盾構(gòu)隧道專用塑化劑對同步注漿漿液性質(zhì)影響研究

吳言坤， 李小冬， 陳 健， 蘇秀婷， 馬 帥

(1. 清華大學(xué), 北京 100084； 2. 中鐵十四局集團(tuán)有限公司， 山東 濟(jì)南 250014； 3. 中國海洋大學(xué), 山東 青島 266100； 4. 鄭州大學(xué), 河南 鄭州 450001)

0 引言

在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，因盾構(gòu)刀盤直徑一般略大于盾體直徑，再加上刀盤外側(cè)裝配的超挖刀，會(huì)導(dǎo)致盾尾管片與地層之間存在一定的空隙，在穿越敏感區(qū)時(shí)會(huì)引發(fā)不能忽視的地層沉降，這部分空隙一般采用惰性填充材料來填充。而對于泥水盾構(gòu)隧道工程而言，壁后注漿效果欠佳仍然是引起地層沉降的主要原因之一。目前，國內(nèi)外對于漿液性能的研究主要集中在漿液配比、注漿材料對漿液的性能影響。大量文獻(xiàn)通過室內(nèi)試驗(yàn)的方法，對漿液的物理力學(xué)參數(shù)進(jìn)行測定，通過正交試驗(yàn)等方法，研究了注漿材料的組成參數(shù)對注漿漿液性質(zhì)的影響規(guī)律，得到了工程的最佳配合比[1-5]； 陳金平等[6]、He等[7]總結(jié)了注漿漿液的組成材料與發(fā)展現(xiàn)狀，并敘述了漿液中不同組成材料對漿液性質(zhì)的影響，表示漿液的各項(xiàng)性能難以同時(shí)滿足要求，漿液的工程最佳配比往往僅適用于單一工程； 鄭大鋒等[8]通過研究羧甲基纖維素、聚乙烯醇和聚丙烯酸鈉3種高聚物對同步注漿材料穩(wěn)定性的影響，發(fā)現(xiàn)3種高聚物均能明顯提高漿液的保水能力； 郭錦熹等[9]通過室內(nèi)試驗(yàn)探究減水劑摻量對于同步注漿漿液性質(zhì)的影響規(guī)律，表示減水劑摻入能夠有效改善漿液的稠度與流動(dòng)度； 周少東等[10]通過對常用同步注漿漿液外加劑材料進(jìn)行復(fù)配和配方優(yōu)選，研制了一種高性能同步注漿材料專用外加劑。

綜上所述，以上研究主要探究漿液配比與注漿材料對漿液性質(zhì)的影響，但針對外加塑化劑對漿液物理力學(xué)性質(zhì)研究，以及漿液在不同地層中的固結(jié)特性影響研究較少。本文依托于武漢軌道交通8號(hào)線實(shí)例，探究專用塑化劑對同步注漿漿液的改良作用，在保證漿液流動(dòng)度及早期強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，降低漿液的凝結(jié)時(shí)間、泌水率及減小漿液分層，保證漿液的和易性，從而實(shí)現(xiàn)減少地層沉降的目的。同時(shí)，通過固結(jié)試驗(yàn)裝置，對改良后漿液在不同地層中的固結(jié)特性進(jìn)行分析，探究漿液固結(jié)對地層沉降的影響規(guī)律，并通過現(xiàn)場應(yīng)用，驗(yàn)證塑化劑對漿液性質(zhì)的改良效果。

1 漿液性能試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

漿液配制材料分為水、石灰、水泥、膨潤土、膠凝材料。為調(diào)整漿液的凝結(jié)時(shí)間，保證漿液在輸送過程中的流動(dòng)性及漿液的早期強(qiáng)度，減小漿液泌水率以及漿液分層，研制了一種壁后注漿專用塑化劑。這種專用塑化劑為棕褐色液體，是專為盾構(gòu)法施工中壁后注漿添加的液態(tài)外加劑。壁后注漿專用塑化劑密度為998～1 002 kg/m3，25 ℃室溫下pH值為7.0～9.5，呈弱堿性，不會(huì)腐蝕管片，通過添加塑化劑的方式對壁后注漿漿液的性能進(jìn)行改善。塑化劑包含的堿性成分，能夠加速水泥水化反應(yīng)，加速C-S-H凝膠生成，填充漿液空隙，加速漿液凝結(jié)。壁后注漿專用塑化劑如圖1所示。

