富水粉细砂层盾尾注浆生成滤饼及充填盾尾间隙施工方法技术

本发明专利技术公开了一种富水粉细砂层盾尾同步注浆生成滤饼层快速施工方法，内容主要包括：基于毛管组理论及质量守恒定律建立滤饼生长速率方程；通过计算得出，孔隙率为0.38的粉细砂层中，浆液水灰比控制在0.7～0.8可使滤饼迅速生成；配制具有抗水分散性新型浆液，水胶比0.72、胶砂比0.80、粉煤灰掺量5％、膨润土掺量14.94％和羟乙基纤维素掺量0.9％；注浆压力为0.4Mpa、注浆率为180％、盾构机掘进速度为40mm/min～50mm/min、上下注浆孔注浆量比值为1.5:1、位置关系为θ

【技术实现步骤摘要】
富水粉细砂层盾尾注浆生成滤饼及充填盾尾间隙施工方法


[0001]本专利技术涉及隧道工程领域，具体涉及一种盾尾同步注浆施工及确定浆液比方法。

技术介绍

[0002]随着我国地下工程领域的不断发展，我国隧道建设正处于高速发展时期，盾构施工也面临着各种各样的复杂地层，这一过程中涉及大量盾尾同步注浆问题。盾构穿越富水地层时，浆液在地下水冲刷力作用下会发生溃散，导致浆液填充盾尾间隙不均匀，地表产生较大沉降，危害施工安全，对于自稳性较差的圆砾或粉细砂地层，盾构开挖后很难形成规则的环形盾尾间隙，地层很快向盾尾间隙垮塌，若浆液不能及时填充盾尾间隙并承担地层卸荷压力，会造成地表产生较大沉降，对隧道稳定性及地表建筑物产生较大影响，引发一系列安全问题。
[0003]长期以来，为解决盾尾同步注浆时面临的上述问题，大量学者开展了的试验及理论研究，试验方面，针对不同地层选取不同种类外加剂，配制适用于地层的浆液配比，通过自主研发注浆设备，对盾构注浆进行模拟，主要包括对浆液速度及注浆过程中地层含水率和密度等变化的研究；对于数值模拟方面，基于comsol等有限元软件，研究不同施工参数下，盾构注浆浆液扩散规律及其对地表沉降的影响；理论研究方面，对于浆液填充扩散，基于裂隙注浆理论，建立牛顿流体、宾汉姆流体、幂流型流体在盾尾间隙中的扩散方程，分别将浆液时效性引入公式，增强公式合理性，对于浆液渗透扩散阶段，部分学者基于达西定律及线性渗透定律建立考虑渗滤效应的浆液渗透扩散方程，对于浆液压密扩散阶段，基于柱孔或球孔扩张理论建立浆液压密扩散阶段对涂层的扰动范围理论公式。
[0004]目前，大多数学者将浆液扩散阶段默认为单独的一个阶段，且对于考虑浆液渗滤效应的扩散方程还有待研究，实际上受地层渗滤效应的影响，浆液会在地层表面生成滤饼，即浆液会先进行渗透扩散再进行压密扩散。浆液在盾尾间隙中发挥的作用为填充盾尾间隙，支撑受卸荷作用垮塌的地层，及时使浆液在盾尾间隙中封闭成环即可确保地层的稳定性，实际工程中，若能够确保滤饼在盾尾间隙中尽早生成，则能够有效封堵地下水，确保滤饼内侧的浆液能够迅速充填盾尾间隙，因此研究浆液在渗滤效应下滤饼生成的速度是极其必要的。

