南水北调中线穿黄隧道工程盾构施工壁后注浆浆材研究

长江科学院硕士学位论文南水北调中线穿黄隧道工程盾构施工壁后注浆浆材研究姓名：苏华申请学位级别：硕士专业：岩土工程指导教师：汪在芹;李珍20070601 长江科学院硕士论文摘要穿黄隧道是南水北调中线工程的关键性工程之一，也是工程地质条件最复杂、技术难度最大的单项工程之一。穿黄隧道穿越的地层较复杂，在盾构施工过程中，由于施工的扰动，使得原状土的初始应力释放而引起土体不稳定，如果不能及时有效的实施盾尾间隙充填，将对隧洞真圆度和管片拼装质量产生影响，并导致止水条件恶化，对接缝止水不利，本项目研究对南水北调中线工程穿黄隧道盾构施工壁后注浆材料的选择和应用具有指导意义。其成果可直接应用于南水北调中线工程穿黄隧道盾构施工，是保证穿黄隧道施工质量和安全运行的重要措施，具有明显的经济效益和社会效益。本文通过对国内外现有的研究成果及工程实例的调查研究，结合穿黄隧道工程地质条件及防水技术要求，对不同注浆材料进行初步评价。通过室内试验探讨了单液的各组份对浆液性能的影响，初步完成了各组份掺量对砂浆性能影响的优化试验。在此基础上应用支持向量机以及遗传算法对试验结果进行数值优化，根据室内试验及数值分析后得出的浆液优化配比进行室内模拟试验。通过本文的研究，提出了基本满足南水北调中线穿黄隧道要求的壁后注浆浆材：（1）注浆材料能满足长距离泵送的要求，具有能完全填补盾尾空隙的流动性；（2）浆液可在规定的时间内固化；（3）早期强度和长期强度满足盾构施工的要求；（4）浆液固化体积收缩不大于5％，不易被地下水稀释，确保盾构的连续不停的正常推进。关键词：南水北调中线工程穿黄隧道盾构壁后注浆浆液施工工艺I 长江科学院硕士论文ABSTRACTThetunnelgoingthroughtheHuangheisoneofthekeyconstructionsinthemiddlelineofSouth-to-Northwaterdiversionproject,theengineeringgeologicalconditionisverycomplexandthetechnologyisverydifficultintheproject.Thegroundthatthetunnelgoesthroughisverycomplex.Duringtheconstruction,becauseofthevibration,thestressofsoilwillrelease,andthencausingthesoilbeingunstable.Iftheclearancedoesn’tbefilledintime,itwillresultinthetunnelbeingnotcircularandaffectstheeffectofthepiece’sinstallation.Italsoleadtothestopcockcan’tstopwatereffectively.Theresearch’sresultcanbeappliedtotheshieldtunnel’sconstruction.Inaword,theresearchisveryimportantmeasuretoassurethetunnel’sconstruction.Theresearchhasobviouseconomicalbenefit.Accordingtoexitingresearchresultsandtheprojectexamplesindomesticandoversea,combiningtheengineeringgeologicalconditionofthetunnelanddemandingofwaterproof,weevaluatedifferentgroutingmaterial.Accordingtotheindoorexperiment,westudytheingredients’impactonthegroutingmaterial’sperformance.Aftercompletingtheexperimentthatdifferentproportionimpactonthegroutingmaterial,weoptimizetheproportionaccordingtotheexperimentandthenumericalcomputingmethod.Accordingtotheoptimizedresults,wedothesimulatedexperiment.Theexperimentcontentincludesgroutinginwater,groutingunderwaterpressandwithoutwaterpress.Weevaluatetheeffectaftercompletingtheseexperiments.Aftercompletingtheexperiment,thegroutingmaterialhastheseperformances.First,thematerialcanmeetlongdistancetransmissionandthefluidityassuresitcanfilltheclearancecompletely.Second,thematerialcoagulatesinsettingtime.Third,theearlyandlongtermstrengthcanmeetdemandingofshieldconstruction.Fourthly,afterthematerialcoagulates,thebulkshrinkcan’tover5%.Itcanbedilutedbywatereasily.Keyword：middlelineofsouth-to-northwaterdiversion,tunnelgoingthroughHuanghe,shield,backgrouting,serum,constructiontechnicalII 长江科学院硕士论文第1章绪论[1]1.1穿黄隧道工程概况1.1.1穿黄工程设计概述盾构施工技术已有180年历史，经过漫长的历史发展变革，积累了丰富的施工经验，已成为技术成熟、高度自动化、信息化的施工技术。南水北调中线穿黄工程盾构施工研究历经十余年，多次对国内外盾构制造和施工技术进行了调查，结合穿黄隧洞具体条件，经深入仔细研究后，对盾构施工主要技术问题有了深刻的认识。根据南水北调中线工程线路布置，结合黄河两岸地形和河势条件，穿黄线路定于孤柏嘴河段内。该线黄河河床宽度约10.0km，南岸为邙山低丘，北岸为青风岭土岗，南岸邙山坡脚临河，黄河主流紧贴而过，北漫滩宽阔，水面宽仅1.0～3.0km。穿黄隧道方案将河面缩窄至3.5km，经河工模型反复论证，均表明对穿黄河段上、下河势和防洪无实质性影响。穿黄工程的设计标准：（1）穿黄工程为一等工程，穿黄隧洞为一级建筑物；（2）黄河设计洪水标准为300年一遇，校核洪水标准为1000年一遇；（3）穿黄工程按50年超越概率5％的地震标准进行抗震设计，相应基岩面峰值加速度为0.158g。穿黄工程的规划条件：（1）穿黄工程3按分期建设考虑；一期工程设计流量265.0m/s，相应起点水位为118.0m，终点水位为3108.0m，可利用水头为10.0m；加大流量为320.0m/s，终点水位为108.71m，反推起点3水位为118.733m。（2）穿黄断面处设计洪峰流量为14870m/s，千年一遇校核洪峰流量3为17530m/s，相应桃花峪水库滞洪水位为106.86m。1.1.2工程地质条件及评价穿黄工程区位于华北断块南部的二级构造豫皖断块的北部边缘。断裂规模均较小，第四纪尤其晚更新世以来活动性较弱。穿黄工程区地震峰值加速度为0.1g，相应地震设计基本烈度为7度。据国家地震局分析预报中心鉴定，场地50年超越概率10％和5％对应的地表基岩面峰值加速度分别为0.119g和0.158g。穿黄河段南岸邙山临河展布，黄河北岸残存二级阶地，青风岭黄1 长江科学院硕士论文土岸地，两岸之间滩地宽广，地势平坦；邙山以南及青风岭以北为宽广地冲积平原。本区广泛分布第四系地层，其中下更新统缺失。下伏基岩为上第三系，再者呈不整合接触。第四系全新统主要为砂层，分布于黄河河床、漫滩和冲积平原；上更新统砂层埋藏于北岸高、低漫滩及北岸冲积平原、黄土岗地之下，黄土、黄土状粉质黏土，在河床、北岸低漫滩埋藏于全新统及上更新统之下，在南岸邙山坡上更新统黄土覆盖，出露于邙山北坡。下伏基岩为上第三系粘土岩、粉砂岩、砂岩、砂砾岩。第四系砂层含水层、邙山黄土及黄土状壤土孔隙弱含水层和上第三系砂岩、砂砾岩孔隙、裂隙含水层中地下水和黄河水对混凝土均不具腐蚀性。新蟒河、老蟒河之间地下水受老蟒河污水影响，地下水对混凝土有弱结晶类腐蚀。根据标准贯入法、静力触探法、动三轴试验法、相对密度法和剪切波速法等综合判断，在7度地震条件下河床段液化最大深度为16.0m，北岸滩地段为12.0m。穿黄隧洞埋深25.0m～30.0m，位于液化土层之下10余米深度之下，因而不受砂土液化的影响。穿黄隧洞长3500.0m，双洞方案单洞直径6.9m，单洞方案隧洞直径8.9m。隧洞轴线竖向布置南高北低，南岸始端断面的中心高程为70.0m，北岸末端断面的中心高程为65.0m，盾构隧洞自北岸向南推进；该线主要河槽最低高程98.6m，距始端约800.0m，此处隧洞上覆土厚度最小约为25.8m；根据地质剖面，隧洞未能全部埋置在粉质壤土和粉质粘土中。双洞方案（单洞方案）隧洞采用双层衬砌结构，外层为装配式普通钢筋混凝土管片结构，厚40.0cm，内层为现浇预应力钢筋混凝土整体结构，厚45.0cm，中间为弹性防水垫层。隧洞底部设行车道宽3.1m，可供检修车辆洞内行走，车道两侧各有20.0cm宽的排水沟，用于排放检修期间的渗漏水。车道平台内有三根埋管，中间一根直径250.0mm，用于光纤过黄河，并可将内衬渗漏水排入北岸竖井内的集水井。用于南水北调穿黄隧洞开挖的盾构机选用的是泥水加压式，其主要的技术参数如表1-1：2 长江科学院硕士论文表1-1盾构机主要技术参数项目单位指标1.外形尺寸外径Φm8.82内径Φm8.7长度m8.52.