（岩土工程专业论文）盾构穿越邻近建筑物的同步注浆控制理论与技术.pdf

摘要 摘要 在盾构施工控制中，同步注浆技术一直足一个很重要的因素。它对盾构施工 期问以及施工后期的沉降控制起着火键作用。本文土要通过理论分析，探讨了 同步注浆机理以及存近距离穿越构建筑物时的摔制技术。归纳起来，具体的研 究和所获得的一些重要的成果女i l 卜： ( 1 ) 根据岩体裂隙注浆理论，探讨了同步沣浆填充模式，并进行了理论公式 推导，得出了盾构同步注浆横向填充及纵向填充时的受力模型，浆液采用牛顿 流体及宾汉流体时的眶力扩散模型及其推导公式。对影响i 司步注浆压力的各凶 素进行了分析，包括：同步注浆流量、浆液材料及盾构i h j 隙大小。 ( 2 ) 对同步浆液渗透模式进行了初步研究，把管擘层流理论运用到同步注浆 渗透模式中，并通过对同步注浆渗透模式的一些假设，得出了同步注浆渗透量 的理论计算公式。对影响渗透量的参数：土体渗透系数、土体孔隙率、浆液粘 度、浆液静剪切力和渗透时间进行了研究。 ( 3 ) 分析了在微扰动控制时，同步注浆压力波动、压力消散、浆液收缩及盾 尾漏浆等的影响，得出其控制方法。并提出了同步注浆的压力以及注浆时机的 最优选择。 ( 4 ) 对不同土质、不同穿越模式，包括上穿越地铁、下穿越地铁及穿越膀屋 时，同步注浆的摔制技术进行了分析。 最后，关于进。步：j ：作的方向进行了简要的讨论。 关键词：盾构，同步注浆机理，近距离穿越，微扰动控制，注浆压力 摘要 ab s t r a c t s y n c h r o n o u sg r o u t i n gi sv e r yi m p o r t a n tf o rt h ec o n t r o lo f s h i e l dc o n s t r u c t i o n i t p l a y sak e yr o l e i nt h eg r o u n dm o v e m e n tc o n t r o ld u r i n ga n da f t e rt h ec o n s t r u c t i o n i t w a ss t u d i e di nt h i sp a p e rt h a ts y n c h r o n o u sg r o u t i n gc o n t r o lt h e o r ya n dt e c h n o l o g yf o r s h i e l dc l o s ec r o s s i n gs t r u c t u r e s g e n e r a l l y , t h er e s e a r c hw o r kc a nb es u m m a r i z e da s f o il o w s ( 1 ) b a s e d0 1 1t h et h e o r yo ff r a c t u r eg r o u t i n g ，t h ef i l l i n gt h e o r yo fs y n c h r o n o u s g r o u t i n g w a ss t u d i e d m e c h a n i s t i cm o d e lo fh o r i z o n t a la n dv e r t i c a lf i l l i n gw a s a n a l y z e d g r o u t i n gp r e s s u r ec a l c u l a t i o n f o r m u l aw a sd e d u c e dw h e nt h eg r o u t i n g m o d e lw a su s e db yn e w t o n i a nf l u i da n db i n g h a mf l u i d p a r a m e t e r si nt h ef o r m u l a i n c l u d i n gs y n c h r o n o u sg r o u t i n gv o l u m e ，t h et y p eo fg r o u t i n gm a t e r i a la n dg a p es i z eo f t u n n e lw e r ea l s oa n a l y z e d ( 2 ) s y n c h r o n o u sg r o u t i n gi n f i l t r a t i o nw a ss t u d i e d f o r m u l ao fs y n c h r o n o u s g r o u t i n g i n f i l t r a t i o nw a sd e d u c e db ym e a no fs t u d y i n go ft u r b u l e n t f l o wa n d d i s p l a c e m e n tl a wi np i p e t h ep a