富水粉细砂层盾尾注浆生成滤饼及充填盾尾间隙施工方法

技术领域

本发明涉及隧道工程领域，具体涉及一种盾尾同步注浆施工及确定浆液比方法。

背景技术

随着我国地下工程领域的不断发展，我国隧道建设正处于高速发展时期，盾构施工也面临着各种各样的复杂地层，这一过程中涉及大量盾尾同步注浆问题。盾构穿越富水地层时，浆液在地下水冲刷力作用下会发生溃散，导致浆液填充盾尾间隙不均匀，地表产生较大沉降，危害施工安全，对于自稳性较差的圆砾或粉细砂地层，盾构开挖后很难形成规则的环形盾尾间隙，地层很快向盾尾间隙垮塌，若浆液不能及时填充盾尾间隙并承担地层卸荷压力，会造成地表产生较大沉降，对隧道稳定性及地表建筑物产生较大影响，引发一系列安全问题。

长期以来，为解决盾尾同步注浆时面临的上述问题，大量学者开展了的试验及理论研究，试验方面，针对不同地层选取不同种类外加剂，配制适用于地层的浆液配比，通过自主研发注浆设备，对盾构注浆进行模拟，主要包括对浆液速度及注浆过程中地层含水率和密度等变化的研究；对于数值模拟方面，基于comsol等有限元软件，研究不同施工参数下，盾构注浆浆液扩散规律及其对地表沉降的影响；理论研究方面，对于浆液填充扩散，基于裂隙注浆理论，建立牛顿流体、宾汉姆流体、幂流型流体在盾尾间隙中的扩散方程，分别将浆液时效性引入公式，增强公式合理性，对于浆液渗透扩散阶段，部分学者基于达西定律及线性渗透定律建立考虑渗滤效应的浆液渗透扩散方程，对于浆液压密扩散阶段，基于柱孔或球孔扩张理论建立浆液压密扩散阶段对涂层的扰动范围理论公式。

目前，大多数学者将浆液扩散阶段默认为单独的一个阶段，且对于考虑浆液渗滤效应的扩散方程还有待研究，实际上受地层渗滤效应的影响，浆液会在地层表面生成滤饼，即浆液会先进行渗透扩散再进行压密扩散。浆液在盾尾间隙中发挥的作用为填充盾尾间隙，支撑受卸荷作用垮塌的地层，及时使浆液在盾尾间隙中封闭成环即可确保地层的稳定性，实际工程中，若能够确保滤饼在盾尾间隙中尽早生成，则能够有效封堵地下水，确保滤饼内侧的浆液能够迅速充填盾尾间隙，因此研究浆液在渗滤效应下滤饼生成的速度是极其必要的。

发明内容

针对现有发明技术的不足，本发明目的是提供一种富水粉细砂层盾尾同步注浆生成滤饼层快速施工方法，基于毛管组理论、质量守恒定律及动量守恒定律建立适用于盾尾同步注浆的滤饼生长速率方程，通过比较不同因素下滤饼生成速率大小，以快速生成滤饼为最终目的，进而针对不同孔隙比地层研发具有适配性的浆液水灰比，通过室内试验配制具有抗水分散性的新型浆液，并采用盾尾注浆相似模型试验系统确定盾尾注浆施工参数，提出适用于富水粉细砂层中盾尾注浆施工方案，为实现本发明的上述目的及优越点，提供了一种富水粉细砂层盾尾同步注浆生成滤饼层快速施工方法，包括：

步骤1：浆液在粉细砂层中渗透扩散时，受粉细砂土的渗滤效应影响，浆液颗粒会在土层孔隙中沉积并逐渐拥堵土层孔隙最终形成滤饼，富水粉细砂层蕴含丰富的地下水，考虑浆液在土层中扩散时对土体中地下水驱替作用建立考虑渗滤效应的浆液扩散方程，并进一步推导出滤饼生长速率方程；

建立滤饼生长速率方程包括：

优选的，基于毛管组理论及质量守恒定律，建立浆液在富水粉细砂层中渗透扩散形成滤饼生长速率方程，考虑浆液黏度时效性，公式参数包括注浆压力、土层颗粒级配及浆液水灰比，如下所示：

