橡胶水泥基注浆材料在水工隧洞盾构同步注浆隔震层中的应用

朱智军

(吉安市水利水电规划设计院，江西 吉安 343000)

1 概述

中国属于多地震国家，在地震灾害难以有效预测的情况下，采取科学有效的防震、抗震措施就显得十分重要，也成为规避和减轻地震危害的主要手段。对水利工程而言，由于大部分水利工程结构采用的是混凝土塑性材料，更容易受到地震荷载的作用而发生结构性破坏，从而造成难以估量的损失。在水利工程领域，地下洞室工程由于其隐蔽性，一旦发生结构性破坏，其修复不仅面临较多的技术难题，同时投入巨大。因此，针对输水隧洞采取有针对性的抗震措施就显得尤为必要。对近年来发生的汶川地震等破坏性地震对水工隧洞的影响进行深入调研，发现大部分输水隧洞地震破坏主要表现为衬砌结构和围岩同时坍塌引发的塌方或衬砌塌落[1]。相关研究也表明，在地震波的作用下地层的大幅度相对位移和变形是造成输水隧洞围岩和衬砌结构破坏的主因[2]。针对这一情况，提出了围岩加固和设置减震层等诸多具有良好工程效果的水工隧洞抗震措施。

在输水隧洞盾构施工过程中，盾构钢壳和管片之间会形成一定的环形缝隙，并需要对上述缝隙进行同步注浆，其注浆结石体则成为管片和周围岩土体之间的过渡性衔接材料。因此，在水工隧洞盾构施工过程中，可以通过改善同步注浆层性能，使其承担类似减震层的效果，有效减轻地震作用下隧洞结构的动力响应。显然，同步注浆层要发挥减震层的作用，就需要其具有足够的韧性。

利用废旧轮胎等回收橡胶材料制成的橡胶颗粒替代部分骨料制备的橡胶混凝土，具有良好的韧性和抗震性能[3]。已有研究表明，利用橡胶混凝土作为隔震层可以获得良好的减震效果[4]。目前，尚没有关于橡胶水泥基注浆材料的全面研究。基于此，此次研究结合同步注浆技术，首先通过试验研究探索橡胶水泥基注浆材料的工作和力学性能，然后利用数值模拟的方式，探索其在同步注浆隔震层中的应用价值。

2 橡胶水泥基注浆材料的性能试验

2.1 试验材料

此次试验研究使用的水泥材料为普通硅酸盐水泥，其强度等级为P.O42.5；试验用粉煤灰为电厂一级粉煤灰；试验用膨润土为钠基膨润土；试验用天然骨料为闭孔珍珠岩，其粒径为1～2mm；试验用橡胶颗粒为废旧轮胎为原料制成的再生橡胶颗粒，其粒径范围为2～4mm；试验用纤维为长度9mm的聚丙烯纤维；试验用水为普通自来水。

2.2 试验方案

根据T/CECS 563—2018《盾构隧道同步注浆材料应用技术规程》的相关要求以及此次研究所使用材料的情况，确定同步注浆浆液的水胶比范围为0.7；胶砂比为0.55；粉灰比范围为2.2；膨水比小于0.3。为了研究橡胶颗粒掺量对浆液性能的影响，试验中确定0%、20%、40%、60%、80%等5种不同替代水平等体积替代闭孔珍珠岩颗粒。

2.3 试验方法

首先按照试验方案确定的配合比参数称量好各浆液组分材料；将水泥、粉煤灰和膨润土和水倒入搅拌锅搅拌60s；最后倒入闭孔珍珠岩和橡胶颗粒高速搅拌60s。将制作完成的注浆浆液材料迅速倒入试模并成型，在24h后拆模编号并养护至试验规定龄期。根据研究需要，试验中对不同配比方案浆液的稠度、流动度、泌水率等工作性能以及结石体的抗压强度和弹性模量等力学性能进行测试，根据测试结果优选出最佳配比方案。

2.4 试验结果与分析

2.4.1工作性能

试验中对不同橡胶颗粒掺量方案下浆液的稠度、流动度、泌水率等工作性能指标进行测试，结果如图1所示。由图1可以看出，橡胶颗粒掺量对浆液额的稠度和流动度存在比较明显的影响，随着橡胶颗粒的掺量的增加，浆液的稠度和流动度基本呈现出线性增大的变化特点，说明浆液的流动性能够得到良好的改善。原因是此次试验研究中的利用橡胶颗粒替代闭合珍珠岩，因此橡胶颗粒掺量的增加可以减少闭孔珍珠岩对浸润水的吸附作用，因此能够显著改善浆液的流动性。另一方面，浆液的泌水率也随着橡胶颗粒掺量的增加而不断增大，其原因与流动性类似。按照T/CECS 563—2018中的规定，浆液的稠度应该在90～130mm之间，流动度应该大于160mm，泌水率不超过3.5%。由此可见，各个试验方案在工作性能方面均满足要求。

