新型水下聚凝充填材料模擬填筑試驗研究*

林 珊，阮艷妹，羅 旭，梅 源

(1.廣州地鐵設計研究院股份有限公司，廣東 廣州 510010；2.西安建筑科技大學土木工程學院，陜西 西安 710055；3.陜西省巖土與地下空間工程重點實驗室，陜西 西安 710055)

0 引言

我國灰巖分布面積較廣，這些巖溶地層被次生的風化或殘積物所填充、覆蓋，深埋于地下，給各種巖土地下工程帶來不可預見的風險，直接影響工程質量和施工安全[1-3]。地下溶洞不僅會影響建筑物的穩定性，還會引起建筑基礎沉降，在工程中危害極大，溶洞問題已引起國內外大量研究學者和從業人員的重視[4-6]。隧道盾構施工中，隧道開挖產生大量土體，與泥水混合形成泥漿，通過排漿泵或管道輸送至地面進一步處理，泥水盾構出漿量一般為隧道挖土體積的2～3倍，伴隨著隧道盾構施工產生大量廢棄泥漿。由于城市儲存場地有限、人員密度大，若處置不當，會造成環境污染、侵占土地等問題，甚至對整個城市的正常運行產生巨大影響。目前處理廢棄泥漿的方法有直接排放法[7]、焚燒法[8]、化學固化法[9]、機械處理法[10]和化學絮凝沉淀法。化學固化處理法直接在泥漿中加入固化劑，可改善泥漿性質，利于廢棄泥漿的資源化利用。

董邑寧等[11]研究發現固化后土樣無側限抗壓強度與固化劑種類、齡期、摻入比密切相關；楊愛武等[12]研究表明用石灰作為主要固化劑，水泥、石膏作為外加劑來固化軟土，可明顯提高其無側限抗壓強度。Sowers George[13]詳細介紹了巖溶地區建設與施工相關問題及注意事項。任新紅[14]以南廣鐵路巖溶路段為工程背景，現場進行電阻率法注漿試驗效果檢測，并討論注漿前后不同巖溶地質概化模型檢測效果和地下水變化產生的影響。雷金山[15]就廣州地鐵沿線巖溶隧道出現的不同狀況，分析巖溶處理的范圍和深度，開展新型廉價注漿材料及配漿工藝試驗研究。李雄周等[16]以云南某高速公路隧道巖溶工程為背景，研究TGP、地質雷達和超前地質鉆孔等地質預報技術，提出一種改進后的綜合溶洞處治方法，對實際施工處理起到了指導作用。

本文基于溶洞特點，考慮地下水壓力，設計制作半封閉帶壓溶洞模擬箱，進行新型水下聚凝充填材料注漿模擬試驗，研究其在水下的流動性、黏聚性等，評估新型水下聚凝充填材料巖溶注漿的工程效果。

1 新型水下聚凝充填材料模擬箱設計及安裝

設計并制作尺寸為1 500mm×800mm×500mm(長×寬×高)的模擬箱，箱內充滿水，以模擬真實充水溶洞。模擬箱材料采用有機玻璃，各邊用鋼帶固定，有機玻璃板接縫處用防水硅酮耐候膠封堵，保證模擬箱內密閉不漏水。模擬箱頂板開設3個直徑為100mm的圓孔，如圖1所示，A，B孔為注漿孔，C孔為排水孔。

搭設新型水下聚凝充填材料模擬充填試驗平臺，腳手架搭設高度為5m，充填材料入料平臺距地面3m，漏斗架設在平臺上，四周用鍍鋅鐵絲固定牢固，保證材料澆筑時模擬箱內具有一定水壓力；注漿管通過頂板的預留注漿孔直接深入模擬箱底部，距箱底約20cm；排水管距頂板10cm，伸出頂板后通過轉換彎頭將模擬箱內的水排入集水桶內，安裝完成的溶洞模擬箱如圖2所示。

圖2 溶洞模擬箱

2 新型水下聚凝充填材料模擬試驗研究

2.1 新型水下聚凝充填材料配合比

試驗根據水下施工作業對水下聚凝充填材料的性能要求及前期課題試驗成果，以廢棄盾構泥為主，新型水下聚凝充填材料配合比(kg)為：水∶水泥∶ 粉煤灰∶礦粉∶絮凝劑∶盾構泥∶減水劑∶早強劑=0.429∶0.286∶0.057∶0.021∶0.014∶1∶0.01∶0.01。

