陳 鵬， 王先明， 劉四進(jìn)， 孫旭濤， 王士民, *， 何 川

(1. 中鐵十四局集團(tuán)大盾構(gòu)工程有限公司， 江蘇 南京 211800； 2. 西南交通大學(xué) 交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 四川 成都 610031)

0 引言

近幾十年來(lái)，隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，隧道工程修建技術(shù)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。其中，盾構(gòu)法因具有對(duì)周圍環(huán)境擾動(dòng)小、施工安全快速等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于隧道建設(shè)中。盾構(gòu)法施工過(guò)程中，由于盾構(gòu)開(kāi)挖直徑大于管片外徑，拼裝完成的管片脫出盾尾后與土體形成一定的空隙，被稱為盾尾間隙，若不及時(shí)填充盾尾間隙則極易引發(fā)地表大規(guī)模沉降、管片上浮、破損、滲漏水等問(wèn)題，尤其對(duì)于地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜、建設(shè)規(guī)模大的盾構(gòu)隧道更是如此。實(shí)際施工中通過(guò)同步注漿的方式填充盾尾間隙，漿液凝固后在管片外側(cè)形成同步注漿圈。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)盾構(gòu)隧道同步注漿已展開(kāi)了眾多研究，主要集中在同步注漿材料、漿液的擴(kuò)散特性、注漿參數(shù)控制及注漿填充效果檢測(cè)等方面。

國(guó)內(nèi)盾構(gòu)隧道工程所使用的同步注漿材料主要分為單液漿和雙液漿2類，相關(guān)研究多通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)合控制變量法、正交試驗(yàn)、響應(yīng)面分析的方式對(duì)同步注漿指標(biāo)進(jìn)行比選，最終提出注漿材料的最佳配比。例如： 阮雷[1]通過(guò)響應(yīng)面分析法揭示了水膠比、灰粉比、膠砂比3個(gè)關(guān)鍵因素對(duì)單液漿物理力學(xué)性能的影響，并引入絮凝劑對(duì)富水地層單液漿的抗水分散性進(jìn)行優(yōu)化，提出了一種適用于高滲透富水地層盾構(gòu)隧道同步注漿的漿液配比方案。賈毅等[2]以水、水泥、膨潤(rùn)土、穩(wěn)定劑及水玻璃作為原料，通過(guò)控制變量法對(duì)不同配合比下雙液漿的物理性能展開(kāi)研究。吳言坤等[3]引入塑化劑對(duì)水泥砂漿材料進(jìn)行改性，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)探明塑化劑在影響漿液強(qiáng)度的條件下縮短漿液的凝結(jié)時(shí)間，并結(jié)合實(shí)際工程對(duì)塑化劑改性后的單液漿注漿效果進(jìn)行驗(yàn)證。

在同步注漿漿液擴(kuò)散特性方面，目前主要的研究對(duì)象為單液漿。葉飛等[4-5]基于巖土工程中的相關(guān)研究，通過(guò)對(duì)單液注漿現(xiàn)象進(jìn)行理論分析，將壁后注漿漿液的擴(kuò)散過(guò)程歸納為充填注漿、滲透注漿、壓密注漿、劈裂注漿4個(gè)階段。魏新江等[6]提出漿液首先在盾尾注漿孔附近呈球形擴(kuò)散，繼而沿盾尾間隙弧形擴(kuò)散。胡長(zhǎng)明等[7]建立了二元流環(huán)形擴(kuò)散模型，并分別推導(dǎo)了牛頓流體和賓漢姆流體的漿液壓力擴(kuò)散模型計(jì)算式。Liu等[8]推導(dǎo)了賓漢姆流體條件下同步注漿漿液的周向充填和縱向擴(kuò)散理論模型。李志明等[9]對(duì)黏土地層中同步注漿漿液的填充模式及壓力分布進(jìn)行了理論推導(dǎo)，并通過(guò)計(jì)算分析發(fā)現(xiàn)漿液的靜切力對(duì)注漿壓力和地層擾動(dòng)影響最大。張莎莎等[10]建立了盾構(gòu)-土體-漿液相似系統(tǒng)，通過(guò)模型試驗(yàn)得到了盾尾間隙的最佳填充模式。

