盾构隧道壁后注浆试验与浆液扩散机理研究进展

盾构隧道壁后注浆具有控制地层变形、确保管片受力均匀等作用,但壁后注浆施工中也常出现隧道上浮、管片破损、螺栓剪断等现象,壁后注浆效果与注浆施工参数的控制密切相关。为达到预期注浆效果,深入研究壁后注浆过程中浆液的扩散机理,提出合理的壁后注浆施工控制策略具有重要现实意义。基于目前国内外学者在盾构隧道壁后注浆浆液扩散机理方面所开展的工作,从现场实测、模型试验、理论分析3个方面进行梳理总结,分析现有研究的进展和不足。在现场实测方面,目前常用的监测手段是探地雷达无损检测法和埋设仪器法;室内模型试验包括整体模型试验和局部模型试验,整体模型试验主要用于模拟盾构掘进过程中的同步注浆施工,局部模型试验主要用于分析浆液固结变形以及压力消散过程;在理论分析方面,当前主要从盾尾间隙特征、浆液流体特性以及浆液-土体相互作用机理研究浆液扩散过程,浆液扩散过程可概括为充填、渗透、压密和劈裂4个阶段,充填注浆浆液的扩散模型主要是环形充填扩散和扇形充填扩散,渗透注浆浆液的扩散模型有球面渗透扩散和柱面渗透扩散,压密注浆浆液的扩散模型有球形压密扩散和柱形压密扩散,劈裂注浆过程很少考虑;在数值计算方面主要侧重于研究盾构壁后注浆对管片受力和地表沉降的影响。最后,分别从盾构隧道断面形式、理论模型的地层适应性、统一扩散理论模型、浆液扩散微观机理等方面展望了盾构隧道壁后注浆浆液扩散机理研究的发展趋势。     

盾构隧道粘度时变性浆液壁后注浆渗透扩散模型

在假定注浆浆液为粘度时变性流体,并在盾尾间隙影响厚度范围内均匀柱面扩散的前提下,应用达西定律对盾构壁后注浆渗透范围及浆液对管片造成的压力进行了理论推导,得到了浆液扩散半径及对管片产生压力的计算式.通过具体实例,对比分析了是否考虑粘度时变性2种条件下浆液扩散半径及对管片产生压力的计算结果,以及不同胶凝时间下浆液扩散半径及对管片产生压力的计算结果.分析结果表明:2种条件下,浆液扩散半径及对管片产生的压力随注浆压力、注浆时间的变化规律不尽相同,粘度时变性对浆液扩散半径及对管片产生的压力影响显著,可通过调整浆液配比来改变粘度时变性,进而影响浆液扩散半径及对管片产生的压力,但浆液对单位面积管片的压力几乎不受粘度时变性的影响.     

盾构壁后注浆压力分布计算模型

为了明确盾尾空隙中浆体压力的大小及分布形式.利用宾汉姆流体描述浆液流体性质,推导了浆液注入盾尾空隙后考虑浆液扩散距离和注浆时间相关的浆体压力分布计算模型.该模型通过室内试验获得浆液的塑性粘度和屈服强度值,即可针对具体的工程实例,设置不同的参数(注浆孔数量及布设位置、注浆压力、隧道半径等参数)来计算浆液注入后的浆体压力值...     

盾构壁后充填注浆材料分析

盾构法作为一种较先进的隧道暗挖施工法,近年来在我国逐渐得到推广和应用.盾构壁后充填注浆是盾构施工法的重要环节.文中在说明盾构壁后充填注浆与地基加固注浆区别的基础上,对盾构壁后充填注浆材料的特性要求及耐久性进行了分析.     

