配比对盾构施工惰性浆液性能影响研究

程雪松,赵林嵩,郑 刚,索晓明,吴薪柳

(1. 天津大学 滨海土木工程结构与安全教育部重点实验室,天津 300072; 2. 天津大学 建筑工程学院,天津 300072; 3. 中国铁路设计集团有限公司,天津 300308)

0 引 言

盾构法以其施工效率高、智能化程度高、施工环境安全等优点逐渐成为我国轨道交通中常用的施工方法。不过,由于其独特的开挖方式,盾构施工并不能做到完全不扰动周边地层,一旦采取了不恰当的施工措施,极有可能导致地表沉陷或隆起、隧道上浮变形及周围建筑物变形等一系列安全事故。在盾构开挖过程中,脱出的管片直径并不能完全填补开挖出的空隙,此空隙宽约12 cm[1],需要进行同步注浆填充,若不能及时、完整地充填此空隙,处于无支撑状态的周边地层将发生土体变形乃至局部坍塌,造成地表与周围建筑物的损坏。壁后注浆的质量将直接影响盾构开挖工程的质量,注浆材料、注浆方法及施工参数等是重要影响因素[2]。对注浆材料的研究包括:现场试验研究[3-4]、理论研究[5-6]、模型试验研究[7-8]及数值方法研究[9-12]等。

单液浆液是一种注浆材料,其施工操作是将几种材料一次集中拌和,然后注入到需要注浆的地方。按有胶凝性的强弱单液浆液可分为活性浆液和惰性浆液两种,前者由于掺加了水泥在较短时间内可以达到较高强度,但存在堵管现象,且原料较贵;后者相对来说早期强度较低,凝结时间较长,但无堵管风险,且原料便宜,应用范围较广。

贺雄飞[13]试验探讨了减水剂、硅灰作为添加剂在惰性浆液中的作用;郭兆清等[14]通过对比试验,发现减水剂能大幅增加浆液稠度,从而影响浆体的泌水;王友冕[15]通过室内试验,证明材料配比、搅拌方式均对惰性浆液性能产生重要影响;慕欣等[16]试验发现,惰性浆液凝结时间、抗压强度随着砂细度模数的增大而增加,火山灰反应造成的黏聚力与内摩擦角增加非常微弱;万泽恩等[17]用同步注浆专用充填剂对惰性浆液进行改良,改良后惰性浆液泌水率降低了、凝结速度加快了,硬化壁后充填强度提高了;郄向光等[18]对比了新型惰性浆液、活性浆液及双液浆,认为新型惰性浆液抗水分散性及保水性较好,不易离析,凝结时间适中;刘学彦等[19]通过对盾构现场穿越试验段的研究,发现选取适当的同步注浆量能够保证成功穿越危险地层;王吉永[20]、陈海丰等[21]基于实际高铁路基工程,分析了盾构下穿高速铁路施工过程中的关键控制点,设计了满足性能要求的惰性浆液配比,最终成功控制了地层沉降。

笔者针对惰性浆液的特点,通过材料配比试验及数据分析,揭示了材料配比对惰性浆液性能的影响规律,提出了确定惰性浆液配比的计算方法。研究结果可为工程实践提供参考。

1 原材料、配比设计及试验方法

为保证工程质量,同步注浆浆液应具有良好的泵送性、填充性,及适当的凝结时间、一定的早期强度和较低的体积收缩率,为了避免对周围地层产生污染,浆液材料还应具有环保性。

1.1 原材料

含钙95%±3%的熟石灰;3 000目Ⅰ级粉煤灰;1 500目的钠基膨润土;细度模数为2.0的细砂;羧甲基纤维素钠(CMC)增稠剂;减水率约为20%的FDN-C型萘系减水剂。

1.2 配比设计

笔者采用正交试验法进行惰性浆液配比(质量比)设计,选取水胶比(水与胶凝材料质量比)X1、胶砂比(胶凝材料与细砂质量比)X2、粉灰比(粉煤灰与熟石灰质量比)X3、膨水比(膨润土与水质量比)X4、减胶比(减水剂与胶凝材料质量比)X5共5个因素作为分析对象,每个因素选取3个水平进行分析。因素水平见表1。表中取值参考了前期试配试验结果及常用的高性能惰性浆液的配比范围[11-21]。

