盾构同步注浆浆液性能影响分析及其配比优化研究

杨 星 张荣辉 房宽达 刘盛龙 杨志勇

（1.中国矿业大学（北京）力学与建筑工程学院，北京 100083；2.广州地铁设计研究院股份有限公司，广东广州 510010）

0 引言

在盾构隧道的施工过程中，为了保证地层的稳定、降低地表沉降，需要向地层和管片衬砌之间的开挖间隙内部填充一定量的同步注浆浆液。浆液一方面起到填充空隙、稳定地层的作用，另一方面可以提升整体隧道结构的稳定性[1]，因此，选择良好性能的浆液是控制地表沉降、保证盾构顺利施工的关键。

目前，在关于盾构同步注浆浆液性能方面的研究，郭银新[2]以盾构施工中的单液浆为研究对象，通过现场试验和实测数据分析得出初凝时间和早期强度是影响地表沉降的重要因素。郭锦熹等[3]通过将减水剂掺入同步注浆浆液，改善了由于膨润土导致的浆液过稠、流动性差的问题，并在室内试验获得了减水剂的最佳配比。王 欣[4]以郑州地铁3号线的三个盾构区间为工程背景，结合现场施工参数介绍了同步注浆浆液在沉降控制中的应用。在考虑同步注浆对地表变形的影响方面，罗 康等[5]指出管片壁后注浆是影响地表沉降的主观因素，通过改善浆液质量可以起到降低地表变形的作用。鲍飞翔等[6]考虑了浆液的扩散机理，将注浆压力简化为均匀压力对引起的地表变形进行了研究。孙龙飞等[7]运用有限元法对盾构法联络通道进行了模拟，总结了地表沉降的规律。

尽管上述已有研究均通过工程实例分析出了浆液对地表变形的影响，但对于浆液性能影响的研究相对较少，同时也缺少有效的浆液性能优化方案。鉴于此，本文以哈尔滨地铁轨道交通2号线哈尔滨北站−大耿家站区间隧道工程为背景，通过建立FLAC3D有限差分模型，考虑浆液的强度、初凝时间、结石率三个因素对地表沉降的影响进行了评估，最后通过室内试验对浆液性能进行了优化，将优化后的配比运用于实际工程中，其沉降控制效果良好。

1 工程背景

哈尔滨地铁轨道交通2号线哈尔滨北站−大耿家站隧道区间埋深9～12.5 m，区间采用2台NFM直径为6.28 m的土压平衡盾构施工，盾构主要穿越中砂地层，地下水位最高位于隧道顶部11 m位置，隧道埋深最浅为5.3 m（不足一倍盾构直径），地层情况如图1所示。各地层的岩土参数如表1所示。由于本工程地层为典型的富水砂层，具有渗透性大、水压高的特点，因此，选用的同步注浆浆液除了强度和凝结特性需满足要求外，还应具有一定的稠度和抗稀释能力。实际工程中选用的浆液为单液水泥砂浆，其调配材料为水泥、粉煤灰、膨润土、砂和水。

图1 地质剖面图

2 基于FLAC3D的浆液性能分析

2.1 模型建立

以哈尔滨北站−大耿家站隧道区间工程为背景，利用有限差分软件FLAC3D建立尺寸为80 m×60 m×52 m（长×宽×高）的长方体盾构开挖模型，如图2所示，开挖隧道位置建立在平面中心，地表为自由边界，底部及周边采用固定位移边界。由于隧道埋深较浅，主要受地层应力的影响，因此，该本构模型选用Mohr-Coulomb弹塑性模型[8]，各地层的参数赋值按表1，管片衬砌和注浆材料同样采用弹塑性模型，服从M-C准则，结构单元选用线–弹性本构关系，其中，管片的弹性模量E取40 GPa、泊松比ν取0.2；注浆材料的弹性模量E取30 GPa、泊松比ν取0.3。模型的体积模量K（MPa）和剪切模量G（MPa）按式（1）和式（2）计算。

图2 隧道开挖模型

2.2 开挖及注浆性能模拟

盾构开挖过程中，隧道每前进一环，盾尾间隙附近的土体就要进行一部分应力释放[9]，为了尽量减少应力的释放，同时对注浆层和管片层赋予相应的参数以模拟支护作用，本模型的管片厚度取0.3 m，环宽1.2 m，其弹性模量取3.45 GPa，泊松比取0.17，管片重度为26 kN/m3；注浆层重度为17 kN/m3，泊松比取值为0.25。

目前，已有研究[1,3,10]表明，对同步注浆浆液性能的评估主要依据浆液强度、初凝时间和结石率三个指标，本文对于上述三个指标在数值模拟过程中有如下表征：

（1）浆液强度

采用浆液凝结3 d的单轴抗压强度作为盾构通过前后浆液强度的平均值，分别对单轴抗压强度为0.2 MPa、0.6 MPa、1.0 MPa、1.4 MPa的浆液进行数值模拟。

（2）初凝时间

为实现对浆液的凝结时间的模拟，取盾构掘进速度为2 h/环，即模型中每开挖1环代表实际时间为2 h，这样，不同初凝时间的浆液就可以用开挖环数的多少来表示。通过更改注浆层浆液的体积模量、剪切模量两个参数来模拟浆液在不同凝结阶段的强度，为了使浆液填充时即可发挥一定的填充效果，特使浆液注入时的强度为终凝时的1/3；初凝的强度增长为终凝的2/3。本模拟取三种不同初凝时间的浆液进行计算，对应的初凝时间分别为4 h（终凝16 h）、8 h（终凝32 h）、12 h（终凝48 h），同时浆液强度的取值依据2.2节（1）中的描述。