針對(duì)盾構(gòu)隧道同步注漿參數(shù)控制，大多研究以數(shù)值模擬、原位試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的方式開(kāi)展。徐沖[11]通過(guò)有限元軟件FLAC對(duì)砂卵石地層泥水平衡盾構(gòu)隧道掌子面支護(hù)壓力、注漿壓力等注漿參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。Ding等[12]通過(guò)大型模擬試驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行黏土地層矩形盾構(gòu)隧道同步單液注漿試驗(yàn)，對(duì)注漿壓力、長(zhǎng)期地層沉降進(jìn)行了分析總結(jié)，最終確定矩形盾構(gòu)隧道的最佳注漿方法。黃梅等[13]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)淺埋盾構(gòu)隧道同步注漿作用機(jī)制展開(kāi)研究，分析同步注漿過(guò)程中地層土壓力和孔隙水壓力的變化規(guī)律，最終給出同步注漿的合理注漿參數(shù)。顏靜等[14]采用現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)分別研究了同步注漿量、注漿壓力和注漿材料對(duì)地表沉降的影響，提出了適用于蘇州地區(qū)的盾構(gòu)注漿參數(shù)和地層沉降控制措施。

在同步注漿漿液填充效果檢測(cè)方面，目前多通過(guò)探地雷達(dá)法進(jìn)行探測(cè)。Xie等[15]將探地雷達(dá)和盾構(gòu)拼裝間隔的實(shí)時(shí)可視化進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)論證和應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)其可為判斷注漿效果、控制地面沉降提供良好依據(jù)。田闖等[16]介紹了一種將探地雷達(dá)檢測(cè)裝置與盾構(gòu)車架進(jìn)行融合設(shè)計(jì)的盾構(gòu)隧道同步注漿實(shí)時(shí)檢測(cè)裝置，其能顯著減少超注漿情況的發(fā)生。

目前，與盾構(gòu)隧道同步注漿相關(guān)的文獻(xiàn)，其研究對(duì)象多為單液漿，雙液漿的研究相對(duì)較少，且對(duì)于雙液漿的研究多集中在材料特性方面。另外，由于盾構(gòu)同步注漿作業(yè)屬于隱蔽工程，實(shí)際工程中難以直接觀測(cè)到盾尾間隙內(nèi)的注漿擴(kuò)散、注漿填充效果，更無(wú)法剝開(kāi)管片對(duì)注漿圈取樣。因此，本文依托北京東六環(huán)改造工程京哈高速—潞苑北大街區(qū)段，通過(guò)在管片負(fù)環(huán)段進(jìn)行同步雙液注漿原位試驗(yàn)，驗(yàn)證同步雙液注漿在超大直徑盾構(gòu)隧道中的可行性，同時(shí)對(duì)雙液漿漿液特性、擴(kuò)散形態(tài)以及注漿效果開(kāi)展研究，以期研究結(jié)果為后續(xù)工程施工提供指導(dǎo)，同時(shí)為雙液漿運(yùn)用于國(guó)內(nèi)超大直徑盾構(gòu)隧道提供技術(shù)參考。

1 工程背景

北京東六環(huán)(京哈高速—潞苑北大街)改造工程全線分為直接加寬段和入地改造段，路線全長(zhǎng)16 km，其中，直接加寬段長(zhǎng)6.8 km，隧道段長(zhǎng)9.2 km(明挖段長(zhǎng)1.8 km，盾構(gòu)段長(zhǎng)7.4 km)，整體線路平面圖如圖1所示。

圖1 北京東六環(huán)改造工程整體路線平面圖Fig. 1 Plan of overall route of Beijing East Sixth Ring road reconstruction project

本項(xiàng)目位于北京市通州區(qū)，屬于沖洪積平原地貌，地勢(shì)基本平坦，場(chǎng)地沿線地面高程為19.04～23.03 m。盾構(gòu)段隧道穿越的地層主要為粉細(xì)砂層、粉土、中粗砂，少數(shù)粉質(zhì)黏土。盾構(gòu)隧道最大開(kāi)挖直徑達(dá)16.07 m，覆土厚度為10～42 m，承受的最大水壓約為0.58 MPa，具有斷面直徑大、獨(dú)頭掘進(jìn)距離長(zhǎng)、工程及水文地質(zhì)條件復(fù)雜、水壓高、抗震設(shè)防烈度高等顯著特點(diǎn)。為此，本工程襯砌管片采用C60鋼筋混凝土平板形管片，管片外徑15.4 m，內(nèi)徑14.1 m，襯砌厚度為0.65 m，寬度為2 m，采用通用楔形環(huán)錯(cuò)縫拼裝。

盾構(gòu)同步注漿漿液采用罐車運(yùn)輸，注漿泵為管擠壓，A、B液各8臺(tái)擠壓泵，注漿管路共8套，注漿點(diǎn)位布置如圖2所示，雙液漿從盾尾均勻注入。

圖2 盾構(gòu)同步注漿點(diǎn)位布置圖Fig. 2 Layout of synchronous grouting points of shield

2 負(fù)環(huán)段雙液注漿原位試驗(yàn)設(shè)計(jì)

