[發明專利]考慮雙液漿同步注漿層性能劣化的盾構隧道管片設計方法

有效

• 申請號: 201310290400.6
• 申請日: 2013-07-11
• 公開（公告）號: CN103321656A
• 公開（公告）日: 2013-09-25
• 發明（設計）人: 何川;王士民;劉四進;聶亮
• 申請（專利權）人: 西南交通大學
• 主分類號: E21D11/10
• 分類號: E21D11/10
• 代理公司: 北京天奇智新知識產權代理有限公司 11340
• 代理人: 楊春

技術領域

本發明涉及一種盾構隧道管片設計方法，尤其涉及一種考慮雙液漿同步注漿層性能劣化的盾構隧道管片設計方法。

背景技術

水泥-水玻璃雙液漿（簡稱雙液漿）是以水泥和水玻璃為主劑，兩者按一定的比例，采用雙液方式注入，必要時加入速凝劑和緩凝劑所形成的注漿材料。這種漿液克服了單液水泥漿（簡稱單液漿）的凝結時間長且難以控制、動水條件下結石率低等缺點，擴大了注漿應用范圍，改善了注漿效果。

對于盾構隧道盾尾同步注漿，目前中國國內使用較多的是單液漿。通常，單液漿在滲透性較好的砂性軟土地層中作為盾尾同步注漿漿液使用效果較好，但是采用泥水盾構在硬質巖層中掘進時，由于單液漿凝結時間長，漿液容易向開挖面串流，從而被地下水和開挖面后竄的泥漿稀釋，難以形成對管片襯砌結構包裹較好的注漿圈以約束管片，常常造成管片上浮嚴重，縱向受力狀態不利，盾構頂進過程中管片局部受力不均發生破裂等問題。在這種巖層條件下可以采用一定配比范圍內的水泥-水玻璃雙液漿作為盾尾同步注漿漿液予以解決，通過控制盾尾注漿漿液的凝膠時間，使盾構注漿層能夠均勻包裹管片襯砌結構，改善盾構隧道管片襯砌的縱向受力狀態，有效控制管片上浮及其相關問題。

但是水泥-水玻璃雙液漿中水泥與水玻璃的反應產物容易在后期發生劣化，其劣化內在機理為：當水泥漿液與水玻璃溶液按照某一體積比例混合后，則產生化學反應，很快形成具有一定強度的膠質體，反應連續進行，膠質體強度不斷增強，轉為穩定的結晶狀態。其反應過程如下：

硅酸鹽水泥中的硅酸三鈣水解而產生活性很強的氫氧化鈣和含水硅酸二鈣，反應式如下：

3CaO·SiO₂+nH₂O→2CaO·SiO₂·(n-1)H₂O+Ca(OH)₂

而硅酸鹽水泥中的硅酸二鈣水解變成含水硅酸二鈣，反應式如下：

2CaO·SiO₂+nH₂O→2CaO·SiO₂·mH₂O

上述兩個反應生成的硅酸二鈣呈膠質狀，不溶于水，即變為水硬性材料；而氫氧化鈣與水玻璃溶液中堿金屬硅酸鹽（一般是硅酸鈉）很快發生反應，生成凝膠性的硅酸鈣，即上述的膠質體：

Ca(OH)₂+Na₂O·mSiO₂+nH₂O→CaO·mSiO₂·nH₂O↓+2NaOH

在混合液中水泥與水玻璃的反應快，水泥本身的水解化學反應較慢。膠質體的早期強度是水玻璃和水泥中的氫氧化鈣起主要作用，后期強度是水泥水解水化反應起主要作用。由于水泥和水玻璃反應產生的凝膠狀硅酸鈣不像水泥自身水化生成的硅酸鈣具有巨大的內表面積，其凝膠粒子間沒有很強的范德華力和化學結合鍵，其晶型結構在后期容易發生失水轉變從而變得不穩定，勢必會削弱運營期注漿層的長期力學性能。截至目前，中國國內針對水泥與水玻璃反應產物劣化后的水泥-水玻璃雙液漿的力學性能進行折減方面尚無相關研究；國外也未見計算精確并得到驗證的折減方法。

由于盾構施工的特殊性，盾構隧道開挖后，會產生一定的超挖量，盾構超挖輪廓線之外一定范圍的地層都會受到擾動，從而造成地層的抗力系數、強度等物理力學參數降低，如圖1所示，盾構開挖后，超挖輪廓線3以外依次是擾動區2和彈性區1。一般情況下，盾構超挖輪廓線和盾構外壁之間的空間，即盾尾空隙會由盾尾同步注漿予以填充。

對于土層而言，在漿液充填盾尾空隙的同時還會擴散到擾動區一定范圍的地層之中，對受到擾動的地層起到加固的作用，因此，無論是加固后的受擾動土層還是注漿圈，其抗力系數和強度等物理力學參數都高于周圍地層原狀土，如圖2所示，盾尾同步注漿后，管片外徑輪廓線7以外、超挖輪廓線3以內的部分填充盾尾空隙注漿體6，超挖輪廓線3以外的擾動區2被分為內側的漿液滲透加固區5和外側的殘余擾動區4。而對于巖層來說，由于受擾動的巖層較為致密，漿液難以擴散至其中，無法起到提高圍巖物理力學參數的作用；而注漿圈的抗力系數和強度等物理力學參數也較圍巖初始力學參數低。

傳統的盾構隧道管片設計在計算時多采用盾構所處地層的初始物理力學參數來計算地層抗力系數，且不考慮注漿圈對地層抗力的影響，大多情況與實際不符，對于土層而言往往偏于保守，而對于巖層而言則偏于危險。