圖1 壁后注漿專用塑化劑

1.2 漿液室內(nèi)性能測定試驗(yàn)

為驗(yàn)證壁后注漿專用塑化劑的性能，在實(shí)驗(yàn)室針對凝結(jié)時(shí)間較大的現(xiàn)場壁后注漿漿液(凝結(jié)時(shí)間9 h)展開壁后注漿流動(dòng)度、稠度、泌水率和強(qiáng)度試驗(yàn)，并根據(jù)漿液要求確定壁后注漿專用塑化劑的最優(yōu)摻量。

1)攪拌方法。參照J(rèn)GJ/T 70—2009《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[11]。

2)泌水率。根據(jù)GB/T 25182—2010《預(yù)應(yīng)力孔道灌漿劑》[12]標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行泌水率試驗(yàn)。漿液泌水率通過稱重法測定，每隔一段時(shí)間傾斜容器，然后用吸管吸出漿液中析出的水，再通過計(jì)算泌水體積與漿液初始體積的比值計(jì)算各時(shí)刻的泌水率。

3)稠度。參照J(rèn)GJ/T 70—2009《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[11]進(jìn)行壁后注漿稠度試驗(yàn)，利用砂漿稠度儀自由下落的錐入度對砂漿的稠度進(jìn)行判斷。

4)流動(dòng)度。砂漿流動(dòng)度試驗(yàn)參照現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 50448—2015《水泥基灌漿材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》[13]進(jìn)行，截錐圓模尺寸為70 cm×60 cm×100 cm，要求圓模漿液與圓模上口平齊，砂漿流動(dòng)度為漿液擴(kuò)散后最大直徑與最小直徑的平均值。

5)凝結(jié)時(shí)間。壁后注漿凝結(jié)時(shí)間試驗(yàn)通過貫入阻力確定砂漿的凝結(jié)時(shí)間，在砂漿成型后2 h開始進(jìn)行實(shí)際的貫入阻力值測定，開始時(shí)測定間隔為0.5 h，在測得的貫入阻力達(dá)到0.3 MPa后，測定的時(shí)間間隔改為15 min，在貫入阻力到達(dá)0.7 MPa時(shí)停止測定。做出貫入阻力隨時(shí)間變化曲線后，砂漿凝結(jié)時(shí)間即為貫入阻力為0.5 MPa時(shí)的時(shí)間。

6)抗壓強(qiáng)度。采用50 mm×50 mm×50 mm的砂漿立方體試塊進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，分別測定無壁后注漿專用塑化劑、1%摻量塑化劑2種配比1、7、28 d的抗壓強(qiáng)度。立方體的抗壓強(qiáng)度為立方體破壞壓力與試件承壓面積的比值。

1.3 漿液室內(nèi)性能指標(biāo)

參考T/CECS 563—2018《盾構(gòu)法隧道同步注漿材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》[14]，并要達(dá)到減小地層沉降的目的，新型漿液應(yīng)具備泌水率小、凝結(jié)時(shí)間短、抗壓強(qiáng)度高的特點(diǎn)，且要保證漿液的稠度與流動(dòng)度滿足注漿要求，利于漿液的擴(kuò)散，防止堵管現(xiàn)象，因此漿液性能指標(biāo)設(shè)定如下： 1)泌水率小于5%； 2)稠度為10.0～13.0 cm； 3)流動(dòng)度大于16.0 cm； 4)凝結(jié)時(shí)間小于9 h； 5)28 d抗壓強(qiáng)度大于2.5 MPa。

1.4 漿液固結(jié)性能測定試驗(yàn)

1.4.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

壁后注漿是控制地層沉降，確保管片早期穩(wěn)定的有效手段之一。盾構(gòu)法施工過程中，壁后注漿體注入盾尾空隙后，在盾構(gòu)的注漿壓力和土水壓力共同作用下壓力逐漸消散至地層水壓力，同時(shí)體積發(fā)生收縮。不同地層條件下由于滲透系數(shù)的差異會(huì)使這一過程有所不同，在漿體的工程性能良好、充填均勻的前提下，漿體固結(jié)排水引起的體積收縮量是導(dǎo)致地層發(fā)生變形的主要因素之一，這也是工程中較為關(guān)注的問題。