推进系统总推力KN115000推进速度cm/min2～43.刀盘转速r/min0～0.6扭矩KN.m120004.管片拼装机型式环式0转动范围±210提升能力t12盾尾密封环41.2研究课题的提出、目的和意义穿黄隧道是南水北调中线工程的关键性控制工程之一，也是工程地质条件最复杂、技术难度最大的单项工程之一。穿黄隧道穿越地层主要为饱水中细砂层、粉质壤土层及半砂半土层，地质条件特殊，是国内目前在建的洞径最大、距离最长的盾构输水隧洞。盾构机自进入土层，经由设定路线到出地层，全过程均位于覆土20余米的地下封闭洞内施工，其安全性要求高。在盾构施工过程中，由于施工的扰动，使得原状土的初始应力释放而引起土体不稳定，如果不能及时有效地实施盾尾间隙充填，将对隧洞真圆度和[1]管片拼装质量产生影响，并导致止水条件恶化，对接缝止水不利。这是因为盾尾离脱[2]时出现临时无支撑的掘削状态，致使尾隙变形或者局部崩塌，地层松散范围扩大。另一方面，由于泥水平衡盾构在一定泥浆压力下正常掘进时，具有一定的泥水会从开挖面沿盾壳窜致盾尾后约30.0米处，已建成的隧道就会处于泥水包裹中的漂浮状态，这时对[1]隧道轴线控制及隧道稳定极为不利。此外，充填注浆也可以在隧洞外部形成较完整的相对不透水层，具有辅助防渗作用。管片衬砌的渗水现象也与背后注入好坏有密切的关系。如果管片背面抗渗充填注入施工的效果不好，则管片背面产生的渗水现象严重，这会导致地下水的流动或者水位下降。如果产生这种现象，则会由于下述原因致使地层变形：①随着地下水位的降低或者水位下降，地层内的有效应力增加，产生压密现象，致3 长江科学院硕士论文使地层变形。②伴随地下水的流动，地层中的土颗粒移动，因土颗粒间的空隙被压缩，[3～4]故产生变形。文献[5]表明注浆后可使衬砌内的压力显著降低。因此，总的来说，盾构施工中的背后注入的目的有三点：①防止地层变形；②提高隧道的防渗性；③确保管片衬砌的早期稳定（外力作用均匀）。盾构施工中采用壁后注浆是一种比较常见的技术，壁后注浆是盾构一边向前推进，一边不停地向盾尾空隙加压注浆材料的一种施工方法。当前有关盾构施工中注浆材料的研究很多，不同的地质条件、地下水状况、不同施工阶段，对材料的要求不同，许多难点问题未能得到很好解决。盾构施工中目前采用的注浆材料在胶凝时间、早期强度及长期强度（耐久性）和材料配方方面还待进一步研究，为此开展盾构施工中壁后注浆材料的研究对于穿黄隧道盾构施工是非常必要的。隧道是一种管片衬砌和地层一体化的结构稳定的构造物，管片上作用的外力也是在这个假定的条件下考虑的。这意味着管片背面空隙的均匀注入充填是确保作用外力（土[6]压）均匀的先决条件，这也是背后注入的重要目的之一。由于穿黄隧道断面大、掘进距离长，根据不同的地质条件、不同的地下水状况、施工阶段不同而采用不同的壁后注浆材料是非常必要的。为此对充填注浆材料及施工控制参数提出了特殊要求，并满足长距离、长时间的输送要求。本文的研究对南水北调工程穿黄隧道盾构施工壁后注浆材料的选择和应用具有指导意义，其成果可直接应用于南水北调工程穿黄隧道盾构施工，是保证穿黄隧道施工质量和安全运行的重要措施，具有明显的经济效益和社会效益。1.3注浆材料的研究现状及趋势注浆技术在解决隧道工程有关技术难题中，已显示其卓越的效能。在隧道施工中，对地质不良段预防与整治塌方、堵水、加固围岩、防止变形等用常规方法难以奏效的复杂工程问题，注浆发挥着巨大的作用。隧道注浆材料是关系到注浆成败的关键之一，它[7]直接影响到注浆成本、注浆效果、注浆工艺等一系列问题。1802年法国人萨贝里压注粘土和石灰浆液加固地层。1887年德国人提琴斯采用水泥防止岩层裂隙漏水取得成功。1924年日本旧丹那铁路隧洞施工中，为突破断层破碎带，采用水泥与水玻璃双液加固地层与堵水。我国铁路工程1953年就使用水玻璃浆材加固4 长江科学院硕士论文[7]地基。50年代以来一直使用水泥砂浆与纯水泥浆进行隧道衬砌与围岩间的充填加固。[8]盾构施工过程中采用的注浆技术包括注浆材料和注浆工法。充填注浆材料发展经历了砼注浆材料、单液砂浆注浆材料、双液式注浆材料、以及双液塑性注浆材料。注浆工法发展经历了事后注浆、及时注浆、以及同步注浆。1.3.1盾构注浆浆材的研究现状早期的砼注浆材料：由碎石和砂浆组成；充填效果差，现已不再使用。单液砂浆注浆材料：由水泥、粉煤灰、粘土、砂组成，其施工性能和充填性能比砼注浆材料好，该类材料硬化时间长，适用于地层稳定好的土层。双液式注浆材料：由砂浆、速凝剂组成，两组分通过双重管方式注浆，其注浆效果优于单液砂浆注浆材料，但在排除口易产生凝[9]结堵塞，严重时不得不停止该处注浆，施工管理难。双液塑性注浆材料：由含有稳定剂的水泥土系列A液和水玻璃类B液组成，具有可泵性好，凝胶时间短，在凝胶初期呈塑性凝胶体，不受地下水稀释的特点；且强度发展快，1hr强度可达0.1Mpa，一般可[6]满足所有地层条件下的充填注浆要求，浆体不会流向开挖面或造成周围地层劈裂。目前我国地铁建设盾构注浆所使用的盾构砂浆主要是以砂浆为主的浆料，主要含有[10~12]细砂、水泥、粉煤灰等集料和胶凝材料，还有适量的外加剂。