橡膠水泥基注漿材料在水工隧洞盾構(gòu)同步注漿隔震層中的應(yīng)用

朱智軍

(吉安市水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)院，江西 吉安 343000)

1 概述

中國(guó)屬于多地震國(guó)家，在地震災(zāi)害難以有效預(yù)測(cè)的情況下，采取科學(xué)有效的防震、抗震措施就顯得十分重要，也成為規(guī)避和減輕地震危害的主要手段。對(duì)水利工程而言，由于大部分水利工程結(jié)構(gòu)采用的是混凝土塑性材料，更容易受到地震荷載的作用而發(fā)生結(jié)構(gòu)性破壞，從而造成難以估量的損失。在水利工程領(lǐng)域，地下洞室工程由于其隱蔽性，一旦發(fā)生結(jié)構(gòu)性破壞，其修復(fù)不僅面臨較多的技術(shù)難題，同時(shí)投入巨大。因此，針對(duì)輸水隧洞采取有針對(duì)性的抗震措施就顯得尤為必要。對(duì)近年來(lái)發(fā)生的汶川地震等破壞性地震對(duì)水工隧洞的影響進(jìn)行深入調(diào)研，發(fā)現(xiàn)大部分輸水隧洞地震破壞主要表現(xiàn)為襯砌結(jié)構(gòu)和圍巖同時(shí)坍塌引發(fā)的塌方或襯砌塌落[1]。相關(guān)研究也表明，在地震波的作用下地層的大幅度相對(duì)位移和變形是造成輸水隧洞圍巖和襯砌結(jié)構(gòu)破壞的主因[2]。針對(duì)這一情況，提出了圍巖加固和設(shè)置減震層等諸多具有良好工程效果的水工隧洞抗震措施。

在輸水隧洞盾構(gòu)施工過(guò)程中，盾構(gòu)鋼殼和管片之間會(huì)形成一定的環(huán)形縫隙，并需要對(duì)上述縫隙進(jìn)行同步注漿，其注漿結(jié)石體則成為管片和周圍巖土體之間的過(guò)渡性銜接材料。因此，在水工隧洞盾構(gòu)施工過(guò)程中，可以通過(guò)改善同步注漿層性能，使其承擔(dān)類似減震層的效果，有效減輕地震作用下隧洞結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)。顯然，同步注漿層要發(fā)揮減震層的作用，就需要其具有足夠的韌性。

利用廢舊輪胎等回收橡膠材料制成的橡膠顆粒替代部分骨料制備的橡膠混凝土，具有良好的韌性和抗震性能[3]。已有研究表明，利用橡膠混凝土作為隔震層可以獲得良好的減震效果[4]。目前，尚沒(méi)有關(guān)于橡膠水泥基注漿材料的全面研究。基于此，此次研究結(jié)合同步注漿技術(shù)，首先通過(guò)試驗(yàn)研究探索橡膠水泥基注漿材料的工作和力學(xué)性能，然后利用數(shù)值模擬的方式，探索其在同步注漿隔震層中的應(yīng)用價(jià)值。

2 橡膠水泥基注漿材料的性能試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)材料

此次試驗(yàn)研究使用的水泥材料為普通硅酸鹽水泥，其強(qiáng)度等級(jí)為P.O42.5；試驗(yàn)用粉煤灰為電廠一級(jí)粉煤灰；試驗(yàn)用膨潤(rùn)土為鈉基膨潤(rùn)土；試驗(yàn)用天然骨料為閉孔珍珠巖，其粒徑為1～2mm；試驗(yàn)用橡膠顆粒為廢舊輪胎為原料制成的再生橡膠顆粒，其粒徑范圍為2～4mm；試驗(yàn)用纖維為長(zhǎng)度9mm的聚丙烯纖維；試驗(yàn)用水為普通自來(lái)水。

2.2 試驗(yàn)方案

根據(jù)T/CECS 563—2018《盾構(gòu)隧道同步注漿材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》的相關(guān)要求以及此次研究所使用材料的情況，確定同步注漿漿液的水膠比范圍為0.7；膠砂比為0.55；粉灰比范圍為2.2；膨水比小于0.3。為了研究橡膠顆粒摻量對(duì)漿液性能的影響，試驗(yàn)中確定0%、20%、40%、60%、80%等5種不同替代水平等體積替代閉孔珍珠巖顆粒。