r a m e t e r so fp e r m e a b i li t yc o e f f i c i e n ta n dp o r o s i t yo f s o i l ，v i s c o s i t ya n df l u i ds t a t i cs h e a rs t r e s so fg r o u t i n g ，p e n e t r a t i o nt i m e ，w h i c he f f e c t s y n c h r o n o u sg r o u t i n gi n f i l t r a t i o n ，w e r es t u d i e d ( 3 ) t h e e f f e c to ff l u c t u a t i o na n d d i s s i p a t i o n o fs y n c h r o n o u sg r o u t i n g p r e s s u r e ，s h r i n k a g eo fg r o u t i n gs l u r r ya n dl e a k a g eo fs h i e l dt a i lw a sa n a l y z e d a n d t h ec o n t r o lf o rt h e s ep r o b l e mw a sg i v e n ( 4 ) t h es y n c h r o n o u sg r o u t i n gc o n t r o lo fs h i e l d i nd i f f e r e n ts o i l ，c r o s s i n gt h e t u n n e la b o v ea n dd o w nb e l o w ，c r o s s i n gt h eb u i l d i n go nt h eg r o u n dw a ss t u d i e d i nt h ef i n a l i t y , t h ep r o b l e m sr e q u i r i n gf u r t h e rs t u d i e sa r ed i s c u s s e d k e yw o r d s ：t u n n e l ，s y n c h r o n o u sg r o u t i n gt h e o r y , c l o s ec r o s s i n g ，s m a l ld i s t u r b a n c e c o n t r o l ，s y n c h r o n o u sg r o u t i n gp r e s s u r e 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名： 杏之胡 矽口7 年弓月1 1 日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名： 杏忘骧 卯护夕年多月，f 日 第1 苹绪论 1 1 概述 第1 章绪论 注浆是借助于压力( 液压、气压) 或电化学的原理将具有胶凝能力的浆液 通过一定的管路注入土层( 或岩层) 中的空隙、裂隙与空涧中，将其中的水分与空 气赶走，将松散破碎的岩( 土) 层胶结起来，以达到改善岩( 土) 层性能( 降低岩、 j l ：层的渗透性；提高岩、j i ：层的强度与承载能力；减少岩、j t 层的变形) 的目 的的。种施1 ：方法。盾构法同步注浆就是在隧道内将具有适当的甲期及最终强 度的材料，通过注浆泵及盾尾的注浆管，按规定的注浆压力和注浆量在盾构推 进的同时填入盾尾空隙内的一种施工工艺，如图1 1 、图1 2 。浆液在盾尾空隙形 成及时填允，从而使周围岩体及时获得支撑，可有效防止岩体的坍塌，控制地 表的沉降。 盾尾空隙 图1 1 盾尾空隙和肇后同步注浆 盾尾密封 图1 2 同步j 卜浆示意图 第1 章绪论 自l8 6 4 年p w b a r i o w 获得第一个用于盾构的注浆专利( 该专利主要用于隧道 及地卜坑道的修造) 以来，盾构施i ：中注浆技术己经取得了长足的进步。其丰 流工艺也已经由单液管片后方注入力式发展成为双液同步注入力式。盾尾注浆 技术所采用的施t t 艺与浆液材料的选择，1 i 仅决定了隧道施t 能含安全顺利 的进行，而且极人的影响着隧道工程生命期内的质量和剧围环境的安全。 在盾构掘进过程中，通过与盾构推进同步进行的同步注浆，及时在脱出盾 尾衬砌背后的建筑空隙内充填适当数量和合理配比的注浆材料是提高施：l ：质量 和减少地表沉降的重要技术措施。 同步注浆的i ：t 的主要有以下四个方面2 】： ( 1 ) 尽早填允地层，减少地基沉陷量，保证环境安全； ( 2 ) 确保管片衬砌的早期稳定性和问隙的密封性，防止管片上浮； ( 3 ) 作为衬砌防水的第道防线，提供长期、均质、稳定的防水功能； ( 4 ) 作为隧道衬砌结构加强层，具有承载力。 