盾构隧道壁后注浆研究现状及发展趋势

壁后注浆是盾构隧道施工过程中必不可少的环节。针对盾构隧道壁后注浆的特点,分析壁后注浆研究拟解决的主要问题,同时对壁后注浆研究论文的分布特征、研究机构、科研群体及基金资助等情况进行分析,综述盾构隧道壁后注浆研究现状,探讨其未来研究的发展方向。结果表明:1)传统岩土工程研究对盾构隧道壁后注浆研究具有较大的参考价值;2)在论文质量与数量方面,该领域研究成果依然不多,且高等院校的优势明显;3)国家基金的资助对盾构壁后注浆研究的促进作用巨大;4)壁后注浆研究现状中,对浆液材料研究较多,注浆参数控制和浆液扩散机制依然停留在理论阶段,而对注浆效果评估的研究依旧不多。     

盾构隧道壁后注浆中“定时浆”试验研究

我国盾构隧道广泛使用凝结时间较长的单液浆,但由于注入后不能及时凝结常常引发管片上浮、浆液流失等工程问题。针对这些问题提出“定时浆”的概念。通过在单液硬性浆中添加氯化铝溶液与水玻璃,基于浆液的胶结时间、流动度、28 d强度等指标研究了“定时浆”的配方。结果表明： 1）通过先加入氯化铝溶液再加入水玻璃的方法,可以实现浆液“定时”凝结; 2）在硬性浆中掺加0.50%~0.75%的氯化铝溶液、1.00%~1.25%的水玻璃,可以达到良好的定时效果; 3）通过简单的注浆设备改造可以形成“双液单注”的定时注浆工艺。     

盾构施工壁后同步注浆对隧道管片的影响分析

以厦门市轨道交通一号线集美中心站-诚毅广场站区间隧道为依托工程,利用数值模拟的方法,设置了9个工况研究不同注浆参数对盾构隧道管片受力的影响。结果表明:管片所受到的最大压应力值远小于混凝土的极限抗压强度,但随着注浆浆液重度或注浆层厚度的增加,管片所受到的最大拉应力值可能达到或超过混凝土的极限抗拉强度,从而导致管片发生破坏。     

下穿黄河盾构隧道“结构-壁后注浆-土体”结合部渗流研究

盾构隧道结构与土体间存在"衬砌结构-壁后注浆-土体"结合部,黄河下游"悬河"段河水水位高于两岸地表,修建于"悬河"下的盾构隧道"结构-壁后注浆-土体"结合部是否会形成渗流通道,使黄河水体涌入两岸从而影响两岸安全,是穿黄盾构隧道工程与其他穿越江河盾构隧道工程的最大不同之处,也是关系到工程建设是否可行的关键问题。对盾构隧道结构-壁后注浆-土体结合部进行理论简化和数值计算,并模拟了不同工况条件下沿结合部渗入两端的的渗流量,结果表明:壁后注浆对于减小结合部渗流具有重要作用,盾尾间隙厚度对渗流安全影响较小;随着壁后注浆体渗透系数减小,两端涌水量显著减少;盾尾间隙的减小对于降低两端渗流量作用不大。据此提出相应的工程建议:为防止"衬砌结构-壁后注浆-土体"结合部渗流通道形成,衬砌设计中增设注浆孔,施工时适当增大注浆量及注浆压力,防止无注浆空隙的产生,降低壁后注浆体渗透系数是首选措施;通过控制盾构掘进姿态、减少超挖,从而减小盾尾间隙厚度可作为辅助施工措施;施工过程中在隧道内进行壁后注浆开孔检漏试验并根据试验结果进行补充注浆可作为结合部渗流安全的检验、补充措施。     

废弃泥浆在盾构壁后注浆中的应用

在泥水盾构施工过程中不可避免地会产生大量的废弃泥浆,处理泥浆一是需要较高的资金投入,二是可能会对环境造成严重污染。利用废弃泥浆配制壁后注浆砂浆,利用盾构弃浆代替砂浆中的膨润土和水,研究弃浆对壁后注浆砂浆工程性能的影响。结果表明:1)相对体积质量为1.16、黏度为22 s的泥浆配制壁后注浆材料可得到较好的流动性和稠度,并且泌水率优于原配比;2)相对体积质量为1.27、黏度为24 s的泥浆会明显降低砂浆的流动度,对砂浆可泵送能力有一定的影响;3)适当调整水胶比和泥浆相对体积质量,配制壁后注浆材料各方面性能均能达到壁后注浆材料的要求;4)废弃泥浆配制砂浆是一种既经济又环保的弃浆处理回收再利用的工艺工法。     

