坡度对沉管隧道压浆法基础处理浆液扩散特性的影响.pdf

?第 45 卷 第 5 期?2011年 5 月上 海 交 通 大 学 学 报JOURNAL OF SHANGHAI JIAOTONG UNIVERSIT YVol.45 No.5?May 2011?收稿日期:2010?11?19作者简介:李?科(1986?),男,重庆市人,博士生,主要研究方向为岩土工程地下结构.E?mail:nick.88 .黄醒春(联系人),男,教授,博士生导师,电话(T el.):021?54748319;E?mail:huangxc .?文章编号:1006?2467(2011)05?0629?05坡度对沉管隧道压浆法基础处理浆液扩散特性的影响李?科,?杜家论,?黄醒春(上海交通大学 土木工程系,上海 200240)摘?要:针对砂石垫层的不平整或沉管隧道本身走向设计引起的坡度变化,采用压浆法进行小比例模型试验,研究在不同坡度条件下单孔注浆、双孔同步注浆时的浆液扩散情况.结果表明,带纵坡注浆时,沿纵坡下坡方向的扩散速度明显大于沿上坡方向的扩散速度,即水下混合砂浆的流动受到重力加速度的影响显著,出现向低处先行扩散流动的趋势,而且当坡度较大时,沿上、下坡方向扩散速度的差异更加明显.在施工过程中,应首先在最低位置注浆孔注浆,然后,沿坡度向上依次注浆,以避免出现基础处理填充不密实的情况.关键词:沉管隧道;基础处理;压浆法;坡度;浆液扩散中图分类号:U 455.46?文献标志码:AInfluence of Slope on Slurry Diffusion in GroutingTreatment of Immersed TunnelLI K e,?DU Jia?lun,?H UA NG Xing?chun(Department of Civil Engineering,Shanghai Jiaotong University,Shanghai 200240,China)Abstract:Slopes caused by unevenness of cushion or tunnel design will affect slurry diffusion,when adop?ting grouting method in foundation treatment of immersed tunnel.Model test was conducted to study slur?ry diffusion of single?hole and dual?hole grouting with different slopes.It was indicated that diffusion ve?locity along downhill direction would be larger than that along uphill direction apparently,which showsthat the flow of slurry is influenced by the gravity obviously,trending to the lower position.With the lar?ger slope,the difference between diffusion velocity along uphill and downhill direction would be greater.Based on the test result,it ought to inject at the lowest grouting hole firstly,and along the uphill directionin turn,to avoid voids.Key words:immersed tunnel;foundation treatment;grouting method;slope;slurry diffusion?自 1894 年美国建成第一条沉管隧道以来,基础处理一直是沉管隧道施工的关键技术问题.