起初上海地铁盾构使用的浆液是由f c b 公司提出使用的惰性浆液法方 浆，稠度控制在8 5 1 l 之问，浆液配比如表1 1 所示。浆液的特点是：( 1 ) 流动性 好；( 2 ) 强度低；( 3 ) 固结时间长；( 4 ) 有游离水出现；( 5 ) 有体积收缩现象。 表1 1f c b 惰性浆液配方【1 】 细砂粉煤灰陶十含水量粘粒含量 编号 ( k g )( k g )( k g ) ( )( ) 16 0 03 1 0 9 05 0 3 26 8 03 l o8 04 6 7 3 但总的米说，离浆液戍满足的条什差得很远，不能很好的控制地表沉降， 由。j ：浆液呈液态，集中存隧道底部，若注浆雎力或者注浆茕摔制不好，隧道有 漂浮不定现象。一旦盾构在掘进过程中对i ：体扰动稍大或遇到地质条件较差地 2 第l 章绪论 段，就可能造成地表后期沉降量的增大，且沉降稳定时问较长，这样同步注浆 的优势就未得到充分体现。 根据上海l ：质情况及工程经验，上海市隧道公司研制出了新型惰性浆液。 组成浆液的原材料主要是土和砂，基本配比为土：砂为i ：l ( 体积比) ，外掺剂掺量 为5 。土是采用盾构施工中的弃土，方便义节省费用，但是由于原状土经过盾 构川盘的切削、挤压和制浆时的搅拌、泵送等剧烈扰动，已经成为重塑十。为 了达到要求，需要掺入其他成份：砂以及外掺剂。选用的外掺剂丰要功能为减 小浆液内部摩阻力。使浆液在相同的含水量下，具有相对低的剪切力，以利于 作长距离泉送，减小象的注浆压力的损欠。而且采用复合外渗剂可使浆液长期 强度增加。随后上海通过实验研究及工程应用，得出了可硬性浆液的配方，工 程效果小错。 在上海延安东路隧道南线的圆形隧道部分，采用大型泥水平衡盾构进行掘 进，施工中同步注浆浆液采用了几力提供的双液注浆。选用水玻璃、水泥膨润 土速凝浆液作为填充材料。水泥作为同化剂在配合料中起到提高强度的作用， 加入适量的膨润土可防i 卜浆液的离析，稳定剂的作用足减缓浆液的沉秘速度， 膨润十和稳定剂还可以提高浆液的泉送性能，防止浆液在输送管路中过早沉积 而堵塞管路，水玻璃作为速凝剂按不同的比例加入浆液中可调整初凝时间和甲 期强度。随着大直径的盾构工程的增多，发现原有的同步注浆浆液对隧道上浮 影响较大，为解决这一问题。隧道股份通过研究得出了大比重浆液，其对抑制 隧道上浮有很好的效果。 日前上海地铁发展速度快，各路线交叉以及穿越地表、地下构( 建) 筑物 的l ：程也越来越多。在地铁l l 号线4 号标中【3 】，盾构成功穿越了已倾斜1 7 的危 i 几房屋，并控制其施工沉降在l o m m 以内。9 号线6 l j - i 标中，在覆i ：深度较浅( 4 m 左右) 的情况下，成功上穿越与之间距仅为0 8 3 m 的l 号线，其上浮沉降控制在 第1 章绪论 3 m m 以内。在近距离穿越管线、高架、密集建筑等工程中，都取得了成功。在 这些穿越中，同步注浆起到的作用都事关重要，各项目都获得了大量的：i ：程施 工经验。但是，对于同步注浆的理论研究很少。其注浆后问隙内浆液压力分布， 其对周边环境的影响，以及各参数控制的理论依据都彳i 是很清楚。 1 2 同步注浆理论与技术的研究现状与不足 1 2 1 浆液材料技术发展研究 壁后注浆材料是关系到注浆成败的关键之一，它直接影响到注浆成奉、注 浆效果、注浆工艺等一系列问题。盾构施工中的注浆的目的有三点：防止地层 变形、提高隧道的抗渗性、确保管片衬砌的早期稳定( 外力均匀) 。同步注浆的必 要条件由填充性、限定范围、吲结强度( 早期强度) 三要素组成，如图1 3 所示，这 一者之问具有梢辅相成相互制约的关系【5 】。 地_ 弁竹 结强度 ( 早划碰艘) 图1 3 同步注浆t 要素 限定池f f j ( 防l i ：流失) 为保证同步注浆的效果，根据地层要选择不同材料进行配比。注浆材料选 取的基本原则【6 j ： ( 1 ) 具有良好的长期稳定性及较低粘度，以满足远距离泵送技术要求。 ( 2 ) 具有良好的填充性能，能在尽可能低的压力下实施限定区域填充注浆。 ( 3 ) 尽可能早地获得高于地层的早期强度，且长期强度彳i 低于2 o m p a ，并 具有良好的抗渗性能。 4 第1 章绪论 ( 4 ) 彳i 被地下水稀释。 ( 5 ) 司结后体积收缩小，泌水率小。 ( 6 ) 原料米源丰富、经济，施工管理力便，并能满足施工自动化技术要求。 ( 7 ) 一无公害，价格便宜。 1 2 i i 单液浆 单液浆由粉煤灰、砂、水泥、水、外加剂等材料在搅拌机中一次拌和f 成， 这种浆液义可分为惰性浆液和可硬性浆液。惰性浆液即浆液中没有掺加水泥等 胶凝物质，早期强度和后期强度均很低的浆液。而。日j 硬性浆液是在浆液巾掺加 了水泥等胶凝物质，由粉煤灰、砂、水泥、水、外加剂等在搅拌机中次拌合 而成，具备一定早期强度和后期强度的浆液。 对于惰性浆液，浆液强度、初凝时间、象送性能和含水量密切相关，含水 量高，则强度低，泵送性好，含水量低，则反之；对于可硬性浆液，浆液强度、 初凝时间、泵送- 陛能和水灰比密切相关，水灰比高，则强度低，泵送性好，水 灰比低，则反之。