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盾构隧道壁后注浆窜浆分析

摘 要:以盾构施工中壁后注浆浆液顺着盾体与地层之间的空隙流至开挖面的现象为背景,基于宾汉姆流变方程,推导了该现象发生条件的理论公式,并分析硬岩地层、软土地层以及盾构爬坡三种工况下窜浆现象的影响因素及发生条件以及浆液的固结排水过程和盾构机的掘进速度对窜浆的影响。结果表明,浆液的黏度对窜浆的发生与否影响很小,浆液的初始剪切强度越大、盾体空隙宽度越小、浆液的固结排水量越大、掘进速度越快,则窜浆现象越不易发生。
  随着各大城市地铁建设力度的不断加大,跨江越海隧道工程不断增加,盾构法逐渐成为主流的城市隧道施工方法。在盾构机的设计中,为了防止刀盘及盾体与地层之间产生过大的摩阻力,会在刀盘上设置超挖刀,使得开挖直径略大于刀盘直径;而为了便于盾构机在推进过程中完成转弯与调整姿态,刀盘的直径又要大于盾体直径,这就在盾体与地层之间形成一个三维圆环形空隙,以下简称为盾体空隙。 由于管片与盾壳之间预留了一定的拼装空间,这个拼装空间加上盾壳厚度与盾体空隙一起构成了盾尾空隙。在盾构推进过程中这些空隙一般通过即时注浆进行填充,以防止过大的围岩应力释放和地基变形。正常情况下壁后注浆可以很好地充填盾尾空隙,既起到防止变形过大也起到辅助防渗等作用。
  但在实际施工操作中,由于浆液流动性、注浆压力、初凝时间等参数控制问题以及掘进遇到的一些特殊地层或特殊工况下,浆液会顺着盾体空隙流入开挖面或者盾尾影响正常的掘进施工。 这种壁后注浆浆液沿盾体空隙或盾尾空隙发生流失的现象一般称为窜浆。广州地铁二号线越秀公园站—广州火车站区间强风化岩层的掘进过程中,出现了壁后注浆浆液顺着盾壳外壁漏进开挖面的现象,窜浆不但会引起盾尾空隙填充不实也会引起面板结饼、压力舱堵塞等问题。

  窜浆的发生就是黏塑性浆液在盾体空隙中流动,其流动范围超出充填范围而出现的现象。一般对于黏塑性浆液的流动性质可以用流变模型来表达。阮文军对不同水灰比的水泥浆液进行了流变参数的测定,试验表明对于纯水泥浆液,水灰比为0.5~0.7的水泥浆液其流型符合幂律流体,水灰比为0.8~1.0的水泥浆是宾汉姆流体,水灰比为2.0~10.0的水泥浆是牛顿流体,而添加黏土的水泥黏土浆液也符合宾汉姆流体;对于更加接近壁后注浆材料的水泥砂浆,Goaszewski等与刘沙沙分别采用Viskomat PC流变仪与旋转黏度计进行了流变参数测定,均得出其流变特性符合宾汉姆流体模型。
  关于浆液在空隙中的流动计算方面,黄春华应用宾汉姆流体的流变方程,推求水泥浆液在平面径向裂隙中流动的基本方程,提出浆液流动距离理论计算公式。 在壁后注浆方面,韩月旺等基于宾汉姆流体,推求了同步注浆浆液在盾尾空隙中的充填规律;叶飞等基于广义达西定律并考虑浆液自重,推求了壁后注浆体渗透扩散的计算公式,并分别讨论了浆液黏度以及流型变化对计算结果的影响。汪磊与李涛以胶州湾海底隧道为背景研究了分别使用牛顿流体以及宾汉姆流体的情况下,岩体裂隙中注浆体扩散半径的差异; Bezuijen等通过使用宾汉姆流体对盾尾同步注浆过程进行模拟,讨论了盾构隧道注浆浆液压力分布模式及影响因子;邱明明与姜安龙也使用了牛顿流体和宾汉姆流体两种流体模型进行了相似的计算和讨论。 这些研究大多数注重于盾构环向盾尾空隙的充填规律的计算和讨论,而对于隧道纵向上由浆液参数-注浆参数-空隙特征之间关系决定的浆液的纵向流动及压力传递规律涉及不多,仍然缺乏能够直接判断窜浆是否发生的控制条件。
