橡膠水泥基注漿材料在水工隧洞盾構同步注漿隔震層中的應用

朱智軍

(吉安市水利水電規(guī)劃設計院，江西 吉安 343000)

1 概述

中國屬于多地震國家，在地震災害難以有效預測的情況下，采取科學有效的防震、抗震措施就顯得十分重要，也成為規(guī)避和減輕地震危害的主要手段。對水利工程而言，由于大部分水利工程結構采用的是混凝土塑性材料，更容易受到地震荷載的作用而發(fā)生結構性破壞，從而造成難以估量的損失。在水利工程領域，地下洞室工程由于其隱蔽性，一旦發(fā)生結構性破壞，其修復不僅面臨較多的技術難題，同時投入巨大。因此，針對輸水隧洞采取有針對性的抗震措施就顯得尤為必要。對近年來發(fā)生的汶川地震等破壞性地震對水工隧洞的影響進行深入調研，發(fā)現大部分輸水隧洞地震破壞主要表現為襯砌結構和圍巖同時坍塌引發(fā)的塌方或襯砌塌落[1]。相關研究也表明，在地震波的作用下地層的大幅度相對位移和變形是造成輸水隧洞圍巖和襯砌結構破壞的主因[2]。針對這一情況，提出了圍巖加固和設置減震層等諸多具有良好工程效果的水工隧洞抗震措施。

在輸水隧洞盾構施工過程中，盾構鋼殼和管片之間會形成一定的環(huán)形縫隙，并需要對上述縫隙進行同步注漿，其注漿結石體則成為管片和周圍巖土體之間的過渡性銜接材料。因此，在水工隧洞盾構施工過程中，可以通過改善同步注漿層性能，使其承擔類似減震層的效果，有效減輕地震作用下隧洞結構的動力響應。顯然，同步注漿層要發(fā)揮減震層的作用，就需要其具有足夠的韌性。

利用廢舊輪胎等回收橡膠材料制成的橡膠顆粒替代部分骨料制備的橡膠混凝土，具有良好的韌性和抗震性能[3]。已有研究表明，利用橡膠混凝土作為隔震層可以獲得良好的減震效果[4]。目前，尚沒有關于橡膠水泥基注漿材料的全面研究?；诖?，此次研究結合同步注漿技術，首先通過試驗研究探索橡膠水泥基注漿材料的工作和力學性能，然后利用數值模擬的方式，探索其在同步注漿隔震層中的應用價值。

2 橡膠水泥基注漿材料的性能試驗

2.1 試驗材料

此次試驗研究使用的水泥材料為普通硅酸鹽水泥，其強度等級為P.O42.5；試驗用粉煤灰為電廠一級粉煤灰；試驗用膨潤土為鈉基膨潤土；試驗用天然骨料為閉孔珍珠巖，其粒徑為1～2mm；試驗用橡膠顆粒為廢舊輪胎為原料制成的再生橡膠顆粒，其粒徑范圍為2～4mm；試驗用纖維為長度9mm的聚丙烯纖維；試驗用水為普通自來水。

2.2 試驗方案

根據T/CECS 563—2018《盾構隧道同步注漿材料應用技術規(guī)程》的相關要求以及此次研究所使用材料的情況，確定同步注漿漿液的水膠比范圍為0.7；膠砂比為0.55；粉灰比范圍為2.2；膨水比小于0.3。為了研究橡膠顆粒摻量對漿液性能的影響，試驗中確定0%、20%、40%、60%、80%等5種不同替代水平等體積替代閉孔珍珠巖顆粒。

2.3 試驗方法

首先按照試驗方案確定的配合比參數稱量好各漿液組分材料；將水泥、粉煤灰和膨潤土和水倒入攪拌鍋攪拌60s；最后倒入閉孔珍珠巖和橡膠顆粒高速攪拌60s。將制作完成的注漿漿液材料迅速倒入試模并成型，在24h后拆模編號并養(yǎng)護至試驗規(guī)定齡期。根據研究需要，試驗中對不同配比方案漿液的稠度、流動度、泌水率等工作性能以及結石體的抗壓強度和彈性模量等力學性能進行測試，根據測試結果優(yōu)選出最佳配比方案。

2.4 試驗結果與分析

2.4.1工作性能

試驗中對不同橡膠顆粒摻量方案下漿液的稠度、流動度、泌水率等工作性能指標進行測試，結果如圖1所示。由圖1可以看出，橡膠顆粒摻量對漿液額的稠度和流動度存在比較明顯的影響，隨著橡膠顆粒的摻量的增加，漿液的稠度和流動度基本呈現出線性增大的變化特點，說明漿液的流動性能夠得到良好的改善。原因是此次試驗研究中的利用橡膠顆粒替代閉合珍珠巖，因此橡膠顆粒摻量的增加可以減少閉孔珍珠巖對浸潤水的吸附作用，因此能夠顯著改善漿液的流動性。另一方面，漿液的泌水率也隨著橡膠顆粒摻量的增加而不斷增大，其原因與流動性類似。按照T/CECS 563—2018中的規(guī)定，漿液的稠度應該在90～130mm之間，流動度應該大于160mm，泌水率不超過3.5%。由此可見，各個試驗方案在工作性能方面均滿足要求。