单液浆的各丰要组成材料作用及性能如卜【7 】： ( 1 ) 水泥 通过奉身可以发生水化而获得强度，而且水泥呈碱性，也可以激发粉煤灰 发牛火山灰反应获得强度，因此，在很多苷惰性浆液中，都会掺入，。定量的水 泥。但是，水泥的掺量不宜太高，否则会导致浆液凝结时问缩短，而且掺入过 多的水泥会大大提高浆液的成本。 ( 2 ) 粉煤灰 在非惰性浆液中，粉煤灰是主要成分之一，其作用主要有两方面：一是改 善工作性能。粉煤灰的粒径细小，外观呈圆形，在浆料中可起滚珠轴承的效应， 有助于流动，故口j 在给定稠度下能降低需水量，用粉煤灰代替水泥后，在坍落 第1 幸绪论 度1 i 变的情况下可大大降低需水量，可见，在注浆浆液中使用大量粉煤灰，由 于用水减少而可以减少离析和泌水；二是在熟石灰等碱的激发。卜发牛火山灰反 应，由于无定形或玻璃态氧化硅是火山灰的主要成分，与氢氰化钙等反应形成 水化硅酸钙，从而使浆液具有一定的强度。冈为粉煤灰与碱( 熟石灰粉) 反应生成 具自强度的凝胶，故它们的比例对浆料的最终性能有重要影响。 ( 3 ) 膨润十 具有两个显著的性质：t 个是吸湿性。由于膨涧土是- 种具有层状结品结 构的无机盐，水分子能够进入其层状结构中，囚此膨润i ：能吸附8 1 5 倍于本身体 积的水量：二是触变性，当膨润土分散在水中时，晶片边缘上的o h 基团间形成 氢键，使膨润土具有i 维结构，也就是卡甘互交联形成连续网格状结构，此时， 膨润十呈凝胶状，但氧键的键能很弱，当受到虑力作用时易破坏，这时，膨润 土又具有另一个显著的性质，即良好的流动性，与液体相仿，再次静止后，氢 键恢复，粘稠度重新增大，再次进入凝胶态，这一特点使得膨润+ i ：具备了优异 的触变性，在水介质中能分散呈胶体悬浮液，具有一定的粘滞性、触变性和润 滑性。不加膨润土时，砂浆虽然具有较大的流动度，但不能自由地从容器内流 出；加入膨润十后，虽然砂浆的流动性降低，流动经时损失加快，但浆液的稳 定性好，粘聚性增大，即使砂浆相当粘稠时，砂浆仍可以从容器中流出。 ( 4 ) 抗水分散剂 在越江隧道或其它高压富水地质条件下的盾构施t 中，由于非惰性浆液初 期凝结速度慢，凶此，可能会舀i 注入后被高压水稀释，改变了浆液的实际水胶 比，严蕈影响浆液的强度和耐久性。目前，抗水分散剂一般为高分子絮凝剂， 丰要为纤维素类、聚丙烯酰胺类、聚糖类二大系列。加入少量的增稠剂或絮凝 剂，可以有效地提高浆液的抗水分散性能，但也可能延长浆液的凝结时问，降 低浆液的强度，冈此，在施t 中使用高分子絮凝剂时，要先进行试验，以使负 6 第1 章绪论 面影响最小。 ( 5 ) 减水剂 由于减水剂( 实际上是一种分散剂) 可减少粉末颗粒的团聚现象，释放了团聚 颗粒所包裹的水分，使在相同流动性时所需要的水份减少，冈而在注浆材料中 加入适量的减水剂，便可人人改善浆液的流动性、提高浆液的强度以及保水能 力等。 ( 6 ) 熟石灰 不少非惰性浆液是在惰性浆液的基础上加入一定量的水泥制成的，使之在 保证凝结日、j 问的前提下增加浆液的强度。但是，在不少盾构的施t 中，非惰性 浆液( 有时也叫硬性浆液) 使用了，上石灰或熟石灰，通过粉煤灰的碱激发反应获得 强度。粉煤灰的主要活性成分是氰化硅和氧化铝，它们均可与氧氧化钙发生反 j 立。 囚此，当以粉煤灰和石灰或熟石灰作为单液型硬性浆液时，理论上可以反 应式和粉煤灰的成分，计算两种材料的配比。实际上，反应并非是彻底的，冈 此，随着两种材料颗粒细度的不i j ，最佳配比还足有些变化的。多数情况下， 粉煤灰与熟石灰的质量比在( 3 5 ) ：1 。 ( 7 ) 其它原料 非惰性浆液中也可加入一些其它的原料，以改善浆液的性能。在浆液中可 以考虑加入氢氧化钠，它的作用是：提高浆液的碱度，促进粉煤灰的火i i i 灰反 应；与膨润土发生反应，使膨润土钠化，打丌膨润土的层问结构，增大膨润土 的吸水能力，从而促进膨润十发挥其触变性能。此外，砂也是非惰性浆液中使 用的种原料( 细骨料) ，丰要作用是降低浆料的硬化收缩率和降低浆料的成本。 其用量可以占到固体材料的5 0 以上。 1 2 1 2 双液浆 7 第1 章绪论 双液浆是由水泥砂浆等搅拌成的a 液与由水玻璃等组成的b 液混合而成的浆 液，根据初凝时间不同分为缓结型和瞬凝型。盾构隧道同步注浆施：i ：中浆液的 胶凝时f h j 越长，越容易发生浆液向。l ：仓泄漏和向。l ：体内流失的情况，导致限定 范罔的填充困难，而且在未初凝前，浆液容易被地下水稀释产生离析。冈此， 多采用瞬凝型浆液注浆。但如果胶凝时问过短，也会造成注浆尚未完成，浆液便 已失去流动性，导致填充效果f i 佳。所以，应根据盾构推进速度、注浆量等情 况，对双液浆各成分配比进行优化，控制舣液浆的胶凝时间，使注浆效果达到 最佳。 l 、a 液组成对其基本特性的影响 为满足盾构隧道工程埘材料的远距离泵送要求，a 液必须具有高稳定性和低 粘度。试验研究表明，如1 i 掺稳定剂，a 液将在4 h 内完全失去流动性，为了获得 长期稳定的浆液，必须掺入膨润土、稳定剂。