暗挖地铁车站施工中靶向注浆技术的影响因素及效果控制

查丽娟

(河南建筑职业技术学院工程管理系, 450001, 郑州)

为了保证地铁车站施工的安全,在黄土、破碎岩体等不良地质条件下往往采用预注浆的方式加固开挖范围内及周边的岩土体。目前,地铁车站施工中常采用的超前注浆方法有:①从地面垂直打设注浆管,对开挖范围实施注浆;②从平行的导洞内侧向打设注浆管,对开挖范围实施注浆;③从开挖面向前打设注浆管,对开挖范围实施注浆等方式[1-2]。针对不同的岩土体力学特性以及浆体性质,浆体在被注介质中的扩散大致可分为:劈裂注浆、压密注浆、渗透注浆和岩体注浆等形式[3]。此外,根据浆体的流变方程,浆体流型还可以划分为牛顿、宾汉姆及幂律型流体等[4]。

由于注浆加固区域内水文地质条件的复杂性及浆液自身理化性能的不确定性,在一定的时间和成本内,单靠一种方法或普通的注浆工艺难以实现对浆液扩散的控制,跑浆、串浆现象普遍发生,还会造成环境污染和材料浪费。由此,采用复合控制的靶向注浆技术应运而生。靶向注浆技术将压密注浆法和渗透注浆法结合起来,进而限定浆液的扩散范围,将浆液留存于目标加固区域内,从而达到控域注浆的目的。

靶向注浆技术已在隧道超前注浆施工中得到应用。该技术不仅能防止浆液沿注浆管壁和岩层裂隙无效扩散,还能有效地解决袖阀管注浆等常用施工方法扰动大和质量不易控制的问题[5]。

本文以某临海地区的地铁车站为例,阐述靶向注浆的力学机理,讨论浆液扩散半径的影响因素,并分析采用靶向注浆技术对地层进行预加固的效果,以期为类似工程提供参考。

1 车站概况

某地铁车站临近黄海、渤海区域,围岩强度较低。现场钻孔取芯发现,岩土体主要为稀疏的砾石、粉质黏土和砂土,自稳能力较差。站址范围内沿道路两侧主要有燃气管、污水管、雨水暗渠、通信及电力等管线,且周边河流等水系发达。因此,采用暗挖施工存在较大的安全风险,需采用靶向注浆技术对车站周边岩土体进行注浆加固。浆液采用具有速凝特性的水泥-水玻璃双液浆。地表注浆加固区域的宽度为25 m,高度为6 m,注浆孔终孔间距为3 m,注浆分段长度为5～6 m。

2 靶向注浆的工作原理

靶向注浆技术的工作原理如图1所示。该技术将压密注浆技术和渗透注浆技术相结合,在围岩较差的土层中注浆时:首先,使用压密注浆法(在土工模袋内注浆,使模袋膨胀进而挤密土体)对地层的挤密效应形成止浆岩盘;止浆岩盘形成后,对目标加固区域进行渗透注浆加固,填充岩土体内部的孔隙,使之形成较高强度的结石体,从而达到加固的目的[6],以此来提高注浆的“靶向性”。

单位:m

2.1 压密注浆部分的力学计算

在向模袋内注浆的过程中,模袋向四周呈柱形扩张,使周围土体均匀压缩。由此,可以按照平面应变轴对称问题分析土体的受力状态。根据弹塑性理论,在任意时刻,模袋周围土体中任一点的平衡方程、几何方程和物理方程按文献[7]计算。

2.2 渗透注浆部分的力学计算

渗透注浆过程中,浆液的流速较小,浆液仅在注浆孔周围局部区域呈紊流状态,在其余区域皆为层流状态,且注浆管内浆液的流速不变。浆液以渗透扩散的形式进入地层。在常用的袖阀管注浆中,浆液在被注介质中呈柱形扩散[8]。浆液柱形扩散的理论模型见图2。

