橡胶水泥基注浆材料下的隧道与地表变形研究

橡胶水泥基注浆材料下的隧道与地表变形研究

郭森华  董涛  

广东华隧建设集团股份有限公司  广东广州  510000

摘要：针对地铁盾构隧道建设采取注浆加固控制地表及管片变形问题，结合室内试验对同步注浆液体与浆液结合体的物理力学性能进行研究，对受单因素影响下的注浆材料强度规律进行分析，得出注浆浆液最优配合比，以某盾构区间隧道为原型，考虑注浆参数采用有限元软件建立盾构隧道开挖模型，对隧道开挖引起的地表及管片变形规律进行总结分析。

关键词：橡胶水泥基；注浆材料；工作性能；数值模拟；变形特性

0引 言

盾构法隧道施工凭借其自动化程度高安全性能可靠的优点，在城市轨道交通建设中得到了广泛应用。由于盾构隧道建设过程中的隧道管片与盾构机直径存在一定差异，所以盾构隧道管片与围岩会产生一定的间隙，因此在管片脱出盾构时需要及时注浆填充间隙，以保证隧道建设质量与安全。间隙注浆填充效果优劣将直接影响管片与地表变形大小，因此对注浆材料与盾构隧道开挖引发的地表变形问题进行研究十分重要。

在研究注浆材料影响管片及隧道地表变形方面，Wan Yu等[7]通过室内试验考察了黏土冲击对惰性浆液的影响。李培楠等[8]依据流体力学原理，分析总结注浆填充扩散压力沿环纵向的分布规律及其影响因素。黄旭民等[9]、陈鹏等[10]依托弹性地基梁矩阵传递法理论与原位试验法，对注浆压力、浆液特性、扩散形态及注浆填充效果进行了分析。

综上所述，同步注浆作为盾构法隧道施工的关键工序，传统的固体废弃粉料在同步注浆材料中的应用已具有一定的深度与规模，但是针对橡胶水泥在同步注浆等水泥基材料中的力学及工作性能的研究还较为匮乏。因此，本文将室内试验与数值计算方法有机结合，以橡胶颗粒的掺入水泥基材料中的最高限值为80%，进行橡胶颗粒掺入同步注浆浆液的系统化研究。

1 注浆浆液试验概况

1.1 试验材料及配比

试验材料采用P·O 42.5普通硅酸盐水泥；钠基膨润土；普通饮用水；闭孔珍珠岩，粒径1-2mm，堆积密度0.103 g/cm3 ,筒压强度1.58KPa，体积吸水率43%，体积漂浮率84%，表面玻化率85%；橡胶颗粒2~4mm做为细骨料颗粒等体积替代部分骨料，替代率分别按0%、20%、40%、60%和80%考虑。基于相关规范确定5组浆液的配合比，具体如表1所示。

表1 注浆材料质量配比

1.2 试样设计与试验

同步注浆浆液性能要求，主要体现在注入前、凝结、固结三阶段。基于相关规范要求，其对应的指标为稠度90~130mm，流动度大于160mm，泌水率3.5%，结石率5%，凝结时间10~24h，3d抗压强度不小于0.5MPa，28d抗压强度不小于2.5MPa。因此针对以上指标开展浆液工作性能与浆液结石体的力学性能研究，基于相关规范[15-16]进行试验研究。其中立方体抗压试验采用标准砂浆试模70.7 × 70.7 × 70.7 mm。

2.1 工作性能试验分析

采取单一变量方法研究浆液橡胶材料用量与浆液各性能指标关系，分析其对稠度、流动度、泌水率、固结收缩率、凝结时间的影响规律。根据本文的试验方法得出的浆液工作性能试验结果见表 2。

表2 注浆材料工作性能试验结果

浆液的流动性能可通过稠度和流动度反映橡胶掺比对其影响较大，同时橡胶掺比对浆液的泌水率影响也较大。在本试验中，橡胶颗粒是等体积替换闭孔珍珠岩，而闭孔珍珠岩由于自身空隙的存在能够吸附更多的浸润水，随着橡胶颗粒在细骨料占比的增大，浆液的流动性能有着明显的改善。浆液的凝结时间与橡胶掺比呈现出正相关，浆液凝结时间过长对隧道注浆效果则越差。

2.2 浆液结石体力学性能分析

盾构隧道壁后注浆后会形成浆液结石体，结石体可以有效约束管片上浮。通过对浆液结石体进行单轴抗压试验，可以检验其是否满足工程要求。通过图2应力-应变曲线可知，浆液结石体在位移应变0.01~0.015时其应变达到峰值，此时的抗压强度最强。各组试件3d与28d龄期的抗压强度均增加约为2MPa，随着强度增加峰值区间略微右偏。

试件自承受荷载到破坏共经历了以下阶段：第一阶段弹性变形，曲线上升呈现线性趋势，橡胶掺量多的组明显斜率更小。第二阶段塑性变形，属于应力上升的后半段，荷载的逐渐增大，应力应变曲线出现拐点，刚度开始下降。第三阶段可见裂缝发展，内部细小微裂缝逐渐合并、连通并延伸至胶凝体内部，当达至峰值荷载时，试件表面出现与受力方向大致平行的首条裂缝，不掺入橡胶颗粒的试件裂缝会迅速延伸发展，同时裂缝数目明显增多，逐渐伴随着试件碎渣掉落；而对于掺入橡胶颗粒的试件而言，穿过裂缝的橡胶颗粒则有效延缓了裂缝的发展速度。第四阶段破坏失效，纯矿物骨料的试件裂缝发展，裂缝竖向快速贯穿，当应变继续增长时，竖向裂缝基本贯穿，直至试件崩裂无法继续承载。