試驗(yàn)過程中，依據(jù)武漢地鐵8號(hào)線盾構(gòu)隧道穿越具有代表性的礫砂、粉砂和粉質(zhì)黏土地層，并依據(jù)各地層的覆土厚度和地下水位高度依次選定了0.2、0.3、0.4、0.5 MPa這4組注漿壓力，其中，粉質(zhì)黏土、粉砂、礫砂3種地層的覆土厚度和地下水位高度依次增加。采用0.1 MPa的注漿壓力差，經(jīng)最優(yōu)塑化劑改良后的泥漿作為漿液，分別以0.2 MPa注漿壓力粉質(zhì)黏土、0.3 MPa注漿壓力粉砂地層、0.4 MPa和0.5 MPa注漿壓力礫砂地層，設(shè)計(jì)了4組試驗(yàn)。管片和地層的早期穩(wěn)定性受固結(jié)體強(qiáng)度的直接影響。試驗(yàn)結(jié)束后，采用YYW-2型應(yīng)變控制式無側(cè)限壓力儀對各漿液固結(jié)體的滲透系數(shù)及其第3天、第7天和第28天無側(cè)限抗壓強(qiáng)度進(jìn)行了測試(取3個(gè)平行試樣的平均值為試驗(yàn)結(jié)果)，第3天和第7天的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度分別表示為R3 d和R7 d。

1.4.2 試驗(yàn)裝置與試驗(yàn)方法

本研究所使用固結(jié)試驗(yàn)裝置如圖2所示。該裝置使用空氣壓縮機(jī)提供氣壓，再將氣壓轉(zhuǎn)化為液壓，通過液壓壓縮乳膠膜氣囊內(nèi)的漿液；通過精度為0.01 MPa的調(diào)壓裝置來調(diào)節(jié)和監(jiān)控注漿壓力； 通過精度為0.01 kPa的孔壓采集系統(tǒng)采集、記錄漿體中孔壓的變化； 采用精度為1 mm的U型管及精度為0.01 s的秒表讀取漿體固結(jié)、體積收縮的變化，并使用漿液的體積收縮率來體現(xiàn)注漿體導(dǎo)致的沉降變化。

試驗(yàn)中，下層筒體采用分層壓實(shí)法加載10 cm試驗(yàn)地層。將配好的漿液裝入乳膠膜中(約1 cm高)并密封，注入清水。加壓后，漿體固結(jié)、體積收縮并引起水位的降低，在不同時(shí)刻記錄U型管中液面變化，其變化規(guī)律就是漿體的沉降規(guī)律； 當(dāng)U型管中液面穩(wěn)定時(shí)，打開底座閥門并將孔壓采集系統(tǒng)調(diào)零，記錄U型管的初始刻度，通過壓力調(diào)節(jié)器將灌漿壓力設(shè)置為100 kPa，等到壓力穩(wěn)定后，按下秒表開始計(jì)時(shí)，讀取U形管的液面讀數(shù)。試驗(yàn)過程如圖3所示。

1—法蘭盤； 2—缸蓋； 3—壓縮空氣； 4—清水； 5—乳膠膜； 6—乳膠膜套圈； 7—進(jìn)水閥； 8—漿體； 9—孔壓計(jì)； 10—地層； 11—透水石； 12—底座； 13—進(jìn)氣閥門； 14—帶刻度的U形管； 15—出水閥； 16—調(diào)壓裝置； 17—空氣壓縮機(jī)； 18—排水閥； 19—濾水收集采集系統(tǒng)。

當(dāng)固結(jié)完成時(shí)，打開裝置，取樣時(shí)采用滲透儀環(huán)刀和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度環(huán)刀，測定各漿體的滲透系數(shù)； 再通過養(yǎng)護(hù)箱養(yǎng)護(hù)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試樣，養(yǎng)護(hù)至目標(biāo)齡期時(shí)，取出試樣進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的測試。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 改良前漿液配比與性能

漿液配制材料分為水、石灰、水泥、保塑劑、膨潤土、膠凝材料，水膠比為1.13，膠砂比為0.21，膨水比為0.23，粉灰比為5.16，添膠比為0.03。水膠比為每m3漿液用水質(zhì)量與所有膠凝材料質(zhì)量的比值； 膠砂比為膠凝材料的質(zhì)量與砂質(zhì)量的比值； 膨水比為所用膨潤土的質(zhì)量與水質(zhì)量的比值； 粉灰比為粉煤灰的質(zhì)量與水泥及熟石灰質(zhì)量的比值； 添膠比為所用保塑劑的質(zhì)量與膠凝材料質(zhì)量的比值。