表1 因素水平Table 1 Factor level

1.3 试验方法

按照JGJ/T 70—2009《建筑砂浆基本性能试验方法标准》、JC/T 603—2004《水泥胶砂干缩试验方法》进行试验,测定惰性浆液的各项性能指标,包括:锥入度P、凝结时间ts、固结收缩率ε、28天抗压强度f28、泌水率η、黏度μ和流动度F等。

2 试验结果分析

2.1 正交试验分析

图1为惰性浆液各性能指标主效应图。因素的δ值为对应于该因素3个水平中的惰性浆液性能指标最大、最小值之差,δ值越大,表明因素对惰性浆液性能指标的影响程度亦越大。

由图1可知:

1)水胶比和膨水比对惰性浆液锥入度的影响较大,胶砂比、粉灰比的影响较小;惰性浆液的锥入度随着水胶比的增大、膨水比的减小、减胶比的增大而增大。

2)水胶比和胶砂比对惰性浆液凝结时间影响较大,膨水比、粉灰比、减胶比的影响较小;惰性浆液的凝结时间随着水胶比的增大、胶砂比的减小而增大。

3)水胶比和膨水比对惰性浆液泌水率影响较大,泌水率随着水胶比的增大、膨水比的减小而增大,随着减胶比的增大,先减小后增大。胶砂比、粉灰比的影响较小。

4)水胶比对惰性浆液28天抗压强度的影响最大,随着水胶比的增大,惰性浆液28天抗压强度显著减小。

5)水胶比对固结收缩率的影响最大,其次是胶砂比,而膨水比、粉灰比及减胶比影响较小;惰性浆液的固结收缩率随着水胶比及胶砂比的增大而增大。

综上,在惰性浆液配比设计时,要注意控制性能指标在合理范围内,寻找配比的平衡点。

2.2 偏最小二乘回归法

偏最小二乘回归法(PLS)是一种广受欢迎的回归分析方法,它能解决变量共线性问题,可以同时对多个因变量进行分析,对小样本数据间影响关系问题也有很好的解决能力[22]。PLS集多元线性回归、主成分分析和典型相关性分析方法的优点于一身[23],可以提取对系统解释性最强的信息,有效克服了传统回归方法的不足。

表2为利用PLS得出的指标回归公式及可决系数R2。可见,各指标的R2>0.75,表明拟合较好,自变量至少能够解释75%关于因变量的变化。

表2 指标回归公式及可决系数R2Table 2 Regression formulas and determinable coefficients R2 for indicators

图2为根据回归公式得到的惰性浆液各项指标拟合值及试验得到的测试值。

图2 惰性浆液的锥入度、凝结时间、泌水率、28天抗压强度、固结收缩率的拟合值与测试值Fig. 2 Test values and fitting values of cone penetration, setting time, bleeding rate, 28-day compressive strength and consolidation shrinkage rate of inert slurry

由图2可见:

1)测试值与拟合值基本呈线性关系,表明PLS拟合效果较好。

2)在因素变化范围内(水胶比X1=0.7～0.9,胶砂比X2=0.5～0.7,粉灰比X3=3～5,膨水比X4=0.15～0.25,减胶比X5=0.002～0.008),各指标服从线性变化,表明可用回归公式对惰性浆液性能指标进行拟合。

综上,实际工程中,可利用回归公式对不同配比惰性浆液性能进行拟合,从而优化惰性浆液配比,以获得最佳的惰性浆液性能。

3 添加剂作用分析

以水胶比X1=0.8,胶砂比X2=0.6,粉灰比X3=4,膨水比X4=0.20为基准配比制备惰性浆液;再分别掺入减水剂、羧甲基纤维素钠(CMC)增稠剂制备掺添加剂惰性浆液,配比详见表3。按照试验标准测定惰性浆液的锥入度P、泌水率η、黏度μ与流动度F,试验结果见图3。