沉管隧道的抗浮系数仅为 1.1 1.2,如果基础处理得当,一般不会出现沉降问题.因而对沉管隧道基础处理是为了使沟槽底面平整,避免管段因地基受力不均所导致的局部破坏,或因不均匀沉降所出现的开裂,而不是提高地基承载力,这与地面建筑截然不同.基于此,美国曾采用铺放砂石垫层的先铺法进行基础处理,但由于这一方法缺点较多而被逐渐淘汰,并改为采用后填法;在欧洲,广泛采用喷砂法和压砂法 1?2,在我国广州珠江隧道和上海外环线隧道中 3也先后采用了压砂法;在日本,东京港第一航道水底道路隧道(T okyo Port Tunnel)中首次使用了压浆法进行基础处理 4,并解决了地震区地基液化问题,1980 年,东京 Dainikoro 隧道中再次应用压浆法施工,文献 5 中介绍了相关的管段底部注浆技术,之后,日本在衣浦港隧道中首次使用了压混凝土法;在我国的宁波甬江隧道中也使用了压浆法 6?9,并积累了一定的工程经验.压浆法是在灌囊法基础上改进而来,即在开挖基槽后,在基槽底铺设碎石垫层,底板上预埋带单向阀的压浆孔管段并沉放于临时支座上;然后,用注浆泵从管段内部向管段底部空隙中压注混合砂浆,具有不干扰航道、浆液凝固后不会发生液化等特点,适用于可能发生地震或存在其他动载作用的工况,但其对砂浆的强度、和易性、流动性和泌水性等要求较高,并需要对压浆过程中浆液的扩散情况和最终浆液填充密实程度进行实时检测.天津中央大道海河隧道是我国第一条建设在高地震烈度地区的沉管隧道,由于工程地质环境和抗震设防的特殊性,在隧道设计中选定了水下灌注混合砂浆的基础处理工艺.基于该工程,本文研究了在不同坡度情况下,单孔注浆和双孔同步注浆时的浆液扩散情况.1?试验部分1.1?试验装置试验装置主要由水槽箱、管段模型箱、注浆与压力控制系统和千斤顶等组成,如图 1 所示.其各组成部分如下.(1)水槽箱.水槽箱由厚 1.5 cm 的钢板和槽钢焊接而成,尺寸为 3.0 m(长)?1.5 m(宽)?1.0 m(高).采用水槽壁上开孔焊接的进、出水管控制其充、放水.图 1?试验系统结构示意图Fig.1?The schematic view of test system?(2)注浆系统.采用注浆压力可调的压浆泵,最大压力为 2 MPa,最大流量为 0.4 m3/h,电机功率为 0.75 kW;注浆管为直径 30 mm 的 PVC 透明钢丝管,在临近注浆孔处分为 2 股,分别安装截止阀,可以进行单、双孔注浆转换;膜片压力表的量程为25 kPa,安装在临近注浆孔处.在试验中,读取压力表的实时压力值,通过压浆泵减速机和截止阀的开闭程度来调节压力大小.(3)千斤顶.共 3 个,置于水槽箱底一侧,用于调整出不同坡度.(4)管段模型箱.其材料选用有机玻璃,壁厚为20 mm,尺寸为 2.6 m(长)?1.0 m(宽)?0.8 m(高),分为 8 个舱,当水槽倾斜时,舱内的水不能跨舱流动,以保持压载均匀.分舱情况、注浆孔和测线的编号如图 2所示.1.2?试验方法按照试验所得配比,配制注浆所用浆液配比为水泥?粉煤灰?砂?水?膨润土=189.0?264.6?630上?海?交?通?大?学?学?报第 45 卷?图 2?管段模型俯视图(m)Fig.2?Vertical view of tube model(m)1 134.0?302.0?37.8,稠度 121 mm.每次注浆量约 0.1 m3,用 2 个大铁桶作为容器,并用搅拌机搅拌,以保证试验中浆液的连续供给.试验步骤如下:?(1)将水槽底部人工刮铺厚 6 cm、粒径 5 mm的石粉垫层.(2)将吊装管段模型箱置于水槽箱内 10.0 cm高的支座上,箱体四周用碎石侧封,在试验池内注水至预定高度,有机玻璃箱内注水至20.0 cm 高度,铁箱内注水至 37.9 cm 高度.(3)用水槽底部一侧千斤顶顶升箱子,使试验水槽及试验平台达到所需 3种纵坡坡度(设定为 0?、2?和 5?),近坡底一侧注浆孔为 C 孔,近坡顶一侧注浆孔为 A 孔,中间孔为 B 孔.(4)调节注浆泵转速至最慢,打开管路阀门,当外部试压确认浆液的流动稳定并无异常压力波动后,停泵并连接至注浆管.