2.2 水下充填模擬試驗過程

試驗采用新型水下聚凝充填材料(NWC-FM)，試驗前將晾曬完成的盾構泥和各類外加劑分4份稱重待用；試驗攪拌機采用JZM500型滾筒攪拌機，每盤出料0.3～0.5m3，可保證充填材料的連續攪拌供應。

1)試驗前將注漿管插入A注漿孔，距箱底200mm；排水管固定在模擬箱中，距頂面100mm，以保證與工程現場施工相符。

2)通過注漿管向模擬箱內注入清水，直至排水管內部充水后停止，保證模擬箱內具有一定水壓力。

3)準備工作結束后將預先攪拌好的NWC-FM材料通過漏斗灌入注漿管內(見圖3)，觀察其在注漿管內下降的性狀，同時注意排水管液面變化，將排水管接入集水桶內，便于水順利排出。

圖3 充填材料澆筑

4)觀察NWC-FM材料入水的性狀、在水中的下落過程、到達模擬箱底部的形態、充填材料在模擬箱底部的擴散過程、流動性、覆蓋范圍、模擬箱內充填材料表面的變化及模擬箱內水的變化等。

5)對注漿管A進行灌注，當充填材料灌注速率下降時，換置注漿管B繼續灌注，并將A注漿管提高10～15cm。

6)重復上述過程，直至將模擬箱中的水全部排出，試驗過程中觀察記錄各階段NWC-FM材料的工作性狀。

7)澆筑完成后及時進行表面處理，試件整體包裹棉被進行保溫保濕養護。

2.3 水下充填模擬試驗現象

NWC-FM材料模擬澆筑試驗分4次連續澆筑而成。首批NWC-FM材料接觸到水箱底板時，由于沖擊作用NWC-FM材料會被水稀釋，且向上緩慢翻起，翻起的漿液緩緩上升、增多，而后灌注的材料少部分被稀釋，絕大部分則沿底部向四周擴散，并產生少量氣泡；NWC-FM材料繼續增多時，材料向四周擴散速度增加，漿液繼續觸底后翻起，上升至模擬箱頂部后又向下運動，最終回落至模擬箱底部，此時被稀釋的漿液已擴散至模擬箱內體積的一半，上部和左側顏色淺，注漿管周圍由于NWC-FM材料堆積顏色較深，堆積材料向外顏色逐漸變淺，且漿液未擴散至模擬箱右側，故箱體右側仍為清水。

隨著澆筑的進行，注漿管處的NWC-FM材料逐漸沉積，當沉積量增加到一定程度后，新澆筑的材料在一定壓力下擠壓已沉積的NWC-FM材料，使其向四周均勻運動，箱底的NWC-FM材料呈現注漿管處多、均勻向四周減少的分布形態；由于注漿管A位于模擬箱左側，當NWC-FM材料繼續增加時，靠近左側的材料首先碰觸到模擬箱側壁，在左側壁處堆積，右側材料繼續移動，直到接觸到右側壁時才開始緩慢堆積，且左側NWC-FM材料增加速度明顯高于右側。

首次澆筑完成時，注漿管A左側NWC-FM材料分布基本相同，右側隨著距離的增加分布逐漸減少，整體呈左高右低的趨勢。

雖然初始進入模擬箱的NWC-FM材料被稀釋導致整個模擬箱充滿稀釋后的NWC-FM材料，但這一過程發展較慢，隨著持續澆筑，NWC-FM材料整體性保持較好，形成具有較強流動性和黏聚性的水下充填材料在模擬箱內移動。首次澆筑完成后2min，模擬箱底部的NWC-FM材料表面已出現一層薄薄的白色絮狀析出物，分布較均勻，隨著時間增加白色析出物逐漸增加、增厚且分層清晰，5min后析出物厚度達1cm左右，形成一道乳白色隔離層，模擬箱底部明顯分為3層，從上向下依次為被稀釋的NWC-FM溶液、白色析出物隔離層和NWC-FM材料，隔離層有效將水與NWC-FM材料隔離，保持NWC-FM材料的黏聚性和不分散性。

