基于透明土技术的盾构壁后注浆效果试验研究

倪小东,寇恒绮,刘雨琨,徐 硕,王 媛,史志鹏

(1.河海大学 土木与交通学院,南京 210098; 2.河海大学 里尔学院,南京 210098;3.江苏省建设工程质量监督总站,南京 210036)

0 引 言

盾构壁后注浆是一种加固隧道衬砌环周边土层的技术,其过程较为复杂,涉及对象主要包括管片、浆液、多孔隙的土体等,土层的复杂性、注浆压力、注浆孔的位置、浆液的流变特性和时变性、地下水位的变化等[1-2]均对浆液扩散有着重要影响。目前,对浆液材料本身物理力学性质研究较多,但对浆液在盾尾间隙中的扩散机制及效果评估的研究依然停留在理论阶段[3-4],尚无公认最合适的研究方法。

透明土技术作为岩土工程学科最前沿的试验方法之一,其优势在于试验效果直观、可视化程度高,不少学者应用该方法对盾构施工过程进行模拟和探索,并取得了一定的初步成果。Ahmed等[5]应用透明土技术对盾构隧道引起的地表沉降和掘进面附近的土体变形分布进行了研究,利用PLAXIS 2D进行数值模拟对比并验证了Peck[6]经验公式;Xiang等[7]通过透明土技术和PFC3D探究了不同埋深、不同隧洞周围土的力学参数对土体变形和破坏机理的影响;李文涛[8]对自行配置的透明土进行了一系列常规土工试验,验证了透明土可满足实际工程中土层变形的模拟要求,随后开展了盾构隧道未注浆段与注浆段的对比试验、注浆压力对比实验,分析了透明土地层的沉降情况和注浆浆液的填充和扩散情况。

透明土技术的应用使得科研工作者对盾构隧道推进中土体位移场的变化过程有了深入认识,但同时也存在一些不足:当前关于盾构推进的诸多试验系统中,大都未考虑壁后注浆这一环节[9-11],在此基础上进行洞周土体位移场分析与实际存在差异;虽然透明土是可视的,但由于注浆浆液的不透明性[12-14],难以对浆液填充盾尾间隙及在洞周土体孔隙中的扩散形态进行可视化观测,对浆液渗透后与土体相互作用无法进行直观分析,因此存在诸多亟需改进的地方。

本文在阅读相关文献[15-17]的基础上,通过反复试验,成功配制出与透明土折射率一致且具有可变黏滞性的透明浆液,依托自行设计的盾构壁后注浆可视化装置,开展针对隧道埋深、注浆压力、土层性质3种影响因素的正交试验,得出壁后浆液在盾尾间隙扩散、充填洞周土体的全过程;并在此基础上利用粒子图像测速(Particle Image Velocimetry,PIV)技术对试验中所采集图像进行后期处理,揭示了壁后注浆对弥补地层位移的重要作用。

1 全域透明物理模型基本原理探索

1.1 物理模型试验相似理论基本概念

物理模型的建立应按一定的相似条件,确定原型与模型中所包含全部物理量间的比值(又称相似比尺)。本文的研究对象是浆液填充盾尾间隙并在洞周土体孔隙间扩散的过程,涉及流体运动现象,因此,为了使原型与模型两种流动现象相似,应使两种流动中相应点上表征流动状况的物理量满足相似准则,即满足流体力学的三大相似准则,即几何相似、运动相似和动力相似[18-19]。此外,针对简单的恒定流模型试验,流体运动还需考虑边界条件相似。

1.2 孔隙介质物理模型的相似关系分析

对于多孔介质中的不可压缩流体,若不考虑温度场的变化,求解由散粒体组成多孔介质中的流场时必须遵守质量守恒(连续性方程)和平均动量守恒(Navier-Stokes方程),结合相似比尺,分别为:

(1)

(2)

根据前述的流体力学三大相似准则可知,原型与模型对应点处所作用的同名力的比值以单位体积计算应该相等,故有

αvαραl/αμ=1 ,αv/αk=1 。

(3)

式中各公式依次表征流体动力学中的谐时准则、重力相似准则、压力相似准则、黏滞力相似准则及相间动力交换系数对多孔介质中流体动力相似的影响[23]。流体在多孔隙材料中的渗透系数k可表示为

(4)

