盾構(gòu)壁后注漿體變形及力學(xué)性質(zhì)的影響因素

盾構(gòu)壁后注漿體變形及力學(xué)性質(zhì)的影響因素

1壁后注漿作用結(jié)構(gòu)隧道技術(shù)可以在不干擾城市正常功能的前提下快速完成隧道建設(shè)，是城市地鐵隧道和岳江隧道建設(shè)的主流方式。例如，上海、北京、廣州、南京等城市的地鐵隧道建設(shè)，以及湖北、南北鐵路穿越長(zhǎng)江隧道和南北中軸線黃隧道的岳江隧道。最大限度地降低盾構(gòu)施工對(duì)周圍地層的擾動(dòng),減小地表沉降是盾構(gòu)施工的核心問(wèn)題。盾構(gòu)施工中引起地層位移的因素較多,其中最主要的是壓力艙支護(hù)壓力與地層土、水壓力不平衡導(dǎo)致開(kāi)挖面前方土體的移動(dòng),以及盾尾空隙的閉合引起周圍地層移動(dòng)?？梢?jiàn)對(duì)盾尾空隙進(jìn)行注漿回填是控制地層位移的重要手段,是盾構(gòu)施工的必備及關(guān)鍵工序。壁后注漿是以一定的注漿壓力把具備一定流動(dòng)性的漿體壓入盾尾空隙,并確保充填完全,是主動(dòng)控制圍巖應(yīng)力釋放和地層位移的重要手段。在注漿完成后,注漿體仍處于液相流動(dòng)狀態(tài),圍巖土體和管片襯砌主要承受漿體壓力的作用。隨施工進(jìn)行和時(shí)間推移,漿體水分流失,漿體發(fā)生變形,漿體壓力逐漸消散,漿體逐漸硬化,并在管片外圍形成環(huán)形保護(hù)層,最終圍巖土壓力通過(guò)漿體層傳遞到管片。漿體由液體狀態(tài)逐漸向固體狀態(tài)硬化的過(guò)程中,漿體的力學(xué)性質(zhì)變化、漿體的變形特性及漿體壓力的消散必將直接影響地層位移、土體應(yīng)力釋放及最終作用在管片上的土壓力。Kuwahara等學(xué)者在未考慮壁后注漿作用的前提下,利用離心模型試驗(yàn)研究了由于盾尾空隙的閉合引起管片上作用的土壓力、地層位移以及隧道圍巖土壓力變化規(guī)律。ThomasKasper等學(xué)者建立的三維數(shù)值模型能夠比較系統(tǒng)的模擬盾構(gòu)施工過(guò)程,并將注漿材料考慮為剛度、滲透系數(shù)隨時(shí)間變化的材料。離心模型試驗(yàn)不能考慮漿液的注入及漿體硬化過(guò)程中漿體體積變形對(duì)地層位移的影響,所以有必要考慮利用單元體模型試驗(yàn)方法來(lái)研究壁后注漿對(duì)地層位移的影響。在數(shù)值仿真計(jì)算中雖然考慮了漿體材料性質(zhì)在硬化過(guò)程中的變化,但未考慮漿體壓力的消散過(guò)程對(duì)地層位移及管片土壓力的影響,且漿體力學(xué)參數(shù)的取值是基于假設(shè)的前提,缺乏試驗(yàn)結(jié)果的支撐。為了研究壁后注漿完成后漿體變形及漿體壓力消散規(guī)律,設(shè)計(jì)了壁后注漿單元模型試驗(yàn)裝置,通過(guò)試驗(yàn)研究了不同土質(zhì)條件下,不同注漿壓力、注漿材料對(duì)漿體變形及漿體壓力消散的影響。2管片-漿體-土體模型盾尾脫出管片后,在圍巖土體與管片外壁之間形成一定厚度的環(huán)形盾尾空隙,對(duì)盾尾空隙進(jìn)行壁后注漿回填,壁后注漿完成后,在管片-漿體-土體共同作用下,漿體水分流失,漿體壓力消散,漿體逐漸硬化。如圖1所示,在隧道概化模型中取出拱頂單元,該單元體包括土體、漿體及管片。管片認(rèn)為不透水,管片與土體同時(shí)承受漿體壓力的作用,在漿體壓力作用下,漿體向土體排水,繼而引起漿體壓力消散,符合實(shí)際狀態(tài)。2.1土體灌漿澆筑試驗(yàn)根據(jù)概化的單元體模型設(shè)計(jì)了如圖2所示的漿體變形試驗(yàn)裝置。