考虑浆液在土层中扩散时对土体中地下水驱替作用，基于毛管组理论，建立考虑渗滤效应的滤饼生长厚度方程：

n

n为地层孔隙率，由下式确定：

k为地层初始孔隙半径，可通过下式确定：

φ为地层孔隙度，可由下式确定：

γ为土体容重，

γ

w为地层含水率；

k

为初始浆液颗粒体积分数；

p

p

p

p

为与浆液相关的系数，本文取为-34；

τ

μ

B为浆液黏度时效性参数；

d

d

ρ

w/c为浆液水灰比；

对其关于时间求导即可得出滤饼生长速率方程：

通过式(1)和式(6)可求得水泥滤饼生长厚度及生长速率，通过比较滤饼生长速率变化曲线即可初步确定盾构在富水粉细砂层中注浆所需水泥浆液水灰比范围。

步骤2：滤饼在盾尾处形成后将会阻碍地下水对浆液的冲刷，从而达到封堵地下水的效果，以确保滤饼内侧浆液能够快速填充盾尾间隙并形成闭合环箍，即较早地形成滤饼有助于富水粉细砂层中的注浆施工快速完成；

步骤3：针对滤饼生成速率方程提出适用于富水粉细砂层的浆液水灰比，对于孔隙率为0.38的粉细砂层，水灰比应控制在0.7～0.8，通过室内试验配制具有抗水分散性新型浆液：水胶比为0.72、胶砂比为0.80、粉煤灰掺量为5％、膨润土掺量为14.94％和羟乙基纤维素掺量为0.9％，以确保浆液具有抵抗地下水冲刷的能力，使其在盾尾间隙中能够渗透扩散并生成滤饼；

步骤4：自行研发盾尾同步注浆相似模型试验系统，控制注浆压力为0.4Mpa，注浆率为180％，盾构机掘进速度为40mm/min～50mm/min，上下注浆孔注浆量比值为1.5:1时，地表沉降量较小；由于实际盾尾同步注浆施工过程中，受浆液自身重力及盾尾间隙不规则性影响，位于上注浆孔处的浆液会向盾尾间隙底部流动导致盾尾间隙顶部浆液填充率较低且不易生成滤饼，由上下注浆孔注浆量关系可以得出上下注浆孔位置关系：θ

优选的，对于自稳性较差的富水粉细砂层，盾构在其中掘进后，受卸荷效应影响，土体会向盾尾间隙垮塌，导致形成的盾尾间隙具有不规则性，浆液在盾尾间隙中会先进行渗透扩散，待土层孔隙被浆液拥堵形成的滤饼在盾尾形成环箍后，浆液压力作用在滤饼上，并通过滤饼将浆液压力转化为有效应力作用于土层，即浆液进入压密扩散阶段，通过合理地改变浆液配比及盾尾注浆施工参数可有效地提升浆液富水粉细砂层中填充盾尾间隙的效率，确保盾尾注浆施工安全快速地进行。

本发明与现有技术相比，其有益效果是：与以往学者研究确定浆液配比方法不同，本发明通过将盾尾同步注浆浆液扩散阶段划分为渗透扩散阶段和压密扩散阶段，并考虑地层渗滤效应的影响，建立适用于孔隙率较较小的粉细砂地层中滤饼生长速度方程，滤饼的尽早生成有助于确保浆液在盾尾间隙尽早封闭成环，通过理论公式确定适配地层的浆液水灰比范围。

附图说明

图1为盾构在富水粉细砂层中同步注浆浆液扩散模式分析图；

图2为浆液在富水粉细砂层中浆液压力分布图；

图3为浆液在粉细砂土表面生成滤饼的过程图；

图4为浆液压密扩散示意图；

图5为盾尾同步注浆相似模型系统；

图6为试验过程中生成的滤饼及注浆体；

图7为上下注浆孔布置示意图；

具体实施方式

下面将结合本发明中的实例附图，对本发明实例中的技术方案进行清楚、完整地表述，显然，所描述的实例仅仅是本发明的一部分，而不是全部实施例，仅能用来解释和说明发明的技术方案，而不能解释为本发明技术方案的限制。

参照图1-7，一种富水粉细砂层盾尾同步注浆生成滤饼层快速施工方法包括：

步骤1：因为浆液在粉细砂层中渗透扩散时，受粉细砂土的渗滤效应影响，浆液颗粒会在土层孔隙中沉积并逐渐沉积拥堵土层孔隙最终形成滤饼，富水粉细砂层中蕴含丰富的地下水，滤饼在盾尾形成后将会阻碍地下水的向盾尾间隙中渗入，滤饼内侧的浆液由于受到较小的地下水冲刷力迅速将盾尾间隙填充满，随着注浆时间的持续进行，浆液压力作用于滤饼，滤饼随之将浆液压力转化为有效应力作用于土层，稳固隧道结构。本发明考虑浆液在土层中扩散时对土体孔隙中地下水驱替作用，建立考虑渗滤效应的浆液扩散方程；基于毛管组理论及质量守恒定律建立滤饼生长速率方程；

