程雪松,趙林嵩,鄭 剛,索曉明,吳薪柳

(1. 天津大學(xué) 濱海土木工程結(jié)構(gòu)與安全教育部重點實驗室,天津 300072; 2. 天津大學(xué) 建筑工程學(xué)院,天津 300072; 3. 中國鐵路設(shè)計集團有限公司,天津 300308)

0 引 言

盾構(gòu)法以其施工效率高、智能化程度高、施工環(huán)境安全等優(yōu)點逐漸成為我國軌道交通中常用的施工方法。不過,由于其獨特的開挖方式,盾構(gòu)施工并不能做到完全不擾動周邊地層,一旦采取了不恰當?shù)氖┕ご胧?極有可能導(dǎo)致地表沉陷或隆起、隧道上浮變形及周圍建筑物變形等一系列安全事故。在盾構(gòu)開挖過程中,脫出的管片直徑并不能完全填補開挖出的空隙,此空隙寬約12 cm[1],需要進行同步注漿填充,若不能及時、完整地充填此空隙,處于無支撐狀態(tài)的周邊地層將發(fā)生土體變形乃至局部坍塌,造成地表與周圍建筑物的損壞。壁后注漿的質(zhì)量將直接影響盾構(gòu)開挖工程的質(zhì)量,注漿材料、注漿方法及施工參數(shù)等是重要影響因素[2]。對注漿材料的研究包括:現(xiàn)場試驗研究[3-4]、理論研究[5-6]、模型試驗研究[7-8]及數(shù)值方法研究[9-12]等。

單液漿液是一種注漿材料,其施工操作是將幾種材料一次集中拌和,然后注入到需要注漿的地方。按有膠凝性的強弱單液漿液可分為活性漿液和惰性漿液兩種,前者由于摻加了水泥在較短時間內(nèi)可以達到較高強度,但存在堵管現(xiàn)象,且原料較貴;后者相對來說早期強度較低,凝結(jié)時間較長,但無堵管風(fēng)險,且原料便宜,應(yīng)用范圍較廣。

賀雄飛[13]試驗探討了減水劑、硅灰作為添加劑在惰性漿液中的作用;郭兆清等[14]通過對比試驗,發(fā)現(xiàn)減水劑能大幅增加漿液稠度,從而影響漿體的泌水;王友冕[15]通過室內(nèi)試驗,證明材料配比、攪拌方式均對惰性漿液性能產(chǎn)生重要影響;慕欣等[16]試驗發(fā)現(xiàn),惰性漿液凝結(jié)時間、抗壓強度隨著砂細度模數(shù)的增大而增加,火山灰反應(yīng)造成的黏聚力與內(nèi)摩擦角增加非常微弱;萬澤恩等[17]用同步注漿專用充填劑對惰性漿液進行改良,改良后惰性漿液泌水率降低了、凝結(jié)速度加快了,硬化壁后充填強度提高了;郄向光等[18]對比了新型惰性漿液、活性漿液及雙液漿,認為新型惰性漿液抗水分散性及保水性較好,不易離析,凝結(jié)時間適中;劉學(xué)彥等[19]通過對盾構(gòu)現(xiàn)場穿越試驗段的研究,發(fā)現(xiàn)選取適當?shù)耐阶{量能夠保證成功穿越危險地層;王吉永[20]、陳海豐等[21]基于實際高鐵路基工程,分析了盾構(gòu)下穿高速鐵路施工過程中的關(guān)鍵控制點,設(shè)計了滿足性能要求的惰性漿液配比,最終成功控制了地層沉降。

筆者針對惰性漿液的特點,通過材料配比試驗及數(shù)據(jù)分析,揭示了材料配比對惰性漿液性能的影響規(guī)律,提出了確定惰性漿液配比的計算方法。研究結(jié)果可為工程實踐提供參考。

1 原材料、配比設(shè)計及試驗方法

為保證工程質(zhì)量,同步注漿漿液應(yīng)具有良好的泵送性、填充性,及適當?shù)哪Y(jié)時間、一定的早期強度和較低的體積收縮率,為了避免對周圍地層產(chǎn)生污染,漿液材料還應(yīng)具有環(huán)保性。

1.1 原材料

含鈣95%±3%的熟石灰;3 000目Ⅰ級粉煤灰;1 500目的鈉基膨潤土;細度模數(shù)為2.0的細砂;羧甲基纖維素鈉(CMC)增稠劑;減水率約為20%的FDN-C型萘系減水劑。

