申路 王國義 王成 崔圣愛 夏葳 曾光

1.西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院， 成都 610031； 2.中電建成都建設(shè)投資有限公司， 成都 610212

截至2022 年底我國共有55 座城市開通城軌交通線路，其中地鐵運(yùn)營長度8 012.85 km，占運(yùn)營線路總長的77.85%。為最大限度避免對(duì)已有建筑、管道線路及地層的擾動(dòng)，盾構(gòu)法逐漸成為城市地下交通的重要施工方法。同步注漿作為盾構(gòu)法施工的重要一環(huán)，具有充填盾尾縫隙、抑制土體變形、控制地表沉降等作用。然而，由于注漿材料流動(dòng)性過大、凝結(jié)時(shí)間過長，往往在施工過程中造成管片浮動(dòng)和錯(cuò)位，嚴(yán)重影響隧道成型質(zhì)量和后期運(yùn)營安全［1-3］。

對(duì)管片上浮的原因及解決上浮問題的方法，學(xué)者們進(jìn)行了持續(xù)研究。葉飛等［4］提出管片所受上浮力由管片被漿液或地下水包裹產(chǎn)生的靜態(tài)上浮力和注漿壓力引起的動(dòng)態(tài)上浮力兩部分組成。張君等［5］探究了漿液不同水灰比下管片上浮量與初凝時(shí)間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)隨著漿液水灰比降低，漿液的黏度增大，初凝時(shí)間縮短，管片上浮得到很好抑制。肖明清等［6］分別采用管片環(huán)間錯(cuò)臺(tái)量計(jì)算方法和數(shù)值模擬方法研究了整個(gè)施工過程中管片環(huán)間錯(cuò)臺(tái)規(guī)律，發(fā)現(xiàn)最大錯(cuò)臺(tái)量發(fā)生在漿液未凝固段，證實(shí)縮短漿液凝固時(shí)間可有效減小管片環(huán)間錯(cuò)臺(tái)。張連凱［7］通過不同注漿漿液配比下隧道管片上浮試驗(yàn)得出，漿液上浮力隨漿液齡期增長而逐漸減小，并可分為四個(gè)階段：快速減小、穩(wěn)定不變、二次減小、減小為負(fù)值并趨于穩(wěn)定。綜上所述，凝結(jié)時(shí)間、漿液的流動(dòng)性等漿液物性參數(shù)是影響管片上浮的關(guān)鍵因素。

根據(jù)注漿系統(tǒng)的不同，同步漿液可分為單液漿和雙液漿。單液漿流動(dòng)度大、凝結(jié)時(shí)間長。與單液漿相比，雙液漿可以顯著降低漿液流失，減少管片上浮量和錯(cuò)臺(tái)量，更好適應(yīng)富水環(huán)境。由于常規(guī)雙液漿（水泥-水玻璃）容易導(dǎo)致瞬凝和堵管，一定程度上妨礙了雙液漿的應(yīng)用和發(fā)展。摻入適量的聚丙烯酰胺（Polyacrylamide，PAM），可顯著調(diào)節(jié)漿液凝結(jié)時(shí)間和漿液流動(dòng)狀態(tài)［8-9］。因此，本文以聚丙烯酰胺為聚合物改性材料，制備新型聚合物塑性雙液漿（簡稱塑性雙液漿），對(duì)漿液凝結(jié)時(shí)間、沉入度及擴(kuò)展度進(jìn)行測(cè)定，設(shè)計(jì)管片上浮模型試驗(yàn)，對(duì)比單液漿和塑性雙液漿的浮力特性，并在成都軌道交通19號(hào)線二期工程盾構(gòu)隧道中應(yīng)用驗(yàn)證。

1 原材料和試驗(yàn)方法

1.1 配合比設(shè)計(jì)及制備工藝

塑性雙液漿由A 液和B 液按體積比10∶1 混合。A 液為水泥、粉煤灰、鈉基膨潤土、細(xì)骨料及水分按照0.47∶0.95∶0.24∶1.67∶1.00 的質(zhì)量比混合制成。其中：水泥采用P·O 42.5 普通硅酸鹽水泥，粉煤灰采用Ⅱ級(jí)粉煤灰，細(xì)骨料為普通河砂。鈉基膨潤土性能指標(biāo)見表1。

