盾构壁后注浆体变形及力学性质的影响因素

盾构壁后注浆体变形及力学性质的影响因素

1壁后注浆作用结构隧道技术可以在不干扰城市正常功能的前提下快速完成隧道建设，是城市地铁隧道和岳江隧道建设的主流方式。例如，上海、北京、广州、南京等城市的地铁隧道建设，以及湖北、南北铁路穿越长江隧道和南北中轴线黄隧道的岳江隧道。最大限度地降低盾构施工对周围地层的扰动,减小地表沉降是盾构施工的核心问题。盾构施工中引起地层位移的因素较多,其中最主要的是压力舱支护压力与地层土、水压力不平衡导致开挖面前方土体的移动,以及盾尾空隙的闭合引起周围地层移动。可见对盾尾空隙进行注浆回填是控制地层位移的重要手段,是盾构施工的必备及关键工序。壁后注浆是以一定的注浆压力把具备一定流动性的浆体压入盾尾空隙,并确保充填完全,是主动控制围岩应力释放和地层位移的重要手段。在注浆完成后,注浆体仍处于液相流动状态,围岩土体和管片衬砌主要承受浆体压力的作用。随施工进行和时间推移,浆体水分流失,浆体发生变形,浆体压力逐渐消散,浆体逐渐硬化,并在管片外围形成环形保护层,最终围岩土压力通过浆体层传递到管片。浆体由液体状态逐渐向固体状态硬化的过程中,浆体的力学性质变化、浆体的变形特性及浆体压力的消散必将直接影响地层位移、土体应力释放及最终作用在管片上的土压力。Kuwahara等学者在未考虑壁后注浆作用的前提下,利用离心模型试验研究了由于盾尾空隙的闭合引起管片上作用的土压力、地层位移以及隧道围岩土压力变化规律。ThomasKasper等学者建立的三维数值模型能够比较系统的模拟盾构施工过程,并将注浆材料考虑为刚度、渗透系数随时间变化的材料。离心模型试验不能考虑浆液的注入及浆体硬化过程中浆体体积变形对地层位移的影响,所以有必要考虑利用单元体模型试验方法来研究壁后注浆对地层位移的影响。在数值仿真计算中虽然考虑了浆体材料性质在硬化过程中的变化,但未考虑浆体压力的消散过程对地层位移及管片土压力的影响,且浆体力学参数的取值是基于假设的前提,缺乏试验结果的支撑。为了研究壁后注浆完成后浆体变形及浆体压力消散规律,设计了壁后注浆单元模型试验装置,通过试验研究了不同土质条件下,不同注浆压力、注浆材料对浆体变形及浆体压力消散的影响。2管片-浆体-土体模型盾尾脱出管片后,在围岩土体与管片外壁之间形成一定厚度的环形盾尾空隙,对盾尾空隙进行壁后注浆回填,壁后注浆完成后,在管片-浆体-土体共同作用下,浆体水分流失,浆体压力消散,浆体逐渐硬化。如图1所示,在隧道概化模型中取出拱顶单元,该单元体包括土体、浆体及管片。管片认为不透水,管片与土体同时承受浆体压力的作用,在浆体压力作用下,浆体向土体排水,继而引起浆体压力消散,符合实际状态。2.1土体灌浆浇筑试验根据概化的单元体模型设计了如图2所示的浆体变形试验装置。试验中认为浆体压力不发生变化,浆体压力通过在活塞上方进行砝码堆载施加。最下方为土体,试验前对土体进行饱和,在加载前预先对土体施加,使土体排水固结完成。在浆体压力作用下,浆液向土体渗水,将土体渗出的水分用烧杯收集,并用电子天平和计算机实时测量,并记录排出的水量。此处认为浆体排出的水即为浆体的体积收缩量,通过排出的水量与筒体内面积可换算出浆体的变形量。2.2千斤顶土压力测量系统根据概化的单元体模型设计了如图3所示的浆体压力消散试验装置。该试验装置包括三个系统:注浆系统、单元体系统和测量系统。为维持注浆压力的稳定和防止管路堵塞,在注浆系统中还设置了回流管路和清洗管路。单元体系统中筒体下部设有千斤顶,以施加一定的土体初始压力,筒内装有土体,土体上部预留一定厚度空隙来模拟盾尾空隙,在该空隙中放置气囊,气囊上部为顶盖用来模拟管片。测量系统包括土压计,注浆压力表和限压排水阀,土压计布置于浆土交接面。试验步骤如下:①预先将所模拟土体分层击实装入筒内,将土压计埋设于预定位置,并在土体上部预留一定空间模拟盾尾空隙;②在空隙处放置气囊,盖上顶盖。通过给气囊充气并提升千斤顶对土体施加压力,平衡后即认为该压力为地层土压力,记录土压计及水压表初始计数;③配制浆液进行注浆,注浆的同时打开气囊排气阀模拟盾尾空隙的产生及同步注浆。待浆液注满,调节回流阀,使注浆压力达到预定值并保持10min后,关闭注浆阀,并清洗管路;④注浆完毕后,实时记录土压计的读数变化。