由于嘭润土的影响，浆液具有 定的剪切稀释能力，充分陈化后的膨润i ：浆液，在s w = o 0 7 时，不会给泵送造 成明显4 i 利影响。其一定的触变性具有稳定浆液、降低泌水的作用，a 瘦配方 试验成果表明【8 】： ( j ) 浆液流动性、泌水性主要受浆液中膨润十浓度的影响，从浆液的象送性 能及稳定性分析，s w = o 0 7 较合适。 ( 2 ) 适最的粉煤灰对降低泌水性具有一定作用。 ( 3 ) 尽管加入了稳定剂，由于水泥水化反应，浆液粘度均呈增加趋势，但大 部分配比的浆液粘度在6 8 h 内增加并不特别明显，能满足远距离泵选要求。 2 、b 液组成对材料基本特性的影响 以水玻璃为丰的b 液，其浓度、模数将对注浆材料的凝胶特性、强度增长特 性等产生影响。试验表明：虽然水玻璃浓度及模数越高，越有利于早期强度的 形成，但过高的甲期强度将给充填注浆施丁带来f i 利影响：对凝胶时间无显著 8 第1 章绪论 影响。考虑材料来源、成本等冈素，水玻璃浓度为4 0 b e ，模数为2 8 - - - 3 2 较合适。 表1 2 卡要浆液类型特性比较| 8 单液惰性浆虽然流动性好，价格便宜，但早期强度低，网结时间长，易流 失，不适宜应用于自立性较差的土层。卡甘反，双液浆虽然早期强度高，流动性 充填性都很好，但却存在易堵管的问题，施工时须对双液同时管理，工艺非常 复杂，且价格相对昂贵，因此目前在国内还是很少应用。而单液硬性浆早期强 度较高，能较好的充填盾尾空隙，能满足一般工程上( 自立性不是很差的1 ：层) 的施l ：要求，且价格也彳i 贵，因此得到了广泛的应用。 1 2 2 3 大 匕重浆液 目前国内基础建设的加大，出现了很多大直径越江隧道。这监盾构隧道一 股采用泥水平衡盾构机，压注的同步注浆为舣液同步注浆浆液。f 口是使用过程 中出现了如下问题： ( 1 ) 双组分浆液在混合后须保持定的流动性，确保浆液填充到位，避免 注浆混合器堵塞，但这种控制难度较人； ( 2 ) 混合后的浆液易受地下水和盾构正面支护泥水的稀释雨i 渗透影响，浆 液的凝结时间和强度难以控制； ( 3 ) 对l ：层易产生劈裂，造成注浆量远远超过理沦值，对f ：体扰动较大， 注浆成本增加； 9 第l 章绪论 ( 4 ) 隧道容易产生上浮。 为解决这- 问题，上海隧道股份有限公司【9 】通过研究把义义液浆改为单液浆， 其配方如表1 3 。但是这种单液浆与以往有所不同。比重比以往浆液较大，可以 较好的控制隧道上浮的问题，效果良好。现在一些t 程，也开始采用大比重浆 液进行抑制隧道上浮问题，都取得较好效果。 表1 3 大比董浆液配合比( 重量比k g m 3 ) 旧 消石灰粉煤灰 膨润十砂水 外掺剂 8 03 0 0 5 01 1 8 02 8 03 1 2 1 浆液材料本构理论研究 通常，流体可以分为牛顿型和非牛顿型两大类，而非牛顿型又可细分为纯 粘性体和粘弹性体两大类。其中纯粘性流体是指在剪切力作用卜产牛的仟何变 形，在除去这种剪切力后都不能恢复原状的流体，它又可分为与时问无关和与 时问有关的两类。而粘弹性流体是指剪切力作用期间所产生的变形，在除七剪 切力后能部分得到恢复的流体。其具体分类见农1 4 。图1 4 为各种流体的基本流 变曲线，所作流变曲线均属层流状态下的流变曲线【| 0 1 。 表1 4 流体流行分类 牛顿流体 翠性流体( 宾汉流体) 纯 与时i 、口j 无 幂律流体 假甥流体 粘 关的流体膨胀流体 j 仁 性 带脬服值似塑流体牛 体 带屈服值幂律流体 带屈服值膨胀流体 顿 与时口j 有触变流体 体 关的流体振凝流体 粘弹性体 l o 第1 章绪论 0 1 牛顿流体：2 假塑流体；3 膨胀体；4 塑性体；5 粘塑体： 6 带屈服值假塑流体；7 - 带届服值膨胀体；8 - 触，叟体；9 触变颦性体 图1 4 各种流体流变曲线 牛顿流体 牛顿流体的流变曲线是通过原点的直线，其方程表达式为： f = t y ( 1 1 ) 其中：r 剪切应力( p a ) ； 动力粘度或粘度系数( p a s ) ； y 剪切速率( s - i ) ；y = 一d v i d r 牛顿流体大部分是单相的均匀体系，水和大多数化学浆液以及比较稀的水 泥浆液属于牛顿流体。 宾汉流体 宾汉流体的流变曲线是不通过原点的直线。流体之所以具有这种性质是南 于流体巾含有一定的颗粒浓度，在静j - e 状念下形成颗粒之间的内部结构。当外 部施加的剪切力很小时，浆液农现出类似于同体的性质。当剪切力足够大时， 浆液才会发生类似于牛顿流体的运动。宾汉流体的流变方程可表示为： 丁2 + ( 1 2 ) 第1 章绪论 其巾：静切力( p a ) ： 塑性粘度( p a s ) ： 多数粘土浆液和一些粘度很人的化学浆液属于宾汉流体。水泥浆南牛顿流 体转变为宾汉流体的临界水灰比发生在w c 接近十l 处。水灰比大十1 属十牛顿流 体，水灰比小于1 属于宾汉流体。 幂律流体 幂律流体的流变方程为： f = c y ” ( 1 3 ) 其中：c 稠度系数： n 流变指数。当n l 时为膨胀流体。 