2.3 試驗(yàn)方法

首先按照試驗(yàn)方案確定的配合比參數(shù)稱量好各漿液組分材料；將水泥、粉煤灰和膨潤(rùn)土和水倒入攪拌鍋攪拌60s；最后倒入閉孔珍珠巖和橡膠顆粒高速攪拌60s。將制作完成的注漿漿液材料迅速倒入試模并成型，在24h后拆模編號(hào)并養(yǎng)護(hù)至試驗(yàn)規(guī)定齡期。根據(jù)研究需要，試驗(yàn)中對(duì)不同配比方案漿液的稠度、流動(dòng)度、泌水率等工作性能以及結(jié)石體的抗壓強(qiáng)度和彈性模量等力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試，根據(jù)測(cè)試結(jié)果優(yōu)選出最佳配比方案。

2.4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.4.1工作性能

試驗(yàn)中對(duì)不同橡膠顆粒摻量方案下漿液的稠度、流動(dòng)度、泌水率等工作性能指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如圖1所示。由圖1可以看出，橡膠顆粒摻量對(duì)漿液額的稠度和流動(dòng)度存在比較明顯的影響，隨著橡膠顆粒的摻量的增加，漿液的稠度和流動(dòng)度基本呈現(xiàn)出線性增大的變化特點(diǎn)，說(shuō)明漿液的流動(dòng)性能夠得到良好的改善。原因是此次試驗(yàn)研究中的利用橡膠顆粒替代閉合珍珠巖，因此橡膠顆粒摻量的增加可以減少閉孔珍珠巖對(duì)浸潤(rùn)水的吸附作用，因此能夠顯著改善漿液的流動(dòng)性。另一方面，漿液的泌水率也隨著橡膠顆粒摻量的增加而不斷增大，其原因與流動(dòng)性類似。按照T/CECS 563—2018中的規(guī)定，漿液的稠度應(yīng)該在90～130mm之間，流動(dòng)度應(yīng)該大于160mm，泌水率不超過(guò)3.5%。由此可見(jiàn)，各個(gè)試驗(yàn)方案在工作性能方面均滿足要求。

圖1 工作性能試驗(yàn)結(jié)果

2.4.2力學(xué)性能

由于同步注漿層需要承擔(dān)隔震層的功能，因此需要漿液結(jié)石體具有一定的強(qiáng)度和韌性[6]。因此，試驗(yàn)中對(duì)不同方案的注漿結(jié)石體28d抗壓強(qiáng)度和彈性模量2個(gè)關(guān)鍵性力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果如圖2所示。由圖2可以看出，隨著橡膠顆粒摻量的增加，結(jié)石體的抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)出不斷下降的變化特點(diǎn)，彈性模量呈現(xiàn)出先小幅升高后迅速下降的變化特點(diǎn)。顯然，對(duì)于隔震層的功能發(fā)揮而言，彈性模量越小越有利。但是T/CECS 563—2018中規(guī)定注漿結(jié)石體的抗壓強(qiáng)度要大于2.5MPa，雖然橡膠顆粒摻量為60%時(shí)滿足要求，但是冗余度略顯不足。因此，推薦在工程應(yīng)用中選擇60%的橡膠顆粒摻加方案，此時(shí)結(jié)石體的抗壓強(qiáng)度為5.13MPa，彈性模量為19.54GPa。

圖2 力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

3 隔震效果計(jì)算與評(píng)價(jià)

3.1 計(jì)算方法

鑒于采用模型試驗(yàn)的方式進(jìn)行抗震性實(shí)驗(yàn)難度較大，此次研究以某水利工程輸水隧洞為例進(jìn)行模擬計(jì)算。該輸水隧洞地質(zhì)條件比較復(fù)雜，沿線發(fā)育有多條大斷層，同時(shí)區(qū)域內(nèi)的地震互動(dòng)相對(duì)比較強(qiáng)烈。計(jì)算中選擇的洞段埋深為350m，含有一條斷層破碎帶，開(kāi)挖斷面為洞徑為4.5m圓形，圍巖以IV類為主。

在模型構(gòu)建過(guò)程中，隧洞的頂部?jī)H向上取35m，斷層設(shè)置為正斷層。輸水隧洞的洞軸線指向下游的方向?yàn)閥軸正方向，與y軸垂直指向右側(cè)的方向?yàn)閤軸正方向，以豎直向上的方向?yàn)閦軸正方向。3個(gè)方向的計(jì)算范圍分別為60、80、60m。對(duì)模型的圍巖、襯砌結(jié)構(gòu)和注漿層采用6面體9節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元模擬，整個(gè)模型劃分為13220和單元，14017個(gè)節(jié)點(diǎn)。

模型計(jì)算過(guò)程中底部和頂部采用粘彈性人工邊界條件，4周采用自由場(chǎng)人工邊界條件[7]。模型材料的物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。其中，同步注漿圈的物理力學(xué)參數(shù)隨不同剛度方案調(diào)整。