由于目前國(guó)內(nèi)盾構(gòu)隧道同步雙液注漿技術(shù)尚不成熟，實(shí)際工程中難以直接觀測(cè)或檢測(cè)到雙液漿注漿填充效果，也難以根據(jù)漿液填充效果實(shí)時(shí)調(diào)整注漿參數(shù)。由此，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況開(kāi)展負(fù)環(huán)段盾構(gòu)隧道同步雙液注漿原位試驗(yàn)，通過(guò)透明亞克力板、傳感器量值變化情況以及現(xiàn)場(chǎng)注漿現(xiàn)象實(shí)時(shí)掌握雙液注漿填充情況，并對(duì)相關(guān)注漿參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。注漿完成后通過(guò)雙液漿試塊取樣測(cè)試和三維激光掃描記錄雙液漿試塊的強(qiáng)度和注漿圈最終擴(kuò)散形態(tài)。

2.1 試驗(yàn)裝置

為模擬盾構(gòu)開(kāi)挖推進(jìn)過(guò)程并考慮超挖等因素對(duì)盾尾間隙寬度的影響，本次原位試驗(yàn)通過(guò)在負(fù)環(huán)管片上安裝鋼套筒的方式進(jìn)行，鋼套筒布置如圖3所示。其中，鋼套筒內(nèi)徑為16.2 m，與管片形成寬40 cm的盾尾間隙。

圖3 負(fù)環(huán)段鋼套筒布置Fig. 3 Steel sleeve arrangement of negative ring section

該鋼套筒由5塊6.5 m×6.0 m(長(zhǎng)×寬)、厚度為5 mm的曲形鋼面板拼接而成，并采用工字鋼對(duì)曲形鋼面板進(jìn)行加固，沿掘進(jìn)方向長(zhǎng)度為6.5 m。曲形鋼面板上設(shè)置有6個(gè)透明亞克力板觀察窗，尺寸為1.0 m×6.5 m，等間距分布于鋼套筒面板上。由于負(fù)環(huán)段管片下方存在盾構(gòu)導(dǎo)軌，無(wú)法進(jìn)行同步注漿，考慮到試驗(yàn)方案的合理性與可行性，同步注漿范圍取為自拱腳向上圓心角為220°的局部圓弧范圍內(nèi)，如圖4所示。

圖4 負(fù)環(huán)段注漿范圍Fig. 4 Grouting range of negative ring segment

為保證試驗(yàn)過(guò)程中鋼套筒的穩(wěn)固，鋼套筒兩側(cè)采用橫截面高度為300 mm的國(guó)標(biāo)工字鋼作為立柱，立柱一端與鋼套筒工字鋼焊接，另一端通過(guò)膨脹螺栓與地面固定。

在鋼套筒固定完成后，考慮到雙液漿注入盾尾時(shí)仍為液體，因此在試驗(yàn)過(guò)程中鋼套筒的密封性需要重點(diǎn)關(guān)注。本次試驗(yàn)鋼套筒的密封主要由底部和尾部鋼板密封組成。底部密封位于鋼套筒兩側(cè)底部與工字鋼立柱相交的位置，采用0.4 m×2.0 m鋼板平行焊接至盾構(gòu)兩側(cè)的方式，鋼板隨著盾構(gòu)的推進(jìn)而平行推進(jìn)，鋼板長(zhǎng)度不足時(shí)及時(shí)焊接增加，確保漿液不會(huì)通過(guò)不斷脫出的負(fù)環(huán)管片與鋼套筒之間的縫隙而流失，底部密封及其示意圖如圖5(a)和5(c)所示。尾部密封是通過(guò)膨脹螺栓將0.4 m寬的弧形鋼板固定至負(fù)環(huán)管片背部，并將弧形鋼板與鋼套筒尾部進(jìn)行焊接固定，確保注漿過(guò)程中漿液不會(huì)倒流。尾部密封及其示意圖如圖5(b)和5(d)所示。

圖5 負(fù)環(huán)段鋼套筒密封布置Fig. 5 Sealing arrangement of steel sleeve in negative ring section

原位試驗(yàn)中，盾尾位于管片與鋼套筒中間，盾尾密封也分為2個(gè)部分，即盾尾與管片之間密封和盾尾與鋼套筒之間密封。其中，盾尾與管片之間密封由鋼板束、3道盾尾刷及盾尾刷內(nèi)油脂組成，鋼板束位于盾尾刷后方，寬度約為350 mm，傾斜緊貼管片外表面，如圖6所示。盾尾與鋼套筒之間的密封由止?jié){板和密封橡膠皮組成，止?jié){板寬350 mm，被厚10 mm、寬800 mm的密封膠皮包裹，如圖6所示。被密封橡膠皮包裹的盾尾止?jié){板緊貼鋼套筒內(nèi)壁，有效防止試驗(yàn)過(guò)程中的漿液前竄。