带屈服值幂律流体 带屈服值幂律流体的流变方程为： f = z o + u y ( 1 4 ) 当n l 时为带屈服值的膨胀流体。 触变性流体 当剪切速率不变，切应力随剪切持续时问而减小的流体称为触变流体。触 变流体较常碰到，火山灰风化的胶质状粘土的水悬浮液就是触变流体。 振凝性流体 当剪切速率不变，切应力随剪切持续时间j _ j 增加的流体称为振凝流体。与 触变流体相比，这种流体较少碰到。 1 2 2 渗透理论的研究现状及存在的问题 随着注浆技术的m 现和发展，注浆理论和工艺卡h 继产生。1 9 3 8 年，m a a g 发 第1 章绪论 表了在颗粒材料中注浆的简化理论。该理沦假设浆液在均匀、各向同性介质中 流动时按球形扩散，从而使注浆压力、流量、扩散半径、浆液的粘度、地层的 孔隙性及渗透性等囚素联系起米。随后出现了柱状渗透理论，注浆工艺也在不 断革新。随着注浆技术的广泛虑用和深入研究，注浆理论也在彳i 断地发展1 。 牛顿流体渗透注浆扩散理论 代表性的渗透灌浆理论有球形扩散理论和柱形扩散理论。 1 球形扩散理论 m a a g 于1 9 3 8 年首次推导出牛顿型浆液在砂。i ：中的渗透公式，后来各国学者 又相继寻出了一些理论公式。m a a g 公式计算假定： a 被灌砂土为均质的各向| 一j 性体； b 浆液为牛顿流体； c 采用填压法灌浆，浆液从注浆管底端注入地层； d 浆液在地层中旱球形扩散。m a a g 的简化计算模式见图1 5 。 髟 。7 f r 一一地下 = 蠢浆f 一 _h 、 j 乍 兮；压 j 。；心吲 一 承垃 。 图1 5 球形扩散理论图图1 6 柱肜扩散理论图 在达西定律基础卜并结合边界条件，浆液扩敞半径一的最终表达式为： ( 1 5 ) 第1 章绪论 其中：肛_ 为砂十的渗透系数( c m s ) ：为浆液粘度对水的粘度比： 为浆液扩散半径( e r a ) ：矗为注浆压力水头( c m ) ； r o 为注浆管半径( c m ) ；t 注浆时间( s ) ； 7 为砂土的孔隙率。 m a a g 公式比较简单，对粘度随时间变化不大的浆液能给出渗入性的初步轮 廓，到现在为止它仍然被广泛使h j 。 2 柱形扩散理论 浆液柱形扩散渗透注浆公式与球形扩散渗透公式所用的假定一样，浆液同 样是符合- 十顿流体，在注浆压力作用下，浆液在孔下部呈柱彤扩散，有下列理 论计算公式： n p r , 2i n 5 - t = 尘(16ira) 2 胁 ( 1 7 ) 需要指出的是，以上各理论都是在若t 假设的前提卜推导得出的，目前现 场的注浆设计和施工基本上都是基于以上理论公式或者经验进行估计的，这就 给注浆的施t 控制带来了很大的困难。 非牛顿流体渗透注浆扩散理论存在的问题及研究意义 文献【1 2 1 对宾汉流体在岩体中的扩散规律作了一些探讨；文献【1 3 】介绍了宾汉 流体的柱曲- 扩散半径计算公式，f 日由于所提公式中包含的参数物理意义不明确， 限制了其在工程实际中的应用。对于宾汉流体球形扩散理论以及幂律流体球形、 柱形扩散理论的研究，日前未见有这方丽的报导。 随着注浆材料日新月异的发展，非牛顿体浆液人量出现，而这些浆液的性 1 4 第1 章绪论 能在某些方面往往要大大优于牛顿流体。但由于注浆理论的1 i 完善，人们在选 用这些浆液时会农现得非常慎重甚至保守，这将极大地限制这类浆液在j r 程实 际c j 的应用，也不利于新型浆液的开发。囚此，研究和发展新的注浆理论，具 有异常重要的意义。 1 2 3 裂隙流动理论研究 ( 1 ) 牛顿流体的注浆理论 刘嘉材教授研究了二维光滑裂隙中牛顿流体的流动规律，如图1 7 ，根据 牛顿摩阻力定律，推导出了扩散半径与注浆时间的表达式： 图1 7 浆液扩散模工图 r = 2 ( 1 - 8 ) 式中：肛q 液扩散半径( m ) ： 产主浆孔内压力( p a ) ； 只裂隙内静水压力( p a ) ； 卜主浆时间( h ) ： 6 豸2 隙宽度( m ) ； 眭浆孔半径( m ) ； 刀浆液仞始精度( p a j ) 。 该式可用来计算浆液的扩散半径和灌浆时间，也可根据扩散半径求所需的 第1 章绪论 注浆压力。在公式推导的过程中，将注浆流量9 用含有最大扩散半径r 的式子太 简化农达式，把q 看作。个常数，而实际上浆液流量是随注浆时间的变化而变化 的，不应是常数，同时该公式的推导没有考虑裂隙料糙度的影响，对地下水阻 力的影响考虑也4 i 够，难以用来正确地计算浆液的渗透距离利评价裂隙的可灌 性。 b a k e r ( 1 9 7 4 ) i s 】针对牛顿流体在裂隙内的辐射流动，采用半直、光滑、等 开度的平行板裂隙模犁，并假定注浆压力只和流鼍q 恒定不变，导出了如下层流 关系式： p o - p = 6 肼p _ _ _ _ q q n r + 瓣( 击) ( 1 9 ) 式中： 只在半径为的钻孔内的压力( p a ) ； 尸l 哪距离为r 处的压力( p a ) ； 驴磁液的体积流量( m 3 s ) ； 浆液的动力粘度( p a s ) ； p 浆液的密度( k g m ) ； b 裂隙开度( m ) ； 卜磁液的扩散半径( m ) ； 钻孔半径( m ) 。 