  为了明确窜浆发生的条件,本文基于宾汉姆流体,对软土、硬岩以及盾构爬坡三种工况下建立壁后注浆体沿隧道纵向流动的计算公式并分析讨论了窜浆发生的条件,同时考虑了浆液在流动过程中的固结排水过程以及掘进速度对窜浆的影响,对得出窜浆的控制措施与方法有一定的参考意义。
1 浆液流动模型建立
1.1 宾汉姆流体
  宾汉姆流体又称塑性流体,其流变曲线为不通过原点的一条直线。当剪应力大于屈服值t0,流体作层流运动,否则不发生流动;流动过程中其截面的速度分布图如图1所示,可见其中心一对称区域内的流速最大,且速度梯度为0,这一区域称作流核。 由于作层流运动,壁面处的流速为0,流核部分速度最大,因此受到的剪切力最小,从流核边缘至壁面处,流体受到的剪切力逐渐增大,流速越大,则流核范围越大。 其流变方程为:
  式中:t 为剪切应力;t0为浆液的初始剪切强度;μ 为浆液的黏度;γ 为浆液受到的剪切速率。
1.2 基本假设
  浆液在盾体与地层之间的空隙中以注浆孔为中心径向流动,受到地下水、地层、管片等诸多因素的影响,为了能建立出相应的理论计算式,作出了如下假设:
  1)浆液为不可压缩的均质各向同性流体。
  2)盾体、地层与浆液的接触面光滑。
  3)浆液流动属于恒定层流。
  4)浆液的流型始终符合宾汉姆流体特性。
  5)不考虑浆液向土体中的渗透以及水的稀释作用。
1.3 基于宾汉姆流体的浆液流动计算式
  如果以四孔注浆为例,注浆孔布设方式为沿隧道竖向轴线顺时针转过角度分别为(θ1、θ2、θ3、θ4),将360° 的盾尾平面展开以同时表达浆液在环向与径向上的流动,那么盾尾空隙充填满后浆液流入盾体空隙的运动状态示意图如图2所示。 随着盾构的推进和各注浆孔浆液的注入,浆体前锋面在环向连成整体并向径向推进。本次为了解析以注浆孔为中心的径向流动,只选取隧道顶部的纵向单元条,仅考虑沿隧道纵向壁后注浆体水平流动且注浆压力无衰减的作为窜浆的驱动压力这一最不利情况。计算单元受力简图如图3所示。


2 窜浆的发生条件及影响因素分析
  由上述计算式可知,影响窜浆的主要因素有盾体空隙宽度、浆液的性质以及压力差,盾构掘进地层可大致分为软土与硬岩两种,分别对这两种地层中窜浆的发生条件以及盾构爬坡这一工况进行了分析。
2.1 计算参数选取
  1)压力差∆P :参照《盾构隧道施工手册》可知壁后注浆压力一般比注浆口处的地层压力大0.1~0.2 MPa,而土舱或泥水舱的压力要与地层压力平衡,故取压力差为0.1~0.2MPa 。
  2)盾体空隙 δ :刀盘直径与盾体直径的差值,参照常规地铁隧道盾构机外径与隧道外径的参数,选取为20 mm;盾体长度取10 m。
  3)浆液流变参数:可用旋转黏度计测得,壁后注浆硬性浆液流变参数一般为 μ=1~4 Pa·s,t0 =10~40 Pa。
2.2 地质因素对窜浆的影响
2.2.1
  岩石地层中窜浆现象分析 在硬岩地层掘进时,围岩具有良好的自稳性,岩体的变形小,由于开挖直径大于盾体直径造成的空隙难以封闭,壁后注浆过程中浆液有沿着盾体空隙流动至土舱内的现象。岩层自稳性好,因此计算过程中选定盾体空隙宽度为初始值20 mm;掘进速度取30 mm/min,分别计算100、150 kPa 与200 kPa压力差下不发生窜浆所需要的浆液参数,计算结果如图4所示。
