林 珊，阮艷妹，羅 旭，梅 源

(1.廣州地鐵設計研究院股份有限公司，廣東 廣州 510010；2.西安建筑科技大學土木工程學院，陜西 西安 710055；3.陜西省巖土與地下空間工程重點實驗室，陜西 西安 710055)

0 引言

我國灰?guī)r分布面積較廣，這些巖溶地層被次生的風化或殘積物所填充、覆蓋，深埋于地下，給各種巖土地下工程帶來不可預見的風險，直接影響工程質(zhì)量和施工安全[1-3]。地下溶洞不僅會影響建筑物的穩(wěn)定性，還會引起建筑基礎沉降，在工程中危害極大，溶洞問題已引起國內(nèi)外大量研究學者和從業(yè)人員的重視[4-6]。隧道盾構(gòu)施工中，隧道開挖產(chǎn)生大量土體，與泥水混合形成泥漿，通過排漿泵或管道輸送至地面進一步處理，泥水盾構(gòu)出漿量一般為隧道挖土體積的2～3倍，伴隨著隧道盾構(gòu)施工產(chǎn)生大量廢棄泥漿。由于城市儲存場地有限、人員密度大，若處置不當，會造成環(huán)境污染、侵占土地等問題，甚至對整個城市的正常運行產(chǎn)生巨大影響。目前處理廢棄泥漿的方法有直接排放法[7]、焚燒法[8]、化學固化法[9]、機械處理法[10]和化學絮凝沉淀法。化學固化處理法直接在泥漿中加入固化劑，可改善泥漿性質(zhì)，利于廢棄泥漿的資源化利用。

董邑寧等[11]研究發(fā)現(xiàn)固化后土樣無側(cè)限抗壓強度與固化劑種類、齡期、摻入比密切相關；楊愛武等[12]研究表明用石灰作為主要固化劑，水泥、石膏作為外加劑來固化軟土，可明顯提高其無側(cè)限抗壓強度。Sowers George[13]詳細介紹了巖溶地區(qū)建設與施工相關問題及注意事項。任新紅[14]以南廣鐵路巖溶路段為工程背景，現(xiàn)場進行電阻率法注漿試驗效果檢測，并討論注漿前后不同巖溶地質(zhì)概化模型檢測效果和地下水變化產(chǎn)生的影響。雷金山[15]就廣州地鐵沿線巖溶隧道出現(xiàn)的不同狀況，分析巖溶處理的范圍和深度，開展新型廉價注漿材料及配漿工藝試驗研究。李雄周等[16]以云南某高速公路隧道巖溶工程為背景，研究TGP、地質(zhì)雷達和超前地質(zhì)鉆孔等地質(zhì)預報技術(shù)，提出一種改進后的綜合溶洞處治方法，對實際施工處理起到了指導作用。

本文基于溶洞特點，考慮地下水壓力，設計制作半封閉帶壓溶洞模擬箱，進行新型水下聚凝充填材料注漿模擬試驗，研究其在水下的流動性、黏聚性等，評估新型水下聚凝充填材料巖溶注漿的工程效果。

1 新型水下聚凝充填材料模擬箱設計及安裝

設計并制作尺寸為1 500mm×800mm×500mm(長×寬×高)的模擬箱，箱內(nèi)充滿水，以模擬真實充水溶洞。模擬箱材料采用有機玻璃，各邊用鋼帶固定，有機玻璃板接縫處用防水硅酮耐候膠封堵，保證模擬箱內(nèi)密閉不漏水。模擬箱頂板開設3個直徑為100mm的圓孔，如圖1所示，A，B孔為注漿孔，C孔為排水孔。

搭設新型水下聚凝充填材料模擬充填試驗平臺，腳手架搭設高度為5m，充填材料入料平臺距地面3m，漏斗架設在平臺上，四周用鍍鋅鐵絲固定牢固，保證材料澆筑時模擬箱內(nèi)具有一定水壓力；注漿管通過頂板的預留注漿孔直接深入模擬箱底部，距箱底約20cm；排水管距頂板10cm，伸出頂板后通過轉(zhuǎn)換彎頭將模擬箱內(nèi)的水排入集水桶內(nèi)，安裝完成的溶洞模擬箱如圖2所示。

圖2 溶洞模擬箱

2 新型水下聚凝充填材料模擬試驗研究

2.1 新型水下聚凝充填材料配合比

試驗根據(jù)水下施工作業(yè)對水下聚凝充填材料的性能要求及前期課題試驗成果，以廢棄盾構(gòu)泥為主，新型水下聚凝充填材料配合比(kg)為：水∶水泥∶ 粉煤灰∶礦粉∶絮凝劑∶盾構(gòu)泥∶減水劑∶早強劑=0.429∶0.286∶0.057∶0.021∶0.014∶1∶0.01∶0.01。