盾构注浆材料可以按不同的方法分类，按注浆状态对壁后注浆材料分类如图1－1[1]所示。按所用材料的特性分类（特别是硬化材料），壁后注浆材料分类如图1－2所示。壁后注浆双液型单液型—悬浊液水玻璃类铝类—可塑可塑型固结型缓凝型瞬凝型图1－1按注浆状态分类的注浆材料5 长江科学院硕士论文壁后注浆有机类无机类水泥类非水泥类有空气有空气加气乳剂无空气砂类粘土类化学物类其它无空气砂类粘土类化学物类其它图1-2按材料特性分类的注浆材料惰性注浆材料由细砂和粉煤灰等惰性注浆材料制备，具有价格低的优点；缺点是固结时间较长，且在固结时有游离水和体积收缩大等现象，不能很好地控制地表沉降，隧道出现漂浮不定现象。法国某盾构隧道壁后注浆采用的惰性注浆材料配比（重量比）为细砂600.0㎏、粉煤灰310.0㎏、陶土90.0㎏、浆液含水量50％或细砂680㎏、粉煤灰[13]310.0㎏、陶土80.0㎏，浆液含水量为46.7％。1.3.1.1新型惰性注浆材料[13]浆液原材料主要是土和砂，基本配比为土与砂的体积比约为1:1，外掺剂掺量5％。这种材料由于可考虑就地取材的粘土，节约了浆液成本，具有一定的早期强度，并且在预测动态荷载下不致液化。但在实际工程应用中发现，由于地质条件的变化引起土质物理性能的变动，存在浆液易渗漏的技术难题；随着水量的增加和浆液稠度的提高，其防渗能力相应下降。此外还有由朱建春等为北京地铁5号线注浆配制的以生石灰、粉煤灰为主剂，其它成分为细砂、膨润土和水。这种惰性浆液的流动性随时间的推移变化幅度[14]小于水泥浆液。浆液的稠度和分层度也具有类似的规律。6 长江科学院硕士论文1.3.1.2单液型注浆材料单液浆液注浆机理：单液浆液在搅拌机等搅拌器中一次拌和成为流动的液体，再经过液体－固体的中间状态（流动态凝结及可塑状凝结）后，固结（硬化）。但是，由于水泥的水化反应非常缓慢，所以到固结需几个小时。因此，注入时要求浆液处于流动性[6、15]好的液态，以利于充填。这种流动性浆液的注浆机理，可用下图来表示。图1-3单液注浆机理图1-3中，①表示最先注入的浆液；②表示第二批注入的浆液；③表示第三批注入的浆液；④表示未充填到的部位。由于单液型浆液在注浆时是完全没有自立性的物体，所以具有非常平缓的倾斜（由流动性的好坏决定）充填，随后浆液顺次推压先注的浆液，使浆液逐渐充填到前方的形态。因此，浆液易流失到尾隙处的其他部位，而应注入的区域，特别是管片背面的上顶部位却很难充填到，加上浆液易受地下水的稀释，致使早期强度下降。当前这种材料配比运用较多，如下表其配比为（重量比）3浆液投料量（㎏/1.25m）水泥膨润土粉煤灰砂SY-1ND105水塑性浆1.009.22.080.1040.0423.2用该配比制成的浆液用于上海明珠二期蓝村－浦电路站和杨树浦路－长杨路地铁区间施工段。浆液和易性、可泵性均满足施工要求，管片接缝干燥和渗水明显好于用惰[16]性浆液的工艺，地面沉降量在允许范围内。用于广州地铁三号线[天～华盾构区间]的单液注浆材料，其优化配合比为：7 长江科学院硕士论文材料名称水泥粉煤灰膨润土河砂水MT-A减水剂3用量（㎏/m）195325408003904.5比例1.01.670.214.102.00.02用这种配合比浆液注浆时满足地铁盾构法同步注浆施工工艺的要求，具有良好的稳[17]定性和流动性。这种砂浆凝结后凝结层未出现渗水或滴水现象。1.3.1.3双液注浆材料双液注浆材料一般用在地层稳定性较差，地层自稳时间短，地下水丰富的条件下使用。最近，使用有流动性或可调整胶凝时间的双液型壁后注浆材料正在成为主流。双液背后注浆的施工和一般的地层注浆相同，最终也是通过细管把浆液压入空隙中去。浆液[6]最初一定要富有流动性，通过管路的浆液在空隙中固结，其凝胶及硬化过程如图所示。液体介于液－固体之间的状态固体单体溶胶流动状固结可塑状固结固结（凝胶）两液物理凝胶时间混合化学凝胶时间硬硬固结强度液化化时时液间间12图1-4水玻璃类双液背后浆液的凝胶—硬化过程的特性把A液（水泥类）和B液（水玻璃类作硬化剂）两种浆液混合，则变成胶态溶液，混合液的粘性随时间的增长而增大，随之进入流动态固结区（这段时间称为化学凝胶时间），随后经过可塑态固结区（这段时间称为物理凝胶时间）达到固结区。化学凝胶时间越长、水玻璃浓度越低、液温越低，这种维持流动性的凝固态和可塑态的物理凝胶时[6]间就越长。[6]双液型浆液的注浆机理：a.缓凝固结型8 长江科学院硕士论文浆液的流路液液（＋）图1-5水玻璃类双液（缓凝）固结浆液的注浆机理图1-5中，①表示首批浆液凝结和可塑态固结区；②表示第二批浆液的凝结时间和可塑态固结区；③表示第三批浆液的凝结时间和可塑态固结区；④表示未充填到的部位。如图1-5所示，至凝胶止，由于流动性非常好，所以可以实现平缓的小坡度大范围的充填。凝结后的浆液，在经过较短的可塑态区后，若再过渡到固结区，则浆体自身就不再流动。所以后来的浆液，在未凝结前顶破固结体，渗到未充填部位后固结，以后边反复充填—固结—渗入，边依次充填。由注入缓凝固结型浆液的模型试验知道，空隙的上部没有被浆液全部充填。