1.2 配比設(shè)計

筆者采用正交試驗法進行惰性漿液配比(質(zhì)量比)設(shè)計,選取水膠比(水與膠凝材料質(zhì)量比)X1、膠砂比(膠凝材料與細砂質(zhì)量比)X2、粉灰比(粉煤灰與熟石灰質(zhì)量比)X3、膨水比(膨潤土與水質(zhì)量比)X4、減膠比(減水劑與膠凝材料質(zhì)量比)X5共5個因素作為分析對象,每個因素選取3個水平進行分析。因素水平見表1。表中取值參考了前期試配試驗結(jié)果及常用的高性能惰性漿液的配比范圍[11-21]。

表1 因素水平Table 1 Factor level

1.3 試驗方法

按照JGJ/T 70—2009《建筑砂漿基本性能試驗方法標準》、JC/T 603—2004《水泥膠砂干縮試驗方法》進行試驗,測定惰性漿液的各項性能指標,包括:錐入度P、凝結(jié)時間ts、固結(jié)收縮率ε、28天抗壓強度f28、泌水率η、黏度μ和流動度F等。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 正交試驗分析

圖1為惰性漿液各性能指標主效應(yīng)圖。因素的δ值為對應(yīng)于該因素3個水平中的惰性漿液性能指標最大、最小值之差,δ值越大,表明因素對惰性漿液性能指標的影響程度亦越大。

由圖1可知:

1)水膠比和膨水比對惰性漿液錐入度的影響較大,膠砂比、粉灰比的影響較小;惰性漿液的錐入度隨著水膠比的增大、膨水比的減小、減膠比的增大而增大。

2)水膠比和膠砂比對惰性漿液凝結(jié)時間影響較大,膨水比、粉灰比、減膠比的影響較小;惰性漿液的凝結(jié)時間隨著水膠比的增大、膠砂比的減小而增大。

3)水膠比和膨水比對惰性漿液泌水率影響較大,泌水率隨著水膠比的增大、膨水比的減小而增大,隨著減膠比的增大,先減小后增大。膠砂比、粉灰比的影響較小。

4)水膠比對惰性漿液28天抗壓強度的影響最大,隨著水膠比的增大,惰性漿液28天抗壓強度顯著減小。

5)水膠比對固結(jié)收縮率的影響最大,其次是膠砂比,而膨水比、粉灰比及減膠比影響較小;惰性漿液的固結(jié)收縮率隨著水膠比及膠砂比的增大而增大。

綜上,在惰性漿液配比設(shè)計時,要注意控制性能指標在合理范圍內(nèi),尋找配比的平衡點。

2.2 偏最小二乘回歸法

偏最小二乘回歸法(PLS)是一種廣受歡迎的回歸分析方法,它能解決變量共線性問題,可以同時對多個因變量進行分析,對小樣本數(shù)據(jù)間影響關(guān)系問題也有很好的解決能力[22]。PLS集多元線性回歸、主成分分析和典型相關(guān)性分析方法的優(yōu)點于一身[23],可以提取對系統(tǒng)解釋性最強的信息,有效克服了傳統(tǒng)回歸方法的不足。

表2為利用PLS得出的指標回歸公式及可決系數(shù)R2?？梢?各指標的R2>0.75,表明擬合較好,自變量至少能夠解釋75%關(guān)于因變量的變化。

表2 指標回歸公式及可決系數(shù)R2Table 2 Regression formulas and determinable coefficients R2 for indicators

圖2為根據(jù)回歸公式得到的惰性漿液各項指標擬合值及試驗得到的測試值。

圖2 惰性漿液的錐入度、凝結(jié)時間、泌水率、28天抗壓強度、固結(jié)收縮率的擬合值與測試值Fig. 2 Test values and fitting values of cone penetration, setting time, bleeding rate, 28-day compressive strength and consolidation shrinkage rate of inert slurry

由圖2可見:

1)測試值與擬合值基本呈線性關(guān)系,表明PLS擬合效果較好。

2)在因素變化范圍內(nèi)(水膠比X1=0.7～0.9,膠砂比X2=0.5～0.7,粉灰比X3=3～5,膨水比X4=0.15～0.25,減膠比X5=0.002～0.008),各指標服從線性變化,表明可用回歸公式對惰性漿液性能指標進行擬合。

綜上,實際工程中,可利用回歸公式對不同配比惰性漿液性能進行擬合,從而優(yōu)化惰性漿液配比,以獲得最佳的惰性漿液性能。

3 添加劑作用分析

以水膠比X1=0.8,膠砂比X2=0.6,粉灰比X3=4,膨水比X4=0.20為基準配比制備惰性漿液;再分別摻入減水劑、羧甲基纖維素鈉(CMC)增稠劑制備摻添加劑惰性漿液,配比詳見表3。按照試驗標準測定惰性漿液的錐入度P、泌水率η、黏度μ與流動度F,試驗結(jié)果見圖3。

