地下工程注浆室内试验综述

2021-10-22安徽理工大学土木建筑学院安徽淮南232001

安徽建筑 2021年10期

张许（安徽理工大学土木建筑学院，安徽淮南 232001）

1 引言

对于城市道路的拥挤，城市隧道建设成为解决问题的关键，越来越多的地铁、过街隧道等地下线路正逐渐展示在人们的面前。而顶管技术和盾构技术由于其效率高和不影响道路正常运行的优点被广泛运用在地下工程建设中。在研究不同的地质参数时需要通过室内泥浆渗透试验来达到最终的目的。

然而在顶管、盾构和泥浆试验中，注浆是最为重要的一个环节。顶管注浆可以达到润滑目的，降低其顶推力。盾构注浆可以降低土体的沉降，并有效形成防水层。针对地下工程注浆的研究，Jefferis通过研究得到顶管注浆后，泥浆在土体中的渗流公式。魏纲得出注浆的作用机理。叶飞通过大量理论、试验和真实案例得到盾构壁后注浆泥浆的扩散范围，管片表面的注浆压力大小。冯志强通过注浆扩散模型破碎煤岩体化学注浆加固的浆液渗流特性。

由于地下工程注浆研究的不便捷性，越来越多的人采用室内试验的方式得到相应的研究结果，本文通过总结各类地下工程注浆试验，从而为以后的试验研究留下有价值的参考。

2 顶管注浆模拟试验

①刘招伟等设计了矩形顶管隧道施工泥浆套形成试验模型，该试验系统主要有试验箱、加压装置、滑动系统、注浆系统组成。在模型箱中放入研究的土体，加压系统巧妙地使用了千斤顶，用压板代替矩形顶管，将千斤顶作用在压板上，从而模拟来自土体的压力，在试验箱下方有滑道，在外力作用下试验箱匀速滑动，从而模拟矩形顶管顶进的过程。注浆系统上安装气压表监测注浆压力，注浆完成后，直接取走压板，便可直观地观察出泥浆套的厚度和扩散范围。通过该试验，作者主要分析和研究了泥浆与土体接触后所形成的泥浆套的微观机理，以及在形成泥浆套后顶管在顶进过程中摩阻力的变化。

②邓文杰、曹广勇等设计了圆形顶管施工模型，分别是由开挖部分、顶管部分、传动部分、注浆部分、监测部分和模型试验箱体组成，如图1所示。模型试验箱按照相似比模拟土体，在试验箱体两端开孔，保证顶管可以进入，顶管前方的切土部分通过传动轴和后方的驱动装置相连，从而控制其切土速率，在切土装置下方装上压力传感器，实时记录土体压力，该系统可通过改变刀盘和后方的传动轴的转动速度来调整切土速度，从而控制土压力的大小，并且通过出土量的多少和顶进的位移的大小来计算土层损失率。切下的土体通过顶管机头下方的螺旋式排土装置排至土箱外。顶管在限位装置上通过传动装置匀速前进模拟顶管顶进，注浆系统是通过气体加压至注浆罐中，通过观察注浆罐上方的压力表，实时地调整气体大小，从而按照既定的注浆压力恒压注浆。在土体中和试验箱上方安装压力盒和位移观测装置，达到预定的研究顶管在注浆条件下顶推力和土体位移的变化。

图1 圆形顶管施工试验装置

上述试验装置分别模拟了矩形和圆形顶管全过程，顶管施工试验主要研究在注浆情况下泥浆的扩散范围，泥浆套的形成以及在合理注浆情况下，顶推力的变化趋势。刘招伟的试验很好地解决了泥浆扩散范围的观测问题，方便简单，与其目的相吻合；另一个试验则通过整个模拟过程来研究其土位移和顶力的变化。

