劉　瑋,謝佳偉,賴友君,傅金陽,陽軍生

(1.廣東華隧建設股份有限公司,廣州　510620； 2.中南大學土木工程學院,長沙　410075)

1　概述

盾構管片背后同步注漿可有效充填盾尾空隙，控制地面下沉、管片上浮等問題，對盾構隧道施工控制起關鍵作用?？紤]到同步注漿的注漿成本、工藝、效果等問題，選擇合適的材料和配比顯得尤為重要。

在不同的地層條件下，盾構隧道盾尾注漿需要滿足不同的性能要求，同時，漿液的特性還需要滿足現(xiàn)場設備的要求，因此需要對影響漿液性能的各因素進行深入的試驗研究。根據漿液不同的性質，可將其劃分為惰性漿液和活性漿液。惰性漿液中不含水泥等凝膠物質，強度較低，活性漿液的強度相對較高?？紤]到工程的最優(yōu)技術經濟指標，對于特定的地質條件和施工條件需要選擇特定的注漿方案，目前注漿材料發(fā)展迅速，種類龐雜，如何選用合適的材料和配比成為了注漿工藝中的關鍵問題。

廣佛環(huán)城際鐵路陳村2號隧道工程盾構段采用兩臺直徑為8.84 m的土壓平衡盾構機開挖，管片外徑8.5 m，內徑7.7 m，寬1.6 m。盾構穿越地層條件復雜，包括細砂～粉砂層、淤泥～泥巖地層，且多處為復合地層。廣州南站段隧道上覆地層為富水復合地層，地下水位埋深較淺。由于存在盾構直徑大、穿越地層條件復雜、地下水含量豐富等不利因素，使得陳村2號隧道盾構段施工風險大為增加。尤其是盾構穿越的為武廣客運專線高架橋，屬于變形敏感建筑結構物。因此，控制地表沉降成為了本項目的關鍵之處，要求同步注漿漿材具有充填速度快，保水性好，離析率低等性能。另外，漿液在高壓富含水的條件下灌注可能會部分流失，導致漿體出現(xiàn)離析，密度不均勻等問題[1]。

本研究主要探討同步注漿采用的活性單液漿材料配比優(yōu)化的問題，通過優(yōu)化設計的方法，對比不同配比漿液的性能指標，綜合多種因素得到最優(yōu)性能的漿液材料配比，并及時運用到現(xiàn)場同步注漿施工中去，以期對控制地表沉降有一定作用，獲得更高的工程效益，并可為類似工程提供借鑒。

2　漿液配比試驗

2.1　漿材要求

經過大量試驗研究及相關資料分析，在富水復合地層盾構快速掘進中，同步注漿要求漿材滿足以下要求[2]：充填性能好，能快速、飽滿地填充盾尾空隙；和易性較好，離析率低，保水性強；初凝時間較短，并可根據需要進行調節(jié)；漿液硬化后的體積變化較小，具有較好的不透水性；應有合適的稠度，以便不被泥水稀釋；注漿不堵管，無公害，價格低。本項目的具體技術性能要求見表1。

表1　漿液性能指標

2.2　試驗方法

(1)漿液的組成成分。漿液材料主要采用以水泥(華潤散裝水泥，規(guī)格為P.O32.5R)、粉煤灰(珠江電力Ⅱ級粉煤灰)、膨潤土(飛來峰鈣基膨潤土)、細砂(惠州金業(yè)生產的細河沙)和水為原料的可硬性活性漿液，其保水能力強、抗水分散性較好、體積收縮率低。外加劑為康特爾聚羥酸系高效減水劑和昊欣9 mm聚丙烯纖維[3]。

(2)均勻試驗設計。注漿材料單液硬性漿的主要影響因子可分為：膨水比、水膠比、粉灰比、膠砂比。其中膨水比為膨潤土與水的用量之比，水膠比為減水劑與膠凝材料的用量之比，粉灰比為粉煤灰與水泥的用量之比。本次試驗探究各影響因子對漿液性能的影響程度，并據此找出適用于富水復合地層的活性單液漿配合比。傳統(tǒng)正交設計[4]的試驗方法進行各影響因子對比將需要巨大的試驗量，試驗周期長且成本較大，故本研究采用了均勻設計的試驗方法。