漿體的流動(dòng)度為24.1 cm，泌水率為6.1%，稠度為12.6 cm，1、7、28 d抗壓強(qiáng)度分別為0.32、1.4、3.1 MPa，凝結(jié)時(shí)間為9 h，漿體的各項(xiàng)工程特性均能夠滿足規(guī)范要求。

2.2 塑化劑摻量對漿液性能影響分析

2.2.1 漿液泌水性能變化規(guī)律

泌水率和泌水量隨時(shí)間和塑化劑添加量的變化如圖4所示。3 h泌水率和泌水量隨塑化劑添加量變化如圖5所示。由圖4和圖5可以看出： 1)當(dāng)專用塑化劑摻量為1.0%以上時(shí)，抑制泌水效果更優(yōu)； 2)壁后注漿專用塑化劑摻量約為1.4%時(shí)，泌水率最小，漿液保水性能較好； 3)專用塑化劑摻量為2.2%泌水效果也好，但考慮經(jīng)濟(jì)成本，認(rèn)為專用塑化劑摻量為1.4%時(shí)泌水效果更好。

(a) 泌水量

(b) 泌水率

(a) 泌水率

(b) 泌水量

2.2.2 漿液流動(dòng)性能變化規(guī)律

壁后注漿漿液稠度變化曲線如圖6所示。可以看出： 1)相比于未添加壁后注漿專用塑化劑，添加塑化劑的漿液稠度減小，即添加壁后注漿專用塑化劑會(huì)減小稠度； 2)稠度不會(huì)隨著專用塑化劑摻量的提高一直減小，而是逐步穩(wěn)定為10.1 ～10.7 cm。

砂漿流動(dòng)度隨塑化劑添加量變化曲線如圖7所示。可以看出： 1)30 min后砂漿流動(dòng)度會(huì)減小，添加壁后注漿專用塑化劑會(huì)減小原有漿液的流動(dòng)性； 2)當(dāng)壁后注漿專用塑化劑摻量超過1.2%時(shí)，流動(dòng)度較差，低于流動(dòng)度要求的下限值，應(yīng)該控制塑化劑摻量不能高于1.2%，且塑化劑對漿液的流動(dòng)度影響較大，建議在隧道中摻入更為合適。

圖6 壁后注漿漿液稠度變化曲線

圖7 砂漿流動(dòng)度隨塑化劑添加量變化曲線

2.2.3 漿液強(qiáng)度性能變化規(guī)律

對于漿液的凝結(jié)時(shí)間和抗壓強(qiáng)度： 1)未添加壁后注漿專用塑化劑時(shí)，壁后注漿漿液的凝結(jié)時(shí)間約為540 min； 當(dāng)壁后注漿專用塑化劑摻量為1.2%時(shí)，凝結(jié)時(shí)間縮短為480 min，說明壁后注漿專用塑化劑能夠縮短漿液凝結(jié)時(shí)間，使之能夠較快達(dá)到早期強(qiáng)度。2)未添加壁后注漿專用塑化劑時(shí)，漿液1 d強(qiáng)度為0.32 MPa； 當(dāng)壁后注漿專用塑化劑摻量為1.0%時(shí)，1 d強(qiáng)度達(dá)0.37 MPa，塑化劑的加入并沒有降低原漿液的強(qiáng)度。3)7 d強(qiáng)度分別為1.4 MPa和1.43 MPa，28 d強(qiáng)度分別為3.1 MPa和3.18 MPa，這說明壁后注漿專用塑化劑改善漿液基本性質(zhì)的同時(shí)并沒有降低其強(qiáng)度。

綜上可知： 1)壁后注漿漿液塑化劑的最優(yōu)摻量不是一個(gè)值而是一個(gè)范圍，為0.4%～1.2%； 2)摻量低時(shí)流動(dòng)性更好，摻量高時(shí)抑制泌水效果更好，在該范圍添加量下，漿液的凝結(jié)時(shí)間縮短至8 h以內(nèi)。

2.3 粉質(zhì)黏土地層中壁后注漿體固結(jié)特性分析

2.3.1 孔隙水壓力隨時(shí)間變化規(guī)律

粉質(zhì)黏土地層中的孔壓消散曲線如圖8所示。可以看出： 1)在粉質(zhì)黏土地層中，在0.2 MPa注漿壓力作用下，在固結(jié)前期漿體孔壓大致呈直線下降，漿體孔壓隨著固結(jié)時(shí)間的延長而消散； 2)漿體的孔隙水壓力隨著固結(jié)時(shí)間的延長而緩慢減小至0，固結(jié)完成，最終固結(jié)完成時(shí)間為6 800 s左右。