B 液為PAM 干粉和水按照質(zhì)量比1∶200 配制而成。PAM為高分子量陰離子型粉末，性能指標(biāo)見表2。

表2 PAM性能指標(biāo)

為排除水膠比變化對(duì)漿液性能的影響，單液漿和塑性雙液漿水膠比保持一致。綜合考慮塑性雙液漿A液和B 液總用水量，設(shè)定水膠比0.87 的單液漿作為對(duì)照組。具體試驗(yàn)配合比見表3。

表3 試驗(yàn)配合比g

制備塑性雙液漿時(shí)，預(yù)先按照設(shè)計(jì)質(zhì)量比稱取相應(yīng)的PAM 干粉和水。待混合攪拌至無明顯顆粒狀后（約40 min），按照設(shè)計(jì)體積摻量，用量杯量取配制好的B 液。隨后按照設(shè)計(jì)配合比稱取A 液組分，采用JJ-5型行星式砂漿攪拌機(jī)制備A 液。最后加入所取的B液，繼續(xù)攪拌15 s，制得密度1.85 g/cm3的塑性雙液漿。單液漿制備流程與A液相同，單液漿密度為1.80 g/cm3。

1.2 試驗(yàn)方法

凝結(jié)時(shí)間按照GB/ T 1346—2011《水泥凈漿標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時(shí)間及安定性檢驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》中的方法測(cè)定。沉入度采用JGJ/ T 70—2009《建筑砂漿基本物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》中的稠度試驗(yàn)方法測(cè)定。擴(kuò)展度參照GB/ T 2419—2005《水泥膠砂流動(dòng)度測(cè)定方法》測(cè)定。

盾構(gòu)隧道施工過程中同步注漿的水膠比一般為0.6 ～ 1.5，屬于非牛頓流體［10］。Atapattu、Beaulne等［11-12］通過試驗(yàn)及數(shù)值分析證明了非牛頓流體中自由下落的固體小球在低速蠕動(dòng)情況下存在臨界懸浮狀態(tài)。此時(shí)屈服應(yīng)力與浮力（或重力）之比為定值。本文基于這個(gè)原理進(jìn)行管片上浮模型試驗(yàn)的設(shè)計(jì)和計(jì)算。

管片上浮模型試驗(yàn)是將盾構(gòu)隧道管片密度等效為浮力小球模型密度，采用浮力小球模型模擬分析不同流變性能漿液對(duì)管片產(chǎn)生的上浮力。

依托工程盾構(gòu)隧道采用圓形裝配式鋼筋混凝土管片單層襯砌，如圖1 所示。每段管片長1.8 m，管片外徑8.3 m，內(nèi)徑7.5 m，密度2.5 g/cm3。根據(jù)管片內(nèi)外徑和管片密度，計(jì)算出管片在漿液中的等效密度為0.46 g/cm3。按照管片等效密度設(shè)計(jì)浮力小球模型，材質(zhì)為透明亞克力硬性球，直徑8 cm，質(zhì)量123.32 g，重力1.20 N。

圖1 管片實(shí)際尺寸（單位：m）

管片上浮模型試驗(yàn)裝置（圖2）主要為加載裝置、盛漿容器和定制的浮力小球模型。加載裝置為YRWT-M001 的微機(jī)控制電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)，具有加載速度可控和自動(dòng)化采集數(shù)據(jù)功能。盛漿容器為體積2 L 的透明亞克力桶。浮力小球模型由上端薄板、連接柱及浮力小球組成。

圖2 管片上浮模型試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)方法：首先將漿液裝入盛漿容器中，放置在加載裝置的底座上；再將浮力小球模型的球體部分全部浸入漿液中，下調(diào)加載裝置，直至與浮力小球模型的上端薄板接觸；隨后設(shè)置加載裝置的加載速率為10 mm/min，使小球保持蠕動(dòng)狀態(tài)，并導(dǎo)出加載力-時(shí)間曲線。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 凝結(jié)時(shí)間、沉入度和擴(kuò)展度試驗(yàn)