图2 浆液柱形扩散理论模型

根据渗流力学基本理论,假定受注地层为由直径相同的毛细管排列而成的多孔介质,即符合均匀毛管组模型,双液浆的渗流等效为浆液质点在所有毛细管道中流动的叠加[9]。由此可以建立流体柱微元素的平衡方程如下:

Pπr2-πr2(P+dP)-2πrτdl=0

(1)

式中:

r——流体柱半径;

P、P+dP——流体柱左、右两端分别作用的压力;

dl——流体柱微扩散半径;

dP——流体柱两端的压力差;

τ——流体柱的表面上所受剪切应力。

解得浆液的流动速度v为:

(2)

式中:

r0——毛细管半径;

μ——浆液的黏度。

2.3 柱形渗透扩散半径和浆液压力的计算公式

在靶向注浆技术中,渗透注浆起到对目标加固区域进行有效加固的作用,其浆液扩散半径的大小和浆液压力的衰减规律对整个注浆过程的控制至关重要。因此,考虑水泥-水玻璃双液浆为黏度时变性的宾汉姆流体,基于渗流力学基本理论,对双液浆浆液扩散半径l1和浆液压力P的理论计算公式进行推导。

根据式(2)可得到:

(3)

式中:

vp——浆液活塞式运动的速度;

rp——浆液活塞式运动的半径;

τ0——浆液的屈服剪切力,用来表征浆液的塑性性质。

则浆液在毛细管中的平均流速为:

(4)

(5)

(6)

式中:

l0——浆液初始扩散半径,即注浆管半径;

v0——注浆管内浆液的流速;

m——浆液柱形扩散的高度;

A、B——双液浆的黏度参数,为常数,可根据双液浆的黏度-时间曲线拟合得到;

K——被注介质渗透率;

λ——浆液的启动压力梯度。

代入注浆边界条件:

(7)

式中:

P0——注浆孔处的注浆压力;

Pw——地下水压;

l1——浆体扩散半径。

令ΔP=P0-Pw,可得到:

(8)

浆体压力表达式为:

(9)

3 浆液扩散半径的影响因素分析

本节主要讨论双液浆扩散半径在不同Pw、v0、A和B条件下的变化规律。为了充分反映以上各参数对l1的影响规律,假定Pw的变化范围为15～1 915 kPa,v0的变化范围为0.2～4.0 m/s,A的变化范围为0.000 1～0.010 0之间,B的变化范围为1.73～3.13。选定l0=0.025 m,τ0=1.563 Pa,P0=2 MPa,φ=0.3,m=6 m,渗透系数K′=0.12 cm/s,20 ℃时水的黏度μw=1.005×10-3Pa·s,对各因素影响规律进行分析。

3.1 注浆点处的Pw对l1的影响

假定Pw的变化范围为15～1 915 kPa,v0=2.4 m/s,A=0.003 182,B=2.23,代入式(8)计算可得l1-Pw曲线,如图3所示。

图3 l1-Pw曲线

由图3可知,随着Pw的增大,l1逐渐减小。当Pw从15 kPa增至1 515 kPa时,l1近似呈线性减小,减小量为0.44 m;当Pw从1 515 kPa增至 1 915 kPa时,l1快速减小,减小量为0.33 m。由此可见,在注浆压力一定的条件下,Pw越大,则l1越小;尤其当Pw接近注浆压力时,l1会迅速减小。

3.2 v0对l1的影响

假定v0的变化范围在0.2～4.0 m/s之间,Pw=115 kPa,A=0.003 182,B=2.23,代入式(8)计算可得l1-v0曲线,如图4所示。

图4 l1-v0曲线

由图4可知,随着v0的增大,l1逐渐增大。当v0从0.2 m/s增至1.2 m/s时,l1快速增大,增大量为0.3 m;当v0从1.2 m/s增至4.0 m/s时,l1的增大速率逐渐减小,增大量仅为0.3 m。由此可见,在一定的范围内增大v0有助于改善注浆加固效果,但是随着v0的增大,l1的增大幅度不断减小,因此不能单纯依靠增大v0来改善注浆效果。