圖8 粉質(zhì)黏土地層中的孔壓消散曲線

分析認(rèn)為： 1)由于粉質(zhì)黏土地層的滲透系數(shù)較小，前期漿體中水分的排出速度受到了限制，前期孔隙水壓力隨著固結(jié)時(shí)間的延長呈線性下降； 2)隨著漿液中的水分不斷排出，漿液逐漸固結(jié)，漿體的滲透系數(shù)不斷減小，孔隙中水分逐漸較少，孔隙水壓力隨著固結(jié)時(shí)間的延長而緩慢下降，直至固結(jié)完成[16]。

2.3.2 軸向應(yīng)變量隨時(shí)間變化規(guī)律

粉質(zhì)黏土地層中的軸向應(yīng)變曲線如圖9所示。可以看出： 1)粉質(zhì)黏土地層中，在0.2 MPa注漿壓力作用下，固結(jié)前期漿體的軸向應(yīng)變量隨著時(shí)間大致呈線性增加； 2)漿體的軸向應(yīng)變量隨著固結(jié)時(shí)間的延長逐漸減小，并趨于平緩，最終漿體的體積收縮率約為10.98%。

圖9 粉質(zhì)黏土地層中的軸向應(yīng)變曲線

分析認(rèn)為： 1)漿液在粉質(zhì)黏土中排水固結(jié)時(shí)，漿體的排水速率主要受地層滲透系數(shù)的限制，前期漿體的軸向應(yīng)變量隨著時(shí)間大致呈線性增加； 2)后期漿體中水分逐漸減少，且漿體骨架強(qiáng)度不斷增加，軸向應(yīng)變量逐漸減小至穩(wěn)定[17]。

2.3.3 固結(jié)體強(qiáng)度隨時(shí)間變化規(guī)律

粉質(zhì)黏土地層中漿體的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度如圖10所示。可以看出： 1)粉質(zhì)黏土地層中，在0.2 MPa注漿壓力作用下，第3天漿液固結(jié)體的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為242 kPa； 2)隨著時(shí)間的延長，漿體的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度明顯增加，在第7天時(shí)漿體的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度可達(dá)到306 kPa； 3)隨著時(shí)間的繼續(xù)延長，漿液固結(jié)體的強(qiáng)度也會(huì)略有增加，在第28天時(shí)漿體的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度可達(dá)到332 kPa。

圖10 粉質(zhì)黏土地層中漿體的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

分析認(rèn)為： 1)漿液固結(jié)體在第3天時(shí)就可獲得較高的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度； 2)隨著漿體內(nèi)水泥水化作用的不斷進(jìn)行，漿液固結(jié)體的強(qiáng)度會(huì)不斷增加，從第3天到第7天漿液固結(jié)體的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度會(huì)存在明顯的增加； 3)隨著時(shí)間的繼續(xù)延長，水泥水化反應(yīng)已接近完成[18]，從第7天到第28天漿液固結(jié)體的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的增加較為緩慢，在第28天時(shí)強(qiáng)度基本達(dá)到穩(wěn)定。

2.4 粉砂地層中壁后注漿體固結(jié)特性分析

2.4.1 孔隙水壓力隨時(shí)間變化規(guī)律

粉砂地層中的孔壓消散曲線如圖11所示。可以看出： 1)粉砂地層中，在0.3 MPa注漿壓力作用下，漿體中的水分在固結(jié)前期即快速排出，孔壓消散曲線下降較快，在300 s時(shí)就接近消散完全； 2)后期孔壓消散曲線下降較為平緩，隨著固結(jié)時(shí)間的延長，漿體中的水分緩慢排出，在900 s時(shí)基本固結(jié)完成。

分析認(rèn)為： 1)粉砂地層的滲透系數(shù)較大，在0.3 MPa注漿壓力作用下，加壓初期漿體中的大部分水快速排出，注漿壓力大部分由漿體骨架來承受； 2)隨著固結(jié)的不斷進(jìn)行，漿體的滲透系數(shù)不斷減小，孔隙中的水排出速度不斷減緩，致使?jié){體的孔壓消散速度也逐漸減緩。

