盾構同步注漿漿液性能影響分析及其配比優化研究

楊 星 張榮輝 房寬達 劉盛龍 楊志勇

（1.中國礦業大學（北京）力學與建筑工程學院，北京 100083；2.廣州地鐵設計研究院股份有限公司，廣東廣州 510010）

0 引言

在盾構隧道的施工過程中，為了保證地層的穩定、降低地表沉降，需要向地層和管片襯砌之間的開挖間隙內部填充一定量的同步注漿漿液。漿液一方面起到填充空隙、穩定地層的作用，另一方面可以提升整體隧道結構的穩定性[1]，因此，選擇良好性能的漿液是控制地表沉降、保證盾構順利施工的關鍵。

目前，在關于盾構同步注漿漿液性能方面的研究，郭銀新[2]以盾構施工中的單液漿為研究對象，通過現場試驗和實測數據分析得出初凝時間和早期強度是影響地表沉降的重要因素。郭錦熹等[3]通過將減水劑摻入同步注漿漿液，改善了由于膨潤土導致的漿液過稠、流動性差的問題，并在室內試驗獲得了減水劑的最佳配比。王 欣[4]以鄭州地鐵3號線的三個盾構區間為工程背景，結合現場施工參數介紹了同步注漿漿液在沉降控制中的應用。在考慮同步注漿對地表變形的影響方面，羅 康等[5]指出管片壁后注漿是影響地表沉降的主觀因素，通過改善漿液質量可以起到降低地表變形的作用。鮑飛翔等[6]考慮了漿液的擴散機理，將注漿壓力簡化為均勻壓力對引起的地表變形進行了研究。孫龍飛等[7]運用有限元法對盾構法聯絡通道進行了模擬，總結了地表沉降的規律。

盡管上述已有研究均通過工程實例分析出了漿液對地表變形的影響，但對于漿液性能影響的研究相對較少，同時也缺少有效的漿液性能優化方案。鑒于此，本文以哈爾濱地鐵軌道交通2號線哈爾濱北站?大耿家站區間隧道工程為背景，通過建立FLAC3D有限差分模型，考慮漿液的強度、初凝時間、結石率三個因素對地表沉降的影響進行了評估，最后通過室內試驗對漿液性能進行了優化，將優化后的配比運用于實際工程中，其沉降控制效果良好。

1 工程背景

哈爾濱地鐵軌道交通2號線哈爾濱北站?大耿家站隧道區間埋深9～12.5 m，區間采用2臺NFM直徑為6.28 m的土壓平衡盾構施工，盾構主要穿越中砂地層，地下水位最高位于隧道頂部11 m位置，隧道埋深最淺為5.3 m（不足一倍盾構直徑），地層情況如圖1所示。各地層的巖土參數如表1所示。由于本工程地層為典型的富水砂層，具有滲透性大、水壓高的特點，因此，選用的同步注漿漿液除了強度和凝結特性需滿足要求外，還應具有一定的稠度和抗稀釋能力。實際工程中選用的漿液為單液水泥砂漿，其調配材料為水泥、粉煤灰、膨潤土、砂和水。

圖1 地質剖面圖

2 基于FLAC3D的漿液性能分析

2.1 模型建立

以哈爾濱北站?大耿家站隧道區間工程為背景，利用有限差分軟件FLAC3D建立尺寸為80 m×60 m×52 m（長×寬×高）的長方體盾構開挖模型，如圖2所示，開挖隧道位置建立在平面中心，地表為自由邊界，底部及周邊采用固定位移邊界。由于隧道埋深較淺，主要受地層應力的影響，因此，該本構模型選用Mohr-Coulomb彈塑性模型[8]，各地層的參數賦值按表1，管片襯砌和注漿材料同樣采用彈塑性模型，服從M-C準則，結構單元選用線–彈性本構關系，其中，管片的彈性模量E取40 GPa、泊松比ν取0.2；注漿材料的彈性模量E取30 GPa、泊松比ν取0.3。模型的體積模量K（MPa）和剪切模量G（MPa）按式（1）和式（2）計算。

圖2 隧道開挖模型

2.2 開挖及注漿性能模擬

盾構開挖過程中，隧道每前進一環，盾尾間隙附近的土體就要進行一部分應力釋放[9]，為了盡量減少應力的釋放，同時對注漿層和管片層賦予相應的參數以模擬支護作用，本模型的管片厚度取0.3 m，環寬1.2 m，其彈性模量取3.45 GPa，泊松比取0.17，管片重度為26 kN/m3；注漿層重度為17 kN/m3，泊松比取值為0.25。

目前，已有研究[1,3,10]表明，對同步注漿漿液性能的評估主要依據漿液強度、初凝時間和結石率三個指標，本文對于上述三個指標在數值模擬過程中有如下表征：

（1）漿液強度

采用漿液凝結3 d的單軸抗壓強度作為盾構通過前后漿液強度的平均值，分別對單軸抗壓強度為0.2 MPa、0.6 MPa、1.0 MPa、1.4 MPa的漿液進行數值模擬。

（2）初凝時間

為實現對漿液的凝結時間的模擬，取盾構掘進速度為2 h/環，即模型中每開挖1環代表實際時間為2 h，這樣，不同初凝時間的漿液就可以用開挖環數的多少來表示。通過更改注漿層漿液的體積模量、剪切模量兩個參數來模擬漿液在不同凝結階段的強度，為了使漿液填充時即可發揮一定的填充效果，特使漿液注入時的強度為終凝時的1/3；初凝的強度增長為終凝的2/3。本模擬取三種不同初凝時間的漿液進行計算，對應的初凝時間分別為4 h（終凝16 h）、8 h（終凝32 h）、12 h（終凝48 h），同時漿液強度的取值依據2.2節（1）中的描述。