盾构壁后注浆体在不同地层中固结排水试验研究

为分析盾构壁后注浆过程中不同类型的浆体在不同地层中固结排水规律的差异,采用自制的浆体固结排水试验装置,模拟盾构壁后注浆体的固结排水过程,对惰性浆、硬性浆和厚浆3种典型浆体在不同地层中的固结排水规律展开研究。结果表明:1)在粉质黏土地层中,浆体的固结排水速度主要由浆体中水分入渗的难易程度决定;2)在粉细砂地层中,浆体的固结排水速度主要取决于浆体的保水性和抗水分散性;3)在渗透系数较大的粗砂地层中,固结初期浆体颗粒间的黏结作用对浆体的固结排水速度影响较大,固结完成后浆体的强度受浆体中胶凝材料的影响较大、受地层渗透系数的影响较小;4)硬性浆固结完成后的7 d强度较3 d强度增加了30%,惰性浆和厚浆固结完成后强度随时间变化较小。     

砂土覆盖型岩溶地层盾构隧道施工地面注浆加固实例分析

隧道沿线溶洞的加固处理是岩溶地层中盾构隧道施工的关键。以广州地铁某区间盾构隧道施工为背景,论述砂土覆盖型岩溶地层中盾构隧道施工面临的主要工程地质风险;由溶洞处理流程入手,从溶洞处理判断标准、注浆填充方案、注浆材料选择以及注浆加固效果检验等方面详细介绍盾构隧道施工中通过地面注浆加固进行溶洞处理。同时,对监测区间内溶洞注浆加固效果以及隧道掘进引起的地面、房屋沉降情况进行监测分析。研究结果表明： 溶洞注浆加固效果良好,隧道掘进造成的地面房屋沉降变化平稳,地面注浆加固处理在砂土覆盖型岩溶地层盾构隧道施工中具备一定的工程适用性。     

盾构隧道纵向接头抗拉性能试验

盾构隧道纵向在受到如地震、纵向地层变形等因素影响时,可能发生环缝张开,使得纵向接头在受拉时更容易破坏。为研究大断面盾构隧道纵向斜螺栓接头在拉拔过程中的受力变形特征及破坏过程,采用自主研制的接头螺栓拉拔装置,开展了1：1接头足尺抗拉性能试验,分析了管片纵向接头在不同加载方式及荷载工况下,管片混凝土应力分布、螺栓应力分布及传递、结构声发射信息和接头最终破坏模式等特征。研究结果表明：斜螺栓纵向接头在拉拔过程中会对管片纵向接缝面及外表面的应力分布产生影响,对管片内表面的应力分布影响较小;纵向斜螺栓在顺向拉拔过程中,未能充分发挥其承载能力,而在垂直接缝面的拉拔过程中,螺栓与套筒、管片内部混凝土的破坏基本保持同步,可充分发挥其承载能力,与混凝土强度配合较好;螺栓拧进套筒的程度影响纵向接头的抗拉拔能力,拧进程度越大,螺栓与套筒的联结能力越强,越能发挥纵向接头的抗拉拔能力;结构最终破坏模式是螺栓、套筒及混凝土间的联结失效,破坏具有突发性,顺拔工况下,纵向接缝面会在孔口周围发生近外表面的锥体破坏,垂直拔工况下,套筒内部螺纹被挤压破坏,因此,可采取提高套筒强度、加强套筒周围配筋等措施以进一步改善纵向接头的整体性能。     