均勻試驗設計方法源于數(shù)論方法中的“偽蒙特卡羅方法”，在多因素多水平試驗設計方面有著巨大的優(yōu)勢。周梅等[6]用均勻試驗設計方法探討了各成分配比對自密實混凝土的性能影響，胡小勇等[7]用均勻試驗的方法揭示了配比參數(shù)對充填料漿及膠結體性能的影響。本方法的原理為將數(shù)據點在高維空間內充分均勻分散，提高數(shù)據的代表性，可以顯著精簡試驗次數(shù)，適用于復雜科研課題的研究，為了方便建模和優(yōu)化，通常根據試驗目的僅在重點試驗因素上設置典型試驗。

根據現(xiàn)場已有配比情況取水泥質量范圍在100～180 kg，粉煤灰取值范圍在320～480 kg，膨潤土取值范圍在40～120 kg，砂的取值范圍在650～850 kg，水的取值范圍在300～400 kg，設計了以水泥、粉煤灰、膨潤土、砂、水的含量為基礎的均勻試驗，根據均勻試驗的原理安排15組試驗，即5因素15水平均勻設計，選用U15(55)均勻設計表來安排試驗，具體試驗設計見表2。

表2　各試驗漿液材料配比參數(shù)

為了排除試驗的偶然因素干擾，每組配比同時制作了3個對比試塊，取各參數(shù)平均值進行數(shù)據統(tǒng)計，根據均勻試驗的需求，制作了15組試驗試塊，如圖1所示。

2.3　試驗結果分析

根據上述均勻試驗，得出的試驗結果見表3。

圖1　均勻試驗試塊分組

表3　均勻設計試驗結果

根據試驗結果可以看出：漿液泌水率與水膠比成正比關系，與膠砂比、粉灰比、膨水比則成反比關系。泌水率與膨水比的關系曲線見圖2。

圖2　泌水率與膨水比關系變化曲線

漿液凝結時間與粉灰比成正比關系，與膠砂比成反比關系；當水膠比、膨水比較小，凝結時間與之成反比關系，但變化不明顯，達到一定值后，與之成正比關系，呈非線性變化，具體見圖3和圖4。

圖3　凝結時間與膠砂比關系變化曲線

圖4　凝結時間與膨水比關系變化曲線

在給定的試驗范圍內，漿液流動度隨時間增加而減小，漿液在前2 h內流動度的經時損失較大，在2～8 h內流動度經時損失比較均勻。流動度經時損失性變化曲線如圖5所示。

實際施工中，剛配制的漿液短時間內便明顯降低流動度，并可能殘存于注漿管道中造成堵管，因此，需要根據施工條件適當調整漿液的流動度經時損失性。另外，流動度受水膠比、膠砂比、膨水比影響較大，粉灰比影響則相對較小，流動度與水膠比、粉灰比成正相關的關系，與膠砂比、膨水比成負相關的關系。

漿液中水泥的含量和等級對硬化后的強度影響很大，在相同水泥等級條件下，漿液強度就取決于漿液中水泥的含量，由于粉煤灰的強度很低，當粉灰比增大，水泥的含量相對變小，漿液的強度隨著粉灰比的增大而減小。

圖5　流動度的經時損失性

2.4　配比優(yōu)化

盾構管片背后同步注漿要求漿液短時間內滿足良好的可泵性，快速充分地填充相應的空隙，具有一定的早期強度，同時達到一定的經濟效益。為了同時滿足以上多個目標的要求，求解得到同步注漿材料的最優(yōu)配合比，需要采用多目標規(guī)劃方法。多目標規(guī)劃方法廣泛運用于將復雜問題量化決策，本次試驗采用Matlab軟件進行優(yōu)化求解。