这种缓凝固结型浆液，由于至凝胶止的时间较长，并且粘性小，容易流失到远处，所以对限定范围、特别是隧道顶部的充填以及防止向掘削面泄漏较为困难。此外，在凝胶前的一段时间里被地下水稀释，或出现材料分离、存在固结强度不均匀等缺点。b.瞬凝固结型：这种浆液具有瞬凝特性，是早期强度表现型浆液，与可塑性型相比可塑态固结区的保持时间短。这种瞬凝固结型浆液的注浆机理是设想对某一限定的空间进行充填。首批注入的浆液在凝胶时间和可塑固结区的保持时间重合的一段时间内容易充填，但进入固结区后固体就不移动了。但是，由于连续地从后面压入浆液，正如上图所示那样，在首批固结体的中心部位形成浆液的一个流通通路，通过该通路注入的浆液即可充填到前方。当用这种瞬凝型固结浆液从管片注浆孔作背后回填注入时，注入范围越大，注入阻力也越大，其结果很可能导致浆液被压入阻力小的周围土体中去。由于不能取得大的注入范围，所以施工使用受到限制，即使进行同步注浆，施工管理上也易产生事故。9 长江科学院硕士论文浆液的流路液液+图1-6水玻璃类双液（瞬凝）固体型浆液的注浆机理图1-6中，①表示首批浆液凝结＋可塑态固结区；②表示第二批浆液的凝结时间＋可塑态固结区；③表示第三批浆液的凝结时间＋可塑态固结区；④表示未充填到的部位。c.可塑型：可塑型注浆不同于以往的各种注入理论，是一种崭新的注入形态，其特征是使用具有可塑态固结特性的浆液。这种浆液从双液混合到固结的过程中，存在一个可塑态固结的实用有效的时间范围。在可塑态固结区的保持时间内，首批注入的充填浆液①、第二批注入的浆液②、第三批注入的浆液③，均可被依次压送到前方。因此在可塑态固结区保持时间内，即使注浆连续暂停几分钟（小于保持时间），那么，首次注入的浆液仍能容易地被压送到前方。由此可以推断从管片注浆孔注入可塑型浆液时，随着注入范围地扩大和浆液依次压入，注浆压力低时浆液仍能作大范围地充填。液液+图1-7水玻璃类双液可塑型浆液的注入机理图1-7中，①表示首批注入的浆液；②表示第二批注入的浆液；③表示第三批注入的浆液；④表示未充填到的部位。此外，由于是可塑态固结，从后面压入，逐渐向前移动直到完全充填尾隙，但另一方面，因为可塑态粘性非常高，所以很难向周围土体中扩渗。上海延安东路隧道南线工程的圆隧道部分，采用了盾构技术，开挖土层后形成的盾[18]尾间隙采用双液注浆进行充填，施工前由日本方面提供的配合比为：10 长江科学院硕士论文A液B液水（㎏）水泥(㎏)膨润土（㎏）稳定剂（㎏）水玻璃（L）803376783.2120根据日本方面设计的比例配制的浆液，虽然每环壁后注浆量为建筑间隙的100％～250％，但隧道轴线上方的地面沉降量相当大。后来根据施工的实际调整了配比，调整后配比为：A液B液水（㎏）水泥(㎏)膨润土（㎏）稳定剂（㎏）水玻璃（L）785275553.677使用调整后的这种浆液充填空隙使得地面沉降得到有效的控制。在广州和深圳地铁的盾构施工中也有采用双液注浆的，其配比为A液材料B液（水玻璃）第一组第二组水泥200185膨润土7580按体积比A:B=10:1减水剂和缓凝剂1.051.45配制水350260这种浆液在软弱地层和地面保护要求较高特别是有重要建筑物和地下管线的地段[19]使用后收到较好的效果。1.3.2不同壁后注浆浆液之间的优缺点分析[19]不同的注浆材料具有不同的优缺点，他们的特点如表1-2所示。表1-2各类型壁后注浆的优点和缺点注浆类型注入部位优点缺点盾尾注浆管或管凝结时间长，不易堵管，注防水效果差；对控制地面惰性浆液片注浆孔浆效率高；不用水泥，成本沉降和约束管片较不利，低。强度低。11 长江科学院硕士论文凝固后能增强隧道的防水盾尾注浆管或管凝结时间短，易堵管；成活性浆液性，对地面沉降控制和管片片注浆孔本较高。约束有利。设备简单，成本低；若用活凝结时间长，注浆的效果盾尾注浆管或管单液性注浆，后期强度高；堵管发挥较慢；浆液易流失，片注浆孔时较易清理。对盾尾密封性能要求高。设备较复杂，成本高；后盾尾注浆管或管凝结快，利于尽早发挥注浆期强度不高；堵管时不易双液片注浆孔的功效；浆液不易流失。清理；对施工管理要求高。[19]1.3.3壁后注浆类型的选择注浆类型的选择与水文地质条件、注入工法、掘进方式和地面的环境状况、施工条件以及成本控制等因素有关，一般按以下原则选择。（1）地面保护要求不高的地段或较坚硬并有一定自稳能力的岩层可考虑采用单液注浆。除保证浆液强度、固结率、可泵性等基本指标以外，应适当延长凝结时间，但须密切注意其流失的可能性和程度。（2）软弱地层和地面保护要求较高特别是有重要建筑物和地下管线的地段，宜优先采用双液注浆。（3）富水地层，考虑到浆液易受地下水稀释，致使早期强度下降，应优先选双液注浆；也可考虑单液活性注浆，并要求凝结时间短、黏性大、保水性强、不离析，同时应保证盾尾的良好密封性能并提高注浆压力。南水北调中线穿黄隧洞穿越不同的地层条件，部分地层的稳定性不好，且部分地层赋存地下水，注浆材料选择双液合适，但双液注浆材料设备较复杂，成本高；后期强度不高；堵管时不易清洗；对施工管理要求高。