注入初期盾构壁后注浆体的三轴试验研究

陈喜坤，朱 伟，王 睿 (.苏交科集团股份有限公司，南京 007; .河海大学 土木与交通学院，南京 0098)

注入初期盾构壁后注浆体的三轴试验研究

陈喜坤1，朱 伟2，王 睿2
(1.苏交科集团股份有限公司，南京 210017; 2.河海大学 土木与交通学院，南京 210098)

壁后注浆体注入初期的变形及力学性质的变化直接影响到土体应力释放、地面沉降以及管片的后期受力情况。基于非自立性材料三轴试验方法，以工程常用的硬性浆和惰性浆为研究对象，开展了三轴固结不排水剪切试验。结果表明：高围压有助于浆液排水固结，且浆液最终体应变也随着围压增加而增大；浆液在不排水条件下剪切过程呈现出应变硬化性，体积先收缩，随后呈现出明显的剪胀特性。在满足变形及施工要求的前提下，适当提高注浆压力及采用水胶比较小的浆液，有利于保证注浆体的施工质量。

盾构; 壁后注浆; 三轴试验; 剪切应力; 孔压消散; 体应变

1 研究背景

盾构隧道在我国的使用越来越多，由于壁后注浆引起的变形、上浮、沉降等问题经常发生[1]。使用壁后注浆材料充填盾壳与管片之间的10～20 cm盾尾空隙[2]，这是盾构隧道施工过程中控制地表沉降发生、减少对周围围岩扰动、增加盾构管片防渗性能的关键[3]。而壁后注浆材料以一种流塑性材料的状态注入盾尾空隙，经过固结-胶结作用后成为管片结构和围岩之间的过渡性接触体。从高压流体材料变为适应围岩应力的固体材料，壁后注浆体的主要应力和变形都在注入初期发生，注入初期的力学性质对于后期的工程表现起着至为关键的作用。因此，从土力学的角度研究注入初期注浆体的应力-应变及强度特征，对于理解壁后注浆体的力学行为，合理进行材料配制和施工管理有着重要作用。

目前，常用的壁后注浆体主要包括单液浆和双液浆，其中单液浆的使用最为广泛，国内外很多学者针对不同盾构隧道的壁后注浆体展开研究。李晓鄂[4]等研究发现采用水泥系注浆材料所形成的固结体抗压强度、弹性模量、抗渗性能除与水灰比有关外，与土质也有很大关系。Mcgillivray[5]针对美国佛罗里达州浅覆土隧道施工的壁后注浆问题，通过测试浆体的流动度、不同养护龄期试块(直径76 mm，高度152 mm)强度等指标，选取了一种合适的硬性浆液；王树清等[6]研制了水泥-粉煤灰-膨润土-水玻璃系双液塑性同步注浆材料，探讨了组分对浆液流动性、稳定性、强度等的影响。

壁后注浆体注入盾尾空隙后的力学性质方面也有学者开展了研究，Bezuijen等[7]在二次注浆管处安装压力传感器现场实测了壁后注浆体施工过程中浆液孔隙水压力的变化，得出了实际施工中壁后注浆体孔压消散的规律。张海涛[8]针对上海西藏南路越江隧道进行了惰性浆液配比试验，通过固结、直剪等传统土力学试验手段得出了不同养护龄期壁后注浆体的强度、流动度、和易性、泌水率等指标的变化规律。韩月旺等[9]利用自制相似于一维固结仪的试验装置，对壁后注浆体的孔压消散特性进行研究，发现注浆材料以及围岩透水条件会对注浆压力的消散产生很大的影响。

由于试验和检测方法的局限性，目前还不能考虑围岩应力作用下流动性注浆材料逐渐硬化的物理力学过程，因此，壁后注浆材料在注入初期的力学特性尚不明确。针对以上问题，本文使用特殊的能够进行流塑性材料三轴试验的仪器，对3种常见的壁后注浆材料进行了三轴试验，研究了注入初期壁后注浆体的孔压消散、变形和强度参数。