3 盾构注浆模拟试验

①梁精华等针对盾构注浆压力变化的研究制作了室内模型试验，该试验装置主要分为三个部分，分别为筒体部分、注浆系统和测量部分。筒体部分主要由圆柱形玻璃容器组成，便于观测泥浆渗透情况，侧部设置限压排水管。千斤顶作用在容器顶部，施加压力从而代替土压力。在容器中放入所要研究的土样，为了让试验装置模拟出盾构机的盾尾和管片之间的间隙，所以土体埋深至容器顶部下方一定孔隙处，但是这样会影响真实土压力的大小，所以在这个部分中埋入一定大小的气袋，来模拟盾构尾部与土体的空隙，上面放筒体平盖，平盖模拟盾构的管片，通过恒压注浆，同时控制气袋中气体的释放，达到一定的平衡。注浆系统为了阻止浆液的阻塞，设置了回路导管和清洗导管。注浆罐上部设置压力计，实时观察注浆压力。监测装置主要布置土压力计，分别在土体中和顶盖上，实时记录注浆后土体和管道压力的变化。

②在特殊地层中盾构施工同步注浆的研究问题上，董其昌设置了图2的试验装置。该装置主要有土体装置、盾构推力装置、注浆系统和测量系统构成。试验箱为厚度15mm的有机玻璃组成。推力装置用液压千斤顶和反力支撑架组成，千斤顶支撑在反力架上，按照一定的速率推动盾构装置匀速前进。注浆系统由摇柄式钢支架提供注浆压力，用金属带有孔洞的管道粘贴在模拟盾构机外壁上，注浆系统通过金属管道进行注浆。监测装置用土体位移计监测盾构施工注浆后土体的沉降，注浆后土压力用土压力盒监测，实时记录数据，完成后分析结果。此模拟装置为全模拟，相比上述试验，试验时间更长，但仿真程度更高。

图2 特殊地层盾构施工试验装置

③针对盾构施工浆液液压分布，张莎莎设计了更为复杂的试验模型，该模型由试验箱、模拟盾构机、管道推进控制系统、注浆系统和量测系统组成，如图3所示。用一定尺寸钢套模拟盾构机，管套内侧用玻璃树脂套管模拟隧道的管片，注浆管路埋入钢套中。预先在土箱中两侧开孔，方便盾构机的进出，然后将管片和模拟盾构机在土箱中固定，将所要研究的土体按照要求填充至土箱中，夯实，加水固结。根据实际工程中土体的密度和土体应力，按照一定的相似比，将液压装置对其顶部进行加压。打开高精度注浆仪器，然后在推进装置作用下，模拟盾构机匀速向前运动，在运动的过程中，位移计记录顶进距离和注浆情况下土体位移。在空隙中埋有压力传感器和视频录像装置，可以清楚地反馈出浆液压力分布和扩散情况。

图3 盾构施工液压试验装置

通过上述试验装置可以看出盾构试验大部分是以实际工程为背景，用试验的方式来研究注浆压力的分布，以及管片的受力变化。梁精华的实验装置用简单的装置模拟盾构试验，用气袋来代替管片与盾尾之间的间隙，用平盖模拟管片，也可监测管片的受力大小，相比其他装置更为简单，也可以更加直观地看出泥浆的扩散范围。另外，两个试验装置更多地需要借用计算机来观察浆液扩散范围，精确度也更高。

4 泥浆渗透试验

①林钰丰等以泥水盾构施工穿越砂卵石地层为工程背景，研究泥浆在许多不一样的地层参数条件下，其渗透距离的大小。该试验装置如图4所示，该装置主要用有机玻璃组成的圆柱形筒体为主要构件，为了保证试验仪器的密封效果，在筒体上下部插入圆环钢板凹槽，凹槽铺设防水密封圈，可以通过旋转4个螺旋式钢帽收紧凹槽，将凹槽和防水密封圈紧密粘贴在一起，从而阻止筒体内部气体和液体的流失。在筒体的底部设有一个透水孔，在注浆和高压条件下，液体在下部流出，筒体上部设有2个阀门，这两个阀门可以起到进出气控制，还有一个压力计，监测压力变化情况。先将不同地层按序放入筒体，上面倒入泥浆，试验采用6个不同的压力，每次加压3min，最后观察不同的地层渗透情况。本试验装置更为简单明了，通过该试验方式可以清晰地看到，在不同的注浆压力下的泥浆在不同底层的渗透情况。