注浆层对盾构隧道管片衬砌结构受荷性能的影响及机理研究

由于盾尾间隙的存在和不确定性、注浆施工工艺的不同、注浆材料的多样性、周围土体的复杂性，浆液本身的时效性，以及壁后注浆既能充填建筑间隙，加固周围土体，又能对管片产生压力荷载，还能与衬砌结构共同承载的多重特性，造成目前国内外关于盾构隧道壁后注浆层对管片衬砌结构受荷性能的影响及机理研究已经明显滞后于盾构隧道本身的发展。本项目拟在申请者已有系列研究的基础上，采用理论分析、模型试验、数值计算及现场实测等方法，系统研究注浆层对管片衬砌结构受荷性能的影响，包括：考虑盾尾间隙、土体特性、施工工艺及浆液时效性影响下的注浆浆液扩散过程及机理分析；壁后注浆过程时效性对衬砌结构受荷性能的影响；壁后注浆体与管片衬砌结构共同作用下的受荷分析模型研究；壁后注浆硬化体对衬砌结构受荷性能影响的长期效应研究等。研究成果可为盾构隧道壁后注浆的设计计算和施工控制提供理论指导，并为相关规范的制订提供理论依据。

壁后注浆作为盾构施工的三大组成要素之一，受到了国内外诸多学者的关注。大部分学者的关注方向为数值模拟、现场试验以及室内模型试验，对注浆过程的理论研究甚少。在前期研究的基础上，将盾构隧道壁后注浆归纳为充填注浆、渗透注浆、压密注浆以及劈裂注浆四个过程。. 充填注浆——假设盾尾间隙中浆液扩散模型为三维饼状形态，推导出了基于牛顿流体与宾汉姆流体两种单液浆的充填压力扩散通用公式；假设盾尾间隙扩散模型为扇形形态，推导出了单液浆与双液浆的充填压力扩散公式。通过实例工程验证，两种扩散模型均能很好的反映浆液的扩散过程。. 渗透注浆——假设在砂性地层中，浆液的渗透扩散模型为球面形态或柱面形态，并提出了等效孔隙率的概念，推导出了考虑单液浆粘度时变特性时，浆液的渗透扩散公式、浆液压力分布公式。假设在地层中存在大量毛细管，注浆浆体在地层的毛细管中渗透扩散，推导出了浆液扩散半径公式、管片受力公式等。在渗透模型中重要结论为浆液扩散半径、浆液对管片产生的压力受浆液胶凝时间的影响显著。. 压密注浆——在软粘土地层中，压密注浆为浆液扩散的主要形态，浆液以半球形或柱形扩散方式压密周围土体。推导出了低注浆压力下，土体弹性区的应力位移公式；高注浆压力下土体塑性区半径公式、应力位移公式，最终得到压密注浆对管片产生的总压力分布公式。在压密扩散模型下，采用镜像法推导出了地表最大隆起位移计算公式、临界注浆压力计算公式以及最优注浆压力计算公式。. 通过理论、试验等多方面研究，推导并验证了不同地层条件的浆液扩散公式、管片受力公式。通过实例与模型试验验证表明，公式能很好的反映工程实际，可以为盾构壁后注浆做理论指导，完善了盾构隧道壁后注浆理论体系。