圖6 盾尾防水密封Fig. 6 Waterproof seal of shield tail

2.2 試驗(yàn)方案

在本次負(fù)環(huán)段原位注漿試驗(yàn)過(guò)程中，設(shè)計(jì)6種試驗(yàn)方案對(duì)雙液漿配比、注漿壓力、盾尾保護(hù)材料以及停機(jī)時(shí)間等因素進(jìn)行討論，試驗(yàn)方案如表1所示。注漿量是根據(jù)鋼套筒與管片形成的盾尾間隙體積計(jì)算得到的理論注漿量。注漿壓力的取值是基于盾構(gòu)正常掘進(jìn)時(shí)注漿壓力取值情況、鋼套筒內(nèi)部壓力低于實(shí)際工程中水土壓力、預(yù)估鋼套筒承受壓力等因素初步確定，隨后在進(jìn)行原位試驗(yàn)時(shí)為保證水泥-水玻璃雙液漿在鋼套筒間隙內(nèi)填充飽滿，注漿壓力根據(jù)實(shí)際注漿情況進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，最終確定注漿壓力量值。雙液漿配比則是在參考國(guó)內(nèi)外盾構(gòu)隧道同步雙液注漿工程的基礎(chǔ)上，結(jié)合北京東六環(huán)項(xiàng)目特點(diǎn)，通過(guò)室內(nèi)雙液漿材料配比試驗(yàn)進(jìn)行確定，具體配比如表2所示。

表1 原位注漿試驗(yàn)方案Table 1 Experimental design

表2 雙液漿配比Table 2 Details of double-component grout mixing

2.3 測(cè)試方式

為檢測(cè)雙液漿的漿液特性、擴(kuò)散形態(tài)和注漿填充效果，試驗(yàn)過(guò)程中采用傳感器測(cè)試[17]、雙液漿試塊取樣測(cè)試和三維激光掃描3種方式對(duì)注漿過(guò)程進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

2.3.1 傳感器選擇與布置

注入盾尾間隙的同步注漿漿液具有膠凝固結(jié)特性，即漿液由注入時(shí)的液態(tài)逐漸膠凝形成固結(jié)體。當(dāng)漿液處于液態(tài)時(shí)，孔隙水壓力傳感器對(duì)漿液壓力的測(cè)試更為準(zhǔn)確；而當(dāng)漿液膠凝固結(jié)后，土壓力傳感器對(duì)漿液壓力測(cè)試更為準(zhǔn)確。由此，聯(lián)合采用土壓力傳感器和孔隙水壓力傳感器對(duì)盾尾間隙內(nèi)的漿液壓力進(jìn)行測(cè)試。其中，土壓力傳感器采用XYJ-5型鋼弦式雙膜土壓力傳感器，量程為0.5 MPa，精度為0.01 MPa；孔隙水壓力傳感器采用XJS-6型鋼弦式孔隙水壓力傳感器，量程為0.5 MPa，精度為0.01 MPa。在鋼套筒未吊裝前，將土壓力傳感器和孔隙水壓力傳感器通過(guò)焊接的方式安裝至鋼套筒面板上，安裝流程如圖7所示。安裝完成后土壓力和水壓力傳感器測(cè)量面與鋼套筒內(nèi)表面平齊。

圖7 傳感器安裝流程Fig. 7 Sensor installation process

試驗(yàn)過(guò)程中共設(shè)置3個(gè)斷面對(duì)同步雙液注漿過(guò)程中盾尾間隙的水、土壓力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，各個(gè)斷面?zhèn)鞲衅鞑贾帽３忠恢拢唧w傳感器監(jiān)測(cè)斷面位置如圖8所示。其中，每個(gè)斷面設(shè)置7個(gè)土壓力傳感器和5個(gè)孔隙水壓力傳感器，如圖9所示。

圖8 傳感器監(jiān)測(cè)斷面位置Fig. 8 Position of sensor monitoring section

“T”代表土壓力傳感器，“S”代表孔隙水壓力傳感器。圖9 各斷面?zhèn)鞲衅鞑贾肍ig. 9 Arrangement of sensors in each section