兩種漿液擴(kuò)展度測(cè)定見圖3。兩種漿液的凝結(jié)時(shí)間、沉入度及擴(kuò)展度測(cè)試結(jié)果見表4?？芍号c單液漿相比，塑性雙液漿凝結(jié)時(shí)間變長，沉入度和擴(kuò)展度減小，漿液變稠。初凝時(shí)間延長了4.8%，終凝時(shí)間延長了2.2%，沉入度降幅達(dá)到44.6%，擴(kuò)展度降低了60.0%。原因是：①PAM 分子上的酰胺基（—NH2）與水泥砂漿中水分子締合形成氫鍵，水泥砂漿中自由水含量減少，可溶物濃度降低，減緩了早期水化速率；②酰胺基水解后會(huì)轉(zhuǎn)化為含有—COOH 的共聚物，與水泥漿體中的Ca2+等金屬陽離子相互作用，生成含有—COO—Ca—OOC—、HO—Ca—OOC—等離子鍵化合物，形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，不僅增加了分子間的交聯(lián)，還阻止水分子以及離子的運(yùn)動(dòng)，影響水化進(jìn)程，最終導(dǎo)致凝結(jié)時(shí)間變長，漿液變稠［13-15］。

圖3 兩種漿液擴(kuò)展度測(cè)定

表4 兩種漿液的凝結(jié)時(shí)間、沉入度及擴(kuò)展度測(cè)試結(jié)果

2.2 管片上浮模型試驗(yàn)

定義小球在漿液中受到的廣義浮力為F上，小球在漿液中運(yùn)動(dòng)時(shí)所受加載力為F下，小球在運(yùn)動(dòng)時(shí)受到的漿液阻力為F阻。由固體小球在非牛頓流體中的平衡狀態(tài)可知

式中：ρ為漿液密度，kg/m3；ρ球?yàn)樾∏蛎芏?，kg/m3；g為重力加速度，9.8 N/kg；v為小球的體積，m3。

式（1）和式（2）相加后，整理得

式中：Δρ為漿液密度與小球密度的差值，kg/m3。

F上>0 時(shí)小球會(huì)上浮，F(xiàn)上≤ 0時(shí)小球不上浮。

對(duì)小球在單液漿和塑性雙液漿中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)分別測(cè)定三次。通過向下加載獲得F下-t（小球運(yùn)動(dòng)時(shí)間）的關(guān)系曲線，結(jié)果見圖4。

圖4 兩種漿液的F下-t關(guān)系曲線

由圖4（a）可知：較長時(shí)間內(nèi)F下在4.8 N 上下波動(dòng)，證明了小球在單液漿中向下運(yùn)動(dòng)時(shí)能達(dá)到平衡狀態(tài)。去除波動(dòng)較大的數(shù)據(jù)后，對(duì)三次測(cè)試結(jié)果求平均值，最終得出小球在單液漿中F下= 4.82 N。由式（4）可算出，小球在單液漿中F上= 2.22 N，會(huì)上浮。

對(duì)比圖4（a）和圖4（b）可知：小球在塑性雙液漿中向下運(yùn)動(dòng)過程中，F(xiàn)下持續(xù)增大，雖然在一段時(shí)間內(nèi)增長速率變緩，但并無穩(wěn)定階段；隨著運(yùn)動(dòng)時(shí)間延長，F(xiàn)下急劇增大。這說明小球緩慢向下運(yùn)動(dòng)過程中，塑性雙液漿受壓力作用排出了一部分自由水，下層漿液變得更密實(shí)；隨著小球向下運(yùn)動(dòng)，漿液對(duì)小球的阻力持續(xù)增大，無法達(dá)到平衡狀態(tài)。對(duì)曲線中平緩段F下求平均，可得小球在塑性雙液漿中F下= 42.45 N。由式（4）可計(jì)算得出，小球在塑性雙液漿中F上= -35.15 N，不會(huì)上浮。