式中:μ为浆液黏度;d为多孔隙材料的粒径。

将前述的各物理量相似比尺代入式(4),可得渗透系数的相似比尺的αk为

(5)

式中:αd为粒径相似比;αμ为黏滞系数相似比。

模型试验中,流动的完全相似在理论上是无法实现的(重力相似与黏滞力相似不能同时成立),根据浆液在地层中的主要运动形式为层流,本文模型试验以黏滞力相似[24-25]为主要作用力相似准则。

考虑到本文模型试验在1g重力场下进行,且试验装置及盾构模型均按照1∶100缩小,因此αg=1、αl=1/100。在保证透明浆液折射率满足条件的前提下,相关参数可调变幅,同时式(5)成立,综合考虑取αu=1/2、αρ=1、αd=5。

文献[26]介绍了宾汉姆浆液在砂土中的扩散公式为

(6)

式中:l0为注浆管半径;l1为最终扩散半径;λ为浆液扩散启动时的压力梯度。将前述各物理量相似比尺代入式(3)得

(7)

结合式(3)及式(7)可得

αp=αnαμαl。

(8)

将前述计算的各项相似比尺代入式(8)后得αp=1/200。

综上所述,本文模型试验中各物理相似参数在理想状态下需要满足如下要求:

αl=1/100 ,αg=1 ,αμ=1/2 ,

αd=5 ,αρ=1 ,αp=1/200 。

(9)

1.3 透明土模型试验材料选择

1.3.1 透明土固体颗粒的选择

通过对比分析国内外既有文献,以熔融石英砂作为透明土骨架颗粒的研究较为成熟,相关学者已开展大量此类透明土的物理力学参数试验,对本文具有重要指导意义。故本文模型试验中采用熔融石英砂作为透明土骨架颗粒,具体物理性质如表1所示(试验过程中始终保持室温在25 ℃左右)。

表1 土样物理性质Table 1 Physical properties of soil sample

1.3.2 透明土孔隙流体的选择

本文采用质量比为1∶4的正十二烷和15#白油的混合液作为孔隙流体,其中正十二烷的折射率为1.424,15#白油的折射率为1.469,熔融石英砂的折射率介于二者折射率之间,符合多液体制备法的要求。经阿贝折射仪实测,该混合液的折射率与透明土固体颗粒的折射率一致。

1.3.3 注浆浆液的选择

在浆液的选择上,除

了要满足折射率与骨架颗粒一致,还应重点关注黏度,从而保证试验浆液与实际浆液具有相似的物理力学性质和稳定的化学性质。经查阅相关文献并通过试验得出:由环氧树脂、稀释剂、硅粉(粒径0.1～0.2 mm)按照175∶52∶150的质量比配制成的混合透明浆液与透明土骨架颗粒折射率一致,浆液流变曲线(图1)符合宾汉姆流体特征,旋转黏度大致为1.36 Pa·s,剪切屈服应力为16.7 Pa。其中稀释剂用于调节混合液折射率,硅粉用于调节混合液黏度并使其物理性质更接近实际浆液。在后续可视化试验中为更好地区分浆液与透明土,在所配置的透明浆液中加入少许空心玻璃珠(示踪粒子)。

图1 透明浆液流变曲线Fig.1 Rheological curve of transparent slurry

2 盾构壁后注浆可视化试验设计

2.1 可视化试验装置设计

本文所研发的盾构壁后注浆可视化试验装置是建立在前一节模型相似理论的基础上,关注盾构壁后注浆关键环节,对相关步骤进行简化,符合实际工程背景。该装置具体包括三大子系统:盾构推进模拟系统、注浆系统、激发及数据采集分析系统(主要由激光发射器与CCD相机组成),如图2所示。

图2 壁后注浆可视化试验装置示意图Fig.2 Schematic diagram of visual test device for backfill grouting

盾构推进模拟系统如图3所示,模型盾构的外径D为8 cm,盾尾间隙2 mm。根据文献[27]可知,盾构机推进过程中对3倍盾构外径范围内土体的变形影响较大,而对范围外的土体变形影响较小,一般情况下盾构施工对其下方土体影响不大。考虑本文主要研究盾构壁后注浆对该断面地表变形的影响,本装置模型箱横向尺寸设计为6倍洞径且盾构下方预留1倍洞径即可减少尺寸效应影响。结合1.2节所推导的相似比尺,最终确定透明模型箱的尺寸为50 cm×50 cm×20 cm(长×高×宽)。此外,利用移动滑台与模型盾构相连可模拟盾构以设定速度推进、盾尾脱离管片形成间隙的过程。

