稱問題分析土體的受力狀態(tài)。根據(jù)彈塑性理論,在任意時(shí)刻,模袋周圍土體中任一點(diǎn)的平衡方程、幾何方程和物理方程按文獻(xiàn)[7]計(jì)算。

2.2 滲透注漿部分的力學(xué)計(jì)算

滲透注漿過程中,漿液的流速較小,漿液僅在注漿孔周圍局部區(qū)域呈紊流狀態(tài),在其余區(qū)域皆為層流狀態(tài),且注漿管內(nèi)漿液的流速不變。漿液以滲透擴(kuò)散的形式進(jìn)入地層。在常用的袖閥管注漿中,漿液在被注介質(zhì)中呈柱形擴(kuò)散[8]。漿液柱形擴(kuò)散的理論模型見圖2。

圖2 漿液柱形擴(kuò)散理論模型

根據(jù)滲流力學(xué)基本理論,假定受注地層為由直徑相同的毛細(xì)管排列而成的多孔介質(zhì),即符合均勻毛管組模型,雙液漿的滲流等效為漿液質(zhì)點(diǎn)在所有毛細(xì)管道中流動的疊加[9]。由此可以建立流體柱微元素的平衡方程如下:

Pπr2-πr2(P+dP)-2πrτdl=0

(1)

式中:

r——流體柱半徑;

P、P+dP——流體柱左、右兩端分別作用的壓力;

dl——流體柱微擴(kuò)散半徑;

dP——流體柱兩端的壓力差;

τ——流體柱的表面上所受剪切應(yīng)力。

解得漿液的流動速度v為:

(2)

式中:

r0——毛細(xì)管半徑;

μ——漿液的黏度。

2.3 柱形滲透擴(kuò)散半徑和漿液壓力的計(jì)算公式

在靶向注漿技術(shù)中,滲透注漿起到對目標(biāo)加固區(qū)域進(jìn)行有效加固的作用,其漿液擴(kuò)散半徑的大小和漿液壓力的衰減規(guī)律對整個(gè)注漿過程的控制至關(guān)重要。因此,考慮水泥-水玻璃雙液漿為黏度時(shí)變性的賓漢姆流體,基于滲流力學(xué)基本理論,對雙液漿漿液擴(kuò)散半徑l1和漿液壓力P的理論計(jì)算公式進(jìn)行推導(dǎo)。

根據(jù)式(2)可得到:

(3)

式中:

vp——漿液活塞式運(yùn)動的速度;

rp——漿液活塞式運(yùn)動的半徑;

τ0——漿液的屈服剪切力,用來表征漿液的塑性性質(zhì)。

則漿液在毛細(xì)管中的平均流速為:

(4)

(5)

(6)

式中:

l0——漿液初始擴(kuò)散半徑,即注漿管半徑;

v0——注漿管內(nèi)漿液的流速;

m——漿液柱形擴(kuò)散的高度;

A、B——雙液漿的黏度參數(shù),為常數(shù),可根據(jù)雙液漿的黏度-時(shí)間曲線擬合得到;

K——被注介質(zhì)滲透率;

λ——漿液的啟動壓力梯度。

代入注漿邊界條件:

(7)

式中:

P0——注漿孔處的注漿壓力;

Pw——地下水壓;

l1——漿體擴(kuò)散半徑。

令ΔP=P0-Pw,可得到:

(8)

漿體壓力表達(dá)式為:

(9)

3 漿液擴(kuò)散半徑的影響因素分析

本節(jié)主要討論雙液漿擴(kuò)散半徑在不同Pw、v0、A和B條件下的變化規(guī)律。為了充分反映以上各參數(shù)對l1的影響規(guī)律,假定Pw的變化范圍為15～1 915 kPa,v0的變化范圍為0.2～4.0 m/s,A的變化范圍為0.000 1～0.010 0之間,B的變化范圍為1.73～3.13。選定l0=0.025 m,τ0=1.563 Pa,P0=2 MPa,φ=0.3,m=6 m,滲透系數(shù)K′=0.12 cm/s,20 ℃時(shí)水的黏度μw=1.005×10-3Pa·s,對各因素影響規(guī)律進(jìn)行分析。

3.1 注漿點(diǎn)處的Pw對l1的影響

假定Pw的變化范圍為15～1 915 kPa,v0=2.4 m/s,A=0.003 182,B=2.23,代入式(8)計(jì)算可得l1-Pw曲線,如圖3所示。

圖3 l1-Pw曲線

由圖3可知,隨著Pw的增大,l1逐漸減小。當(dāng)Pw從15 kPa增至1 515 kPa時(shí),l1近似呈線性減小,減小量為0.44 m;當(dāng)Pw從1 515 kPa增至 1 915 kPa時(shí),l1快速減小,減小量為0.33 m。由此可見,在注漿壓力一定的條件下,Pw越大,則l1越小;尤其當(dāng)Pw接近注漿壓力時(shí),l1會迅速減小。

3.2 v0對l1的影響

假定v0的變化范圍在0.2～4.0 m/s之間,Pw=115 kPa,A=0.003 182,B=2.23,代入式(8)計(jì)算可得l1-v0曲線,如圖4所示。