圖11 粉砂地層中的孔壓消散曲線

2.4.2 軸向應(yīng)變量隨時(shí)間變化規(guī)律

粉砂地層中的軸向應(yīng)變曲線如圖12所示。可以看出： 1)粉砂地層中，在0.3 MPa注漿壓力作用下，固結(jié)前期漿體的軸向應(yīng)變量隨時(shí)間快速增加，在120 s左右即接近漿液軸向應(yīng)變量的最大值； 2)隨著固結(jié)時(shí)間的延長，漿液的軸向應(yīng)變量增加較為緩慢，最終的漿液軸向應(yīng)變量約為12.05%。

圖12 粉砂地層中的軸向應(yīng)變曲線

2.4.3 固結(jié)體強(qiáng)度隨時(shí)間變化規(guī)律

粉砂地層中漿體的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度如圖13所示。可以看出： 1)粉砂地層中，在0.3 MPa注漿壓力作用下，第3天漿液固結(jié)體的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為231 kPa； 2)隨著時(shí)間的延長，漿體的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度明顯增加，在第7天時(shí)漿體的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度可達(dá)到278 kPa； 3)隨著時(shí)間的繼續(xù)延長，漿液固結(jié)體的強(qiáng)度基本達(dá)到穩(wěn)定，在第28天時(shí)漿體的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為291 kPa。

圖13 粉砂地層中漿體的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

2.5 礫砂地層中壁后注漿體固結(jié)特性分析

2.5.1 孔隙水壓力隨時(shí)間變化規(guī)律

礫砂地層中0.4 MPa注漿壓力下的孔壓消散曲線如圖14所示。可以看出： 1)礫砂地層中，地層滲透系數(shù)較大，在0.4 MPa注漿壓力作用下，漿體中的水分快速流失，漿體的孔壓消散速度極快； 2)整個(gè)固結(jié)過程排水速度差異較小，最終的固結(jié)完成時(shí)間為300 s左右。

圖14 礫砂地層中0.4 MPa注漿壓力下的孔壓消散曲線

礫砂地層中0.5 MPa注漿壓力下的孔壓消散曲線如圖15所示。可以看出： 1)礫砂地層中，在0.5 MPa注漿壓力作用下，固結(jié)前期漿體中的水分快速流失，漿體的孔壓急劇下降； 2)在60 s以后下降速率減緩，最終固結(jié)完成時(shí)間為350 s左右。

分析認(rèn)為： 在滲透系數(shù)較大的礫砂地層中，在高固結(jié)壓力作用下，固結(jié)前期漿體快速壓縮，排水過程中攜帶了大量細(xì)小顆粒，導(dǎo)致與地層交接處的漿體滲透系數(shù)較小，后期漿體中水分的排出減慢，所以0.5 MPa注漿壓力作用下固結(jié)時(shí)間比0.4 MPa注漿壓力作用下固結(jié)時(shí)間長。

2.5.2 軸向應(yīng)變量隨時(shí)間變化規(guī)律

礫砂地層中0.4 MPa注漿壓力下的軸向應(yīng)變曲線如圖16所示。可以看出： 1)礫砂地層中，在0.4 MPa注漿壓力作用下，固結(jié)加壓的瞬間漿液中的大部分水都已排出，漿液的軸向應(yīng)變量即達(dá)到了最大值12.98%； 2)隨著漿體孔隙的不斷壓縮，漿液的軸向應(yīng)變量略有增加。

圖15 礫砂地層中0.5 MPa注漿壓力下的孔壓消散曲線

圖16 礫砂地層中0.4 MPa注漿壓力下的軸向應(yīng)變曲線

礫砂地層中0.5 MPa注漿壓力下的軸向應(yīng)變曲線如圖17所示。可以看出： 1)礫砂地層中，在0.5 MPa注漿壓力作用下，固結(jié)加壓的瞬間漿液的軸向應(yīng)變量即接近最大值； 2)漿液在0.5 MPa注漿壓力作用下不斷被進(jìn)一步壓縮[19]，軸向應(yīng)變量略有增加。

2.5.3 固結(jié)體強(qiáng)度隨時(shí)間變化規(guī)律

礫砂地層中0.4 MPa壓力下的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度如圖18所示。可以看出： 1)礫砂地層中，在0.4 MPa注漿壓力作用下，第3天漿液固結(jié)體的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為202 kPa； 2)隨著時(shí)間的延長，漿體的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度略有增加，在第7天時(shí)漿體的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為223 kPa； 3)隨著時(shí)間的繼續(xù)延長，漿液固結(jié)體的強(qiáng)度緩慢增加，在第28天時(shí)漿體的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為230 kPa。