3.3 A对l1的影响规律

假定A的变化范围为0.000 1～0.010 0,Pw=115 kPa,v0=2.4 m/s,B=2.23,代入式(8)计算可得l1-A曲线,如图5所示。

图5 l1-A曲线

由图5可知,随着A的增大,l1逐渐减小。当A从0.000 1增至0.002 0时,l1快速减小,减小量为2.14 m;当A从0.002增至0.006时,l1的减小速率有所减缓,减小量为0.40 m;当A从0.006增至0.010时,l1缓慢减小,减小量为0.15 m。由此可见,适当减小A,有助于扩大双液浆的加固范围。

3.4 B对l1的影响

假定B的变化范围在1.73～3.13之间,Pw=115 kPa,v0=2.4 m/s,A=0.003 182,代入式(8)计算可得l1-B曲线,如图6所示。

图6 l1-B曲线

由图6可知,随着B的增大,l1逐渐减小。当B从1.73增至2.33时,l1快速减小,减小量为4.49 m;当B从2.33增至3.13时,l1缓慢减小,减小量为0.64 m。由此可见,适当减小B,同样有助于扩大双液浆的加固范围。

4 工程应用

由工程设计资料可知:注浆点处Pw=115 kPa,v0=2.4 m/s,A=0.003 182,B=2.23(水泥浆水灰比为1,且双液体积比也为1),其他注浆参数取值与前文保持一致。

在双液浆注入过程中,如果P0太小,则无法将浆液快速注入到地层中,从而无法对目标加固区域的土体进行有效加固;如果P0太大,则双液浆在地层中的作用方式可能由渗透扩散演变为压密扩散,甚至发生劈裂,得不偿失。

在现场施工中,既要获得较大的浆液加固半径又要兼顾安全性。将相关参数代入式(8)计算可得l1-P0曲线,如图7所示。

图7 l1-P0曲线

由图7可知,随着P0的增加,l1亦增大。相应曲线大致呈现三阶段变化:即当P0从0.2 MPa增加至0.8MPa时,l1快速增加;当P0从0.8 MPa增加至2.0 MPa时,增加速率开始减小;当P0从2.0 MPa增加至2.8 MPa时,l1缓慢增加。

一般而言,为了获得较好的注浆加固效果,往往需要较大的l1,并且对地层的影响较小,由图8可知,较理想的P0为2.0 MPa,此时浆液得以充分扩散,l1为1.2 m。

图8 P0=2.0 MPa时的P0-l1曲线

选定P0=2.0 MPa,由式(9)及其他基本参数,计算可得P0=2.0 MPa时的P0-l1曲线,如图8所示。

由图8可知,随着l1的增加,P0逐渐减小。当l1从0.025 m增加至0.300 m时,P0缓慢减小;当l1从0.3 m增加至0.8 m时,P0的减小速率加快;当从0.8 m增加至1.2 m时,P0急剧减小。由此可见,在P0一定的条件下,逐渐增至接近最终的扩散半径时,地下水对浆液渗透扩散的阻碍作用愈加明显,并最终导致P0呈现出快速衰减的趋势。

现场监测数据表明,预注浆施工未造成地表抬升和海水污染,目标加固区域内围岩完整性得到显著提高,注浆加固效果可满足安全开挖要求。可见,采用靶向注浆技术对地层进行预加固的方案既节约了注浆材料的用量,又保证了注浆加固的效果。

5 结语

靶向注浆将压密注浆技术和渗透注浆技术相结合,压密注浆部分形成止浆岩盘,渗透注浆部分为有效注浆。

C-S双液浆为黏度时变性的宾汉姆流体。基于双液浆的流变方程,并结合均匀毛管组理论,推导得到了双液浆柱形渗透注浆时l1和P的理论计算公式。

将所得的理论公式应用于某地铁车站的超前注浆施工中,取得了较好的效果。现场监测数据表明:模袋构造的止浆岩盘成功实现了对浆液扩散的控制,使目标加固区域内岩体完整性得到显著提高;采用靶向注浆技术对地层进行预加固的方案既节约了注浆材料的用量,又保证了注浆加固的效果。