火灾高温下盾构隧道衬砌结构热力耦合模型试验

为研究火灾高温下盾构隧道衬砌结构的热力耦合行为,利用自主研制的温度加载设备和衬砌管环外压加载设备,分别设计并开展整环衬砌结构的无外压受热模型试验和热力耦合模型试验。试验使用不考虑接头效应的钢纤维混凝土匀质管片。首先,介绍2种试验设备的原理、主要构造和各类参数;在此基础上,针对模型试验过程进行细致的说明。然后,通过对衬砌管片结构形式的分析确定试验的火灾加载工况;详尽描述不同试验的相关结果,重点分析衬砌结构内表面各处温度场的变化过程、分布情况、管片的变形结果及破坏模式。研究结果表明：温度加载设备和衬砌管环外压加载设备能够较好的满足整环衬砌热力耦合研究的模型试验要求;试验初期底部管片的升温速率相对顶部管片有所滞后,但各部分间的温差数值随加热的持续进行会逐渐减小,衬砌结构内部能够形成稳定的温度场;无外力作用下匀质管片的破坏形式表现为沿幅宽方向的贯穿裂缝,各管片结构的裂缝发展路径存在差异;衬砌管片由于外压作用产生的压应变随温度的升高而减小;外压荷载对衬砌结构在高温下产生的膨胀变形存在抑制效果。研究结果可为盾构隧道整环衬砌结构热力耦合研究的进一步发展提供参考。     

盾构隧道壁后注浆压力对地表沉降及围岩变形的数值模拟研究

以某地铁工程区间隧道为例，采用通用的FLAC程序对盾构区间隧道施工在不同注浆压力条件下引起的地表沉降及围岩变形进行了数值模拟研究。根据该分析结果，综合考虑在工程地面条件允许的沉降范围内，提出了合理的盾构施工同步注浆压力及相应的控制沉降措施。     

软硬不均地层盾构隧道纵向差异沉降相似模型试验研究

为探明不同海水水位、地层损失作用下穿越软硬不均地层盾构隧道结构纵向变形与发展，依托厦门地铁2号线跨海区间隧道工程，采用相似模型试验，以堆载模拟上覆水位荷载、漏砂法模拟下卧地层损失，分析上覆荷载、下卧地层损失下隧道沉降和曲率半径分布规律。结果表明： 1）上覆海水水位荷载下，隧道纵向沉降呈“勺形”分布，沉降过渡区范围为20环，原型长度为30 m； 2）随上覆荷载增大，沉降过渡区差异沉降呈二次函数增大，曲率半径呈指数形式减小，当上覆海水水位荷载为7.50 kPa时，原型水压为60 kPa（历史最高水位6 m），曲率半径最小，对应原型曲率半径为156 450 m，远大于《规范》控制值（15 000 m）； 3）下卧地层损失下，隧道纵向沉降呈“高斯”分布，沉降槽范围为24环，原型长度为36 m； 4）随下卧地层损失增加，沉降槽差异沉降值呈三次函数关系增大，曲率半径呈三次函数关系减小，当地层损失率为4.57%时，原型沉降槽曲率半径达到《规范》规定控制值（15 000 m）。     

盾构隧道大掺量粉煤灰同步注浆材料优化设计

 通过掺加粉煤灰、膨润土、高效减水剂等措施，对盾构法同步注浆用水泥砂浆配合比进行优化设计，探讨了粉煤灰掺量、减水剂种类和掺量、水胶比、胶砂比等与流动度、结石体3d、14d、28d抗压强度、凝结时间之间的关系，得到具有高工作性的大掺量粉煤灰同步注浆材料。     

基于地电测试的浆液扩散效应三维可视化分析

通过地电测试方法进行了三维地质结构中浆液扩散行为和过程的监测,结果表明:电极自然电位对浆液扩散具有很强的敏感性;在双扩散层中心注浆试验初期,浆液扩散水平距离和扩散时间的平方根近似成正比关系.因此,可利用地电测试方法对浆液扩散范围和过程进行有效的三维可视化监测和分析,为评估注浆效果(阻水、加固等)提供强有力依据.     

盾构同步注浆试验平台试验装置的设计

根据国内外现有的同步注浆试验平台试验装置,结合自身需要对土箱、推进装置和同步注浆装置等试验装置进行设计。从盾构内部同步注浆系统和盾构外部客观施工条件2方面入手,运用土力学、液压系统设计和盾构平台设计的相关经验数据,归纳出同步注浆平台中土箱、推进装置和同步注浆装置设计的一般方法,为搭建一套同步注浆平台提供了理论依据。