富水岩溶越江盾构隧道注浆材料试验与应用研究

考虑传统材料难以同时满足富水岩溶充填注浆与后续盾构掘进要求,研制一种环保型可控膏状注浆材料(TGM)。通过大样本室内试验,测试TGM材料的主要性能参数及其在岩溶水下浆材的特性,最后将研究成果成功应用于长沙地铁3号线水下岩溶越江盾构隧道注浆工程。研究结果表明:研制的TGM材料具有凝结时间快、屈服应力增长迅速、流动度高、析水率低、结石体收缩率小以及早期强度起效快,后期强度适中等特点;当注浆材料黏土原浆相对密度为1.30,水固比1∶1,添加剂a掺量1%,添加剂b掺量0.15%时,TGM材料的主要性能最优;岩溶水流速低于1 m/s,留存率可达75%以上,岩溶水养护条件下结石体完全压滤后12 h抗压强度可达2MPa,90 d抗压强度8 MPa,渗透系数低至10-7 cm/s,微观结构显示内部呈明显的块团状稳定结构。通过现场注浆应用表明,TGM材料能有效填充水下岩溶,浆液与岩溶充填物胶结紧密,渗透系数降至4.7×10~(-5) cm/s,后续盾构掘进过程无异常突变情况,盾构机姿态可控,注浆与掘进效果达到预期。可以预见,TGM是一种比较理想的水下岩溶越江盾构隧道注浆材料。     

考虑区间分布的幂律流体脉动渗透注浆扩散机制研究

脉动注浆技术虽已得到了一定应用,但脉动压力下浆液的扩散机制研究则远滞后于工程实践。为了进一步推广和完善脉动注浆技术,基于注浆过程中脉动压力持续段流量恒定、压力间隔段流量为零的特点,考虑地层参数的不确定性,建立了脉动压力下幂律流体的渗透扩散模型,得到了脉动压力下幂律流体扩散半径的区间分布方程;设计了一套脉动渗透注浆模拟试验装置,得到了不同施工参数下幂律流体在地层内的分布形态;通过在数值模拟中构造脉动压力周期变化模型与孔隙率随机分布模型,实现了脉动压力下幂律流体渗透注浆浆液扩散过程的模拟。研究结果表明:脉动压力作用下幂律流体在地层内扩散范围并非是一个确定的量值,但基本集中在一定范围内,存在明显的扩散半径上下限;浆液扩散半径上下限受脉动注浆压力、脉动频率等影响明显,且上限差值随脉动注浆压力的增大而增大,浆液离散程度表现的更显著;理论计算、数值模拟与模型试验所得的浆液扩散半径随注浆压力的变化趋势一致,理论与数值计算得到的浆液扩散半径上下限数值误差均在可接受范围内,推导的理论公式和建立的数值模型均能较好的描述幂律流体在脉动压力下的扩散过程及区间分布。研究成果可为脉动渗透注浆理论、数值模拟以及实践工程提供一定的指导意义。     

考虑封孔浆体黏度时空变化的止浆机制研究

封孔止浆技术是松软地层注浆防渗加固的重要手段,而封孔浆体自下而上的注入方式及其黏度时变特性导致浆体在止浆段长内黏度呈现出空间分布不均匀。通过流变试验获取封孔浆体流变参数与流型,建立考虑黏度时空变化的宾汉流体同心环状劈裂封孔浆体止浆模型,推导出黏度时空变化的封孔浆体止浆的控制方程,并定量分析封孔浆体的止浆能力,最后将研究成果成功应用于河堤防渗加固注浆工程。研究结果表明,封孔浆体黏度时空变化对浆体封孔止浆能力影响较大,其止浆能力与浆体流变参数、浆体塑性强度、封孔高度等有关;封孔浆体所能承受的极限注浆压力随封孔浆体固化剂掺量的增加或封孔浆体塑性强度的增大而增大,且这种变化随封孔高度的增高而表现的越明显,综合考虑注浆堵管、后续拔管等问题,封孔浆体水固比宜控制在1∶1左右,且黏土含量不宜超过50%,固化剂掺量宜控制在1.2%～1.8%;现场钻孔取样、压水试验均反映注浆后地层连续性和整体性得到了显著提高,已达到设计防渗加固标准,理论计算推导虽与实测结果存在一定误差,但可满足实际工程要求。研究结果有利于封孔浆体止浆技术的进一步推广应用,可为工程实践提供理论指导。