图3 盾构推进系统实物Fig.3 Photo of shield propulsion system

为避免浆液倒流至盾构机舱,受盾尾刷结构启发,创新性地在盾尾处设置了盾尾密封环,如图4所示,其外径与模型盾构外径相同、内径与模型管片外径相同,盾构密封环上设有4个小孔以伸出注浆管(四孔对称分布),试验中在注浆管与盾构密封环接触处涂抹凡士林以起到止水的目的。

图4 盾尾密封环构件Fig.4 Component of sealing ring of shield tail

2.2 可视化试验方案设计

本文采用正交试验法,重点开展针对隧洞埋深、注浆压力、注浆孔数量与位置、土层颗粒级配对浆液扩散形态发展过程及最终注浆效果的敏感性分析。由于透明浆液中各成分配比对浆液的透明度和流变参数均有较大影响,且本文研究对象是盾尾脱离管片后,浆液在盾尾间隙填充并在洞周土体孔隙中扩散的全过程,故浆液仅考虑宾汉姆流体的情况。

为能够清晰地展现不同的注浆压力对浆液扩散及注浆效果的影响,针对实际工况中注浆压力为0.2～0.6 MPa,本文结合模型试验相似比尺αp=1/200设定了3种不同注浆压力,分别为1、2、3 kPa。具体试验方案如表2所示。

砂样一、砂样二(石英砂)的粒径累计曲线如图5所示,砂样二的不均匀系数和曲率系数分别为3.25、1.23,属于级配较差的土;砂样一的不均匀系数和曲率系数分别为6、1.38,属于级配良好的土。

图5 砂样一、砂样二的粒径累计曲线Fig.5 Cumulative curves of particle size of sand sample 1 and sand sample 2

3 壁后注浆可视化试验及结果分析

3.1 预注浆试验及结果分析

为验证透明浆液代替实际浆液的可行性,以烧杯为容器,在烧杯中放置适量透明土,开展了3、2 kPa两种注浆压力下透明浆液的扩散试验,透明浆液扩散过程如图6所示。浆液中含有可以反射激光的示踪粒子,使得浆液呈高亮雾状,以便与透明土区分开。

3 kPa注浆压力下,浆液在透明土中扩散过程可简单分为3个阶段:第一阶段,喷出的透明浆液在惯性作用下填充注浆管口附近透明土中的孔隙体积,扩散形态为近似球形(t=5 s);第二阶段,透明浆液在注浆压力和重力的双重作用下持续竖向延伸,扩散形态为“竖向橄榄球形”(t=15 s);第三阶段,浆液扩散至烧杯底部受阻后,透明浆液以横向扩散为主,直至扩散过程结束(t=30、120 s)。

2 kPa注浆压力下,浆液在透明土中扩散过程与3 kPa注浆压力下的扩散过程相似,不同之处在于:第二阶段,由于注浆压力相对较小,浆液竖向扩散的距离有限;第三阶段,浆液沿横向扩散的速度减小、范围减小,最终的扩散形态为“倒钟形”(t=120 s)。

显然,2 kPa和3 kPa注浆压力下,浆液在透明土中扩散的形态有明显的差异,2 kPa注浆压力作用下透明浆液的扩散过程及最终形态(图7(a))与文献[28]描述现象(图7(b))较为相似,表明基于研发的透明浆液开展可视化注浆试验具有较好的适用性。

图7 2 kPa压力下注浆试验与文献[28]中浆液扩散对比Fig.7 Comparison of slurry diffusion between grouting test under 2 kPa pressure and that in reference[28]