图1 工作性能试验结果

2.4.2力学性能

由于同步注浆层需要承担隔震层的功能，因此需要浆液结石体具有一定的强度和韧性[6]。因此，试验中对不同方案的注浆结石体28d抗压强度和弹性模量2个关键性力学指标进行试验，结果如图2所示。由图2可以看出，随着橡胶颗粒掺量的增加，结石体的抗压强度呈现出不断下降的变化特点，弹性模量呈现出先小幅升高后迅速下降的变化特点。显然，对于隔震层的功能发挥而言，弹性模量越小越有利。但是T/CECS 563—2018中规定注浆结石体的抗压强度要大于2.5MPa，虽然橡胶颗粒掺量为60%时满足要求，但是冗余度略显不足。因此，推荐在工程应用中选择60%的橡胶颗粒掺加方案，此时结石体的抗压强度为5.13MPa，弹性模量为19.54GPa。

图2 力学性能试验结果

3 隔震效果计算与评价

3.1 计算方法

鉴于采用模型试验的方式进行抗震性实验难度较大，此次研究以某水利工程输水隧洞为例进行模拟计算。该输水隧洞地质条件比较复杂，沿线发育有多条大断层，同时区域内的地震互动相对比较强烈。计算中选择的洞段埋深为350m，含有一条断层破碎带，开挖断面为洞径为4.5m圆形，围岩以IV类为主。

在模型构建过程中，隧洞的顶部仅向上取35m，断层设置为正断层。输水隧洞的洞轴线指向下游的方向为y轴正方向，与y轴垂直指向右侧的方向为x轴正方向，以竖直向上的方向为z轴正方向。3个方向的计算范围分别为60、80、60m。对模型的围岩、衬砌结构和注浆层采用6面体9节点实体单元模拟，整个模型划分为13220和单元，14017个节点。

模型计算过程中底部和顶部采用粘弹性人工边界条件，4周采用自由场人工边界条件[7]。模型材料的物理力学参数见表1。其中，同步注浆圈的物理力学参数随不同刚度方案调整。

表1 模型材料物理力学参数

在模型计算过程中，地震波选择的是日本阪神地震的Kobe NS波[8]，结合背景工程项目区的8级抗震设防烈度，经过调整、滤波、基线校正以及幅值的折减处理，最终获取如图3所示的地震波加速度时程曲线。在地震波的加载过程中，由有限元模型x向(横向)和z向(竖向)垂直射入。在模拟计算过程中，将同步注浆减震层的厚度设置为10cm不变，通过对普通水泥基注浆材料(方案1)和橡胶水泥基注浆材料(方案2)2种方案的抗震效果进行模拟计算，并对2种方案的工程效果进行对比分析。

图3 地震波加速度时程曲线

3.2 计算结果与分析

3.2.1加速度峰值

利用构建的有限元模型，对不同同步注浆减震层刚度方案下的隧洞衬砌结构加速度进行计算，从计算结果中提取出x向和z向地震波作用下的加速度峰值，结果见表2。从计算结果可以看出，不同方案衬砌各关键部位的加速度峰值计算结果比较接近，说明衬砌各部位受到地震波的影响基本相同。另一方面，方案2衬砌各部位的加速度峰值明显小于方案1。由此可见，采用橡胶水泥基注浆材料可以有效降低地震波作用下衬砌结构加速度峰值，对提高输水隧洞抗震性有利。

表2 加速度峰值计算结果

3.2.2隧洞位移

对不同方案下的隧洞衬砌结构位移进行计算，从计算结果中提取出x向和z向地震波作用下的位移量，结果见表3。从计算结果可以看出，拱顶和拱底部位的位移变形量最大，左拱脚和右拱脚部位的位移变形量最小。由此可见，在地震作用对输水隧洞的拱顶和拱底部位的位移变形影响相对较大。另一方面，方案2各关键部位的位移量明显小于方案1，说明橡胶水泥基注浆材料方案对控制地震荷载下围岩位移效果更佳。

表3 衬砌位移计算结果

3.2.3衬砌应力

对不同方案下的隧洞衬砌结构加速度进行计算，从计算结果中提取出x向和z向地震波作用下的衬砌第一主应力峰值，结果见表4。从计算结果可以看出，拱脚部位的第一主应力值相对较大，拱腰部位相对较小。方案2各关键部位的第一主应力峰值均明显小于方案1，说明橡胶水泥基注浆材料方案对控制地震荷载下围岩在地震荷载下的应力效果更佳。

表4 衬砌应力计算结果

4 结论

在地震高发区的水利工程建设过程中，利用工程措施提高输水隧洞的抗震性能具有重要意义。对于盾构施工输水隧洞而言，使同步注浆层承担隔震层的功能可以有效降低工程投资，缩短施工工期。此次研究首先利用室内试验的方式，以同步注浆隔震层注浆施工的要求出发，对橡胶水泥基注浆材料中的橡胶颗粒掺量水平进行优选，获得最佳掺量方案。在此基础上，利用数值模拟的方式对其在同步注浆隔震层中的应用效果进行评价。结果显示，采用橡胶水泥基注浆材料可以有效提升输水隧洞的抗震性能，具有一定的推广意义。当然，注浆材料的性能受到多方面因素的影响。在今后的研究中，应该不断进行材料成分和配合比的优化，配制出抗震性能更佳的注浆材料。