  可以看出,浆液的黏度大小 μ 对于窜浆现象的发生与否影响很小,对于硬岩地层,掘进过程产生的盾体空隙因地层自稳性好而无法封闭,所能承受的不发生窜浆的极限压力差主要受浆液初始剪切强度的影响;对于20 mm宽的盾体空隙,浆液初始剪切强度需要达到93 Pa才能承受100 kPa压力差而不发生窜浆,达到190 Pa才能承受200 kPa压力差而不发生窜浆。由此可见,施工中采用的初始剪切强度在10~40 Pa的浆液在硬岩地层中易发生窜浆现象。
2.2.2软土地层中窜浆现象分析
  由图4可知,对于窜浆的发生,浆液黏度的影响较小,而软土地层较容易发生土体的塌陷与回弹,因此本部分计算选定浆液的黏度 μ=1 Pa·s;掘进速度30 mm/min,分别计算
t0 =10,20,30,40,50 Pa时,盾体空隙宽度与其可承受不发生窜浆的最大压力差之间的关系,计算结果如图5所示。 可以看出,由于软土地层中掘进产生的盾体空隙宽度会由于地层的塌陷回弹而减小,不发生窜浆所能承受的极限压力差由浆液的初始剪切强度t0与盾体宽度 δ 共同决定。盾体空隙宽度越小,浆液的初始剪切强度越大,所能承受的压力差就越大,以浆液初始剪切强度t0 =30 Pa为例,盾体空隙宽度小于7 mm 可承受100 kPa压力差而不发生窜浆,小于4 mm时可承受200 kPa压力差而不发生窜浆. 由此可见,软土地层中窜浆现象鲜有发生是因为盾体空隙由于地层的塌陷回弹而减小了。
2.3 盾构爬坡时窜浆现象分析
  在城市轨道交通线路的纵断面设计的过程中,为了减少后续列车运行的能耗,一般将线路设计成V型坡或W型坡,因此盾构机的掘进过程多为下坡进洞再上坡出洞的情况,由于盾构机机身处于倾斜状态,盾尾与刀盘的埋深不同,会在盾尾注浆口处与开挖面之间产生压力差。 当盾构机处于爬坡状态时,刀盘处的埋深小于盾尾处的埋深,产生的压力差为正值,加上由注浆压力导致的压力差,致使总压力差增大,更易发生窜浆现象;而盾构机下坡时,产生的压力差为负值,对于窜浆的发生有一定的抑制作用。因此本节主要考虑盾构机上坡的情况,不同坡度下所需的浆液初始剪切强度的计算结果如图6所示。
  由计算结果可知,随着盾构机的爬坡坡度增加,克服相同由注浆压力产生的压力差而不发生窜浆,需要的浆液初始剪切强度也在不断增加,坡度在从0%~10%增加的过程中,所需的浆液初始剪切强度增加了20 Pa。 因此,在盾构机爬坡的过程中,窜浆现象由于总压力差的增加更易发生,施工中应当注意。
2.4 掘进速度对窜浆的影响
  理论计算中,以浆液的流速等于盾构机的推进速度作为临界条件,掘进速度为判断窜浆是否发生的关键因素。 实际施工中,盾构机的掘进速度与盾构机的种类、地层状况以及出土速度等息息相关,一般的掘进速度为30~100 mm/min 。为了研究掘进速度对于窜浆现象发生的影响,选定浆液参数为( μ=1 Pa·s,t0 =30、50 Pa);盾体空隙宽度为20 mm,计算掘进速度与其可承受不发生窜浆的最大压力差之间的关系,计算结果如图7所示。