2 试验材料和方法

2.1 材 料

试验分别采用了3种常用的壁后注浆体材料，分别是惰性浆a、惰性浆b[10]、硬性浆c[11]，其配方和浆体的工程性质分别如表1和表2所示。

表1 浆液单位体积的的材料用量Table 1 Slurry material usage per unit volume kg

表2 浆体的工程参数Table 2 Engineering parameters of the slurry

2.2 装 置

图1 非自立性三轴试验装置Fig.1 Non-self-reliant triaxial test device

本文利用Zhu等[12]改进后的非自立性材料三轴试验仪(图1)和试验方法，首次实现了既不改变试样初始孔隙比又快速有效的制样手段，并开展壁后注浆材料的应力-应变试验。主要实现方法是在对开模的支护下完成试样的装填，然后在不拆除对开模的条件下安装压力室并注水施加围压，围压维持到试样稳定之后，通过活塞杆的提升撤销对开模的支护作用，整个过程试样均不排水，所以不会对试样的孔隙比分布带来影响。

2.3 方 法

(1) 制样和装样。将试验材料分别称重，并放入搅拌容器中，搅拌10 min左右，然后装入事先安装在三轴仪底座上的对开模中，安装压力室并充满水后施加初始围压使试样稳定，整个过程历时控制在1 h左右。

(2) 固结过程。提升轴压杆，打开对开模，对3种浆体均分别采用50，100，200 kPa围压进行固结，孔压消散过程以孔隙水压力降为0为消散终点。

(3) 剪切阶段。采用固结不排水剪切，剪切速率为0.02 mm/min。轴向应变达到15%时，结束试验。

3 结果与分析

3.1 注入初期壁后注浆材料的孔压消散特性

试验中3种浆液实测装样高度均为7.5 cm，试样直径3.9 cm，试验条件相同。

如图2中，u为孔隙水压力，σ3为围压，注入初期3种浆体孔压消散曲线均呈现反“S”型，根据消散速率和曲线形态可将浆体孔压消散过程分为3个阶段：第1阶段，孔压消散速率较小，惰性浆a和硬性浆c出现短暂的孔压不消散的现象，浆体快速排水；第2阶段，孔压消散速率逐渐达到最大值，这一过程占消散过程历时的50%以上，浆体排水收缩的速度依然很快，后期开始出现降低；第3阶段，孔隙水压力消散速率降低，浆体体应变达到最大值，并趋于稳定。

图2 不同围压下浆液孔压随固结时间变化情况Fig.2 Changes of pore pressure of slurry with the consolidation time under different confining pressures

随着围压增大，浆液孔压消散速度增加，有利于浆液的固结稳定，因此施工中应该在不超过地层土水压力的前提下采用较大的注浆压力。此外，惰性浆a和硬性浆c第1阶段消散过程持续时间高于惰性浆b，最终孔压消散时间也高于惰性浆b，分析认为，惰性b水胶比较大(水与胶凝材料的质量比，硬性浆的胶凝材料为水泥和粉煤灰，而惰性浆采用石灰与粉煤灰)，导致浆液排水较快，从而使孔压迅速降低。

3.2 注入初期壁后注浆材料的变形特性

图3为3种浆液在50, 100, 200 kPa围压下的体应变变化曲线，表3为浆液最终体应变量。

由图3可知，随着固结时间推移，浆液体积收缩率逐渐增加，但增加幅度逐渐减缓，并趋于0。围压较大时，浆体体积收缩率增长较快，且最终体应变也较大。而小围压下浆液体积变形则比较平缓。此外，从表3可以看出，围压从100 kPa至200 kPa的体应变的增加量，明显小于50 kPa至100 kPa的体应变的增加量。即在低围压下体应变随围压增加较大，而高围压下体应变的增幅逐渐降低。

图3 不同围压下浆液体应变随固结时间变化情况Fig.3 Changes of volumetric strain of slurry with the consolidation time under different confining pressures

表3 浆液体应变情况Table 3 Ultimate volumetric strain of different slurries

惰性浆b与惰性浆a相比有较大的水胶比，流动度也大于浆液a，可以发现其体应变量也是最大的。因此，为了减小浆液体应变，施工中应该在保证浆液可泵送的前提下，尽量减小浆液水胶比。

由表3可知惰性浆a与硬性浆c的体应变相差很小，而惰性浆b的体应变高于其他2种浆液，说明水泥的水化作用在初期体应变发生过程中影响较小，惰性浆注入初期的体应变也可达到较小的水平。