試驗(yàn)中認(rèn)為漿體壓力不發(fā)生變化,漿體壓力通過(guò)在活塞上方進(jìn)行砝碼堆載施加。最下方為土體,試驗(yàn)前對(duì)土體進(jìn)行飽和,在加載前預(yù)先對(duì)土體施加,使土體排水固結(jié)完成。在漿體壓力作用下,漿液向土體滲水,將土體滲出的水分用燒杯收集,并用電子天平和計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)測(cè)量,并記錄排出的水量。此處認(rèn)為漿體排出的水即為漿體的體積收縮量,通過(guò)排出的水量與筒體內(nèi)面積可換算出漿體的變形量。2.2千斤頂土壓力測(cè)量系統(tǒng)根據(jù)概化的單元體模型設(shè)計(jì)了如圖3所示的漿體壓力消散試驗(yàn)裝置。該試驗(yàn)裝置包括三個(gè)系統(tǒng):注漿系統(tǒng)、單元體系統(tǒng)和測(cè)量系統(tǒng)。為維持注漿壓力的穩(wěn)定和防止管路堵塞,在注漿系統(tǒng)中還設(shè)置了回流管路和清洗管路。單元體系統(tǒng)中筒體下部設(shè)有千斤頂,以施加一定的土體初始?jí)毫?筒內(nèi)裝有土體,土體上部預(yù)留一定厚度空隙來(lái)模擬盾尾空隙,在該空隙中放置氣囊,氣囊上部為頂蓋用來(lái)模擬管片。測(cè)量系統(tǒng)包括土壓計(jì),注漿壓力表和限壓排水閥,土壓計(jì)布置于漿土交接面。試驗(yàn)步驟如下:①預(yù)先將所模擬土體分層擊實(shí)裝入筒內(nèi),將土壓計(jì)埋設(shè)于預(yù)定位置,并在土體上部預(yù)留一定空間模擬盾尾空隙;②在空隙處放置氣囊,蓋上頂蓋。通過(guò)給氣囊充氣并提升千斤頂對(duì)土體施加壓力,平衡后即認(rèn)為該壓力為地層土壓力,記錄土壓計(jì)及水壓表初始計(jì)數(shù);③配制漿液進(jìn)行注漿,注漿的同時(shí)打開(kāi)氣囊排氣閥模擬盾尾空隙的產(chǎn)生及同步注漿。待漿液注滿,調(diào)節(jié)回流閥,使注漿壓力達(dá)到預(yù)定值并保持10min后,關(guān)閉注漿閥,并清洗管路;④注漿完畢后,實(shí)時(shí)記錄土壓計(jì)的讀數(shù)變化。2.3注漿壓力加載量試驗(yàn)方案利用漿體變形單元模型試驗(yàn)裝置,進(jìn)行不同注漿壓力、不同注漿材料對(duì)南水北調(diào)中線穿黃隧道的中細(xì)砂土質(zhì)條件進(jìn)行試驗(yàn)。注漿壓力采用砝碼堆載實(shí)現(xiàn),分別加載60kg、80kg、100kg,換算注漿壓力分別為144.4kPa、192.6kPa、240.7kPa。注漿材料選用三種不同配比的單液硬性漿和一種單液惰性漿,漿液配比見(jiàn)表1。試驗(yàn)中所配砂土材料參數(shù)見(jiàn)表2,顆粒分析試驗(yàn)曲線如圖4所示。2.4注漿壓力試驗(yàn)利用注漿壓力消散單元模型試驗(yàn)裝置,對(duì)漿體變形試驗(yàn)中所用的硬性漿a分別對(duì)南水北調(diào)中線穿黃隧道的中細(xì)砂土(材料參數(shù)見(jiàn)表2,顆粒分析曲線見(jiàn)圖4)和南京地鐵珠江路站的粉粘土(材料參數(shù)見(jiàn)表3)進(jìn)行不同注漿壓力試驗(yàn)。3漿體變形試驗(yàn)的結(jié)果分析3.1體積收縮趨緩圖5為土質(zhì)條件中細(xì)砂土,硬性漿a在注漿壓力分別為144.4kPa、192.6kPa、240.7kPa的作用下,漿體體積收縮率變化曲線。隨時(shí)間推移,漿體體積逐漸收縮,時(shí)間達(dá)到約8h后,漿體體積收縮趨緩穩(wěn)定。注漿壓力較大時(shí)漿體體積收縮曲線增長(zhǎng)較快,漿體收縮速率較快,漿體體積收縮率較大。