盾构隧道同步注浆材料的浮力时效特性试验研究*

胡光静,黄大维,申海鸥,赵 辉,刘清忠,陈晓飞,罗恒星,庞培彦

(1.中铁广州工程局集团有限公司,广东 广州 511457; 2.华东交通大学轨道交通基础设施性能监测与保障国家重点实验室,江西 南昌 330013; 3.中铁二十五局集团有限公司,广东 广州 511455; 4.中铁四局集团有限公司,安徽 合肥 230041; 5.中铁二局集团有限公司,四川 成都 610031; 6.中铁工程装备集团有限公司,河南 郑州 450016)

0 引言

盾构掘进过程中,盾构机开挖直径往往要大于盾构隧道外径,由此导致完成拼装的隧道脱出盾尾后,隧道与地层间形成空隙,因此需通过同步注浆填充该空隙。为加强隧道防水、减少施工期隧道上浮,普遍采用可硬性同步注浆材料,然而可硬性同步注浆材料在凝固前同样具有浮力,当掘进施工过快,同步注浆浮力影响导致隧道发生局部上浮时,极易引发管片错台、破损、渗漏水等病害[1-2]。因此盾构隧道同步注浆材料的浮力时效特性对盾构施工掘进速度控制十分关键。

在地下结构浮力特性研究方面,向科等[3]开展了浅埋地下结构浮力模型试验,研制了静结构浮力测试模型试验系统,针对不同种类土层环境模型结构所受浮力及孔隙水压力进行测试;周俊宏等[4],张连凯[5],Zhou等[6]设计了盾构隧道上浮缩尺装置,通过拉杆传力替代上浮力,实现了隧道上浮量控制,同时得到了不同上浮量下的抗浮力大小,并采用了机器视觉技术观测透明土中隧道上浮时土体运动过程;杨方勤等[7],Kasper等[8],朱合华等[9]通过模型试验和理论分析的方法,进行隧道抗浮模型试验,通过改变结构总重确定不同龄期浆液引起的结构上浮位移,基于此提出隧道上浮稳定机理,并建立盾构隧道上浮计算的理论模型;肖明清等[10],朱建春等[11],朱令等[12],叶俊能等[13],张雨帆[14]采用数值模拟法,基于不同埋深与掘进速度条件,对比分析不同龄期浆液下隧道结构纵向受力、管片错台量,认为缩短浆液龄期能有效减小管片间错台。阮承志等[15],黄大维等[16]基于不同的浆液材料配合比,测试了浆液流动度、稠度、分层度等性能,模拟了浆液在砂土地层中的扩散过程。然而,现有研究缺乏对同步注浆的浮力时效特性研究,因此同步注浆材料的浮力对施工期隧道结构的影响评估精度低。

本文通过设计模型试验,对同步浆材料的浮力进行测试,并结合测试结果分析浆液凝固过程中同步注浆材料对隧道结构的作用。研究成果对盾构隧道同步注浆材料配制、施工期隧道上浮控制具有指导意义。

1 试验简介

试验设计的浮力测试装置主要结构如图1所示,试验土箱尺寸为88cm×82.5cm×105cm(长×宽×高),土箱四周为3cm厚有机玻璃。试验同步注浆材料置于土箱内。浮力测试圆筒放置于模型箱几何中心,圆筒底部距土箱底部的砂土约20cm。圆筒顶部安装竖向位移计,试验时量测装置沉降;圆筒上部与吊秤通过垫有减振弹簧的螺栓连接,其中吊秤用来监测装置浮力变化。圆筒内部设有配重,保持箱内整体结构(包括测试圆筒、配重块、位移计、角码与螺栓)自重大于所受最大浮力,本试验箱内整体结构总重117.00kg。试验时,通过读取吊秤的重力减小值测得圆筒所受到的浮力。

图1 同步注浆材料浮力测试装置(单位:cm)Fig.1 Simultaneous grouting material buoyancy test device(unit:cm)

同步注浆材料参考地铁隧道施工现场所用的同步注浆材料配合比:水泥∶粉煤灰∶细砂∶膨润土∶水为1∶2.7∶4.1∶0.5∶3。细砂级配曲线如图2所示。配制的浆液密度为1.7g/cm3。试验时向土筒内倒入配制好的浆液,当浆液液位到达圆筒底部后,通过控制浆液倒入量,使每次液位上升约5cm,共分3次,即液位距圆筒底部分别为5,10,15cm。

图2 细砂级配曲线Fig.2 Fine sand gradation curve

2 试验结果分析

2.1 倒入浆液时圆筒浮力与上浮量分析

土箱内倒入浆液时液位与浮力的关系如图3所示,试验值通过圆筒的称量数据计算所得,理论值根据阿基米德原理计算所得。因倒入浆液时,圆筒出现上浮趋势(见图4),因此在计算圆筒理论浮力时,考虑圆筒上浮量,3次液位变化所对应的理论浮力分别为226.9,451.3,695.0kN。由图3可知,刚配制好的浆液由于其流动性良好,实测浮力与理论浮力结果非常接近。稍有一定偏差与试验误差、浆液的黏滞性等影响有关。

