新型水下聚凝充填材料模拟填筑试验研究*

2021-06-24阮艳妹

施工技术(中英文) 2021年10期

林珊，阮艳妹，罗旭，梅源

(1.广州地铁设计研究院股份有限公司，广东广州 510010；2.西安建筑科技大学土木工程学院，陕西西安 710055；3.陕西省岩土与地下空间工程重点实验室，陕西西安 710055)

0 引言

我国灰岩分布面积较广，这些岩溶地层被次生的风化或残积物所填充、覆盖，深埋于地下，给各种岩土地下工程带来不可预见的风险，直接影响工程质量和施工安全[1-3]。地下溶洞不仅会影响建筑物的稳定性，还会引起建筑基础沉降，在工程中危害极大，溶洞问题已引起国内外大量研究学者和从业人员的重视[4-6]。隧道盾构施工中，隧道开挖产生大量土体，与泥水混合形成泥浆，通过排浆泵或管道输送至地面进一步处理，泥水盾构出浆量一般为隧道挖土体积的2～3倍，伴随着隧道盾构施工产生大量废弃泥浆。由于城市储存场地有限、人员密度大，若处置不当，会造成环境污染、侵占土地等问题，甚至对整个城市的正常运行产生巨大影响。目前处理废弃泥浆的方法有直接排放法[7]、焚烧法[8]、化学固化法[9]、机械处理法[10]和化学絮凝沉淀法。化学固化处理法直接在泥浆中加入固化剂，可改善泥浆性质，利于废弃泥浆的资源化利用。

董邑宁等[11]研究发现固化后土样无侧限抗压强度与固化剂种类、龄期、掺入比密切相关；杨爱武等[12]研究表明用石灰作为主要固化剂，水泥、石膏作为外加剂来固化软土，可明显提高其无侧限抗压强度。Sowers George[13]详细介绍了岩溶地区建设与施工相关问题及注意事项。任新红[14]以南广铁路岩溶路段为工程背景，现场进行电阻率法注浆试验效果检测，并讨论注浆前后不同岩溶地质概化模型检测效果和地下水变化产生的影响。雷金山[15]就广州地铁沿线岩溶隧道出现的不同状况，分析岩溶处理的范围和深度，开展新型廉价注浆材料及配浆工艺试验研究。李雄周等[16]以云南某高速公路隧道岩溶工程为背景，研究TGP、地质雷达和超前地质钻孔等地质预报技术，提出一种改进后的综合溶洞处治方法，对实际施工处理起到了指导作用。

本文基于溶洞特点，考虑地下水压力，设计制作半封闭带压溶洞模拟箱，进行新型水下聚凝充填材料注浆模拟试验，研究其在水下的流动性、黏聚性等，评估新型水下聚凝充填材料岩溶注浆的工程效果。

1 新型水下聚凝充填材料模拟箱设计及安装

设计并制作尺寸为1 500mm×800mm×500mm(长×宽×高)的模拟箱，箱内充满水，以模拟真实充水溶洞。模拟箱材料采用有机玻璃，各边用钢带固定，有机玻璃板接缝处用防水硅酮耐候胶封堵，保证模拟箱内密闭不漏水。模拟箱顶板开设3个直径为100mm的圆孔，如图1所示，A，B孔为注浆孔，C孔为排水孔。

搭设新型水下聚凝充填材料模拟充填试验平台，脚手架搭设高度为5m，充填材料入料平台距地面3m，漏斗架设在平台上，四周用镀锌铁丝固定牢固，保证材料浇筑时模拟箱内具有一定水压力；注浆管通过顶板的预留注浆孔直接深入模拟箱底部，距箱底约20cm；排水管距顶板10cm，伸出顶板后通过转换弯头将模拟箱内的水排入集水桶内，安装完成的溶洞模拟箱如图2所示。

图2 溶洞模拟箱

2 新型水下聚凝充填材料模拟试验研究

2.1 新型水下聚凝充填材料配合比

试验根据水下施工作业对水下聚凝充填材料的性能要求及前期课题试验成果，以废弃盾构泥为主，新型水下聚凝充填材料配合比(kg)为：水∶水泥∶ 粉煤灰∶矿粉∶絮凝剂∶盾构泥∶减水剂∶早强剂=0.429∶0.286∶0.057∶0.021∶0.014∶1∶0.01∶0.01。

2.2 水下充填模拟试验过程

试验采用新型水下聚凝充填材料(NWC-FM)，试验前将晾晒完成的盾构泥和各类外加剂分4份称重待用；试验搅拌机采用JZM500型滚筒搅拌机，每盘出料0.3～0.5m3，可保证充填材料的连续搅拌供应。

1)试验前将注浆管插入A注浆孔，距箱底200mm；排水管固定在模拟箱中，距顶面100mm，以保证与工程现场施工相符。

2)通过注浆管向模拟箱内注入清水，直至排水管内部充水后停止，保证模拟箱内具有一定水压力。

3)准备工作结束后将预先搅拌好的NWC-FM材料通过漏斗灌入注浆管内(见图3)，观察其在注浆管内下降的性状，同时注意排水管液面变化，将排水管接入集水桶内，便于水顺利排出。

图3 充填材料浇筑

4)观察NWC-FM材料入水的性状、在水中的下落过程、到达模拟箱底部的形态、充填材料在模拟箱底部的扩散过程、流动性、覆盖范围、模拟箱内充填材料表面的变化及模拟箱内水的变化等。