圖4 l1-v0曲線

由圖4可知,隨著v0的增大,l1逐漸增大。當(dāng)v0從0.2 m/s增至1.2 m/s時(shí),l1快速增大,增大量為0.3 m;當(dāng)v0從1.2 m/s增至4.0 m/s時(shí),l1的增大速率逐漸減小,增大量僅為0.3 m。由此可見,在一定的范圍內(nèi)增大v0有助于改善注漿加固效果,但是隨著v0的增大,l1的增大幅度不斷減小,因此不能單純依靠增大v0來改善注漿效果。

3.3 A對l1的影響規(guī)律

假定A的變化范圍為0.000 1～0.010 0,Pw=115 kPa,v0=2.4 m/s,B=2.23,代入式(8)計(jì)算可得l1-A曲線,如圖5所示。

圖5 l1-A曲線

由圖5可知,隨著A的增大,l1逐漸減小。當(dāng)A從0.000 1增至0.002 0時(shí),l1快速減小,減小量為2.14 m;當(dāng)A從0.002增至0.006時(shí),l1的減小速率有所減緩,減小量為0.40 m;當(dāng)A從0.006增至0.010時(shí),l1緩慢減小,減小量為0.15 m。由此可見,適當(dāng)減小A,有助于擴(kuò)大雙液漿的加固范圍。

3.4 B對l1的影響

假定B的變化范圍在1.73～3.13之間,Pw=115 kPa,v0=2.4 m/s,A=0.003 182,代入式(8)計(jì)算可得l1-B曲線,如圖6所示。

圖6 l1-B曲線

由圖6可知,隨著B的增大,l1逐漸減小。當(dāng)B從1.73增至2.33時(shí),l1快速減小,減小量為4.49 m;當(dāng)B從2.33增至3.13時(shí),l1緩慢減小,減小量為0.64 m。由此可見,適當(dāng)減小B,同樣有助于擴(kuò)大雙液漿的加固范圍。

4 工程應(yīng)用

由工程設(shè)計(jì)資料可知:注漿點(diǎn)處Pw=115 kPa,v0=2.4 m/s,A=0.003 182,B=2.23(水泥漿水灰比為1,且雙液體積比也為1),其他注漿參數(shù)取值與前文保持一致。

在雙液漿注入過程中,如果P0太小,則無法將漿液快速注入到地層中,從而無法對目標(biāo)加固區(qū)域的土體進(jìn)行有效加固;如果P0太大,則雙液漿在地層中的作用方式可能由滲透擴(kuò)散演變?yōu)閴好軘U(kuò)散,甚至發(fā)生劈裂,得不償失。

在現(xiàn)場施工中,既要獲得較大的漿液加固半徑又要兼顧安全性。將相關(guān)參數(shù)代入式(8)計(jì)算可得l1-P0曲線,如圖7所示。

圖7 l1-P0曲線

由圖7可知,隨著P0的增加,l1亦增大。相應(yīng)曲線大致呈現(xiàn)三階段變化:即當(dāng)P0從0.2 MPa增加至0.8MPa時(shí),l1快速增加;當(dāng)P0從0.8 MPa增加至2.0 MPa時(shí),增加速率開始減小;當(dāng)P0從2.0 MPa增加至2.8 MPa時(shí),l1緩慢增加。

一般而言,為了獲得較好的注漿加固效果,往往需要較大的l1,并且對地層的影響較小,由圖8可知,較理想的P0為2.0 MPa,此時(shí)漿液得以充分?jǐn)U散,l1為1.2 m。

圖8 P0=2.0 MPa時(shí)的P0-l1曲線

選定P0=2.0 MPa,由式(9)及其他基本參數(shù),計(jì)算可得P0=2.0 MPa時(shí)的P0-l1曲線,如圖8所示。

由圖8可知,隨著l1的增加,P0逐漸減小。當(dāng)l1從0.025 m增加至0.300 m時(shí),P0緩慢減小;當(dāng)l1從0.3 m增加至0.8 m時(shí),P0的減小速率加快;當(dāng)從0.8 m增加至1.2 m時(shí),P0急劇減小。由此可見,在P0一定的條件下,逐漸增至接近最終的擴(kuò)散半徑時(shí),地下水對漿液滲透擴(kuò)散的阻礙作用愈加明顯,并最終導(dǎo)致P0呈現(xiàn)出快速衰減的趨勢。

現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)表明,預(yù)注漿施工未造成地表抬升和海水污染,目標(biāo)加固區(qū)域內(nèi)圍巖完整性得到顯著提高,注漿加固效果可滿足安全開挖要求。可見,采用靶向注漿技術(shù)對地層進(jìn)行預(yù)加固的方案既節(jié)約了注漿材料的用量,又保證了注漿加固的效果。

5 結(jié)語

靶向注漿將壓密注漿技術(shù)和滲透注漿技術(shù)相結(jié)合,壓密注漿部分形成止?jié){巖盤,滲透注漿部分為有效注漿。

C-S雙液漿為黏度時(shí)變性的賓漢姆流體。基于雙液漿的流變方程,并結(jié)合均勻毛管組理論,推導(dǎo)得到了雙液漿柱形滲透注漿時(shí)l1和P的理論計(jì)算公式。

將所得的理論公式應(yīng)用于某地鐵車站的超前注漿施工中,取得了較好的效果。現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)表明:模袋構(gòu)造的止?jié){巖盤成功實(shí)現(xiàn)了對漿液擴(kuò)散的控制,使目標(biāo)加固區(qū)域內(nèi)巖體完整性得到顯著提高;采用靶向注漿技術(shù)對地層進(jìn)行預(yù)加固的方案既節(jié)約了注漿材料的用量,又保證了注漿加固的效果。