(5)进行近坡底一侧 C 孔单孔注浆,观察浆液盘在 C1、C3、C5、C7 4 条测线上的扩展,同时,观察记录时间和压力表的压力.当坡底一侧底边完全注满浆液时,停止注浆,并记录所有测线方向上的浆液扩展半径.(6)C 孔注浆完成后,同步对 A、B 孔进行压浆,观察浆液在A1、A3、A5、A7 及 B1、B3、B5、B7 测线上的扩展;同时,观察记录时间和压力表的压力.当 B 孔浆液接触到 C 孔已注浆液高度时,记录扩展半径、时间和 B 孔注浆压力;当 B 和 A 孔浆液接触时,记录扩展半径、时间和 2 个孔的压力.箱底完全注满时停止注浆,记录最终的时间.2?结果与分析为分析坡度变化对浆液扩散的影响,用每个孔下坡方向测线(编号为 7)和上坡方向测线(编号为3)的数据进行对比.在砂浆堆积盘形成前,注浆孔出口压力差较低,最后稳定在 16 25 kPa.2.1?单孔注浆时浆液扩散情况图 3 5 分别为 3 种坡度下处于坡底一侧 C 孔单孔注浆时距离与时间的关系.图中,坡度为 0?时取C 孔4 条测线的平均值,Chi2/DoF 为平均剩余残差平方和,R 为相关系数.图 3?0?坡度时 C 孔单孔注浆的扩散曲线Fig.3?Diffusion curve of only hole C grouting with 0?图 4?2?坡度时 C 孔单孔注浆的扩散曲线Fig.4?Diffusion curve of only hole C grouting with 2?图 5?5?坡度时 C 孔单孔注浆的扩散曲线Fig.5?Diffusion curve of only hole C grouting with 5?由图 3 可见:在浆液扩散初期,其扩散速度较大,这是因为浆液流入沉管模型箱底4 cm 空隙内仅受到静水压力,之后,浆液逐渐渗入石粉垫层内并开始堆积;随着浆液盘的堆积,扩散阻力逐渐增大,表631?第 5 期李?科,等:坡度对沉管隧道压浆法基础处理浆液扩散特性的影响?现为扩散距离与时间关系曲线的斜率逐渐减小.当坡度为 0?时,浆液沿各个方向的扩散速度差异不大,图 3 中点的离散主要是由于石粉垫层铺置不均的缘故.由于模型较小,虽然施工中可尽量使得垫层刮铺均匀,但因垫层材料粒径难以做到均匀,故其试验结果的总体趋势是试验中浆液扩散基本以注浆孔为中心而向外呈圆形扩展.当有坡度以后,浆液的扩散明显趋向于坡底一侧.在 C1、C5 测线方向上,注浆初期的浆液沿测线流动而偏向坡底一侧扩展;在注浆中、后期,当坡底方向填充量较大且扩展阻力增大时,再继续往 C1、C5 方向扩展.由图 4 和 5 可以看出,在沿坡底方向测线 C7上,浆液的扩散速度比沿坡顶方向 C3 上的扩散速度大.由图 4 可以看出:C7 方向浆液扩散速度变化不大,因为在较短的时间与距离内,C 孔的浆液优先流向 C7 方向,浆液在注浆压力的作用下,还受到重力的影响,使得扩散阻力的影响减弱;C7 方向的扩散速度初期较慢,当 C3 孔浆液扩展到接近于扩展距离的 1/2以后,由于扩散阻力增加,浆液才开始向C3 方向流动(见图 4 中斜率出现陡增时).当坡度增大到 5?时,浆液的扩散趋势与 2?时一致,但沿坡底C7 方向与沿坡顶方向 C3 的扩散速度的差异进一步增大,使得图 5 中 C3 方向斜率陡增点进一步延后.2.2?双孔同步注浆时浆液扩散情况在 C 孔单孔注浆后,为研究双孔同步注浆的浆液扩散情况,记录了 A、B 孔同步注浆的结果.图 6 8分别示出了 3 种坡度情况下 A、B 双孔同步注浆时距离与时间的变化关系曲线.其中,坡度 0?时取 A、B 孔 4 条测线的平均值.图 6?坡度 0?时 A、B 双孔同步注浆的扩散曲线Fig.6?Diffusion curve of holes A and B grouting with 0?由图6可见,A、B孔的浆液扩散速度基本一图 7?坡度 2?时 A、B双孔同步注浆的扩散曲线Fig.7?Diffusion curve of holes A and B grouting with 2?图 8?坡度 5?