由于南水北调施工工期紧迫，每天需要掘进的长度达9米多，如果采用双液注浆则需要花费较多的时间来清洗注浆管，防止注浆管堵塞。一旦注浆管堵塞注浆管就必须得换。综合上述观点，南水北调中线穿黄工程壁后注浆浆液选择单液（建议）。12 长江科学院硕士论文1.3.4盾构注浆浆液的发展趋势[10]1.3.4.1开发新型胶凝材料（1）开发微细或超细水泥类浆材。超细水泥是80年代初日本首先研制成功的新型无机灌浆材料，后因其既具有化学浆液良好的可灌性，同时又具有水泥浆液的力学性能和无污染特性，价格较低等特点，逐渐在美国、前苏联、挪威等国得到广泛应用和推广。在国内，1991年前后，浙江大学和上海洋径水泥厂首先研制生产出U型超细水泥，并在浙江上黄水库、横溪水库坝心墙基础接触渗漏整治等水电工程中应用，收到显著效果。因此，使用超细水泥浆，克服普通水泥浆材的缺点，已成为国内外发展无毒低污染浆材[20]的重点。有部分学者认为水泥超细化不仅能提高浆材对微细裂隙的渗透能力，而且还能提高固结强度。但水泥超细化后会导致需水量提高，往往需使用高效减水剂提高浆体流动性。通过工程实践也发现，超细水泥注浆具有结石强度高，可灌性强，耐久性好，[21]价格较低，无毒无污染，工艺操作简便易行，施工效果良好等7项显著优点。使用超细水泥浆较好地解决了普通水泥浆液可灌性差，渗水根治不彻底的通病。但是，目前超[10]细水泥注浆尚未有统一可行的施工技术规范和验收标准。（2）使用高活性粉煤灰代替部分水泥。使用高活性粉煤灰也是浆料开发的热点之[22、23]一，目前已有不少高掺量粉煤灰注浆材料用于大型工程中。粉煤灰的主要颗粒形态是含漂珠、微珠等球状粒子的结合体，加之颗粒细，有较好的球体润滑减阻特性、可注性和渗透性，可以注入到细小裂缝中弥补了普通硅酸盐水泥浆料的不足。而且使用粉煤[24]灰注浆材料还降低了成本，减少环境污染。国外学者研究了大掺量粉煤灰浆料的性能，发现粉煤灰的加入改善了浆料的稳定性，减少了浆料的干缩，而后期强度和纯水泥浆并无太大区别。粉煤灰和粘土的加入会改善浆液的流动性。由于粉煤灰活性较低，胶凝特[25]性不好，早期强度太低，因此提高粉煤灰的活性是开发粉煤灰盾构砂浆的关键。[10]1.3.4.2使用合适的外加剂（1）掺加有机纤维。文献[26]中国外学者在水泥类浆料中掺入聚丙烯纤维，发现当掺量为0.1％和0.2％(体积分数)时，浆料的裂缝数量和宽度都降低，从而提高了浆料的13 长江科学院硕士论文[27,28]耐久性。HuangWei—Hsing也研究了掺加聚丙烯纤维的粉煤灰水泥浆性能，发现单独掺加聚丙烯纤维，浆料抗裂性提高，受环境变化影响小，并且抗硫酸盐腐蚀和抗干缩的能力也得到提高，但不足的是浆料的粘度提高，抗渗性降低。（2）掺加增稠剂。文献[29]中国外学者研究了掺加水溶性纤维素的水泥浆的流动性、流变性、稳定性、凝结时间等性能。水泥浆中加入水溶性纤维素后，粘度得到提高，减少了材料的分离，但是浆材的流动性降低。而且加入此类纤维素后，浆料的凝结时间也会有所延长。文献[30]中外国学者建立了一个统计模型来评价水灰比、高聚物增稠剂和高效减水剂之间的相互作用对水泥类浆材流动性、抗地下水稀释性和残余强度的影响。他们发现：在给定的水灰比下，即使流动性保持不变，如果提高高聚物增稠剂的用量，浆材抗地下水稀释的能力也会得到提高。（3）掺加适量的矿物掺合料。粘土作为一种常用的添加剂，目前已经广泛应用于各种水泥类浆料中。文献[31]认为粘土水泥浆是一种优于水泥浆的注浆堵水材料。它颗粒细，利于微细裂隙的充填扩散，而且硬化浆料塑性强度高，抗渗性强，充填饱满密实，注浆堵水效果好。文献[32]研究了粘土水泥浆的流变性，发现新拌粘土水泥浆属于带屈服值的假塑流体，具有剪切稀释性。水泥加量及原浆粘度都对粘土水泥浆流变性能有影响。文献[33]发现，将钢渣掺入水泥中，可改善水泥浆流动性。如果将钢渣和矿渣复合，可使水泥浆体抗压强度提高。矿渣掺入后，不会改变新拌水泥浆体的流变类型。但矿渣种类对水泥浆体的流变性能有所影响，一般来说加入的矿渣活性愈高，水泥浆体的塑性[34]粘度愈大。而且当矿渣掺加量增大时，能使水泥浆体的塑性粘度降低，流动度提高。[7]1.3.4.3发展有机高分子材料有机高分子材料有：木质素类、脲醛树脂类、丙烯酸盐类、聚氨酯类、环氧树脂类、聚酯树脂类、聚乙烯醇类、酚醛树脂类，以及对原有高分子浆材的改进系列浆材。有机高分子材料用于隧道注浆已有一段历史了，例如1965年6月国家科委组织专家对铁河隧道丙烯酰胺注浆的试验，并获得成功。但是高分子材料用于注浆存在着一些问题，例如耐久性与毒性。如何解决好这两个问题关系到高分子注浆材料的应用。14 长江科学院硕士论文1.4本课题的研究目标和内容地铁隧道盾构法的同步注浆是在盾构掘进的同时，通过注浆泵的泵压作用，把水泥砂浆灌注入盾尾的管片环外间隙之中，达到填充管片环外空隙、固结管片环位置、减小地面沉降、充当环外第一道防水线的目的。因此，地铁隧道盾构法管片环外同步注浆材料(水泥砂浆)不同于一般工程上所用的砌筑砂浆或抹面砂浆。这种砂浆一旦灌注入地铁管片环外间隙中之后，不须考虑水分蒸发的干缩问题，并且盾构法注浆工艺要求其须有[17]较高的稳定性和流动性、较小的流动性经时损失性及适宜的凝结时间等性能。