在較小的注漿壓力作用下,漿體變形速率較慢,曲線較為平緩,漿體體積收縮率較小。由圖5中可以看出,注漿壓力為192.6kPa和240.7kPa的漿體變形曲線近于重合,說(shuō)明注漿壓力達(dá)到一定壓力時(shí),加大注漿壓力對(duì)加速漿體變形速率及收縮率影響不大。注漿壓力為144.4kPa時(shí),漿體水分的排出速率明顯變慢,減緩了漿體的變形速率。從另一方面反映出較高的注漿壓力有利于加快漿體水分的排出,使?jié){體快速排水固結(jié)。3.2b、脆性漿、韌性漿變形曲線圖6為土質(zhì)條件為中細(xì)砂土,硬性漿a、硬性漿b、硬性漿c、惰性漿d在注漿壓力為192.6kPa的作用下,漿體體積收縮率變化曲線。隨時(shí)間推移,硬性漿a的變形曲線較為平緩,而硬性漿b、硬性漿c、惰性漿d的變形曲線較為陡變,基本在1h后變形趨于穩(wěn)定。惰性漿d的最終變形量最小,主要是該漿液配比中的生石灰具有吸水膨脹作用,硬性漿c漿液配比中水分比較少,其最終變形量較小,硬性漿b配比中水分含量最大,最終變形量也最大。硬性漿a的最終變形量大于惰性漿d和硬性漿c,變形趨于穩(wěn)定時(shí)間遠(yuǎn)長(zhǎng)于其他三種漿液配比。說(shuō)明硬性漿a的保水性和流動(dòng)性好,在達(dá)到變形穩(wěn)定時(shí),可保證膠凝材料水化作用充分,提高漿體的最終強(qiáng)度,有利于控制地層應(yīng)力的釋放。從施工角度分析,硬性漿a不易堵塞管路,且有利于進(jìn)行二次補(bǔ)漿。4分析結(jié)果表明，砂漿壓力分散試驗(yàn)的結(jié)果4.1注漿壓力試驗(yàn)圖7~圖10中,注漿材料選用表1中的硬性漿a,土質(zhì)條件選用南水北調(diào)中線穿黃隧道的中細(xì)砂土,土體材料參數(shù)見(jiàn)表2,顆粒分析試驗(yàn)曲線見(jiàn)圖4。注漿壓力采用不同注漿壓力進(jìn)行試驗(yàn),研究漿體壓力隨時(shí)間的變化規(guī)律。圖7、圖8中注漿壓力較高,注漿完成后,漿體壓力的消散速率很快,基本在1~2h消散完成,趨于穩(wěn)定。圖9、圖10中注漿壓力較低,漿體壓力的消散過(guò)程不明顯。圖11和圖12中,注漿材料選用表1中的硬性漿a,土質(zhì)條件選用南京地鐵珠江路站的粉粘土,土體材料參數(shù)見(jiàn)表3,采用不同注漿壓力進(jìn)行試驗(yàn)。注漿完成后,漿體壓力消散較為緩慢,基本需30h后才可趨于穩(wěn)定,且注漿壓力越大,漿體壓力消散速率越快。4.2壓力疏散速率圖7~圖12試驗(yàn)中采用的土質(zhì)條件分別為砂性土與粘性土。由漿體壓力消散曲線可知,在砂性土體中漿體壓力消散速率很快,基本可在1~2h內(nèi)趨于穩(wěn)定,而在粘性土體中壓力消散速率較慢,且消散曲線較為平滑,需2~3d才能達(dá)到穩(wěn)定,消散時(shí)間明顯長(zhǎng)于粘性土。這是由于砂性土與粘性土的滲透系數(shù)相差較大,造成了漿體向砂性土中排水速率明顯快于粘性土?？梢?jiàn)圍巖土體的滲透性在很大程度上影響著漿體壓力的消散。5注漿壓力和注漿材料配比對(duì)漿體變形速率的影響壁后注漿是盾構(gòu)施工中控制地層位移的重要手段,對(duì)漿體變形和漿體壓力消散進(jìn)行研究是預(yù)測(cè)地層位移和地層應(yīng)力釋放的基本依據(jù),對(duì)盾構(gòu)施工數(shù)值仿真參數(shù)的選取具有較好的參考作用。(1)注漿壓力對(duì)漿體的變形影響較大,較高的注漿壓力可加速漿體的變形速率,加大漿體變形量,但注漿壓力達(dá)到一定程度時(shí),注漿壓力只對(duì)漿體體積變形速率產(chǎn)生影響,而對(duì)漿體最終變形量影響較小。(2)注漿材料的配比對(duì)漿體的變形影響較大。硬性漿b、硬性