2.3.2 雙液漿現(xiàn)場(chǎng)取樣測(cè)試

由于雙液漿后期強(qiáng)度很大程度上取決于水泥用量，為分析雙液漿在室內(nèi)試驗(yàn)與盾構(gòu)實(shí)際注漿之間的性能差異，分別對(duì)負(fù)環(huán)段同步注漿原位試驗(yàn)所采用的水泥質(zhì)量分別為350、300、280、250 kg 4種配合比的雙液漿進(jìn)行取芯及強(qiáng)度測(cè)試，具體取樣位置、數(shù)量等信息如表3所示。

表3 負(fù)環(huán)段雙液漿取樣信息Table 3 Sampling information of double-component grout in negative ring section

2.3.3 三維激光掃描

待負(fù)環(huán)段同步雙液注漿試驗(yàn)完成后，將鋼套筒外表鋼板拆除，并通過(guò)三維激光掃描儀對(duì)同步雙液注漿漿液擴(kuò)散形態(tài)進(jìn)行記錄。三維激光掃描設(shè)備如圖10所示。三維激光掃描設(shè)備規(guī)格及參數(shù)如表4所示。

圖10 三維激光掃描設(shè)備Fig. 10 3D laser scanning equipment

表4 三維激光掃描設(shè)備規(guī)格及參數(shù)Table 4 Specifications and parameters of 3D laser scanning

通過(guò)三維激光掃描的方式探明注漿完成后注漿圈的填充效果和部分缺陷的尺寸，并結(jié)合實(shí)際施工過(guò)程中注漿參數(shù)的變化分析缺陷形成的原因。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)上述試驗(yàn)方案，盾構(gòu)依次穿過(guò)監(jiān)測(cè)斷面1、2、3，試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)3個(gè)斷面?zhèn)鞲衅鲾?shù)據(jù)變化、盾構(gòu)各項(xiàng)注漿參數(shù)、現(xiàn)場(chǎng)雙液漿取樣以及三維激光掃描結(jié)果進(jìn)行分析，探明雙液漿注漿壓力分布規(guī)律、形態(tài)、強(qiáng)度及充填效果。

3.1 傳感器測(cè)試結(jié)果

3.1.1 傳感器測(cè)試結(jié)果分析

盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中的注漿和推進(jìn)作業(yè)均對(duì)傳感器的測(cè)試數(shù)據(jù)有所影響，整理得到各斷面土壓力傳感器測(cè)試值變化曲線，如圖11所示。由于盾構(gòu)推進(jìn)過(guò)程中時(shí)間跨度較大，圖11中橫坐標(biāo)“盾構(gòu)推進(jìn)時(shí)長(zhǎng)”是介于盾構(gòu)穿越各個(gè)斷面前后的時(shí)間段，均以0坐標(biāo)為起點(diǎn)，不同斷面“盾構(gòu)推進(jìn)時(shí)長(zhǎng)”不相關(guān)。

圖11 試驗(yàn)過(guò)程中土壓力傳感器測(cè)試值變化曲線Fig. 11 Sensor pressure change curves in test

由圖11可見(jiàn)： 1)土壓力傳感器和孔隙水壓力傳感器量值整體呈“單峰”式曲線變化，即在進(jìn)行同步雙液注漿時(shí)，土壓力傳感器和孔隙水壓力傳感器量值在注漿壓力的作用下陡增。 2)隨著盾構(gòu)的掘進(jìn)，壓力傳感器量值在10～60 min快速回落，此時(shí)量值的回落是雙液漿快速膠凝特性與注漿壓力共同作用導(dǎo)致的，即水泥-水玻璃雙液漿在20～30 s由液態(tài)迅速轉(zhuǎn)變?yōu)榱魉軤顟B(tài)，漿液流動(dòng)性大大降低，漿液內(nèi)部壓力快速消散。然而注漿壓力是連續(xù)作用在雙液漿上的，處于流塑狀態(tài)的雙液漿內(nèi)部仍存有一定壓力未能消散。3)在隨后的3～5 h內(nèi)，傳感器量值緩慢降低，最后趨于穩(wěn)定，在此期間，雙液漿由流塑狀態(tài)逐漸膠凝固結(jié)，在5 h左右達(dá)到終凝狀態(tài)，仍未能消散的壓力成為漿液的內(nèi)應(yīng)力。盾構(gòu)間隙內(nèi)注漿壓力的消散過(guò)程能夠反映雙液漿的快凝特性和注漿圈的形態(tài)。

