[发明专利]考虑双液浆同步注浆层性能劣化的盾构隧道管片设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种盾构隧道管片设计方法，尤其涉及一种考虑双液浆同步注浆层性能劣化的盾构隧道管片设计方法。

背景技术

水泥-水玻璃双液浆（简称双液浆）是以水泥和水玻璃为主剂，两者按一定的比例，采用双液方式注入，必要时加入速凝剂和缓凝剂所形成的注浆材料。这种浆液克服了单液水泥浆（简称单液浆）的凝结时间长且难以控制、动水条件下结石率低等缺点，扩大了注浆应用范围，改善了注浆效果。

对于盾构隧道盾尾同步注浆，目前中国国内使用较多的是单液浆。通常，单液浆在渗透性较好的砂性软土地层中作为盾尾同步注浆浆液使用效果较好，但是采用泥水盾构在硬质岩层中掘进时，由于单液浆凝结时间长，浆液容易向开挖面串流，从而被地下水和开挖面后窜的泥浆稀释，难以形成对管片衬砌结构包裹较好的注浆圈以约束管片，常常造成管片上浮严重，纵向受力状态不利，盾构顶进过程中管片局部受力不均发生破裂等问题。在这种岩层条件下可以采用一定配比范围内的水泥-水玻璃双液浆作为盾尾同步注浆浆液予以解决，通过控制盾尾注浆浆液的凝胶时间，使盾构注浆层能够均匀包裹管片衬砌结构，改善盾构隧道管片衬砌的纵向受力状态，有效控制管片上浮及其相关问题。

但是水泥-水玻璃双液浆中水泥与水玻璃的反应产物容易在后期发生劣化，其劣化内在机理为：当水泥浆液与水玻璃溶液按照某一体积比例混合后，则产生化学反应，很快形成具有一定强度的胶质体，反应连续进行，胶质体强度不断增强，转为稳定的结晶状态。其反应过程如下：

硅酸盐水泥中的硅酸三钙水解而产生活性很强的氢氧化钙和含水硅酸二钙，反应式如下：

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

而硅酸盐水泥中的硅酸二钙水解变成含水硅酸二钙，反应式如下：

2CaO·SiO₂+nH₂O→2CaO·SiO₂·mH₂O

上述两个反应生成的硅酸二钙呈胶质状，不溶于水，即变为水硬性材料；而氢氧化钙与水玻璃溶液中碱金属硅酸盐（一般是硅酸钠）很快发生反应，生成凝胶性的硅酸钙，即上述的胶质体：

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

在混合液中水泥与水玻璃的反应快，水泥本身的水解化学反应较慢。胶质体的早期强度是水玻璃和水泥中的氢氧化钙起主要作用，后期强度是水泥水解水化反应起主要作用。由于水泥和水玻璃反应产生的凝胶状硅酸钙不像水泥自身水化生成的硅酸钙具有巨大的内表面积，其凝胶粒子间没有很强的范德华力和化学结合键，其晶型结构在后期容易发生失水转变从而变得不稳定，势必会削弱运营期注浆层的长期力学性能。截至目前，中国国内针对水泥与水玻璃反应产物劣化后的水泥-水玻璃双液浆的力学性能进行折减方面尚无相关研究；国外也未见计算精确并得到验证的折减方法。

由于盾构施工的特殊性，盾构隧道开挖后，会产生一定的超挖量，盾构超挖轮廓线之外一定范围的地层都会受到扰动，从而造成地层的抗力系数、强度等物理力学参数降低，如图1所示，盾构开挖后，超挖轮廓线3以外依次是扰动区2和弹性区1。一般情况下，盾构超挖轮廓线和盾构外壁之间的空间，即盾尾空隙会由盾尾同步注浆予以填充。

对于土层而言，在浆液充填盾尾空隙的同时还会扩散到扰动区一定范围的地层之中，对受到扰动的地层起到加固的作用，因此，无论是加固后的受扰动土层还是注浆圈，其抗力系数和强度等物理力学参数都高于周围地层原状土，如图2所示，盾尾同步注浆后，管片外径轮廓线7以外、超挖轮廓线3以内的部分填充盾尾空隙注浆体6，超挖轮廓线3以外的扰动区2被分为内侧的浆液渗透加固区5和外侧的残余扰动区4。而对于岩层来说，由于受扰动的岩层较为致密，浆液难以扩散至其中，无法起到提高围岩物理力学参数的作用；而注浆圈的抗力系数和强度等物理力学参数也较围岩初始力学参数低。

传统的盾构隧道管片设计在计算时多采用盾构所处地层的初始物理力学参数来计算地层抗力系数，且不考虑注浆圈对地层抗力的影响，大多情况与实际不符，对于土层而言往往偏于保守，而对于岩层而言则偏于危险。