如果砂浆稳定性差，则易离析分层，在注浆过程中，将导致注浆堵管，既影响施工进度，又影响注浆效果；同样如果砂浆流动性差，那么将导致注浆泵压升高，使注浆出现困难。因此盾构法要求注浆用水泥砂浆须具备良好的稳定性和流动性。在实际施工过程中，刚配制出槽的砂浆往往都具有较大的流动性，但稳定性较差，即使在经历转贮过程以后开始注浆时，仍不能达到较好的注浆效果。经常由于分层离析而导致注浆管当中有3／4的截面沉积了砂子，注浆压急剧上升而使注浆困难，出现堵管现象(不可泵注)；并且由于砂浆中水泥的不断水化及转贮搅拌过程中的水分蒸发导致砂浆的流动性不断降低，这样就可能因为施工工序的耽搁延误而致使砂浆失去可泵性[17](虽然此时的砂浆具有较好的稳定性)，给施工过程带来许多不便。如何使砂浆在注浆开始时既具有良好的流动性又有较好的稳定性，并且使砂浆在经历一定时间后仍具有一定的流动性能(可注浆)，同时在合适的时间凝结，是本课题的主要目标，也是本课题所要解决的一个难题。为了达到壁后注浆的目的首先需选择适合于地层土质及盾构机型的适用材料。盾构砂浆存在的问题：(1)浆材胶凝时间长，难以控制浆液的早期强度，强度增长慢，抗地下水稀释能力差。(2)水泥颗粒较大，不容易灌注到细小裂隙中，可注性差。从而导致注浆不均匀，不能起到充实地层作用，影响地面建筑物的安全。(3)浆材不稳定，容易沉降析水，在输送过程中容易堵塞管道，耽误工期，而且导致不能连续输送，直接影响注浆质量，甚至会造成地面塌陷。由于盾构砂浆要求能顺利泵送，并且能均匀注入到地层和盾构管片之间的空隙中，因此浆材的稳定性是注浆工作者最为关注的问题之一。(4)盾构砂浆要求具有较大的流动性。但是提高浆材流动度的同时，往往也会降低其稳定性，造成严重的泌水离析。这是一对难以调和的矛盾。15 长江科学院硕士论文[35、36]为了达到理想的壁后注浆效果，注浆材料应有如下特性：①不会引起析水等材料分离现象；②注浆后随着硬化现象的出现，体积减少率要小；③优越的充填性，能充分充填衬砌外间隙；④良好的流动性，在未固结前充分流至充填部分；⑤一定的早期强度，较快地出现相当于土体允许承载力的强度；⑥富有不透水性；⑦不会造成公害。一种理想的注浆材料，应具有满足工程上的性能要求、价格便宜、来源广、无毒性及无污染等条件。但是，注浆作为一门应用性极强的半经验学科，注浆的效果不仅和材料本身有关，而且还和施工工地的环境、温度、地质条件等密切相关，而不同的工地，甚至同一工地不同的施工段，其地质条件都是千变万化的，因此世界各国还没有一种注浆材料能完全满足注浆的要求。主要研究内容：1）单液浆材的实验研究①单液材料的选择；②浆液静置沉淀、离析现象的研究；③浆液浸水后状态观察与防稀释性的评价；④浆液稠度、泌水率的研究；⑤浆液胶凝时间的测试与研究；⑥浆液固结体强度、及固结率（或收缩率）的研究。2）模拟注浆试验及注浆效果评价①注浆材料的比较；②模拟水中注浆试验；③模拟有水压条件下注浆试验；④注浆效果评价。16 长江科学院硕士论文1.5本课题的研究方法与技术路线1）不同注浆材料的比较分析和评价通过对国内外现有研究成果及工程实例的调查研究，结合穿黄隧道工程地质条件及防水技术要求，对不同注浆材料进行初步评价。单液主要是选择几种不同的膨润土、粉煤灰、减水剂进行试验，然后比较各种不同种类中最好的一种，选择的指标是砂浆的稠度及泌水率。2）单液注浆材料的试验研究选择适合的材料后根据不同的配比试验，对砂浆进行静置沉淀、离析现象、浸水后状态、稠度、胶凝时间、早期强度及长期强度进行研究。3）对单液的数据进行数值拟合及优化应用支持向量机对试验结果进行拟合，然后对结果进行优化。4）室内模拟注浆试验及注浆效果评价通过模拟注浆考察在不同条件下的充填效果，进一步选择材料和优化配方。①模拟水中注浆试验；②模拟有水压条件下注浆试验；③注浆效果评价。1.6本课题的预期成果通过本项研究，浆材性能达到如下要求：（1）提出满足南水北调中线穿黄隧道壁后注浆要求的注浆浆材。①注浆材料能满足长距离泵送的要求，具有能完全填补盾尾空隙的流动性；②浆液在规定的时间内固化；③早期强度和长期强度满足盾构施工和环境保护的要求；④浆液固化体积收缩要小，不被地下水稀释，确保盾构的连续不停的正常推进。（2）提供适宜南水北调中线穿黄隧道壁后注浆工艺。（3）发表1～2篇学术论文。17 长江科学院硕士论文第2章各组份在浆液中的作用2.1概述00本试验室内温度控制在20C±5C，由于壁后注浆所要求的水泥砂浆结石后的强度＃不高，为了节约成本，本试验所用的水泥为华新325普通硅酸盐水泥。所用的砂为河砂，细度模数为2.38，在试验过程中曾经使用过人工粗砂，但考虑到用人工粗砂分层度比中细砂的大，在灌浆时容易沉砂堵管，因此最后使用的是细砂。为了检验各组份在注浆浆液中所起的作用，对不同组分在不同含量的情况下进行试验，试验方法如下：（1）砂浆稠度：采用DL/T5150－2001《水工混凝土试验规程》水泥砂浆稠度试验方法，将砂浆拌和物一次装入容器，使砂浆表面低于容器口约10mm左右，用捣棒自容器中心向边缘捣25次，然后轻轻地将容器摇动或敲击5～6次，使砂浆表面平整，随后将容器置于稠度测定仪地座上。