另外，對(duì)比土壓力傳感器和孔隙水壓力傳感器量值可知，土壓力傳感器量值遠(yuǎn)大于孔隙水壓力傳感器量值。這是由于孔隙水壓力傳感器需要液態(tài)漿液在注漿壓力的作用下經(jīng)由透水石滲透至內(nèi)部的感應(yīng)面，而雙液漿的化學(xué)膠凝時(shí)間極短，能夠在30 s左右形成啫喱狀、流塑狀的漿液，滲入孔隙水壓力傳感器的雙液漿迅速反應(yīng)填充透水石的孔隙，導(dǎo)致孔隙水壓力傳感器在量值和變化幅度上均偏小。另外，注漿結(jié)束后土壓力傳感器和孔隙水壓力傳感器均存在一定的殘留值，這是雙液漿反應(yīng)過(guò)程中釋放大量的熱引起的體積膨脹、膠凝后固體質(zhì)量以及部分未消散的注漿壓力共同作用形成的。

3.1.2 實(shí)際注漿壓力與傳感器測(cè)試結(jié)果對(duì)比

傳感器測(cè)試數(shù)值主要受到注漿壓力、注漿工藝和鋼套筒邊界形態(tài)的影響。為更好地反映三者對(duì)傳感器測(cè)試結(jié)果的影響，分別提取圖11中標(biāo)識(shí)的3個(gè)斷面同步注漿時(shí)間段土壓力傳感器和孔隙水壓力傳感器量值進(jìn)行分析，其變化雷達(dá)圖如圖12所示。圖12與圖11中“盾構(gòu)推進(jìn)時(shí)長(zhǎng)”的初始坐標(biāo)略有不同。

圖12 傳感器量值變化雷達(dá)圖Fig. 12 Radar charts of sensor value change

在圖12(a)和圖12(b)中，同步注漿作業(yè)主要集中在0～1.6 h，此時(shí)盾構(gòu)隧道穿越斷面1并進(jìn)行同步注漿。由圖12(a)和圖12(b)可知： 對(duì)①、②、⑦、⑧ 4個(gè)點(diǎn)位進(jìn)行左右對(duì)稱壓力注漿，其中，p①=p⑧=0.04 MPa，p②=p⑦=0.018 MPa。此時(shí)斷面1位于鋼套筒兩側(cè)的土壓力傳感器和孔隙水壓力傳感器量值逐漸增大，最大值達(dá)0.1 MPa，拱頂處傳感器量值均為0，表明此時(shí)漿液主要集中在鋼套筒兩側(cè)，鋼套筒頂部存在空腔，頂部填充不飽滿。在盾構(gòu)推進(jìn)1.6 h時(shí)，鋼套筒左側(cè)底部均存在一定的漏漿現(xiàn)象，對(duì)應(yīng)圖11(a)和圖11(b)中鋼套筒兩側(cè)底部的土壓力傳感器量值突減(由0.1 MPa減小至0 MPa)，孔隙水壓力傳感器量值也隨著減小。隨后對(duì)鋼套筒底部進(jìn)行焊接密封加固，增加注漿點(diǎn)位⑥，重點(diǎn)對(duì)左側(cè)進(jìn)行補(bǔ)漿。在盾構(gòu)推進(jìn)時(shí)長(zhǎng)為1.6 h后，共對(duì)①、②、⑥、⑦、⑧ 5個(gè)點(diǎn)位進(jìn)行同步雙液注漿，其中,①、②、⑦、⑧號(hào)點(diǎn)位注漿壓力保持不變，⑥號(hào)點(diǎn)位注漿壓力較大，為0.15 MPa。2 h后注漿結(jié)束，此時(shí)右側(cè)拱肩、拱頂處土壓力傳感器量值最大，左側(cè)拱肩處土壓力傳感器量值為0，表明右側(cè)漿液已注滿至拱肩和拱頂處，左側(cè)拱肩處注漿不飽滿，仍存在空洞等現(xiàn)象。

在圖12(c)和12(d)中，盾構(gòu)逐漸穿越斷面2，此時(shí)同步注漿作業(yè)主要集中在3.0～3.6 h，仍對(duì)①、②、⑦、⑧ 4個(gè)點(diǎn)位進(jìn)行左右對(duì)稱壓力同步雙液注漿，其中,p①=p⑧=0.08 MPa，p②=p⑦=0.05 MPa。結(jié)合土壓力傳感器和孔隙水壓力傳感器可知，該斷面土壓力傳感器和孔隙水壓力傳感器量值在①、⑧號(hào)點(diǎn)位附近最大，這與注漿壓力變化曲線相匹配。同時(shí)，土壓力傳感器和孔隙水壓力傳感器量值變化規(guī)律一致，均在鋼套筒左側(cè)時(shí)偏大，拱頂、拱肩處傳感器量值均不為0，表明雙液漿已注滿盾尾間隙。鋼套筒左側(cè)觀察窗內(nèi)漿液情況如圖13所示。