3.2 壁后注浆试验结果分析

在各工况盾构壁后注浆模拟试验结束以后,本文选取部分典型工况的浆液最终扩散形态进行介绍,如图8所示。

3.2.1 埋径比Z/D=1时浆液扩散情况分析

图8(a)展示了工况1注浆试验中浆液扩散的最终形态。浆液扩散过程大致分为充填—扩散—再充填3个阶段:第1阶段,浆液以4个注浆管口为圆心,大致半圆状沿管片直径方向充填盾尾间隙,充填速度较慢;第2阶段,由于注浆压力不足,浆液沿直径方向渗透至一定范围停止扩散;第3阶段,由于浆液持续注入,在注浆压力与自重的双重作用下,浆液沿管片环向扩散进而充填管片底部(270°)的孔隙。因此在管片极坐标方向0°、90°、180°点附近处填充不密实,尤其以拱顶90°点处充填密实性最差。工况2浆液扩散过程与试验1相似,不同之处在于注浆压力相对较大,浆液在土中渗透扩散的范围明显增大。

工况3(图8(c))的浆液扩散过程大致分为2个阶段:第一阶段,浆液沿管片直径方向扩散和沿环向填充同步进行,并且扩散速度较快;第二阶段,管片上方0°～180°范围浆液扩散形态几乎无变化,而管片下180°～360°范围内浆液由于重力作用渗透扩散速度依旧很快,甚至在左下方注浆管口位置出现了类似劈裂注浆的现象,最终浆液扩散形态大致为“梯形”。

工况4(图8(d))中,由于是右侧双孔注浆,所以浆液最终的扩散范围主要集中在管片右侧,表明注浆管的位置最好能左右、均匀对称布置,否则会造成浆液对间隙充填不密实。

3.2.2 埋径比Z/D=2时浆液扩散情况分析

表3汇总了以上各工况浆液注入及扩散情况。工况5与工况1相比,除了埋深不同其余注浆条件均相同,浆液扩散形态相似,不同之处是由于埋深较大,管片周围地层压力较大,浆液扩散所需克服的阻力较大,因此浆液压力消散更快,达到渗透稳定的时间也更短。工况6、工况7浆液扩散机理与工况3相似,浆液最终扩散形态为“胖梯形”。工况8与工况6浆液扩散形态相似,不同之处在于两者土质条件不同,工况8的土质级配较为均匀,属于级配不良土层,因此浆液更容易渗透,扩散范围更大(图8(d))。

3.3 盾构壁后注浆效果评估

应用PIVview2C对各工况的浆液扩散图进行分析,图9为各工况的透明土位移云图。试验过程中,管片正下方的透明土由于被管片自身遮挡无法被激光激发,因此在位移云图中对于管片下方土体的位移情况不能如实反映,但并不影响本文探究管片上方地表位移变化规律。

图9 部分工况下透明土位移云图Fig.9 Displacement contours of transparent soil under partial working conditions

为更加直观地分析地表对壁后注浆的响应,以隧道中轴线处的地表为基准,左右按照每隔1 cm提取其竖向位移,同时将采集的数据按照前文所述的相似比尺还原至原型中展示。

3.3.1 不同隧洞埋深对地表沉降的影响

图10展示了砂样一原型中,注浆压力P分别为0.2、0.4、0.6 MPa时不同埋深下的地表沉降曲线。

图10 砂样一不同埋深下的地表沉降曲线Fig.10 Ground surface settlements at different buried depths for sand sample 1

从图10可以得出,隧洞埋深的深浅与地表沉降息息相关:一方面,距隧道中轴线有限距离内的地表沉降大致可用正态分布曲线拟合,基本符合Peck经验公式,但同时也发现,Z/D=1时图中各点与所拟合曲线的离散程度相比于Z/D=2时要大一些,这表明Peck公式在土体处于低应力状态下的适应性较差,因此在施工现场利用Peck公式预测盾构推进后所引起的地表沉降时,尤其是在隧洞埋深相对较浅时,应结合现场实际情况对公式进行修正,以更好地指导施工;另一方面,从图10能够直观看出,不同埋深下的曲线往往会存在交点,在交点范围以内,埋深相对较浅的隧洞所引起的地表沉降要大于埋深相对较深的,而在交点范围以外,埋深相对较深的隧洞所引起的地表沉降要大于埋深相对较浅的,所以在盾构区间推进中,可基于此优化施工监测方案,以便监测更有针对性。