2.2 水下充填模擬試驗過程

試驗采用新型水下聚凝充填材料(NWC-FM)，試驗前將晾曬完成的盾構(gòu)泥和各類外加劑分4份稱重待用；試驗攪拌機采用JZM500型滾筒攪拌機，每盤出料0.3～0.5m3，可保證充填材料的連續(xù)攪拌供應。

1)試驗前將注漿管插入A注漿孔，距箱底200mm；排水管固定在模擬箱中，距頂面100mm，以保證與工程現(xiàn)場施工相符。

2)通過注漿管向模擬箱內(nèi)注入清水，直至排水管內(nèi)部充水后停止，保證模擬箱內(nèi)具有一定水壓力。

3)準備工作結(jié)束后將預先攪拌好的NWC-FM材料通過漏斗灌入注漿管內(nèi)(見圖3)，觀察其在注漿管內(nèi)下降的性狀，同時注意排水管液面變化，將排水管接入集水桶內(nèi)，便于水順利排出。

圖3 充填材料澆筑

4)觀察NWC-FM材料入水的性狀、在水中的下落過程、到達模擬箱底部的形態(tài)、充填材料在模擬箱底部的擴散過程、流動性、覆蓋范圍、模擬箱內(nèi)充填材料表面的變化及模擬箱內(nèi)水的變化等。

5)對注漿管A進行灌注，當充填材料灌注速率下降時，換置注漿管B繼續(xù)灌注，并將A注漿管提高10～15cm。

6)重復上述過程，直至將模擬箱中的水全部排出，試驗過程中觀察記錄各階段NWC-FM材料的工作性狀。

7)澆筑完成后及時進行表面處理，試件整體包裹棉被進行保溫保濕養(yǎng)護。

2.3 水下充填模擬試驗現(xiàn)象

NWC-FM材料模擬澆筑試驗分4次連續(xù)澆筑而成。首批NWC-FM材料接觸到水箱底板時，由于沖擊作用NWC-FM材料會被水稀釋，且向上緩慢翻起，翻起的漿液緩緩上升、增多，而后灌注的材料少部分被稀釋，絕大部分則沿底部向四周擴散，并產(chǎn)生少量氣泡；NWC-FM材料繼續(xù)增多時，材料向四周擴散速度增加，漿液繼續(xù)觸底后翻起，上升至模擬箱頂部后又向下運動，最終回落至模擬箱底部，此時被稀釋的漿液已擴散至模擬箱內(nèi)體積的一半，上部和左側(cè)顏色淺，注漿管周圍由于NWC-FM材料堆積顏色較深，堆積材料向外顏色逐漸變淺，且漿液未擴散至模擬箱右側(cè)，故箱體右側(cè)仍為清水。

隨著澆筑的進行，注漿管處的NWC-FM材料逐漸沉積，當沉積量增加到一定程度后，新澆筑的材料在一定壓力下擠壓已沉積的NWC-FM材料，使其向四周均勻運動，箱底的NWC-FM材料呈現(xiàn)注漿管處多、均勻向四周減少的分布形態(tài)；由于注漿管A位于模擬箱左側(cè)，當NWC-FM材料繼續(xù)增加時，靠近左側(cè)的材料首先碰觸到模擬箱側(cè)壁，在左側(cè)壁處堆積，右側(cè)材料繼續(xù)移動，直到接觸到右側(cè)壁時才開始緩慢堆積，且左側(cè)NWC-FM材料增加速度明顯高于右側(cè)。

首次澆筑完成時，注漿管A左側(cè)NWC-FM材料分布基本相同，右側(cè)隨著距離的增加分布逐漸減少，整體呈左高右低的趨勢。

雖然初始進入模擬箱的NWC-FM材料被稀釋導致整個模擬箱充滿稀釋后的NWC-FM材料，但這一過程發(fā)展較慢，隨著持續(xù)澆筑，NWC-FM材料整體性保持較好，形成具有較強流動性和黏聚性的水下充填材料在模擬箱內(nèi)移動。首次澆筑完成后2min，模擬箱底部的NWC-FM材料表面已出現(xiàn)一層薄薄的白色絮狀析出物，分布較均勻，隨著時間增加白色析出物逐漸增加、增厚且分層清晰，5min后析出物厚度達1cm左右，形成一道乳白色隔離層，模擬箱底部明顯分為3層，從上向下依次為被稀釋的NWC-FM溶液、白色析出物隔離層和NWC-FM材料，隔離層有效將水與NWC-FM材料隔離，保持NWC-FM材料的黏聚性和不分散性。