图3 土箱内倒入浆液时液位与浮力的关系Fig.3 Relationship between liquid level and buoyancy when slurry is poured into the soil box

图4 土箱内倒入浆液时圆筒的上浮量Fig.4 The uplift of the cylinder when the slurry is poured into the soil box

因圆筒与吊秤连接时在连接螺栓内垫入了弹簧(见图5),圆筒的重力由弹簧压力所承担,因此弹簧将发生一定的压缩。土箱内倒入浆液使圆筒受到浮力时,圆筒总重将减小,弹簧将伸长,由此导致圆筒发生竖向位移,即图4所示的上浮量。由图4可知,当液位由0分别上升至5,10,15cm时,结构的累积上浮量分别为1.7,4.6,5.6mm,上浮量线性较好,总体与圆筒与吊秤的连接弹簧线性伸长有关。

图5 圆筒与吊秤的连接弹簧Fig.5 The spring connection of the cylinder to the lifting weight

2.2 浆液凝固时浮力与上浮量分析

浆液静置过程中圆筒的浮力变化如图6所示,由图6可知,在浆液倒入土箱后静置的4h内,圆筒浮力减小速率先增大后减小;静置约19h后浮力减小速率增大(有一段没有数据点是考虑到数据变化较小,未再读数),在静置约21h后浮力达到最小,值为402kN,此时与圆筒在纯水中所受到的浮力非常接近(408kN);之后浮力再次增大,约32h后,圆筒浮力基本稳定。

图6 浆液静置过程中圆筒的浮力变化Fig.6 Change in buoyancy of the cylinder during the resting of the slurry

结合试验所观察到的现象可知,浆液静置后,开始发生泌水,可见浆液中固体成分开始向下沉淀,因浆液中的固体成分重力逐渐传递到底部基础(砂土)中,其悬浮颗粒逐渐减少,因此浆液对圆筒的浮力开始减小,在静置约4h后,大部分圆体颗粒完成沉淀,因此浮力减小速率显著减小。静置过程中浆液开始凝固,其流动性继续降低,静置约21h浮力达到最小值,与浆液凝固有关,浆液继续发生水化反应,具有一定强度的浆体体积发生一定变化,由此对圆筒产生支承力,因此吊秤所测重力减小,计算所得的浮力再次增大。

浆液静置过程中圆筒竖向位移变化如图7所示。由图7可知,静置过程中因浮圆筒的浮力逐渐减小,圆筒向下发生沉降,最大沉降值约为3mm。因弹簧刚度较大,静置4h后圆筒的浮力变形较小,其竖向位移变化并不明显,因此图7只记录了静置约8h的圆筒竖向位移,对比图6,7可知,浆液静置过程浮力变化与圆筒的竖向位移变化趋势一致。

图7 浆液静置过程中圆筒竖向位移变化Fig.7 The vertical displacement change of the cylinder during the slurry standing process

根据同步注浆材料室内浮力测试发现,在注浆材料刚完成配制时,浆液流动性好,浆液中的固体颗料呈悬浮状态,浆液对圆筒的浮力等于圆筒排开浆液的重力(符合阿基米德浮力原理)。当浆液开始静置后,浆液中固体成分开始向下沉淀而发生泌水现象,圆筒浮力开始迅速减小,在静置约4h后圆筒浮力减小速率显著降低。静置约21h后圆筒浮力减小到最小值,其大小等于圆筒排开水的重力。在达到最小值后,圆筒所受到的浮力有一定的增大,主要与浆液水化反应过程中发生凝固及一定的体积变化有关。

基于上述相关测试分析可知,为减小施工期隧道上浮对隧道施工质量的影响,可适当降低盾构隧道掘进速度,以减小浆液的浮力影响范围;此外,尽管在浆液静置约4h后其受到的到浮力已大幅度降低,但浆液并未凝固,即基本没有强度,考虑到即便在最小浮力时也与圆筒排开水的重力相等,因此位于地下水位以下的盾构隧道仍为典型的上浮结构,隧道上部的同步注浆材料需承担隧道的上浮荷载。为减小隧道上浮,配制快凝的同步注浆材料,或在隧道顶部合理注入速凝的双液浆(采用水泥与水玻璃配制而成)。

3 结语

1)在土箱内倒入浆液时,圆筒受到浮力与其排开的同步注浆材料重力相等,与液位上升的线性关系良好,即圆筒在同步注浆材料中所受到的浮力符合阿基米德浮力原理。

2)注浆材料静置后圆筒的浮力开始减小,在静置约4h内浮力迅速减小,主要与浆液沉降及凝固有关;在静置约21h浮力达到最小值,最小浮力与圆筒在纯水中所受到的浮力非常接近。

3)静置约21h后浮力再次增大,最终所测得的浮力稍大于圆筒所受到水的浮力,主要与浆液水化反应过程中发生凝固及一定的体积变化有关。

4)为减小施工期隧道上浮对隧道施工质量的影响,可适当降低盾构隧道掘进速度,以减小浆液的浮力影响范围;或在隧道顶部合理地注入速凝的双液浆。