3.3.2 不同注浆压力对地表沉降的影响

图11(a)展示了不同注浆压力对地表最大沉降的影响:一方面,当隧洞的埋深、土质、注浆方式都相同的条件下,由于注浆压力的增加,浆液在洞周土体中的扩散范围更广,注浆量也随之增大,因此,地表最大沉降减小;另一方面,结合图11(b)可知,当注浆压力逐渐增大时,注浆率的增幅减小,浆液对盾尾脱离管片所引起的地层损失的弥补效应在逐渐减弱,即单位注浆压力增加值所带来的地表沉降减小值逐渐降低,因此在实际施工中,当注浆压力增大到一定值后,通过继续增大注浆压力的方法来减小地表沉降性价比是不高的。

图11 各埋深下不同注浆压力的地表最大沉降和注浆率Fig.11 Maximum surface settlements and grouting ratios under different grouting pressures and buried depths

3.3.3 不同土质条件对地表沉降的影响

结合图12可知,在注浆压力和隧洞埋深相同的条件下,盾构推进后所引起的地表沉降中,砂样一要明显小于砂样二。这是因为砂样一的级配较为连续,而砂样二的级配较为均匀,属于级配不良土层,虽然在砂样二中浆液的注入率要更高,但隧道开挖引起的应力重分布导致的位移损失更大。

图12 Z/D=2、P=0.4 MPa时不同地层下地表沉降Fig.12 Vertical displacement curves of ground surface in different formations when Z/D=2 and P=0.4 MPa

3.3.4 非对称注浆对地表沉降的影响

图13展示了工况4(右侧双孔注浆)原型的地表沉降曲线。由图13可知,拟合曲线的对称轴发生了明显左移,此时地表最大沉降量为3.63 cm,出现在隧道中轴线左侧1 m处,且隧道中轴线左右对称点的位移差值较大,其中隧道中轴线右侧2 m处的竖向位移为2.25 cm,而隧道中轴线左侧2 m处的竖向位移为3.11 cm,说明注浆对地表沉降改善影响显著。

图13 工况4地表沉降Fig.13 Ground surface seltlement in working condition 4

综上分析,利用透明土技术开展盾构壁后注浆的研究,可有效避免理论研究中推导复杂、适用条件苛刻的缺陷,解决了数值模拟研究中不能真实反映注浆效应的问题,克服了常规模型试验中元器件干扰、数据采集困难的不足,对进一步探究盾构壁后注浆机理具有重大意义。

4 结 论

本文首先对符合试验要求的透明浆液配方进行了探索,其次对当前常规的盾构壁后注浆装置进行优化以模拟壁后注浆这一关键环节,最后基于人工合成透明土技术和透明浆液,利用优化后的盾构壁后注浆可视化装置,开展了针对隧道埋深、土质条件、注浆压力的敏感性研究,从而可视化展现了浆液在盾尾间隙扩散、填充的全过程并对注浆效果进行评估。所得主要结论如下:

(1)通过试验探索,提出了一种由稀释剂、环氧树脂、硅粉按照质量比175∶52∶150构成的透明浆液配方,其折射率为1.458 2,透光性良好,与常见的透明土折射率一致,符合宾汉姆流体特征且扩散形态与实际浆液扩散形态较为相似,可满足盾构壁后注浆可视化试验的需求。

(2)模型试验表明,各影响因素对浆液扩散过程影响显著。注浆压力P=1 kPa时,浆液往往不能完全包裹管片四周,填充不密实;注浆压力P=2 kPa时,除了管片拱顶外,管片四周基本可被浆液充填;注浆压力P=3 kPa时,浆液扩散形态会趋于上小下大的“梯形”。相比于埋径比Z/D=2时的形态,Z/D=1时浆液扩散的范围更大;扩散至管片上方的浆液较少;浆液在级配良好土层中的扩散范围相对更小。

(3)各影响因素与地表沉降量大小密切相关。各工况下的地表沉降值均大致可用Peck曲线来拟合,但同时也有两点需要注意:一是相比于埋径比Z/D=2、1时地表各点的位移与Peck曲线的拟合度不高;二是在考虑注浆的情况下,用Peck公式来预测管片正上方区域地表沉降的误差较大,具体体现在管片中轴线正上方沉降偏大,注浆管正上方沉降值偏小。当注浆压力过大或注浆率较高时,距隧道中轴线1倍隧洞半径以外、2倍隧洞半径以内的地表可能会出现隆起现象,建议通过现场施工监测密切关注。级配良好土层中的地表沉降值要小于级配均匀的土层。