圖17 礫砂地層中0.5 MPa注漿壓力下的軸向應(yīng)變曲線

圖18 礫砂地層中0.4 MPa壓力下的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

分析認(rèn)為： 礫砂地層中在0.4 MPa注漿壓力作用下，漿體中的膠凝材料和細(xì)小顆粒流失嚴(yán)重，導(dǎo)致在礫砂地層中固結(jié)完成后的漿體無側(cè)限抗壓強(qiáng)度明顯低于在粉質(zhì)黏土和粉砂地層中固結(jié)完成后的漿體無側(cè)限抗壓強(qiáng)度[20]。

3 工程應(yīng)用

武漢軌道交通8號(hào)線黃浦路站—徐家棚站盾構(gòu)隧道全長約3.2 km，隧道直徑為12.1 m，壁厚為0.5 m。采用錯(cuò)縫拼裝，每環(huán)由8塊管片構(gòu)成。穿越地質(zhì)斷面示意如圖19所示。盾構(gòu)自徐家棚站始發(fā)之后，穿越距離長達(dá)600 m的舊城改造棚戶區(qū)，盾構(gòu)上覆土厚度為14.1～35.5 m，主要穿越粉細(xì)砂地層。該棚戶區(qū)的房屋基礎(chǔ)均為天然地基，并且房屋結(jié)構(gòu)老化嚴(yán)重，房屋建筑密度大，對盾構(gòu)施工變形控制要求極高。實(shí)際工程中采用專用塑化劑漿液，塑化劑摻量為0.4%～1.2%，注漿壓力為0.3～0.5 MPa，注漿量充填系數(shù)取130%～180%。施工期地表最大沉降值為2.7 mm，有效控制了周邊環(huán)境變形，表明所研究的專用塑化劑對于同步注漿漿液的影響是有效的，并且同步注漿起到了良好的變形控制效果。下穿棚戶區(qū)段典型斷面地表沉降變形如圖20所示。

圖19 穿越地質(zhì)斷面示意圖(單位： m)

圖20 下穿棚戶區(qū)段典型斷面地表沉降變形圖

4 結(jié)論與建議

本文通過室內(nèi)試驗(yàn)測定漿液的物理力學(xué)性能，研究專用塑化劑對漿液性能的影響規(guī)律，并通過固結(jié)試驗(yàn)，探究了漿液在不同地層中的固結(jié)規(guī)律，主要結(jié)論與建議如下。

1)加入壁后注漿專用塑化劑能夠縮短漿液的凝結(jié)時(shí)間，并且不影響漿液的強(qiáng)度，隨著塑化劑添加量的提高，漿液的泌水率、稠度、流動(dòng)度均有減小的趨勢，漿液無側(cè)限抗壓強(qiáng)度不宜太高，與盾構(gòu)穿越周圍土體無側(cè)限抗壓強(qiáng)度基本一致。

2)專用塑化劑的最優(yōu)摻量為0.4%～1.2%，在該范圍添加量下，漿液的性能得到進(jìn)一步提升，均能夠滿足施工各項(xiàng)要求，且漿液的凝結(jié)時(shí)間縮短至8 h以內(nèi)。

3)改良后漿液在地層中的固結(jié)時(shí)間、沉降量、強(qiáng)度與地層性質(zhì)相關(guān)，在粉質(zhì)黏土地層、粉砂地層與砂礫地層中，固結(jié)完成時(shí)間分別需要1.7 h、15 min、5 min，最終漿液的體積收縮率分別為10.98%、12.05%、12.98%，28 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度分別為332、291、230 kPa。

4)實(shí)際工程中，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場情況在最優(yōu)摻量范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整： 塑化劑摻量越大，漿液的泌水率、流動(dòng)度越小，即漿液穩(wěn)定性能較好，流動(dòng)性能較差； 塑化劑摻量越小，漿液的泌水率、流動(dòng)度越大，即漿液穩(wěn)定性能較差，流動(dòng)性能較好。針對武漢工程等高壓富水地層，應(yīng)先保證漿液的穩(wěn)定性能，塑化劑可以為最大摻量1.2%，考慮到塑化劑對漿液流動(dòng)性能的影響較大，隧道中摻入塑化劑更為合適。