建立滤饼生长速率方程包括：

优选的，基于毛管组理论及质量守恒定律，建立浆液在富水粉细砂层中渗透扩散形成滤饼生长速率方程，考虑浆液黏度时效性，公式参数包括注浆压力、土层颗粒级配及浆液水灰比，如下所示：

考虑浆液在土层中扩散时对土体中地下水驱替作用，基于毛管组理论，建立考虑渗滤效应的滤饼生长厚度方程：

n

n为地层孔隙率，由下式确定：

k为地层初始孔隙半径，可通过下式确定：

φ为地层孔隙度，可由下式确定：

/>

γ为土体容重，

γ

w为地层含水率；

k

为初始浆液颗粒体积分数；

p

p

p

p

为与浆液相关的系数，本文取为-34；

τ

μ

B为浆液黏度时效性参数；

d

d

ρ

w/c为浆液水灰比；

对其关于时间求导即可得出滤饼生长速率方程：

通过式(1)和式(6)可求得水泥滤饼生长厚度及生长速率，通过比较滤饼生长速率变化曲线即可初步确定盾构在富水粉细砂层中注浆所需水泥浆液水灰比范围。

步骤2：滤饼在盾尾处形成后将会阻碍地下水对浆液的冲刷，达到封堵地下水的效果，确保滤饼内侧的浆液能够快速填充盾尾间隙，因此浆液在盾尾间隙中较早地形成滤饼有助于富水粉细砂层中的注浆施工快速完成，实际工程中可以依据权利要求1中所述滤饼生成理论方程确定施工参数及浆液配比范围。

步骤3：针对滤饼生成速率方程提出适用于富水粉细砂层的水泥浆液水灰比，对于孔隙率为0.38的粉细砂层，水灰比应控制在0.7～0.8，通过室内响应面试验配制具有抗水分散性新型浆液：

表1新型浆液配比

步骤4：通过滤饼生长速率曲线变化规律确定出，对于孔隙率为0.38的粉细砂层，水灰比为0.7～0.8的浆液，实际注浆过程中应控制注浆压力为0.4Mpa可保证滤饼的快速生成；自主研发设计盾尾注浆相似模型试验系统，如图5-6所示，通过改变盾尾注浆工况进一步优化注浆施工参数，其中，注浆压力为0.4Mpa，注浆率为180％，上下注浆孔注浆量比值为1.5:1，盾构机掘进速度为40mm/min～50mm/min，可快速地完成富水粉细砂层盾构注浆施工。

实际注浆施工过程中，受浆液自重影响，上部注浆管处浆液会向盾尾间隙底部流动，导致盾尾间隙顶部浆液填充不均匀，从而造成地表产生较大沉降值，本发明为改善盾尾间隙顶部浆液填充不充分从而不能生成滤饼抵御地下水的问题，进一步改变注浆管位置确保滤饼能够在整个盾尾间隙中生成。

确定上下注浆孔注浆量比值后，优选的，通过盾尾间隙所需注浆量推断出注浆管最佳位置，从而确保浆液在盾尾间隙中填充充分。

已知注浆量进一步确定注浆管位置可由下式确定：

其中，Q为一环管片所需注浆量；

R

R

l

θ为注浆管注浆影响范围对应圆心角；

由试验过程中确定的上下注浆孔最优注浆量比值可以得出上下注浆孔位置关系：

由Q

又θ

工程实际中可通过适当地将上注浆管布置在盾尾间隙顶部附近，进而确保浆液能够在盾尾间隙顶部扩散形成滤饼及时阻水，如图7所示为上下注浆孔位置布置示意图，从图中可以得出，当上注浆孔布置完毕后，进而可得出θ

结合图1～6及公式(1)和(6)可以看出，滤饼生长方程均与浆液性质(水灰比)有关，因此，通过本发明的理论公式可以确定出，盾构在不同孔隙率地层中注浆时，所需浆液水灰比范围，一种富水粉细砂层盾尾同步注浆生成滤饼层快速施工方法实现在于，通过式(1)和式(6)分析滤饼生成厚度及速率变化曲线，初步确定一定孔隙率土层的适配性浆液水灰比范围及合理注浆压力设置值，为使浆液能够具有抗水分散性，通过室内响应面试验确定新型浆液配比，为更进一步确保浆液能够快速在盾尾处形成滤饼环箍，通过盾尾注浆相似模型试验确定注浆施工参数，确保浆液在富水粉细砂地层中能够快速填充盾尾间隙，确保后续浆液在盾尾间隙中及时充满支撑隧道。

以上所述即为本发明的实施例，但其并不仅限于说明书和实施方式中所列运用方式，其完全可被用于各种适合本发明领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现其另外的修改。因此，在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例，且均包括在本发明的专利保护范围内。