（3）結石率

漿液在凝結硬化過程中，會有一定的固結收縮，固結收縮越小，漿液的填充性越好[10]。而固結收縮的程度通常用結石率來表示，本模型將漿液未凝結的部分（最外環漿液層）以強度很低的材料進行填充，最大限度地模擬了結石率對地層的影響，結石率選擇80%、90%和100%的三種漿液進行計算。

2.3 模擬結果分析

為了模擬不同漿液性能對地層沉降的影響，以模型Y=20 m的隧道開挖斷面為監測位置，將隧道完全開挖后（此時監測斷面位置漿液已終凝）監測斷面的變形作為沉降評判標準。在進行不同漿液強度模擬時，為了避免其余參數產生過大的影響，初凝時間和結石率均取中間值，即初凝時間取為8 h，結石率取90%；而在進行初凝時間模擬時，漿液強度取值按先前模擬的最小沉降結果（即1.4 MPa），結石率同樣取90%；最后對不同結石率模擬時其他參數的取值依據上述兩組結果的最優值（即漿液強度取1.4 MPa、初凝時間取4 h）。模擬計算結果如圖3所示，可以看出，漿液強度大、初凝時間短、結石率高所產生的地表沉降更低。初凝時間對沉降的影響最大，初凝時間為12 h的漿液所引起的沉降最高為23 mm。而漿液強度的改變會引起更大的沉降差，漿液強度為0.2 MPa和1.4 MPa導致的沉降差值最高為14.2 mm，因此，通過考慮增加漿液強度的方式來降低地表沉降會較其他方法更明顯、有效。

圖3 地表沉降曲線與地層沉降云圖

3 漿液配比優化試驗

3.1 漿液材料配比

根據FLAC3D的數值模擬結果和富水砂層的地質特性，本工程的同步注漿漿液除了應具有穩定的流動性、抗水分散性以外，還需盡可能地滿足高強度、短初凝時間和高結石率等性能。相關研究表明[11]，漿液的強度特性主要受水灰質量比的影響，水泥含量的增加會提高漿液的整體強度；漿液的初凝時間會隨著水膠質量比（水的含量與粉煤灰和水泥總含量的比值）的減小而變短；漿液結石率一般與泌水率有很大關系，漿液泌水率增加，結石率一般呈線性減小，泌水率會隨著水泥和粉煤灰的增加而減小。綜上，本文在工程已有配比（組1）的基礎上，還通過增加水泥的用量進行了兩組優化試驗（組2、組3），三組試驗的材料配比情況如表2所示。

表2 試驗漿液材料配比情況

3.2 試驗過程及結果

為了獲得漿液的強度、初凝時間、結石率參數，分別通過單軸壓縮（凝結時間：3 d）試驗、維卡儀試驗和泌水率（2 h）試驗測量漿液的各項性能指標，同時，為了評價漿液在富水地層的抗水分散性，還進行了稠度（1 h）試驗。試驗過程與結果如表3所示，通過對比這三組的試驗結果可以看出，由于組2和組3的水泥用量增多，其凝結時間減小，強度大幅提高，但組3在水中凝結的強度卻明顯較自然凝結低，最終，綜合考慮泌水率和稠度結果后，組2的試驗結果穩定性良好，強度受地下水影響較小，因此，本文選取組2的配比作為本次試驗的最優配比。

表3 漿液配比試驗過程及結果

4 漿液優化效果分析

通過室內試驗確定了漿液的最優配比，為了對優化后漿液的沉降控制效果進行分析，參照上述數值模擬方法和試驗測試指標對組1和組2的配比漿液進行模擬分析，并與工程實測數據對比如圖4所示。可以看出，按組1配比的模擬結果和實測結果基本一致，沉降槽寬度約72 m，地層損失率（沉降槽的面積與盾構開挖面積之比）達0.83%，沉降量最大位置位于隧道拱頂處，這說明本文的數值模擬方法具有一定的可靠性。同樣依照此數值模擬方法而采用組2的最優配比后可以發現，沉降有了明顯的降低，拱頂處的最大沉降減小約4 mm，但沉降槽寬度與組1差別不大，地層損失率減小至0.62%。因此，可以確定，采用優化后的漿液配比起到了一定的沉降控制作用。

圖4 實測地表沉降與數值模擬對比

5 結論

本文通過FLAC3D數值模擬，考慮了漿液的強度、初凝時間、結石率等特性對地表沉降的影響情況進行了分析，最后結合漿液配比試驗對漿液的性能進行了優化，得出如下結論：

（1）數值模擬結果表明，漿液初凝時間對地表沉降的影響最大，而強度的變化引起的地表沉降最明顯，選擇強度大、初凝時間短、結石率高的漿液有利于控制地表沉降。

（2）漿液配比試驗表明，水泥用量的增加縮短了初凝時間，增強了凝結強度，但在水中的強度增加效果沒有自然凝結顯著，綜合考慮稠度和泌水率后，確定了組2的最優漿液配比。

（3）將試驗的漿液指標應用數值模擬中，得出的地表沉降結果與實測值較為吻合，同時采用最優配比漿液（組2）后沉降有了明顯的控制，驗證了本文的數值模擬結果及對漿液性能的分析具有一定的合理性和準確性。在參考本文漿液配比材料類型的基礎上，建議選用水灰質量比為2.4、水膠比在0.91左右的漿液可以滿足良好的沉降控制要求。