3.3 注入初期壁后注浆材料的强度特性

对于注入初期壁后注浆体固结不排水剪切，3种浆液应力-应变曲线如图4所示，可以看出，浆液应力-应变曲线与正常固结饱和黏土类似，呈现应变硬化性，剪切过程并没有出现峰值，说明注入初期浆液强度发展较慢，浆液以塑性变形为主；在不排水的条件下，超静孔隙水压力的变化为先增加后减小，如图5所示，这表明壁后注浆体呈现先剪缩，孔压上升，随后发生剪胀，孔压随之降低，这与普通黏土的剪切特性不同，剪切后期的剪胀特性与超固结土类似，壁后注浆体中的胶结成分产生的胶结应力是产生这一现象的主要原因。

此外，从表4可以看出，随着围压增大，浆液抗剪强度也增大，硬性浆液强度高于惰性浆的特征在浆液注入初期并不明显，浆体剪破时形态如图6所示，呈现出明显的塑性变形。

图4 浆液固结不排水剪切应力-应变曲线Fig.4 Consolidated drained shear stress-strain curves of slurry

图5 剪切过程浆液超静孔隙水压力变化情况Fig.5 Changes of excess pore water pressure of slurry in the shear process

表4 浆液抗剪强度Table 4 Shear strengths of slurries

图6 壁后注浆体的破坏形态Fig.6 Failure pattern of backfill grouting slurry

表5是通过绘制浆液的总应力强度包线，得出的浆液黏聚力c和内摩擦角φ。观察发现，浆液抗剪强度由黏聚分量和摩擦分量2部分构成，其黏聚力c的值代表了从制样结束到开始剪切过程中胶结应力的增加值。水胶比较大的浆液(惰性浆b)其内摩擦角较小，而黏聚力也较小。

表5 浆液c，φ值Table 5 Values of c and φ of slurry

4 结 论

(1) 不同围压对壁后注浆材料的力学特性影响较大，浆体固结时围压越大，体应变越大，孔压消散速度越快。但最终体应变量随围压的增大，其增长幅度逐渐变小。施工中应该根据需要选取注浆压力，变形要求小的地层可适当提高注浆压力。

(2) 浆液水胶比较大时，其抗剪强度较小，体应变较大，且变形发生速度快。实际施工中为了保证同步注浆的施工效果，在满足泵送条件的前提下，应该尽量采用水胶比小的浆液。

(3) 注入初期壁后注浆材料的固结不排水剪切表现出应变硬化性，不排水条件下，剪切过程中体积先收缩，随后呈现出明显的剪胀特性。其抗剪强度由黏聚分量和摩擦分量组成，黏聚分量随着胶结物质的不断水化而增大，初期剪切变形以塑性变形为主。

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(编辑：占学军)

Experimental Study on the Triaxial Test of the Shield BackfillGrouting Material at Initial Stage

CHEN Xi-kun1, ZHU Wei2, WANG Rui2

(1.JSTI Group，Nanjing 210017，China; 2.College of Civil and Transportation Engineering, Hohai University, Nanjing 210098, China)

Deformation and mechanical properties of backfill grouting material directly affect soil stress release, ground subsidence and late stress situation of segment lining. Based on triaxial test method of non-independent material, we take the rigid slurry and inert slurry as research objects, carrying out consolidated non-drained triaxial shear test. Results show that, 1) high confining pressure contributes to the consolidation and drainage of the slurry, and the ultimate volumetric strain of the slurry increase with confining pressure; 2) in the shearing process on the non-drained condition, slurry shows tendency of strain hardening, and the volume shrinks first, then with obvious shear dilatation. On the premise of deformation and construction requirements, we can suitably increase grouting pressure and use slurry with smaller water-glue ratio to ensure the construction quality of grouting body.

shield; backfill grouting; triaxial test; shear stress; pore pressure dissipation; volume strain

2015-06-12;

2015-08-09

国家重点基础研究发展计划(973)项目(2015CB057803)；国家自然科学基金项目(51408191)；江苏省疏浚与泥处理利用国家工程技术研究中心培育点项目(BM2013013)

陈喜坤(1989-)，男，河南商丘人，硕士，主要从事盾构隧道科研与设计工作，(电话)15252489968(电子信箱)chenxikunz@126.com。

10.11988/ckyyb.20150494

2017,34(4):140-143

U452

A

1001-5485(2017)04-0140-04