圖13 鋼套筒左側(cè)漿液情況Fig. 13 Grouting situation on left side of steel sleeve

在盾構(gòu)隧道穿越斷面3時(shí)，同步注漿作業(yè)主要集中在0.75～1.5 h，此時(shí)主要對(duì)①、②、⑦、⑧ 4個(gè)點(diǎn)位進(jìn)行左右不對(duì)稱壓力同步雙液注漿，其中,p①=0.03 MPa，p②=0.04 MPa，p⑦=0.05 MPa，p⑧=0.07 MPa。結(jié)合孔隙水壓力傳感器可知，該斷面右側(cè)的⑦、⑧號(hào)點(diǎn)位孔隙水壓力值偏大，這與注漿壓力變化曲線相匹配。結(jié)合土壓力傳感器量值變化情況可知： 在盾構(gòu)推進(jìn)時(shí)長(zhǎng)為0.75～1.5 h時(shí)，左側(cè)鋼套筒底部土壓力量值偏大，這與孔隙水壓力、注漿壓力變化規(guī)律較為一致。結(jié)合實(shí)際工程情況，觀察到鋼套筒兩側(cè)漏漿量減少，傳感器測(cè)試的壓力值較為均勻，注漿填充效果較好。

3.2 雙液漿現(xiàn)場(chǎng)取樣測(cè)試結(jié)果

取已注入盾尾間隙的不同配比、不同成型時(shí)間的雙液漿試塊進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)強(qiáng)度測(cè)試，對(duì)比其與室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果的差異。雙液漿現(xiàn)場(chǎng)取樣測(cè)試結(jié)果如表5所示。

表5 雙液漿現(xiàn)場(chǎng)取樣測(cè)試結(jié)果Table 5 Test results of double-component grout sampling

由上述現(xiàn)場(chǎng)取樣測(cè)試結(jié)果可知： 本次同步雙液注漿試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)取樣所測(cè)得的抗壓強(qiáng)度略低于室內(nèi)試驗(yàn)所測(cè)得的抗壓強(qiáng)度，但整體上來(lái)說(shuō)差異不大。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)取樣結(jié)果發(fā)現(xiàn)，同一斷面不同高度處試塊強(qiáng)度存在一定的差異，例如采用配比1的2個(gè)試塊抗壓強(qiáng)度分別為1.674 MPa和1.455 MPa。造成這種差異的原因主要為： 1)相較于室內(nèi)試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件(溫度20 ℃、95%以上濕度)，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中雙液漿在室外養(yǎng)護(hù)，溫度變化大、濕度低，且雙液漿與空氣接觸伴隨著一定的產(chǎn)物穩(wěn)定性問(wèn)題。2)在現(xiàn)場(chǎng)雙液注漿設(shè)備中，A液與B液僅在出漿口處簡(jiǎn)單混合，極有可能造成A液、B液混合不均；而在室內(nèi)試驗(yàn)中，A液與B液采用倒杯法進(jìn)行混合，混合均勻程度遠(yuǎn)高于現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)，由此造成在不同取樣位置雙液漿試塊強(qiáng)度不均，局部存在混合不均、強(qiáng)度偏低的情況。兩者共同造成了雙液注漿現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)所測(cè)得的抗壓強(qiáng)度略低于室內(nèi)試驗(yàn)。在各配比中，當(dāng)每m2漿液中水泥用量大于280 kg時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)取樣的雙液漿試塊均能滿足28 d強(qiáng)度大于1 MPa的設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求。

3.3 三維激光掃描結(jié)果

考慮到工作井有限的空間以及施工的安全性，通過(guò)拆除鋼套筒頂部鋼板對(duì)注漿圈形態(tài)進(jìn)行三維激光掃描(如圖14所示)，掃描到的雙液漿形態(tài)如圖15所示。

圖14 三維激光掃描雙液漿Fig. 14 Photograph of double-component grout morphology by 3D laser scanning

圖15 三維激光掃描雙液漿形態(tài)(單位： m)Fig. 15 3D drawing of double-component grouting morphology of 3D laser scanning (unit: m)