（3）结石率

浆液在凝结硬化过程中，会有一定的固结收缩，固结收缩越小，浆液的填充性越好[10]。而固结收缩的程度通常用结石率来表示，本模型将浆液未凝结的部分（最外环浆液层）以强度很低的材料进行填充，最大限度地模拟了结石率对地层的影响，结石率选择80%、90%和100%的三种浆液进行计算。

2.3 模拟结果分析

为了模拟不同浆液性能对地层沉降的影响，以模型Y=20 m的隧道开挖断面为监测位置，将隧道完全开挖后（此时监测断面位置浆液已终凝）监测断面的变形作为沉降评判标准。在进行不同浆液强度模拟时，为了避免其余参数产生过大的影响，初凝时间和结石率均取中间值，即初凝时间取为8 h，结石率取90%；而在进行初凝时间模拟时，浆液强度取值按先前模拟的最小沉降结果（即1.4 MPa），结石率同样取90%；最后对不同结石率模拟时其他参数的取值依据上述两组结果的最优值（即浆液强度取1.4 MPa、初凝时间取4 h）。模拟计算结果如图3所示，可以看出，浆液强度大、初凝时间短、结石率高所产生的地表沉降更低。初凝时间对沉降的影响最大，初凝时间为12 h的浆液所引起的沉降最高为23 mm。而浆液强度的改变会引起更大的沉降差，浆液强度为0.2 MPa和1.4 MPa导致的沉降差值最高为14.2 mm，因此，通过考虑增加浆液强度的方式来降低地表沉降会较其他方法更明显、有效。

图3 地表沉降曲线与地层沉降云图

3 浆液配比优化试验

3.1 浆液材料配比

根据FLAC3D的数值模拟结果和富水砂层的地质特性，本工程的同步注浆浆液除了应具有稳定的流动性、抗水分散性以外，还需尽可能地满足高强度、短初凝时间和高结石率等性能。相关研究表明[11]，浆液的强度特性主要受水灰质量比的影响，水泥含量的增加会提高浆液的整体强度；浆液的初凝时间会随着水胶质量比（水的含量与粉煤灰和水泥总含量的比值）的减小而变短；浆液结石率一般与泌水率有很大关系，浆液泌水率增加，结石率一般呈线性减小，泌水率会随着水泥和粉煤灰的增加而减小。综上，本文在工程已有配比（组1）的基础上，还通过增加水泥的用量进行了两组优化试验（组2、组3），三组试验的材料配比情况如表2所示。

表2 试验浆液材料配比情况

3.2 试验过程及结果

为了获得浆液的强度、初凝时间、结石率参数，分别通过单轴压缩（凝结时间：3 d）试验、维卡仪试验和泌水率（2 h）试验测量浆液的各项性能指标，同时，为了评价浆液在富水地层的抗水分散性，还进行了稠度（1 h）试验。试验过程与结果如表3所示，通过对比这三组的试验结果可以看出，由于组2和组3的水泥用量增多，其凝结时间减小，强度大幅提高，但组3在水中凝结的强度却明显较自然凝结低，最终，综合考虑泌水率和稠度结果后，组2的试验结果稳定性良好，强度受地下水影响较小，因此，本文选取组2的配比作为本次试验的最优配比。

表3 浆液配比试验过程及结果

4 浆液优化效果分析

通过室内试验确定了浆液的最优配比，为了对优化后浆液的沉降控制效果进行分析，参照上述数值模拟方法和试验测试指标对组1和组2的配比浆液进行模拟分析，并与工程实测数据对比如图4所示。可以看出，按组1配比的模拟结果和实测结果基本一致，沉降槽宽度约72 m，地层损失率（沉降槽的面积与盾构开挖面积之比）达0.83%，沉降量最大位置位于隧道拱顶处，这说明本文的数值模拟方法具有一定的可靠性。同样依照此数值模拟方法而采用组2的最优配比后可以发现，沉降有了明显的降低，拱顶处的最大沉降减小约4 mm，但沉降槽宽度与组1差别不大，地层损失率减小至0.62%。因此，可以确定，采用优化后的浆液配比起到了一定的沉降控制作用。

图4 实测地表沉降与数值模拟对比

5 结论

本文通过FLAC3D数值模拟，考虑了浆液的强度、初凝时间、结石率等特性对地表沉降的影响情况进行了分析，最后结合浆液配比试验对浆液的性能进行了优化，得出如下结论：

（1）数值模拟结果表明，浆液初凝时间对地表沉降的影响最大，而强度的变化引起的地表沉降最明显，选择强度大、初凝时间短、结石率高的浆液有利于控制地表沉降。

（2）浆液配比试验表明，水泥用量的增加缩短了初凝时间，增强了凝结强度，但在水中的强度增加效果没有自然凝结显著，综合考虑稠度和泌水率后，确定了组2的最优浆液配比。

（3）将试验的浆液指标应用数值模拟中，得出的地表沉降结果与实测值较为吻合，同时采用最优配比浆液（组2）后沉降有了明显的控制，验证了本文的数值模拟结果及对浆液性能的分析具有一定的合理性和准确性。在参考本文浆液配比材料类型的基础上，建议选用水灰质量比为2.4、水胶比在0.91左右的浆液可以满足良好的沉降控制要求。