2.3注浆压力加载量试验方案利用浆体变形单元模型试验装置,进行不同注浆压力、不同注浆材料对南水北调中线穿黄隧道的中细砂土质条件进行试验。注浆压力采用砝码堆载实现,分别加载60kg、80kg、100kg,换算注浆压力分别为144.4kPa、192.6kPa、240.7kPa。注浆材料选用三种不同配比的单液硬性浆和一种单液惰性浆,浆液配比见表1。试验中所配砂土材料参数见表2,颗粒分析试验曲线如图4所示。2.4注浆压力试验利用注浆压力消散单元模型试验装置,对浆体变形试验中所用的硬性浆a分别对南水北调中线穿黄隧道的中细砂土(材料参数见表2,颗粒分析曲线见图4)和南京地铁珠江路站的粉粘土(材料参数见表3)进行不同注浆压力试验。3浆体变形试验的结果分析3.1体积收缩趋缓图5为土质条件中细砂土,硬性浆a在注浆压力分别为144.4kPa、192.6kPa、240.7kPa的作用下,浆体体积收缩率变化曲线。随时间推移,浆体体积逐渐收缩,时间达到约8h后,浆体体积收缩趋缓稳定。注浆压力较大时浆体体积收缩曲线增长较快,浆体收缩速率较快,浆体体积收缩率较大。在较小的注浆压力作用下,浆体变形速率较慢,曲线较为平缓,浆体体积收缩率较小。由图5中可以看出,注浆压力为192.6kPa和240.7kPa的浆体变形曲线近于重合,说明注浆压力达到一定压力时,加大注浆压力对加速浆体变形速率及收缩率影响不大。注浆压力为144.4kPa时,浆体水分的排出速率明显变慢,减缓了浆体的变形速率。从另一方面反映出较高的注浆压力有利于加快浆体水分的排出,使浆体快速排水固结。3.2b、脆性浆、韧性浆变形曲线图6为土质条件为中细砂土,硬性浆a、硬性浆b、硬性浆c、惰性浆d在注浆压力为192.6kPa的作用下,浆体体积收缩率变化曲线。随时间推移,硬性浆a的变形曲线较为平缓,而硬性浆b、硬性浆c、惰性浆d的变形曲线较为陡变,基本在1h后变形趋于稳定。惰性浆d的最终变形量最小,主要是该浆液配比中的生石灰具有吸水膨胀作用,硬性浆c浆液配比中水分比较少,其最终变形量较小,硬性浆b配比中水分含量最大,最终变形量也最大。硬性浆a的最终变形量大于惰性浆d和硬性浆c,变形趋于稳定时间远长于其他三种浆液配比。说明硬性浆a的保水性和流动性好,在达到变形稳定时,可保证胶凝材料水化作用充分,提高浆体的最终强度,有利于控制地层应力的释放。从施工角度分析,硬性浆a不易堵塞管路,且有利于进行二次补浆。4分析结果表明，砂浆压力分散试验的结果4.1注浆压力试验图7~图10中,注浆材料选用表1中的硬性浆a,土质条件选用南水北调中线穿黄隧道的中细砂土,土体材料参数见表2,颗粒分析试验曲线见图4。注浆压力采用不同注浆压力进行试验,研究浆体压力随时间的变化规律。图7、图8中注浆压力较高,注浆完成后,浆体压力的消散速率很快,基本在1~2h消散完成,趋于稳定。图9、图10中注浆压力较低,浆体压力的消散过程不明显。图11和图12中,注浆材料选用表1中的硬性浆a,土质条件选用南京地铁珠江路站的粉粘土,土体材料参数见表3,采用不同注浆压力进行试验。注浆完成后,浆体压力消散较为缓慢,基本需30h后才可趋于稳定,且注浆压力越大,浆体压力消散速率越快。4.2压力疏散速率图7~图12试验中采用的土质条件分别为砂性土与粘性土。由浆体压力消散曲线可知,在砂性土体中浆体压力消散速率很快,基本可在1~2h内趋于稳定,而在粘性土体中压力消散速率较慢,且消散曲线较为平滑,需2~3d才能达到稳定,消散时间明显长于粘性土。这是由于砂性土与粘性土的渗透系数相差较大,造成了浆体向砂性土中排水速率明显快于粘性土。可见围岩土体的渗透性在很大程度上影响着浆体压力的消散。5注浆压力和注浆材料配比对浆体变形速率的影响壁后注浆是盾构施工中控制地层位移的重要手段,对浆体变形和浆体压力消散进行研究是预测地层位移和地层应力释放的基本依据,对盾构施工数值仿真参数的选取具有较好的参考作用。(1)注浆压力对浆体的变形影响较大,较高的注浆压力可加速浆体的变形速率,加大浆体变形量,但注浆压力达到一定程度时,注浆压力只对浆体体积变形速率产生影响,而对浆体最终变形量影响较小。(2)注浆材料的配比对浆体的变形影响较大。硬性浆b、硬性