為了對(duì)比小球在兩種漿液中的上浮差異，卸載后，繼續(xù)觀察浸入兩種漿液中的小球運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，結(jié)果見圖5。可知：小球在單液漿中能上浮，而在塑性雙液漿中仍浸沒于漿液中，不能上浮，進(jìn)一步驗(yàn)證了計(jì)算結(jié)果。

圖5 浸入兩種漿液中的小球運(yùn)動(dòng)狀態(tài)

3 工程應(yīng)用

成都軌道交通19 號(hào)線二期工程盾構(gòu)隧道區(qū)間主要穿越中風(fēng)化泥巖層、泥巖及砂卵石組成的復(fù)合地層、密實(shí)砂卵石層等地層。為進(jìn)一步控制地表沉降，減少管片上浮，利用注漿系統(tǒng)，分段澆注兩種漿液，并對(duì)管片垂直偏差進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。垂直偏差為管片中心線與隧道設(shè)計(jì)軸線的相對(duì)位移。上浮量為實(shí)測(cè)管片中心斷面處最大垂直偏差與最小垂直偏差的差值。

注單液漿段和注雙液漿段管片垂直偏差實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)果見圖6?？芍鹤我簼{段管片垂直偏差在-66 ～ 44 mm，管片上浮量達(dá)到110 mm。注塑性雙液漿段管片垂直偏差在-35 ～ -15 mm，管片上浮量僅20 mm。說明注塑性雙液漿段管片上浮量遠(yuǎn)小于注單液漿段。

圖6 注不同漿液段管片垂直偏差實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)果

為了更直接地反映注單液漿段和注雙液漿段管片上浮差異，選取8個(gè)盾構(gòu)區(qū)間進(jìn)行監(jiān)測(cè)。其中1#—6#盾構(gòu)區(qū)間注單液漿，7#—8#盾構(gòu)區(qū)間注塑性雙液漿。

以20 mm 為一個(gè)垂直偏差區(qū)間。各垂直偏差區(qū)間測(cè)點(diǎn)數(shù)量占總測(cè)點(diǎn)數(shù)量的百分比見圖7。

圖7 各垂直偏差區(qū)間測(cè)點(diǎn)數(shù)量占比

由圖7（a）可知：1#—6#盾構(gòu)區(qū)間管片垂直偏差分布較分散，在-100 ～ 100 mm 各區(qū)間均有一定占比，表明管片上浮量達(dá)200 mm，且不穩(wěn)定。7#—8#盾構(gòu)區(qū)間管片垂直偏差大部分分布在-20 ～ 20 mm，管片垂直偏差分布較集中，說明管片上浮量較小，僅40 mm。與注單液漿段（1#—6#盾構(gòu)區(qū)間）相比，注塑性雙液漿段管片上浮量減小了約80%。

由圖7（b）可知：與注單液漿段相比，注塑性雙液漿段管片垂直偏差更小，分布更集中，垂直偏差在-20 ～ 20 mm 區(qū)間的測(cè)點(diǎn)數(shù)量占比大于90%，表明塑性雙液漿抑制管片上浮效果更好。

4 結(jié)論

1）與相同配合比的單液漿相比，新型聚合物塑性雙液漿初凝時(shí)間延長了4.8%，終凝時(shí)間延長了2.2%，沉入度和擴(kuò)展度分別降低了44.6%和60.0%。

2）通過管片上浮模型試驗(yàn)，小球在單液漿中向下運(yùn)動(dòng)時(shí)能達(dá)到平衡狀態(tài)，廣義浮力為2.22 N。小球在新型聚合物塑性雙液漿中，未出現(xiàn)平衡狀態(tài)，廣義浮力為-35.15 N。卸載后，小球在單液漿中上浮，在塑性雙液漿中仍浸沒。

3）經(jīng)在實(shí)際工程中應(yīng)用，與注單液漿段相比，注新型聚合物塑性雙液漿段垂直偏差位于-20 ～ 20 mm區(qū)間的測(cè)點(diǎn)數(shù)量占比大于90%，垂直偏差分布更集中，管片上浮量減小了約80%。