上式第一项为摩擦造成的压力损失；第二项是辐射流中动能改变而造成的 压力损穴，常被略出不汁。 张良辉【怕1 考虑粗糙度和地下水粘性阻力的影响推导了牛顿流体灌浆时| 开j 与 扩散半径关系的公式： r = 篙k 一等+ v 睁等) 一孙告) + 竿” 式中：芒灌浆u 寸问( h ) ； 6 裂隙开度( m ) ； 第1 章绪论 t 粗糙度系数； 矿趣力加速度( m s 2 ) ； 灌浆孔孔底压头( m ) ； 吃地下水静水压头( m ) ； k 浆液的运动粘性系数( p a s ) ； v 水的运动粘性系数( p a s ) ： 灌浆孔半径( m ) ： r 哪液在仟意时刻的扩散半径( m ) ； 乞地下水的影响半径( m ) 。 上述公式考虑了粗糙度和地卜水的影响半径，更接近于实际情况，但公式 只考虑了水平裂隙，不具有代表性，未考虑浆液的粘度时变。陀，只考虑了牛顿 流体，且裂隙隙宽的取值也彳i 明确。 石达民等人对时变性牛顿流体进行过实验研究，推导了浆液作- 维层流 时压力的变化规律 m 斗警焉 ( 1 1 1 ) 式中：暑、墨分别为灌浆孔内及浆液锋面处的压力( p a ) ； k 为浆液最大扩散距离( m ) ； ( f ) 、( o ) 分别为灌浆后t 时刻和灌浆丌：始时浆液的粘度。 上式表达出了浆液运动过程中的项基本规律，即浆液粘度随时间的延续 不断加人，灌浆压力衰减的速率不断增加。但该式不能用于评价浆液的扩散半 径随时间的变化情况。 第1 帚绪论 ( 2 ) 宾汉流体的注浆理论 多数粘土浆液、粘度很大的化学浆液及水狄比小于l 的水泥浆液均属于宾汉 流体。由于宾汉流体比牛顿流体具有较高的流动阻力，因而两种浆液要达到相 同的扩散距离，则宾汉流体需要较高的注浆压力。 与牛顿流型相比，宾汉模型能更好地反映悬浊浆液存在内聚力的特征，因 而自8 0 年代以来许多研究者都采用了这一模型。隆巴迪等人对浆液的内聚力在 灌浆中的作用做过详细阐述，指出稳定的水泥浆是典型的既有粘度、又有内聚 力的粘塑性宾汉体，浆液的粘度决定着浆液在一定的压力下于可灌裂隙内从灌 浆4 l i h j 远处渗流的速度，而内聚力则决定着浆液能够到达的最远距离。由于浆 液的内聚力有限制浆液扩散的作用，所以浆液的扩散距离总足有限的，灌浆所 需的时间则取决于浆液的粘度。冈此，国内外学者推导出了许多宾汉流体在岩 体裂隙中流动规律的表达式。 g l o m b a r d i ( 1 9 8 5 ) i s l 根据力的甲衡，导出了在开度为b 的裂隙中浆液的最 大扩散半径k 为： 疋。= 筹 ( 1 1 2 ) 式q j ： 只。为最大灌浆压力( p a ) ； c 为浆液的内聚力。 维特克( w i t t k e ) 和沃尔尼( w a l l n e r ) 根据注浆压力变化梯度与浆液屈服强 度的变化梯度之代数和为零，建立了平衡力程，推导出宾汉流体在等厚光滑裂 隙中的扩散距离为【9 】： 尺：丝+ (113)2 t o ” 式中： 昂注浆压力( p a ) ； 1 8 第1 章绪论 0 浆液屈服强度( p a ) ； 肛功散半径( m ) ； 万豸2 隙宽度( m ) ； r 。钻孑l 半径( m ) 。 以上二式在本质上是相同的，均是在理想条件下推导的( 等厚光滑，未考 虑浆液的粘度时变性和地下水的影响) ，公式中的c 也就是r o ，注浆压力名。、 只即为注浆压力差p 。 与维特克和沃尔尼考虑因素不同，h b 加宾考虑了浆液重力密度及裂隙倾斜 角度对宾汉流体扩散距离的影响，表达式如。卜f 2 0 】： 尺：堕! 二墨2 ( 1 1 4 ) 2 p , 8 r ps i n 口 式中：肛叫散半径( m ) ； 尸- _ 浆压力( p a ) ； 只地下水压力( p a ) ： a 裂隙倾角： 。浆液重力密度( k g m 3 ) ； 6 裂隙宽度( m ) ； a 安全系数。 裂隙向上倾斜时分母中取加号，裂隙向下倾斜时取减号。本公式与上述几 式相比考虑了一般裂隙的扩散规律，其余影响凶素l j 前相i j 。 杨晓东( 1 9 8 7 ) 认为，当宾汉流体在裂隙f 1 作低雷诺数的平面径向层流运动 时，若忽略浆体的流动惯性和重力作用，其流动的基本方程1 2 l ： p 一鲁卜咿等i n 丢 式中：p 罐浆压力( p a ) ； 风裂隙入口处压力( p a ) ； 第l 章绪论 0 裂隙巾浆液流动时呈塞流运动处的切力( p a ) ； 驴一浆流量( m 。s ) ； r _ 心液扩散半径( m ) ； h 裂隙开度( m ) ； ，；i 钻孔半径( m ) ： ，7 浆液的塑性粘度( p a s ) 。 这一公式未考虑浆液粘度时变性和地下水的影响。 阮文军考虑粘度时变性推导了牛顿流体和宾汉流体的注浆扩散模型，在 推导宾汉流体时考虑了流核的存在，在浆液的影响参数方面考虑的比较全面， 对被灌介质考虑的不多，公式中引用了郑长成的等效水力丌度，未考虑地下水 的影响半径，冈此计算结果与实际结果仍有一定的误差。 