表3 惰性浆液配比Table 3 Mixing proportion of inert slurry

图3 添加减水剂、CMC惰性浆液性能试验结果Fig. 3 Performance test results of inert slurry mixed with water reducing agent and CMC

由图3可见:

1)对于掺减水剂惰性浆液,随着减胶比的增大,锥入度P逐渐增大,但增长速度逐渐减小,泌水率η呈先减小后增大变化趋势;当减胶比X5=0.004时,惰性浆液的锥入度与泌水率均达到最优效果。说明在惰性浆液配比设计过程中,通过加入适量减水剂并适当减小水胶比,可满足惰性浆液稠度要求。

2)对于掺CMC惰性浆液,当CMC掺量小于0.1%时,随着CMC的增大,浆液黏度μ快速增大,而流动度F则逐渐减小。表明添加适量的CMC能够改善惰性浆液黏度,起到防沉淀的作用,但也会降低惰性浆液的泵送性,因此在CMC添加时应综合考虑泵送性与浆液黏度的影响。

3)为实现盾构法施工工艺背后注浆,要求惰性浆液3 h可泵性好,流动度F>180 mm[24-25]。鉴于当CMC掺量在0～0.05%之间时,浆液流动度下降速度及黏度增长速度均较快,因此,控制CMC掺量小于0.05%,既能增大浆液黏度又保证流动度F>180 mm,实现了经济性与浆液性能的平衡。

4 惰性浆液适用性分析

土层大致有碎石土/卵石土、中粗砂、细砂、粉砂、粉土、黏性土及淤泥质土等几大类。

1)对于富水的碎石土/卵石土与中粗砂地层,由于地下水对注浆浆液的稀释和冲蚀作用,浆液易被冲刷,流失现象明显,会大幅影响浆液凝结时间与凝结强度。

2)对于富水粉土粉砂地层,与砂卵石地层相比较为软弱,渗透系数相对较小,但冲刷现象也较为明显,注浆效果较差,凝结时间要求较高。

3)对于黏性土与淤泥质土,水含量一般较高,管片脱出后地层收缩变形发展较快,地层承载能力差,因此,应使浆液具备良好的填充性,能够及早发挥强度。

4)对于富水地层而言,管片壁后注浆应选取凝结速度快、后期强度高、遇水不易稀释或离析的浆液材料,依据T/CECS 563—2018《盾构法隧道同步注浆材料应用技术规程》、DB/T 29-20—2017《天津市岩土工程技术规范》,盾构穿越富水地层,同步注浆浆液初凝时间应不大于12 h,惰性单液浆难以满足要求,宜采用单液活性浆液或者双液浆。

5)在无水且地层情况较为稳定的区域较为适合使用惰性浆液。为了便于施工,一般要求浆液凝结时间在5 h以上,同时浆液要保证有一定的后期强度,保持较小的固结收缩率。

5 结 论

首先,根据正交试验得到的初步配比配制惰性浆液,分析了材料各种组分对惰性浆液锥入度、凝结时间、泌水率、固结收缩率、抗压强度的影响;然后,用偏最小二乘法(PLS)拟合得到惰性浆液各性能指标的回归公式,对惰性浆液添加剂作用效果及惰性浆液的适用条件进行了分析。得到以下主要结论:

1)水胶比对各个指标影响均较大,胶砂比对凝结时间、固结收缩率影响较大,膨水比与减胶比对锥入度、泌水率影响较大,粉灰比影响较小。

2)惰性浆液配比设计时,加入适量减水剂同时相应减小水胶比,可保证惰性浆液锥入度要求;适当掺入CMC,在满足惰性浆液流动性要求的同时,可改善惰性浆液黏性。

3)惰性浆液各项性能指标回归公式的自变量至少能够解释75%关于因变量的变化,验证了回归公式的合理性,公式可用于惰性浆液配比优化。

4)惰性浆液适用于无水且地层较为稳定地区。