技术实现思路

[0005]针对现有专利技术技术的不足，本专利技术目的是提供一种富水粉细砂层盾尾同步注浆生成滤饼层快速施工方法，基于毛管组理论、质量守恒定律及动量守恒定律建立适用于盾尾同步注浆的滤饼生长速率方程，通过比较不同因素下滤饼生成速率大小，以快速生成滤饼为最终目的，进而针对不同孔隙比地层研发具有适配性的浆液水灰比，通过室内试验配制具有抗水分散性的新型浆液，并采用盾尾注浆相似模型试验系统确定盾尾注浆施工参数，提出适用于富水粉细砂层中盾尾注浆施工方案，为实现本专利技术的上述目的及优越点，提供了一种富水粉细砂层盾尾同步注浆生成滤饼层快速施工方法，包括：
[0006]步骤1：浆液在粉细砂层中渗透扩散时，受粉细砂土的渗滤效应影响，浆液颗粒会在土层孔隙中沉积并逐渐拥堵土层孔隙最终形成滤饼，富水粉细砂层蕴含丰富的地下水，考虑浆液在土层中扩散时对土体中地下水驱替作用建立考虑渗滤效应的浆液扩散方程，并进一步推导出滤饼生长速率方程；
[0007]建立滤饼生长速率方程包括：
[0008]优选的，基于毛管组理论及质量守恒定律，建立浆液在富水粉细砂层中渗透扩散形成滤饼生长速率方程，考虑浆液黏度时效性，公式参数包括注浆压力、土层颗粒级配及浆液水灰比，如下所示：
[0009]考虑浆液在土层中扩散时对土体中地下水驱替作用，基于毛管组理论，建立考虑渗滤效应的滤饼生长厚度方程：
[0010][0011]n0为地层初始孔隙率，
[0012]n为地层孔隙率，由下式确定：
[0013][0014]k为地层初始孔隙半径，可通过下式确定：
[0015][0016]φ为地层孔隙度，可由下式确定：
[0017][0018]γ为土体容重，
[0019]γ
s
为土颗粒容重，
[0020]w为地层含水率；
[0021]k1为KC常数，取为180；
[0022]为初始浆液颗粒体积分数；
[0023]p
c
为滤饼与地层交界处压力，由下式确定：
[0024]p
c
＝γ
w
p0ꢀꢀ
(5)；
[0025]p0为注浆压力；
[0026]p
a
为量纲参数；
[0027]为与浆液相关的系数，本文取为
‑
34；
[0028]τ0为浆液屈服剪应力；
[0029]μ0为浆液初始黏度Pa
·
s；
[0030]B为浆液黏度时效性参数；
[0031]d
10
为土层中占比10％对应的土颗粒直径；
[0032]d
85
为水泥颗粒中占比85％对应的颗粒直径；
[0033]ρ
c
为水泥颗粒密度g/cm3；
[0034]w/c为浆液水灰比；
[0035]对其关于时间求导即可得出滤饼生长速率方程：
[0036][0037]通过式(1)和式(6)可求得水泥滤饼生长厚度及生长速率，通过比较滤饼生长速率变化曲线即可初步确定盾构在富水粉细砂层中注浆所需水泥浆液水灰比范围。
[0038]步骤2：滤饼在盾尾处形成后将会阻碍地下水对浆液的冲刷，从而达到封堵地下水的效果，以确保滤饼内侧浆液能够快速填充盾尾间隙并形成闭合环箍，即较早地形成滤饼有助于富水粉细砂层中的注浆施工快速完成；
[0039]步骤3：针对滤饼生成速率方程提出适用于富水粉细砂层的浆液水灰比，对于孔隙率为0.38的粉细砂层，水灰比应控制在0.7～0.8，通过室内试验配制具有抗水分散性新型浆液：水胶比为0.72、胶砂比为0.80、粉煤灰掺量为5％、膨润土掺量为14.94％和羟乙基纤维素掺量为0.9％，以确保浆液具有抵抗地下水冲刷的能力，使其在盾尾间隙中能够渗透扩散并生成滤饼；
[0040]步骤4：自行研发盾尾同步注浆相似模型试验系统，控制注浆压力为0.4Mpa，注浆率为180％，盾构机掘进速度为40mm/min～50mm/min，上下注浆孔注浆量比值为1.5:1时，地表沉降量较小；由于实际盾尾同步注浆施工过程中，受浆液自身重力及盾尾间隙不规则性影响，位于上注浆孔处的浆液会向盾尾间隙底部流动导致盾尾间隙顶部浆液填充率较低且不易生成滤饼，由上下注浆孔注浆量关系可以得出上下注浆孔位置关系：θ
上
：θ
下
＝3π/10：π/5，即实际施工过程中可以适当地将上部注浆管向盾尾间隙顶部移动，根据位置关系确定出下注浆孔位置，确保盾尾间隙顶部能够被浆液填充充分，从而确保滤饼的形成。
[0041]优选的，对于自稳性较差的富水粉细砂层，盾构在其中掘进后，受卸荷效应影响，土体会向盾尾间隙垮塌，导致形成的盾尾间隙具有不规则性，浆液在盾尾间隙中会本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种富水粉细砂层盾尾同步注浆生成滤饼层快速施工方法，其特征在于：考虑浆液在土层中扩散时对土体中地下水驱替作用，建立考虑渗滤效应的浆液扩散方程，基于毛管组理论、质量守恒定律及动量守恒定律推导出富水粉细砂层注浆过程中滤饼生长速率方程：其中，n0为地层初始孔隙率，n为地层孔隙率，k为地层初始孔隙半径，φ为地层孔隙度，γ为土体容重，γ
s
为土颗粒容重，w为地层含水率，ε
v0
为初始浆液颗粒体积分数，p
c
为滤饼与地层交界处压力，p0为注浆压力，p
a
为量纲参数，τ0为浆液屈服剪应力，μ0为浆液初始黏度，B为浆液黏度时效性参数，d
10
为土层中占比10％对应的土颗粒直径，d
85
为水泥颗粒中占比85％对应的颗粒直径，ρ
c
为水泥颗粒密度，w/c为浆液水灰比。2.如权利要求1所述的一种富水粉细砂层盾尾同步注浆生成滤饼层快速施工方法，其特征在于，富水粉细砂层是典型的多孔介质在该被注介质中进行注浆时极易产生渗滤效应，即浆液颗粒在地层孔隙中扩散会受到地层孔隙的吸附、拦截作用，致使浆液颗粒在孔隙中沉积拥堵浆液在盾尾间隙中先在地层孔隙中进行渗透扩散，受渗滤效应影响，当土层孔隙被浆液颗粒填充封堵后浆液颗粒在土层表面生成滤饼，随着注浆过程的持续进行，浆液压力作用在滤饼上并通过滤饼将浆液压力转化为有效应力作用于土层，此时浆液进入压密扩散阶段；因此可以将盾尾同...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋洋，王宏帅，李昂，徐筱锋，赵玉银，梁书海，于英杰，毛镜涵，
申请(专利权)人：辽宁工程技术大学，
类型：发明
国别省市：