葛家良【2 3 1 针对隧道围岩结构而注浆，建立了浆液在j ：结构而中扩散的g 儿 模型。并假定水泥浆动力粘度和动切力服从杨晓东提出的公式，忽略惯性力的 影响，考虑了粘度时变性的影响。 从以上的分析和总结中可以看出，目前裂隙岩体注浆理论都有各自的假发 和适用范围，有很大的局限性。其中共同点是都存存着裂隙隙宽的取值不明确， 它的取值直接影响着汁算结果的正确性；有些公式虽然考虑了地下水的影响， 但不够全面，而这些问题影响着注浆扩散理论的正确性。以上公式都不同程度 的存在一些问题，需要考虑的因素应更仝面一些，以使推导的理论公式更接近 于实际，指导灌浆施工。 1 2 4 盾构注浆对沉降影响研究 赤木【2 4 1 用有限元解析的方法，对注浆量、注浆时间与地层损失、地表最终 沉降量之间的关系进行了研究，理论研究结果表明：如果滓浆量过大，虽然能 有效地填允盾尾的空隙，但会增) j h x , j 地层的扰动程度，后期的固结沉降量与地 第l 章绪论 表的最终沉降量将会增加。 吉则通过室内实验和现场量测，对盾尾注浆压力与地农沉陷量之问的关系 进行了研究，研究发现：当注浆压力相当于隧道埋深处的地层压力时，对减少 盾构掘进引起的地层损欠和地表沉降效果最为显著【2 5 j 。 ， 早稻田人学小泉研究室对注浆减少地层损失和地表沉降的机理和工艺进行 了系统的研究，取得了以下的结论【2 6 】： 1 随着注浆率增大沉降会减小，但对外插沉降量为零的注浆率( 在 2 0 0 3 0 0 之问1 ，其物理意义不明确。 2 最终沉降量随注浆填充率的增大有减小的趋势，冈为减少最终沉降量与 其说是盾尾空隙沉降量减少，不如说足后续沉降量减小。实测结果，要使后续 沉降量接近于零，所需的填充率为1 0 0 左右。 3 盾尾填充率丰要为盾尾脱出后的注浆时间所控制，即盾尾脱出后经过。j 段时问，j l ：层应力会松弛，而管片外围的空隙将会减少，从而导致填充率的下 降。要保证9 0 的注浆填充率，注浆时间戍控制在盾尾脱出后5 0 分钟之内。 4 由于盾构丌挖而的超挖、欠挖以及蛇行等原凶，将会造成地层损失量的 增大，在实际注浆过程中，为最大限度地填充空隙、减少地层损失量，应按最 佳注浆量和最佳注浆压力进行注浆。 5 最佳注浆量的确定要综合考虑：盾构掘进对l ：体的扰动范围、盾尾空隙、 土体塌落部分的土颗粒间的空隙量等冈素。 m o r i 对盾尾间隙的注浆时问研究后认为2 7 】：回填时问越是迟缓，盾尾间隙 引起的地层损失和地层变形越大，掌握合理的注浆时间对于控制盾尾问隙引起 的地层损欠和地表沉降，具有非常重要的意义和作用；另方皿在拱顶粘土地 层l ，进 j 二次注浆，可以将地层的损失量减少1 0 3 0 。 同济大学侯学渊、徐方京f 2 8 1 研究了盾尾间隙引起地层损失和地层移动的机 2 l 第1 章绪论 理，并对注浆压力、注浆量、填充率、压浆点的最优布置等进i j ：了王里论分析， 同时针对上海软土地区的土性特点，提出了估算地农沉陷的实用方法与相应的 计算模式。 同济大学白廷辉【2 9 1 对上海二号线近距离穿越一号线进行分析，在盾构同步 注浆对邻近已建隧道的影响研究中得出了同步注浆量与已建隧道沉降关系，得 到了经验公式：y = 0 0 0 l _ 0o o l ( 0 6 8 _ 塑1 + 0 6 9 0 7 ) 通过对上海一些工程经验总结，文献【3 0 。3 3 】提出了注浆量在穿越居民楼的案 例中，每环注浆景为理论建筑空隙的1 9 5 ，i 撕在运营地铁隧道穿越中则为1 0 5 1 3 0 。 1 2 5 同步注浆理论的不足 虽然些发达围家( 日本、德困) 等对于同步注浆的研究早已成熟，但是 由于商业竞争原冈，对于研究成果没有公布。国内目前注浆理论力面研究还不 是很完善，尤其是同步注浆方面还没有达到可以很女，运用到施l ：中的效果。奉 文主要通过目前一些研究理论去进行分析同步注浆理论。对于目前一些理论有 以下彳i 足： ( 1 ) 对于渗透注浆主要研究集中在打管压密注浆，研究了柱形及球形理论； 但对于同步注浆，由于其渗透形式不同于打管注浆，对其研究较少。 ( 2 ) 对于同步注浆的填充，国内还没有人进行系统研究。浆液填充后，其 压力分n j 形式等还没有人进行理论分析。 ( 3 ) 同步注浆对于施t 的影响，日前主要集中t 程经验总结。从整个注浆 机理去分析其对沉降影响研究比较少。 第j 币绪论 1 3 本文研究内容及主要创新点 针对目前一些理论研究不足，本文主要研究内容如下： ( 1 ) 根据岩体裂隙注浆理沦，探讨了同步注浆填充模式，并进行了理沦公 式推导，得出了盾构同步注浆横向填充及纵向填充时的受力模型，采用| ：顿流 体及宾汉流体时的压力扩散模型及公式。并对其公式中各参数的影响进行了分 别讨论。 ( 2 ) 对同步浆液渗透模式进行了初步探讨，把管壁层流理论运用到同步注 浆渗透模式中，得出同步注浆渗透量的理论计算公式。 ( 3 ) 分析了存微扰动摔制时，同步注浆压力波动、j 玉力消敞、浆液收缩及 盾尾漏浆等的影响，并得出其控制方法。并