對于此類任何多目標規(guī)劃問題，都由兩個基本部分組成[9]：

(1)兩個以上的目標函數(shù)；

(2)若干個約束條件。

根據每個目標函數(shù)的約束條件，對每個目標函數(shù)先分別假定一個合理的期望值，最終試驗結果應該使每個目標函數(shù)盡可能地接近該期望值，用Matlab優(yōu)化工具使得各級目標的偏差變量達到最小。

可硬性漿液在實際施工中，漿液達到以下要求，即可認為漿液的性能達到最優(yōu)[10]：

(1)漿液的初始稠度應介于9～13 cm；

(2)漿液的初始流動度值應大于25 cm；

(3)漿液4 h后的流動度值應不小于20 cm，8 h后的流動度值不小于16 cm；

(4)漿液泌水率應小于5%；

(5)漿液的1 d強度應大于0.2 MPa；

(6)漿液的28 d強度應大于2.5 MPa。

根據漿液最佳凝結時間，得到目標函數(shù)：

min|f凝結時間-8|=125.102-182.38x1-

88.432x1x3+111.207x2x3+6.202x2x4+

實際施工中，每環(huán)的注漿量按方量來計算，本試驗各配比的漿液的密度在2.03～2.16 kg/L，較為接近，因此，本報告將每環(huán)的注漿量近似按照質量計算，得到每1 000 kg漿液各材料組分的質量為(水泥、粉煤灰、膨潤土、砂、水的質量分別用C、F、B、S、W表示)。

考慮優(yōu)化配比后的砂漿成本不高于現(xiàn)場原設計采用砂漿配比的注漿成本。水泥的市場價格為290元/t，密度2.60 g/cm3；粉煤灰244元/t，密度2.40 g/cm3；膨潤土330元/t，密度2.20 g/cm3；砂122元/m3，密度2.50 g/cm3。原設計采用的單液型活性水泥砂漿的成本為123.7元/t，對應的同步注漿材料成本

c成本=

在Matlab中，調用多目標規(guī)劃算法，輸入以上約束條件，得出漿液的優(yōu)化配比見表4。

表4　漿液最優(yōu)配合比

該配比的注漿成本為115.9元/t，相對現(xiàn)場采用的單液型活性水泥砂漿節(jié)省成本7.8元/t。

3　配合比優(yōu)化結果

分別采用優(yōu)化后的配比和現(xiàn)場原設計采用的配合比進行砂漿試驗，以驗證配比優(yōu)化試驗的正確性和有效性，試驗結果見表5。

表5　最優(yōu)配合比驗證試驗結果

與現(xiàn)場原設計采用的配合比相比，采用最優(yōu)配合比砂漿的流動度、凝結時間、抗壓強度性能均有明顯改善，泌水率則略有增大，但小于5%?，F(xiàn)場設計配比砂漿的流動度經時損失性較大，無法滿足表1提出的注漿漿液的各項物理性能指標要求，最優(yōu)配比的試驗結果則達到了以上要求。優(yōu)化配比試驗的正確性與有效性獲得了驗證，可為現(xiàn)場應用提供有益參考。

4　結語

通過上述試驗，得出以下結論。

(1)在漿液的物理性能方面：流動度的經時損失性受含水率影響較大，需要根據施工條件適當調整漿液的流動度經時損失性，盡量做到漿液隨用隨配。漿液泌水率與水膠比成正比關系，與膠砂比、粉灰比、膨水比成反比關系。在一定范圍內，漿液凝結時間與膠砂比成反比，與粉灰比成正比，隨水膠比、膨水比的增大先縮短再增加。

(2)在漿液的力學性能方面，由試驗結果可知，在一定范圍內，漿液的強度與膠砂比成正比，與水膠比、粉灰比成反比。

(3)根據均勻試驗的結果，對于本地區(qū)類似富水復合地層大直徑盾構掘進工況，推薦選用質量比為水泥∶粉煤灰∶黏土∶生石灰∶硫酸∶鈉∶水=1∶2.56∶0.30∶4.90∶2.32的配合比的漿液。

(4)最優(yōu)配合比砂漿的流動度、凝結時間、抗壓強度性能相對于原設計配比砂漿均有明顯改善，可彌補其流動度經時損失性不滿足要求的不足。

參考文獻：

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