圖1 工作性能試驗結果

2.4.2力學性能

由于同步注漿層需要承擔隔震層的功能，因此需要漿液結石體具有一定的強度和韌性[6]。因此，試驗中對不同方案的注漿結石體28d抗壓強度和彈性模量2個關鍵性力學指標進行試驗，結果如圖2所示。由圖2可以看出，隨著橡膠顆粒摻量的增加，結石體的抗壓強度呈現出不斷下降的變化特點，彈性模量呈現出先小幅升高后迅速下降的變化特點。顯然，對于隔震層的功能發(fā)揮而言，彈性模量越小越有利。但是T/CECS 563—2018中規(guī)定注漿結石體的抗壓強度要大于2.5MPa，雖然橡膠顆粒摻量為60%時滿足要求，但是冗余度略顯不足。因此，推薦在工程應用中選擇60%的橡膠顆粒摻加方案，此時結石體的抗壓強度為5.13MPa，彈性模量為19.54GPa。

圖2 力學性能試驗結果

3 隔震效果計算與評價

3.1 計算方法

鑒于采用模型試驗的方式進行抗震性實驗難度較大，此次研究以某水利工程輸水隧洞為例進行模擬計算。該輸水隧洞地質條件比較復雜，沿線發(fā)育有多條大斷層，同時區(qū)域內的地震互動相對比較強烈。計算中選擇的洞段埋深為350m，含有一條斷層破碎帶，開挖斷面為洞徑為4.5m圓形，圍巖以IV類為主。

在模型構建過程中，隧洞的頂部僅向上取35m，斷層設置為正斷層。輸水隧洞的洞軸線指向下游的方向為y軸正方向，與y軸垂直指向右側的方向為x軸正方向，以豎直向上的方向為z軸正方向。3個方向的計算范圍分別為60、80、60m。對模型的圍巖、襯砌結構和注漿層采用6面體9節(jié)點實體單元模擬，整個模型劃分為13220和單元，14017個節(jié)點。

模型計算過程中底部和頂部采用粘彈性人工邊界條件，4周采用自由場人工邊界條件[7]。模型材料的物理力學參數見表1。其中，同步注漿圈的物理力學參數隨不同剛度方案調整。

表1 模型材料物理力學參數

在模型計算過程中，地震波選擇的是日本阪神地震的Kobe NS波[8]，結合背景工程項目區(qū)的8級抗震設防烈度，經過調整、濾波、基線校正以及幅值的折減處理，最終獲取如圖3所示的地震波加速度時程曲線。在地震波的加載過程中，由有限元模型x向(橫向)和z向(豎向)垂直射入。在模擬計算過程中，將同步注漿減震層的厚度設置為10cm不變，通過對普通水泥基注漿材料(方案1)和橡膠水泥基注漿材料(方案2)2種方案的抗震效果進行模擬計算，并對2種方案的工程效果進行對比分析。

圖3 地震波加速度時程曲線

3.2 計算結果與分析

3.2.1加速度峰值

利用構建的有限元模型，對不同同步注漿減震層剛度方案下的隧洞襯砌結構加速度進行計算，從計算結果中提取出x向和z向地震波作用下的加速度峰值，結果見表2。從計算結果可以看出，不同方案襯砌各關鍵部位的加速度峰值計算結果比較接近，說明襯砌各部位受到地震波的影響基本相同。另一方面，方案2襯砌各部位的加速度峰值明顯小于方案1。由此可見，采用橡膠水泥基注漿材料可以有效降低地震波作用下襯砌結構加速度峰值，對提高輸水隧洞抗震性有利。

表2 加速度峰值計算結果

3.2.2隧洞位移

對不同方案下的隧洞襯砌結構位移進行計算，從計算結果中提取出x向和z向地震波作用下的位移量，結果見表3。從計算結果可以看出，拱頂和拱底部位的位移變形量最大，左拱腳和右拱腳部位的位移變形量最小。由此可見，在地震作用對輸水隧洞的拱頂和拱底部位的位移變形影響相對較大。另一方面，方案2各關鍵部位的位移量明顯小于方案1，說明橡膠水泥基注漿材料方案對控制地震荷載下圍巖位移效果更佳。

表3 襯砌位移計算結果

3.2.3襯砌應力

對不同方案下的隧洞襯砌結構加速度進行計算，從計算結果中提取出x向和z向地震波作用下的襯砌第一主應力峰值，結果見表4。從計算結果可以看出，拱腳部位的第一主應力值相對較大，拱腰部位相對較小。方案2各關鍵部位的第一主應力峰值均明顯小于方案1，說明橡膠水泥基注漿材料方案對控制地震荷載下圍巖在地震荷載下的應力效果更佳。

表4 襯砌應力計算結果

4 結論

在地震高發(fā)區(qū)的水利工程建設過程中，利用工程措施提高輸水隧洞的抗震性能具有重要意義。對于盾構施工輸水隧洞而言，使同步注漿層承擔隔震層的功能可以有效降低工程投資，縮短施工工期。此次研究首先利用室內試驗的方式，以同步注漿隔震層注漿施工的要求出發(fā)，對橡膠水泥基注漿材料中的橡膠顆粒摻量水平進行優(yōu)選，獲得最佳摻量方案。在此基礎上，利用數值模擬的方式對其在同步注漿隔震層中的應用效果進行評價。結果顯示，采用橡膠水泥基注漿材料可以有效提升輸水隧洞的抗震性能，具有一定的推廣意義。當然，注漿材料的性能受到多方面因素的影響。在今后的研究中，應該不斷進行材料成分和配合比的優(yōu)化，配制出抗震性能更佳的注漿材料。