5)对注浆管A进行灌注，当充填材料灌注速率下降时，换置注浆管B继续灌注，并将A注浆管提高10～15cm。

6)重复上述过程，直至将模拟箱中的水全部排出，试验过程中观察记录各阶段NWC-FM材料的工作性状。

7)浇筑完成后及时进行表面处理，试件整体包裹棉被进行保温保湿养护。

2.3 水下充填模拟试验现象

NWC-FM材料模拟浇筑试验分4次连续浇筑而成。首批NWC-FM材料接触到水箱底板时，由于冲击作用NWC-FM材料会被水稀释，且向上缓慢翻起，翻起的浆液缓缓上升、增多，而后灌注的材料少部分被稀释，绝大部分则沿底部向四周扩散，并产生少量气泡；NWC-FM材料继续增多时，材料向四周扩散速度增加，浆液继续触底后翻起，上升至模拟箱顶部后又向下运动，最终回落至模拟箱底部，此时被稀释的浆液已扩散至模拟箱内体积的一半，上部和左侧颜色浅，注浆管周围由于NWC-FM材料堆积颜色较深，堆积材料向外颜色逐渐变浅，且浆液未扩散至模拟箱右侧，故箱体右侧仍为清水。

随着浇筑的进行，注浆管处的NWC-FM材料逐渐沉积，当沉积量增加到一定程度后，新浇筑的材料在一定压力下挤压已沉积的NWC-FM材料，使其向四周均匀运动，箱底的NWC-FM材料呈现注浆管处多、均匀向四周减少的分布形态；由于注浆管A位于模拟箱左侧，当NWC-FM材料继续增加时，靠近左侧的材料首先碰触到模拟箱侧壁，在左侧壁处堆积，右侧材料继续移动，直到接触到右侧壁时才开始缓慢堆积，且左侧NWC-FM材料增加速度明显高于右侧。

首次浇筑完成时，注浆管A左侧NWC-FM材料分布基本相同，右侧随着距离的增加分布逐渐减少，整体呈左高右低的趋势。

虽然初始进入模拟箱的NWC-FM材料被稀释导致整个模拟箱充满稀释后的NWC-FM材料，但这一过程发展较慢，随着持续浇筑，NWC-FM材料整体性保持较好，形成具有较强流动性和黏聚性的水下充填材料在模拟箱内移动。首次浇筑完成后2min，模拟箱底部的NWC-FM材料表面已出现一层薄薄的白色絮状析出物，分布较均匀，随着时间增加白色析出物逐渐增加、增厚且分层清晰，5min后析出物厚度达1cm左右，形成一道乳白色隔离层，模拟箱底部明显分为3层，从上向下依次为被稀释的NWC-FM溶液、白色析出物隔离层和NWC-FM材料，隔离层有效将水与NWC-FM材料隔离，保持NWC-FM材料的黏聚性和不分散性。

首次浇筑NWC-FM材料时，搅拌机继续工作，拌合下一批所用材料。

第2次浇筑前NWC-FM材料上方已有厚厚的隔离层(见图4a)；NWC-FM材料落入时，首先要穿过隔离层，使注浆管处隔离层扰动上翻，但隔离层仍连续，未分散；随着浇筑材料的增加，上层材料逐渐与底层材料同时推动隔离层向四周运动，隔离层受到连续强烈扰动后缓慢分散；第2次浇筑完成后2min，在NWC-FM材料表面又形成一层薄薄的白色析出物，5min后析出物增多，最终形成新的隔离层；第3,4次浇筑模拟箱内情况与第2次基本相同，均为材料先穿过隔离层，隔离层缓慢分散，NWC-FM材料逐渐向四周移动并趋于稳定，最终NWC-FM材料表面形成新的隔离层，第4次浇筑至距顶面1cm处停止，模拟试验浇筑结束(见图4b)。

图4 后续浇筑试验现象

NWC-FM材料形成的隔离层可很好地阻隔下层NWC-FM材料与水接触，保持材料的不分散性，同时隔离层的胶凝物质分布连续且具有一定黏性，不易受水流影响，可较好地维系NWC-FM材料的黏聚性和流动性，充分发挥NWC-FM材料的优良性能。

3 新型水下聚凝充填材料模拟填筑钻芯取样试验研究

3.1 模拟填筑试件钻芯取样过程

为研究NWC-FM材料模拟填筑后材料的强度性能，采用钻芯取样法分别在模拟填筑试验后7，14，28d取芯样，芯样每组6个，直径100mm，长150～200mm，如图5所示。

3.2 模拟填筑钻心取样试验过程及结果分析

对NWC-FM材料模拟填筑所取芯样立即进行抗压强度试验，试验过程如图6所示，试验结果如表1所示。

图6 芯样抗压强度试验结果

表1 芯样抗压强度

由图6可知，试验中7d芯样裂缝宽度大，芯样外鼓，成块状散落；14，28d芯样最终破坏形态近似，均为截面竖向裂缝贯通导致圆柱体被分解，芯样破坏，丧失承载力，未见散落的块体。由表1可知，NWC-FM材料模拟填筑试验的芯样随养护时间增加，强度逐渐提高，7，14，28d的平均抗压强度分别为0.54，0.72，0.79MPa，可较好地满足水下溶洞填筑工程现场的要求。