  由计算结果可知,浆液配比与空隙宽度一定的情况下,随着掘进速度的增加,不发生窜浆所能承受的最大压力差增大;硬岩地层中,由于围岩坚硬,盾构推进速度较慢,因此硬岩地层中可承受不发生窜浆的极限压差较小,更易发生窜浆;而对于软土地层,土质较软,出土顺畅,推进速度也相应加快,再加之地层的塌陷回弹,盾体空隙减小,窜浆现象少有发生。
2.5 固结排水作用对窜浆现象的影响
  浆液在从注浆孔被注入盾尾空隙后,不论是在盾尾空隙还是盾体空隙中流动时,均受到来自注浆压力、地层应力以及水压力的多重作用,处于多应力作用下的固结状态。短时间内浆液的固结可以看作是浆液体积压缩向外排水的过程,不考虑胶结作用的影响,随着浆液中水的排出,浆液的流变特性也会发生变化。
  为了研究这一过程对窜浆的影响,对南京纬三路过江隧道所使用的壁后注浆浆液配比见表1)采用成都仪器厂生产的NXS-11B型旋转黏度计(如图8)进行流变参数的测定. 通过减少配置浆液过程中水的掺加量来模拟浆液的固结排水的过程,试验中浆液1配比采用原配比,浆液2中水的掺加量减少了20%,浆液3 中减少了35%,试验结果如图9 。
  由试验结果可知,浆液1和2的流型均符合宾汉姆流体特性,浆液3含水量最少,随着剪切速率的增大,出现了剪切稀释的情况;但是随着浆液中水的添加量的减少,浆液的初始剪切强度t0均不断增大。 对于浆液1,浆液的初始剪切强度t0只有14 Pa,而浆液2的初始剪切强度t0有90 Pa,浆液3的初始剪切强度t0更是达到了180 Pa,由此可见,随着浆液流动过程中的排水固结,浆液的初始剪切强度不断增大,根据图1可知,浆液的初始剪切强度越大,那么可以承受的不发生窜浆的极限压力差就越大,因此浆液的排水过程对于抑制窜浆现象的发生是具有积极作用,并且地层的渗透系数越大,抑制作用越明显。
3 结论
  针对盾构施工过程中发生的窜浆问题,本研究通过基于宾汉姆流体的理论公式对软土地层、硬岩地层以及盾构爬坡三个工况下的窜浆条件进行了分析,并考虑了盾构机掘进速度与浆液在流动填充过程中的固结排水对窜浆的影响。主要得出了以下结论:
  1)基于宾汉姆流变方程,推导得到考虑浆液流变参数、盾体空隙宽度、盾尾与刀盘处压力差以及盾构推进速度的窜浆条件计算式:
  利用这个公式可以判别施工中窜浆现象的发生与否。
  2)对于硬岩地层中的掘进,盾体空隙由于地层的稳定性好而难以封闭,掘进速度慢,施工中易发生窜浆现象。盾尾与刀盘处压力差为100 kPa时,所使用的浆液初始剪切强度要大于93 Pa;压力差为200kPa 时,浆液的初始剪切强度要大于190 Pa可以抑制窜浆现象的发生. 因此,硬岩地层施工时应加大浆液的初始剪切强度。
  3)对于软土地层中的掘进,由于地层易发生塌陷回弹,掘进速度快,窜浆现象的发生与否主要受到盾体空隙宽度的影响。盾体空隙宽度小于8 mm可承受100 kPa的压力差;小于4 mm可承受200 kPa压力差而不发生窜浆。盾构爬坡时,会导致盾尾与刀盘处的压力差增大,坡度越大,窜浆现象越易发生。
  4)考虑到浆液在盾体空隙中的流动过程也伴随着固结排水的过程,对不同含水率的浆液进行了流变参数测定。 浆液的排水量越大,初始剪切强度越大,排水量达到20%,浆液的初始剪切强度有90 Pa;排水量达到35%,浆液初始剪切强度有180 Pa。地层的渗透系数越大,浆液的排水量越多,则抑制窜浆发生的作用越明显。
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