3 变形特性及控制措施

3.1 注浆压力影响

盾构隧道施工时注浆液体对盾尾间隙进行填充可有效控制变形，一般注浆压力取值静态土压力的1.1-1.2倍。因此分析注浆压力对地表变形影响时，注浆强度参数选取为以下几种工况0.15 MPa、0.25 MPa、0.35 MPa、0.5 MPa、0.55 MPa、0.65 MPa。

3.1.1 地表变形

横向沉降曲线与 PECK 曲线[18]基本吻合，呈高斯分布。在注浆压力为0.15 MPa 的情况下，横向最大地表变形为 27.13mm。注浆压力逐渐增加，最大地表沉降量逐渐降低。

在设定的注浆压力下，纵向地表的变形以沉降为主，其变化趋同，纵向地表的变形呈“S”形。盾构推进的方向，地表变形先增加后降低，最后趋近于稳定。当注浆压力设定为0.15 MPa时，地表轴向最大沉陷量为26.74mm。盾构推进方向地表沉降差值随注浆压力的增大而逐渐减小。注浆压力为0.15MPa时，地表变形为1.71 mm；注浆压力0.25 MPa时，地表变形差为1.45mm；注浆压力0.35 MPa时，地表变形差为1.17mm；注浆压力0.45 MPa时，地表变形差为0.90mm；注浆压力0.55MPa时，地表变形差0.67mm；注浆压力0.65MPa时，地表变形为0.48 mm。

3.1.2 管片变形

顶部管片沉降主要是由于上部土层对管片的挤压造成的，当注浆压力增加时，等效层对上部土体的支承作用会增强，从而使管片沉降降低。在图中，随着注浆压力的增加，顶部管片的沉降逐渐降低，在达到0.55 MPa时，管片下沉基本不受注浆压力的影响。随着注浆压力的增加，底部管片的上浮逐渐增加，在0.55 MPa之前，底部管片的上浮速度几乎是线性上升的。当注浆压力达到0.55MPa后，曲线斜率逐渐减小，呈减速增长。

3.2控制措施

基于室内试验与数值模拟结果得出的不同注浆材料性能下的隧道管片与地表变形规律，针对地表变形可以采取以下控制措施：

通过设置合理的同步注浆浆液配比，对7d、14d和28d抗压强度测定，同步注浆应尽量提高渣灰比、适当提升膨胀剂的含量、尽量降低水灰比，以确保浆液强度满足工程需求从而控制地表沉降。

设置合理的同步注浆压力参数，注浆压力参数的增加，横向和纵向地表沉降及管片顶部沉降得到有效控制，注浆压力可设置在0.45至0.55 MPa，注浆材料的弹性模量应在300至400 MPa之间。

完善监测预警反馈机制，严格监测地表沉降数据，特别是地表构建物复杂时，应加密监测频率。当地表沉降较大时，可增大同步注浆量;当地表沉降起伏较大时，通过控制注浆压力保持平稳状态，尽量不造成浆液劈裂，从而减小地表沉降。

4 结论

结合盾构隧道同步注浆技术，以水泥、橡胶颗粒、闭孔珍珠岩、膨润土为原材料，采用规范建议的合理配合比参数设计试验组，结合室内试验对盾构隧道同步注浆材料的浆液的工作性能与力学性能进行了研究，同时针对注浆材料与盾构隧道开挖建立数值计算模型，对不同注浆参数下，隧道管片及地表变形特性进行分析。主要结论如下：

（1）橡胶掺比对注浆的工作性能影响明显。其中稠度、流动度、浆液泌水率与固结收缩率对橡胶掺比的反应敏感，呈现正相关。满足注浆要求时，掺入橡胶颗粒的注浆材料密度、强度与弹性模量相比与普通注浆材料较小，发生破坏后不会急剧下降，结石体相对完整。

（2）调整注浆压力参数对地表沉降和管片位移的影响规律不显著。地表横向沉降槽主要呈对称分布，纵向地表沉降较小，增大注浆压力参数可以有效控制变形。全面分析注浆参数对管片的横向、纵向变形和管片各个重要位置的变形的影响，注浆压力应在0.45~0.55 MPa之间，最优配比为C组，即橡胶掺比40%，注浆材料的弹性模量应在300~400MPa。

参考文献

[1]贾毅,李福海,吴德宝等.盾构隧道壁后同步注双液浆配合比试验研究[J].现代隧道技术,2019,56(02):143-151+157.DOI:10.13807/j.cnki.mtt.2019.02.021.

[2]戴勇,阳军生,张聪等.泥水盾构弃渣在同步注浆材料中的再利用研究[J].华中科技大学学报(自然科学版),2019,47(10):40-45.DOI:10.13245/j.hust.191008.

[3]郝彤,李鑫箫,冷发光等.郑州市地铁粉质黏土层中盾构渣土制备同步注浆材料特性[J].长安大学学报(自然科学版),2020,40(03):53-62.DOI:10.19721/j.cnki.1671-8879.2020.03.006.

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