首次澆筑NWC-FM材料時，攪拌機繼續工作，拌合下一批所用材料。

第2次澆筑前NWC-FM材料上方已有厚厚的隔離層(見圖4a)；NWC-FM材料落入時，首先要穿過隔離層，使注漿管處隔離層擾動上翻，但隔離層仍連續，未分散；隨著澆筑材料的增加，上層材料逐漸與底層材料同時推動隔離層向四周運動，隔離層受到連續強烈擾動后緩慢分散；第2次澆筑完成后2min，在NWC-FM材料表面又形成一層薄薄的白色析出物，5min后析出物增多，最終形成新的隔離層；第3,4次澆筑模擬箱內情況與第2次基本相同，均為材料先穿過隔離層，隔離層緩慢分散，NWC-FM材料逐漸向四周移動并趨于穩定，最終NWC-FM材料表面形成新的隔離層，第4次澆筑至距頂面1cm處停止，模擬試驗澆筑結束(見圖4b)。

圖4 后續澆筑試驗現象

NWC-FM材料形成的隔離層可很好地阻隔下層NWC-FM材料與水接觸，保持材料的不分散性，同時隔離層的膠凝物質分布連續且具有一定黏性，不易受水流影響，可較好地維系NWC-FM材料的黏聚性和流動性，充分發揮NWC-FM材料的優良性能。

3 新型水下聚凝充填材料模擬填筑鉆芯取樣試驗研究

3.1 模擬填筑試件鉆芯取樣過程

為研究NWC-FM材料模擬填筑后材料的強度性能，采用鉆芯取樣法分別在模擬填筑試驗后7，14，28d取芯樣，芯樣每組6個，直徑100mm，長150～200mm，如圖5所示。

3.2 模擬填筑鉆心取樣試驗過程及結果分析

對NWC-FM材料模擬填筑所取芯樣立即進行抗壓強度試驗，試驗過程如圖6所示，試驗結果如表1所示。

圖6 芯樣抗壓強度試驗結果

表1 芯樣抗壓強度

由圖6可知，試驗中7d芯樣裂縫寬度大，芯樣外鼓，成塊狀散落；14，28d芯樣最終破壞形態近似，均為截面豎向裂縫貫通導致圓柱體被分解，芯樣破壞，喪失承載力，未見散落的塊體。由表1可知，NWC-FM材料模擬填筑試驗的芯樣隨養護時間增加，強度逐漸提高，7，14，28d的平均抗壓強度分別為0.54，0.72，0.79MPa，可較好地滿足水下溶洞填筑工程現場的要求。

4 結語

通過NWC-FM材料巖溶注漿模擬試驗，研究NWC-FM材料在水下澆筑的流動性、黏聚性和不分散性；通過養護后的鉆芯取樣測試NWC-FM材料的強度指標，評估NWC-FM材料巖溶注漿效果，主要得到以下結論。

1)初始進入模擬箱的NWC-FM材料會被水稀釋，但過程緩慢，材料整體性保持較好，具有較強流動性和黏聚性，在水下可向任意方向流動。

2)NWC-FM材料每次澆筑完成后，由于外加劑作用表面會迅速形成一層白色絮狀析出膠凝物，分布較均勻，隨著時間的增加白色析出物逐漸增厚，且分層清晰，最終形成一道2～3cm隔離層。

3)隔離層的膠凝物質分布連續且具有一定黏性，受水流的影響較小，可有效阻隔水與NWC-FM材料的接觸，保持NWC-FM材料的不分散性、黏聚性和流動性，確保NWC-FM材料水下澆筑表層平整，防止材料流失，從而使NWC-FM材料具有很好的水下使用性能，滿足水下充填的要求。

4)養護后鉆芯取樣的芯樣加載初期變形較小，荷載增大后芯樣出現豎向裂縫，最終不同截面的豎向裂縫貫通導致芯樣被分解，喪失承載力。

5)NWC-FM材料模擬填筑試驗的芯樣隨著養護時間的增加強度逐漸提高，7，14，28d的平均抗壓強度分別為0.54，0.72，0.79MPa，可滿足水下溶洞填筑工程現場的要求。