表3 惰性漿液配比Table 3 Mixing proportion of inert slurry

圖3 添加減水劑、CMC惰性漿液性能試驗結(jié)果Fig. 3 Performance test results of inert slurry mixed with water reducing agent and CMC

由圖3可見:

1)對于摻減水劑惰性漿液,隨著減膠比的增大,錐入度P逐漸增大,但增長速度逐漸減小,泌水率η呈先減小后增大變化趨勢;當減膠比X5=0.004時,惰性漿液的錐入度與泌水率均達到最優(yōu)效果。說明在惰性漿液配比設(shè)計過程中,通過加入適量減水劑并適當減小水膠比,可滿足惰性漿液稠度要求。

2)對于摻CMC惰性漿液,當CMC摻量小于0.1%時,隨著CMC的增大,漿液黏度μ快速增大,而流動度F則逐漸減小。表明添加適量的CMC能夠改善惰性漿液黏度,起到防沉淀的作用,但也會降低惰性漿液的泵送性,因此在CMC添加時應(yīng)綜合考慮泵送性與漿液黏度的影響。

3)為實現(xiàn)盾構(gòu)法施工工藝背后注漿,要求惰性漿液3 h可泵性好,流動度F>180 mm[24-25]。鑒于當CMC摻量在0～0.05%之間時,漿液流動度下降速度及黏度增長速度均較快,因此,控制CMC摻量小于0.05%,既能增大漿液黏度又保證流動度F>180 mm,實現(xiàn)了經(jīng)濟性與漿液性能的平衡。

4 惰性漿液適用性分析

土層大致有碎石土/卵石土、中粗砂、細砂、粉砂、粉土、黏性土及淤泥質(zhì)土等幾大類。

1)對于富水的碎石土/卵石土與中粗砂地層,由于地下水對注漿漿液的稀釋和沖蝕作用,漿液易被沖刷,流失現(xiàn)象明顯,會大幅影響漿液凝結(jié)時間與凝結(jié)強度。

2)對于富水粉土粉砂地層,與砂卵石地層相比較為軟弱,滲透系數(shù)相對較小,但沖刷現(xiàn)象也較為明顯,注漿效果較差,凝結(jié)時間要求較高。

3)對于黏性土與淤泥質(zhì)土,水含量一般較高,管片脫出后地層收縮變形發(fā)展較快,地層承載能力差,因此,應(yīng)使?jié){液具備良好的填充性,能夠及早發(fā)揮強度。

4)對于富水地層而言,管片壁后注漿應(yīng)選取凝結(jié)速度快、后期強度高、遇水不易稀釋或離析的漿液材料,依據(jù)T/CECS 563—2018《盾構(gòu)法隧道同步注漿材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》、DB/T 29-20—2017《天津市巖土工程技術(shù)規(guī)范》,盾構(gòu)穿越富水地層,同步注漿漿液初凝時間應(yīng)不大于12 h,惰性單液漿難以滿足要求,宜采用單液活性漿液或者雙液漿。

5)在無水且地層情況較為穩(wěn)定的區(qū)域較為適合使用惰性漿液。為了便于施工,一般要求漿液凝結(jié)時間在5 h以上,同時漿液要保證有一定的后期強度,保持較小的固結(jié)收縮率。

5 結(jié) 論

首先,根據(jù)正交試驗得到的初步配比配制惰性漿液,分析了材料各種組分對惰性漿液錐入度、凝結(jié)時間、泌水率、固結(jié)收縮率、抗壓強度的影響;然后,用偏最小二乘法(PLS)擬合得到惰性漿液各性能指標的回歸公式,對惰性漿液添加劑作用效果及惰性漿液的適用條件進行了分析。得到以下主要結(jié)論:

1)水膠比對各個指標影響均較大,膠砂比對凝結(jié)時間、固結(jié)收縮率影響較大,膨水比與減膠比對錐入度、泌水率影響較大,粉灰比影響較小。

2)惰性漿液配比設(shè)計時,加入適量減水劑同時相應(yīng)減小水膠比,可保證惰性漿液錐入度要求;適當摻入CMC,在滿足惰性漿液流動性要求的同時,可改善惰性漿液黏性。

3)惰性漿液各項性能指標回歸公式的自變量至少能夠解釋75%關(guān)于因變量的變化,驗證了回歸公式的合理性,公式可用于惰性漿液配比優(yōu)化。

4)惰性漿液適用于無水且地層較為穩(wěn)定地區(qū)。