首次澆筑NWC-FM材料時，攪拌機繼續(xù)工作，拌合下一批所用材料。

第2次澆筑前NWC-FM材料上方已有厚厚的隔離層(見圖4a)；NWC-FM材料落入時，首先要穿過隔離層，使注漿管處隔離層擾動上翻，但隔離層仍連續(xù)，未分散；隨著澆筑材料的增加，上層材料逐漸與底層材料同時推動隔離層向四周運動，隔離層受到連續(xù)強烈擾動后緩慢分散；第2次澆筑完成后2min，在NWC-FM材料表面又形成一層薄薄的白色析出物，5min后析出物增多，最終形成新的隔離層；第3,4次澆筑模擬箱內(nèi)情況與第2次基本相同，均為材料先穿過隔離層，隔離層緩慢分散，NWC-FM材料逐漸向四周移動并趨于穩(wěn)定，最終NWC-FM材料表面形成新的隔離層，第4次澆筑至距頂面1cm處停止，模擬試驗澆筑結(jié)束(見圖4b)。

圖4 后續(xù)澆筑試驗現(xiàn)象

NWC-FM材料形成的隔離層可很好地阻隔下層NWC-FM材料與水接觸，保持材料的不分散性，同時隔離層的膠凝物質(zhì)分布連續(xù)且具有一定黏性，不易受水流影響，可較好地維系NWC-FM材料的黏聚性和流動性，充分發(fā)揮NWC-FM材料的優(yōu)良性能。

3 新型水下聚凝充填材料模擬填筑鉆芯取樣試驗研究

3.1 模擬填筑試件鉆芯取樣過程

為研究NWC-FM材料模擬填筑后材料的強度性能，采用鉆芯取樣法分別在模擬填筑試驗后7，14，28d取芯樣，芯樣每組6個，直徑100mm，長150～200mm，如圖5所示。

3.2 模擬填筑鉆心取樣試驗過程及結(jié)果分析

對NWC-FM材料模擬填筑所取芯樣立即進行抗壓強度試驗，試驗過程如圖6所示，試驗結(jié)果如表1所示。

圖6 芯樣抗壓強度試驗結(jié)果

表1 芯樣抗壓強度

由圖6可知，試驗中7d芯樣裂縫寬度大，芯樣外鼓，成塊狀散落；14，28d芯樣最終破壞形態(tài)近似，均為截面豎向裂縫貫通導致圓柱體被分解，芯樣破壞，喪失承載力，未見散落的塊體。由表1可知，NWC-FM材料模擬填筑試驗的芯樣隨養(yǎng)護時間增加，強度逐漸提高，7，14，28d的平均抗壓強度分別為0.54，0.72，0.79MPa，可較好地滿足水下溶洞填筑工程現(xiàn)場的要求。

4 結(jié)語

通過NWC-FM材料巖溶注漿模擬試驗，研究NWC-FM材料在水下澆筑的流動性、黏聚性和不分散性；通過養(yǎng)護后的鉆芯取樣測試NWC-FM材料的強度指標，評估NWC-FM材料巖溶注漿效果，主要得到以下結(jié)論。

1)初始進入模擬箱的NWC-FM材料會被水稀釋，但過程緩慢，材料整體性保持較好，具有較強流動性和黏聚性，在水下可向任意方向流動。

2)NWC-FM材料每次澆筑完成后，由于外加劑作用表面會迅速形成一層白色絮狀析出膠凝物，分布較均勻，隨著時間的增加白色析出物逐漸增厚，且分層清晰，最終形成一道2～3cm隔離層。

3)隔離層的膠凝物質(zhì)分布連續(xù)且具有一定黏性，受水流的影響較小，可有效阻隔水與NWC-FM材料的接觸，保持NWC-FM材料的不分散性、黏聚性和流動性，確保NWC-FM材料水下澆筑表層平整，防止材料流失，從而使NWC-FM材料具有很好的水下使用性能，滿足水下充填的要求。

4)養(yǎng)護后鉆芯取樣的芯樣加載初期變形較小，荷載增大后芯樣出現(xiàn)豎向裂縫，最終不同截面的豎向裂縫貫通導致芯樣被分解，喪失承載力。

5)NWC-FM材料模擬填筑試驗的芯樣隨著養(yǎng)護時間的增加強度逐漸提高，7，14，28d的平均抗壓強度分別為0.54，0.72，0.79MPa，可滿足水下溶洞填筑工程現(xiàn)場的要求。