由圖14和圖15可知，在斷面1左側(cè)雙液注漿圈有大量缺陷。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)負(fù)環(huán)鋼套筒注漿實(shí)際情況以及3.1節(jié)傳感器壓力變化分析可知： 該空洞的形成一方面是由于鋼套筒底部密封較差，大量漿液從鋼套筒底部漏出，漿液無(wú)法在壓力作用下擴(kuò)散至頂部；另一方面是由于盾構(gòu)在穿越斷面1時(shí)注漿壓力普遍較小，其中①、②、⑦、⑧號(hào)點(diǎn)位注漿壓力均小于0.05 MPa，⑥號(hào)點(diǎn)位作為補(bǔ)漿點(diǎn)，其注漿壓力最大為0.2 MPa，整體注漿壓力較小，導(dǎo)致雙液漿難以將拱頂填充飽滿。在隨后的注漿過(guò)程中對(duì)注漿參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，雙液漿能夠?qū)⒐绊斖耆畛滹枬M，如圖15中紅色框內(nèi)所示。同時(shí)，通過(guò)雙液注漿層的形態(tài)可見(jiàn)，注漿層在斷面2、斷面3的位置較為飽滿。結(jié)合盾構(gòu)實(shí)際注漿壓力變化可知，盾構(gòu)穿越斷面2和斷面3時(shí)注漿壓力最大值分別為0.34、0.1 MPa，該雙液注漿層的形態(tài)與注漿壓力變化趨勢(shì)一致。

通過(guò)3D reshape對(duì)鋼套筒上方的雙液漿注漿層激光掃描結(jié)果進(jìn)行處理，注漿缺陷深度云圖如圖16所示，注漿參數(shù)調(diào)整后的同步雙液注漿層缺陷深度統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖17所示。

圖16 同步雙液注漿層注漿缺陷深度云圖(單位： m)Fig. 16 Error depth nephogram of synchronous double-component grouting layer (unit: m)

圖17 注漿參數(shù)調(diào)整后的同步雙液注漿層缺陷深度統(tǒng)計(jì)Fig. 17 Statistics of error depth of synchronous double-component grouting after parameter optimization

由圖16和圖17可知： 鋼套筒上方雙液漿注漿缺陷深度小于4 cm的部分占92.08%，缺陷深度為4～8 cm的部分占4.57%，缺陷深度大于8 cm的部分占3.35%，主要集中于斷面1和最終停止注漿段。由此可見(jiàn)，在本次負(fù)環(huán)段雙液漿原位注漿試驗(yàn)中，經(jīng)過(guò)對(duì)注漿壓力和注漿量的調(diào)整，同步雙液漿能夠很好地填充鋼套筒間隙，保證同步注漿層的飽滿度。

4 結(jié)論與討論

針對(duì)北京東六環(huán)超大直徑盾構(gòu)隧道改造工程，為驗(yàn)證同步雙液注漿的可行性、有效性，通過(guò)負(fù)環(huán)段同步雙液注漿原位試驗(yàn)對(duì)超大直徑盾構(gòu)隧道同步注漿的雙液漿漿液特性、擴(kuò)散形態(tài)以及注漿效果開(kāi)展研究，得到以下主要結(jié)論：

1)在同步雙液注漿原位試驗(yàn)中，傳感器量值變化能夠較好地反映出同步注漿作業(yè)過(guò)程和雙液漿膠凝特性。同步注漿過(guò)程中，土壓力傳感器和孔隙水壓力傳感器量值整體呈“單峰”式變化，即注漿開(kāi)始時(shí)土壓力傳感器和孔隙水壓力傳感器量值陡增，注漿停止后20～30 s傳感器量值突降，雙液漿由液態(tài)迅速轉(zhuǎn)變?yōu)榱魉軤顟B(tài)，隨后傳感器量值緩慢回落最后穩(wěn)定至一定量值，雙液漿逐漸膠凝固結(jié)。

2)由于現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)過(guò)程中室外溫度變化大、濕度低，并且存在混合不均及雙液漿產(chǎn)物不穩(wěn)定的問(wèn)題，造成試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)取樣所測(cè)得的雙液漿抗壓強(qiáng)度略低于室內(nèi)試驗(yàn)所測(cè)得的抗壓強(qiáng)度。

3)鋼套筒上方漿液的擴(kuò)散形態(tài)能夠很好地反映注漿圈的填充效果。三維激光掃描結(jié)果表明，鋼套筒上方雙液漿注漿缺陷深度低于4 cm的部分占92.08%，注漿圈較為飽滿，尤其在合理調(diào)整同步注漿參數(shù)后，在斷面2、斷面3對(duì)應(yīng)的鋼套筒上方注漿圈飽滿度顯著提升，無(wú)注漿缺陷。

4)合理注漿壓力作用下，在保證設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求的同時(shí)，雙液漿能夠較好地填充鋼套筒與管片之間形成的盾尾間隙。此外，本次原位試驗(yàn)采用鋼套筒的方式形成“盾尾間隙”，未能考慮地層種類及地下水環(huán)境對(duì)同步雙液注漿的影響，因此仍需進(jìn)一步研究。