浅埋隧道高压喷射灌浆初期强度性能测试研究

黄德敏

在软土地基隧道施工中，采用水平高压喷射灌浆柱是一种常用的支护方法。灌浆柱在制作完成初期（24 h以内）强度随时间变化较大，过早安装有可能会引起支护断裂，严重时引发地表沉降，而安装时间过长又会影响施工周期，因此有必要对灌浆柱制作完成初期的强度变化情况进行研究。文章对灌浆混合料强度初期变化情况进行了相关测试，包括无侧限抗压强度和杨氏模量的测试，此外，灌浆设备采用绝缘设置，以便测量浇筑过程中的温度变化情况。

高压喷射灌浆;隧道支护;强度性能测试

U455-A-36-123-3

0 引言

高压喷射灌浆于20世纪70年代在日本开发，随后引入欧洲，到20世纪80年代在北美使用。与渗透灌浆相比，渗透灌浆对所处理的土体类型要求较高，而高压喷射灌浆几乎可用于处理任何土体。高压喷射灌浆最早采用了由硅酸盐水泥和水组成的单流体喷射灌浆，可产生直径达500～1 000 mm的泥浆柱。高压喷射灌浆一般分两个阶段进行，在第一阶段，采用旋转钻，推进钻柱;第二阶段，开始喷射，旋转和抽出钻柱。

高压喷射灌浆在浅埋隧道施工中的应用越来越普遍，尤其是对于非圆形断面的大型隧道，可使用多组水平高压喷射灌浆柱分阶段进行安装，在隧道面前方形成一个水泥土拱，以提供开挖支护。如图1所示。

浅埋隧道的设计要求之一是施工方法必须将表面沉降控制在规定的范围以内。然而，采用高压喷射灌浆时，高压喷射灌浆泥浆的安装与水泥土混合物的硬化之间存在延迟。如果这种硬化足够延迟，高压喷射灌浆柱可能没有足够的强度来抵抗覆盖层荷载，从而导致隧道上方过度沉降和相关的表面变形。由于高压喷射灌浆柱通常分为四个或四个以上的组进行安装，如果不遵守严格的质量控制程序，这种方法很有可能引起表面沉降。因此对高压喷射灌浆柱初期的强度进行评估有助于解决这一潜在问题。根据高压喷射灌浆柱体强度随时间变化的规律，让开挖荷载由硬化程度最大的高压喷射灌浆柱支撑，采用这种方式进行排序安装能够最大限度减少表面沉降的发生。

1 试样的制备

1.1 试验材料

浆液的成分部分取用所处理的地基土，高压喷射灌浆过程涉及土体的侵蚀、混合、置换和孔隙空间填充，因此高压喷射灌浆成分无法被准确地计算及分析。根据相关研究可知，在砂砾石和粉砂中进行高压喷射灌浆的现场试验中，浆液所占比重为40%～70%。

1.2 试验方案

为了表征高压喷射灌浆的特性，测试了41个试样，以确定强度随时间的变化。试验的重点是从初始凝固到24 h的固化时间，在约6 h、7 h、8.5 h、10.5 h、13.75 h、18.5 h和24 h以及2 d、3 d和28 d时测试无侧限抗压强度、杨氏模量和进行反应过程中温度变化测量。

1.3 试样制备过程

测试的高压喷射灌浆的水灰比为1∶1（按重量计），灌浆的比例与高压喷射灌浆相同，砂土取自工作区地基土，水泥为一般硅酸盐水泥。相关参数取值如表1所示。

浆液在内径76.2 mm、长305 mm的亚克力管（聚丙烯酸类塑料）中进行浇铸（如图2所示）。这些管子被包裹在200 mm的聚苯乙烯绝缘材料（聚苯乙烯）中，将19 mm厚的塑料垫片插入间隔152 mm的亚克力管中，以便获得2∶1的高径比样品。使用垫片，以便生产具有光滑方端的样品，这样就不需要覆盖或切割样品了。垫片上有两个12 mm的孔，对其进行灌浆。

隔热层采用聚苯乙烯材料，以便实验室试验具有与现场浇筑高压喷射灌浆柱类似的时间-温度变化，因为硬化水泥的强度与温度变化有直接关系。水泥浆在水化过程中用热敏电阻记录温度。

2 高压喷射灌浆初期性能测试分析

由高压喷射灌浆柱初期强度性能试验结果可知（见图3），水泥浆在初次搅拌后约6 h初凝，此时，水泥浆具有一定的强度，足以能够将76 mm的样品从模具中取出，而不会造成明显的损坏。此后，浆液的硬化速度很快，在最初的24 h内硬化速度最快。此外，在大约11 h后，灌浆的性质发生了变化，材料性能从塑性变为脆性。

2.1 灌浆柱无侧限抗压强度测试结果分析

在图3（a）中可以看出，无侧限抗压强度（UCS）随時间的增加呈幂型关系，即强度增长率随时间的增加而增加。从图中可以看出直线部分长达约10.5 h，此时强度增加率最大。超过10.5 h后，强度增加的速度会随着时间而变慢。由试验数据可得出无侧限抗压强度随时间变化的经验公式，式（1）表示<10.5 h的强度，式（2）表示>10.5 h的强度。时间t单位为h，无侧限抗压强度UCS单位为kPa。

UCS=1.088×10-4t6.638<10.5 h（1）

UCS=1.088ln（t-8.34）-408.7>10.5 h（2）

2.2 灌浆柱无侧限抗压强度测试结果分析

如图3（b）所示，杨氏模量随时间的变化与UCS随时间的变化具有相似的走势。同样可得出杨氏模量随时间变化的经验公式，式（3）表示<10.5 h的杨氏模量，式（4）表示>10.5 h的杨氏模量。时间t单位为h，杨氏模量E单位为MPa。

E=1.088×10-4t5.697<10.5 h（3）

E=184.3ln（t-9.51）-183.7>10.5 h（4）

2.3 高压喷射灌浆初期温度变化分析

试验过程中的平均室温为24.3 ℃。如图4（a）所示，第一次水化循环将水泥浆温度提高了8.8 ℃，并在搅拌后的1 h内发生。接下来是大约5 h的稳定温度，然后是5～15 h之间的显著温度增加，在15 h左右温度达到最高值，而温度增加速率在大约11 h达到峰值，在11～15 h之间不断减小，并且在15 h左右减小到0。

通过观察图3和图4，可以看出灌浆强度变化与温度变化之间有很强的关联性。在刚开始浇筑时温度迅速升高，又很快冷却下来，在往后的5～15 h之间温度变化率先增加后减小，温度也在持续升高。这个阶段浆液硬化速度最快，当温度不再升高时，浆液硬化速度减慢，但依然在增加，因此水泥水化释放的热量有助于浆液加快硬化。

3 结语

本文通过室内试验总结了高压喷射灌浆材料的

时变特性。实验结果显示，硬化开始前6 h及硬化6 h后，强度和刚度迅速增加，初始混合后持续约12 h。此后，硬化过程继续进行，但速度较慢。强度和刚度特性都与温度有很强的相关性，因此现场温度测量是评估强度和刚度的有用指标。同时，给出了高压喷射灌浆柱初期硬度变化的经验公式，结合浆液硬化随时间的变化，保证相邻立柱安装之间必须留出足够的时间，以使水泥浆硬化，提供足够的隧道支撑，进而能够高效完成隧道支护结构的安装。

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