表1 模型材料物理力學(xué)參數(shù)

在模型計(jì)算過(guò)程中，地震波選擇的是日本阪神地震的Kobe NS波[8]，結(jié)合背景工程項(xiàng)目區(qū)的8級(jí)抗震設(shè)防烈度，經(jīng)過(guò)調(diào)整、濾波、基線校正以及幅值的折減處理，最終獲取如圖3所示的地震波加速度時(shí)程曲線。在地震波的加載過(guò)程中，由有限元模型x向(橫向)和z向(豎向)垂直射入。在模擬計(jì)算過(guò)程中，將同步注漿減震層的厚度設(shè)置為10cm不變，通過(guò)對(duì)普通水泥基注漿材料(方案1)和橡膠水泥基注漿材料(方案2)2種方案的抗震效果進(jìn)行模擬計(jì)算，并對(duì)2種方案的工程效果進(jìn)行對(duì)比分析。

圖3 地震波加速度時(shí)程曲線

3.2 計(jì)算結(jié)果與分析

3.2.1加速度峰值

利用構(gòu)建的有限元模型，對(duì)不同同步注漿減震層剛度方案下的隧洞襯砌結(jié)構(gòu)加速度進(jìn)行計(jì)算，從計(jì)算結(jié)果中提取出x向和z向地震波作用下的加速度峰值，結(jié)果見(jiàn)表2。從計(jì)算結(jié)果可以看出，不同方案襯砌各關(guān)鍵部位的加速度峰值計(jì)算結(jié)果比較接近，說(shuō)明襯砌各部位受到地震波的影響基本相同。另一方面，方案2襯砌各部位的加速度峰值明顯小于方案1。由此可見(jiàn)，采用橡膠水泥基注漿材料可以有效降低地震波作用下襯砌結(jié)構(gòu)加速度峰值，對(duì)提高輸水隧洞抗震性有利。

表2 加速度峰值計(jì)算結(jié)果

3.2.2隧洞位移

對(duì)不同方案下的隧洞襯砌結(jié)構(gòu)位移進(jìn)行計(jì)算，從計(jì)算結(jié)果中提取出x向和z向地震波作用下的位移量，結(jié)果見(jiàn)表3。從計(jì)算結(jié)果可以看出，拱頂和拱底部位的位移變形量最大，左拱腳和右拱腳部位的位移變形量最小。由此可見(jiàn)，在地震作用對(duì)輸水隧洞的拱頂和拱底部位的位移變形影響相對(duì)較大。另一方面，方案2各關(guān)鍵部位的位移量明顯小于方案1，說(shuō)明橡膠水泥基注漿材料方案對(duì)控制地震荷載下圍巖位移效果更佳。

表3 襯砌位移計(jì)算結(jié)果

3.2.3襯砌應(yīng)力

對(duì)不同方案下的隧洞襯砌結(jié)構(gòu)加速度進(jìn)行計(jì)算，從計(jì)算結(jié)果中提取出x向和z向地震波作用下的襯砌第一主應(yīng)力峰值，結(jié)果見(jiàn)表4。從計(jì)算結(jié)果可以看出，拱腳部位的第一主應(yīng)力值相對(duì)較大，拱腰部位相對(duì)較小。方案2各關(guān)鍵部位的第一主應(yīng)力峰值均明顯小于方案1，說(shuō)明橡膠水泥基注漿材料方案對(duì)控制地震荷載下圍巖在地震荷載下的應(yīng)力效果更佳。

表4 襯砌應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)論

在地震高發(fā)區(qū)的水利工程建設(shè)過(guò)程中，利用工程措施提高輸水隧洞的抗震性能具有重要意義。對(duì)于盾構(gòu)施工輸水隧洞而言，使同步注漿層承擔(dān)隔震層的功能可以有效降低工程投資，縮短施工工期。此次研究首先利用室內(nèi)試驗(yàn)的方式，以同步注漿隔震層注漿施工的要求出發(fā)，對(duì)橡膠水泥基注漿材料中的橡膠顆粒摻量水平進(jìn)行優(yōu)選，獲得最佳摻量方案。在此基礎(chǔ)上，利用數(shù)值模擬的方式對(duì)其在同步注漿隔震層中的應(yīng)用效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。結(jié)果顯示，采用橡膠水泥基注漿材料可以有效提升輸水隧洞的抗震性能，具有一定的推廣意義。當(dāng)然，注漿材料的性能受到多方面因素的影響。在今后的研究中，應(yīng)該不斷進(jìn)行材料成分和配合比的優(yōu)化，配制出抗震性能更佳的注漿材料。