时 A、B双孔同步注浆的扩散曲线Fig.8?Diffusion curve of holes A and B grouting with 5?致,拟合后的 2 条曲线接近于平行.在试验中,浆液基本呈圆形向外扩展,B7 测线上浆液与 C3 方向已注浆液在注浆孔连线附近接触,随后,B 孔浆液注浆向C3 两边扩展,最终与 C 孔已注浆液完全接触.A、B 孔浆液在 2 孔连线中点附近接触,由于 A、B 之间的距离比 A 孔距箱底一侧的距离短,故 A、B 之间浆液填充完全后,A3 一侧浆液才与箱底完全接触.?在坡度 2?情况下,又出现了测线沿坡底方向浆液扩散速度比沿坡顶方向快的现象.图 7 中,A7 测线与 A3 测线的流速差异与图 4 中单孔注浆的结果相似,且 B 孔上的这种差异比 A 孔上更大.由于 B3测线流速较慢,A7 测线流速较快,两者接触位置在距离 A 孔 45 cm、B 孔 35 cm 处;之后,A7方向浆液逐渐向下,并与 B 孔浆液扩散所形成的类似抛物线边界完全接触;最后,A3 测线方向上浆液与底边完全接触,填充完整.另外,A 孔坡顶一侧填满与 A、B632上?海?交?通?大?学?学?报第 45 卷?之间完全填充完整的时间接近.在图 7 中,B7 与 A7的测线曲线在上方,曲率近似相等,即浆液扩散速度近似相等,B3与 A3 的测线曲线在下方,且其浆液扩散速度也差异不大.A3、A7 测线曲线在 B3、B7 测线之间,平均而言,A 和 B 孔浆液扩散速度近似相等.当坡度达到 5?时,沿下坡方向的浆液流动速度陡增,与之相比,沿上坡方向的流速很小.B7、A7 测线方向的浆液没有出现后期扩散速度趋于平缓的情况,这是由于坡度较大,浆液受重力影响后阻力减小的缘故.图 8 中,B7 的测线曲线在 A7 的测线曲线上方,B3 的测线曲线在 A3 的测线曲线上方.这是由于试验中注浆泵放置在地面,当坡度 5?时,A 孔比 B 孔距离地面的高度大,由于重力势能的损失,使得 A 孔比 B 孔的注浆压力小,从而使得 A 孔比 B孔的浆液扩散速度小;当坡度 2?时,A、B 孔高度差相对较小,这种现象还不明显,但在曲线后段,B7 与A7 和 B3与 A3的曲线的后期斜率趋于一致.B3 与A7 测线浆液在距离 B 孔 33 cm、A 孔 47 cm 处接触,之后,A 孔浆液逐渐向下扩散并与 B 孔浆液完全接触,与 2?时类似.不同的是,由于坡度较大,B 孔在 B1、B5测线方向的填充不充分,浆液向坡底一侧偏向过于明显,A 孔浆液在大量流向坡底一侧与 B孔浆液完全接触后,A 孔浆液才完全与坡顶一侧管段完全接触,后者落后于前者一段时间.3?结?论(1)当坡度为 0?时,浆液基本呈圆形扩散,但将受到垫层平整度的扰动影响;当坡度为 2?和 5?时,浆液偏向坡底一侧扩散,且向坡顶方向的扩散速度较小,5?时偏移程度更大.当浆液沿坡底一侧测线扩散到一定距离时,沿坡顶一侧的测线扩散速度出现陡增,坡度较大时的陡增点随时间而后移.(2)当坡度为 0?时,除去垫层平整度的扰动,A、B 孔同步注浆的浆液扩散速度相等;当坡度 2?时,A、B 孔同步注浆的浆液扩散速度基本相等;当坡度 5?时,坡顶一侧 A 孔浆液的扩散速度较 B 孔慢.如果用一个泵同时给 2 个孔注浆,坡度较大时应该考虑重力势能损耗和管路损耗的影响.(3)随着坡度增大,A、B 孔浆液接触位置从连线中心逐渐向 B 孔方向偏移.当坡度为 0?和 2?时,A、B 孔浆液完全接触的时间与 A 孔浆液填满管段顶部一侧的时间接近,基本为箱底整体同时填充完毕;当坡度为 5?时,A、B 孔浆液首先完全接触填满,坡顶一侧箱底两端为最后填充完毕区域.?(4)由于有坡度情况下浆液向坡底一侧扩散的速度比向坡顶一侧扩散的速度快,最后填充部位随坡度而变化,所以,在施工中应首先从坡底注浆孔注浆,而后依次向上注浆,以使箱底填充密实.参考文献:1?Van T ongeren Ir H.The foundation of immersed tun?nels C/Delta Tunnelling 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