拧开调好的制动螺丝，同时计时，经10s立即拧紧制动螺丝，然后将滑杆上移，从刻度盘上读出试锥下沉的深度，每组试验测两次取其平均值。（2）砂浆凝结时间按JGJ70－90《建筑砂浆基本性能试验方法》，将配制好的砂浆装在规定规格的容器中后，在相应的时间间隔里从刻度盘上读出相应的压力值，每组试验测试两次取平均值。（3）抗压强度按用40.0mm×40.0mm×160.0mm的模具，砂浆搅拌完成后装在模具内在振动台上振动一分钟，然后把试样放在标准的养护条件下养护。每组试样做三个个，取其平均值。（4）砂浆稳定性按砂浆的表现情况及静置后的分层、板结等情况判断。（5）砂浆泌水率：将注浆材料拌和物一次装入一个带盖容器中，在振动台上振动30次，然后用抹刀轻轻抹平，加盖以防水分蒸发．自抹面开始计算时间，每1h吸水一次．将每次吸出的水都注入带塞的量筒，最后计算出总的泌水量。（6）砂浆固结后的收缩率：把配制好的砂浆装在标准模具中，然后放在标准的条件下养护3d后取出，测量完初始的尺寸后把试件再次在标准条件下养护28d。每组试件为三个，取其平均值。18 长江科学院硕士论文（7）砂浆的渗透系数：把配制好的砂浆装入截头圆锥金属试模，试模的上口直径70.0mm，下口直径80.0mm，高30.0mm，每组试件为三个，测试后取它们的平均值。[37～51]2.2减水剂的减水机理与作用高效减水剂有效地减少了砂浆的流动性损失，改善砂浆的工作性能，提高流动性，在灌浆施工中发挥重要的作用，只是至今为止仍旧没有一个完美的理论来解释高效减水剂的作用机理，但有几个理论为大家普遍认同。2.2.1静电斥力理论水泥水化后，由于离子间的范德华力作用以及水泥水化矿物、水泥主要矿物在水化过程中带不同电荷而产生凝聚，导致了砂浆产生絮凝结构。高效减水剂大多属阴离子型－－表面活性剂，掺人到砂浆中后，减水剂中的负离子—SO、—COO就会在水泥粒子的2＋正电荷Ca的作用下而吸附于水泥粒子上，形成扩散双电层(Zeta电位)的离子分布，在表面形成扩散双电层的离子分布，使水泥粒子在静电斥力作用下分散，把水泥水化过程中形成的空间网架结构中的束缚水释放出来，使水泥砂浆流动化。Zeta电位的绝对值越大，减水效果就越好。随着水泥的进一步水化，电性被中和，静电斥力随之降低，范德华力的作用变成主导，对于萘系、三聚氰胺系高效减水剂的混凝土，水泥浆又开始凝聚，流动性损失比较大，所以掺入这两类减水剂的混凝土所形成的分散是不稳定的。而对于氨基磺酸、多羧酸系高效减水剂，由于其与水泥的吸附模型不同，粒子间吸附层的作用力不同于前两类，其发挥分散作用的主导因素不是Zeta电位，而是一种稳定的分散。2.2.2立体位阻效应掺有高效减水剂的水泥浆中，高效减水剂的有机分子长链实际上在水泥微粒表面是呈现各种吸附状态的。不同的吸附态是因为高效减水剂分子链结构的不同所致，它直接影响到掺有该类减水剂砂浆流动度的经时变化。有研究表明萘系和三聚氰胺系减水剂的吸附状态是棒状链，因而是平直的吸附，静电排斥作用较弱。其结果是Zeta电位降低很快，静电平衡容易随着水泥水化进程的发展受到破坏，使范德华引力占主导，流动度经时变化大。而氨基磺酸类高效减水剂分子在水泥微粒表面呈环状、引线状和齿轮状吸附，19 长江科学院硕士论文它使水泥颗粒之间的静电斥力呈现立体的交错纵横式，立体的静电斥力的Zeta电位经时变化小，宏观表现为分散性更好，流动度经时变化小。而多羧酸系接枝共聚物高效减水剂大分子在水泥颗粒表面的吸附状态多呈齿形。这种减水剂不但具有对水泥微粒极好的分散性而且能保持坍落度经时变化很小。原因有三：其一是由于接枝共聚物有大量羧基存在．具有一定的藕合能力，加之支链的立体静电斥力构成对粒子间凝聚作用的阻碍；其二是因为在强碱性介质例如水泥浆体中，接枝共聚链逐渐断裂开，释放出羧酸分子，使上述第一个效应不断得以重现；其三是接枝共聚物Zeta电位绝对值比萘系和三聚氰胺系减水剂的低，因此要达到相同的分散状态时，所需要的电荷总量也不如萘系和三聚氰胺系减水剂那样多。对于有侧链的聚羧酸减水剂和氨基磺酸盐系高效减水剂，通过这种立体排斥力，能保持分散系统的稳定性。2.2.3润滑作用高效减水剂的极性亲水基团定向吸附于水泥颗粒表面，多以氢键形式与水分子缔合，再加上水分子之间的氢键缔合，构成了水泥微粒表面的一层稳定的水膜，阻止水泥颗粒间的直接接触，增加了水泥颗粒间的滑动能力，起到润滑作用，从而进一步提高浆体的流动性。水泥浆中的微小气泡，同样对减水剂分子的定向吸附极性基团所包裹，使气泡与气泡及气泡与水泥颗粒间也因同电性相斥而类似在水泥微粒间加入许多微珠，亦起到润滑作用，提高流动性。2.3与水泥的适应性问题国内外大量的研究和实践表明，外加剂的使用存在有“水泥适应性”问题。所谓水泥适应性，即同一种外加剂在不同水泥品种中，掺量相同，而效果却明显不同；不同外加剂品种对水泥品种也存在着一种有效的选择，如果选择不当，甚至产生假凝、促凝现象。影响外加剂对水泥的适应性至少有以下几个因素：即C3A含量、碱（K2O和Na2O）含量、熟料煅烧条件、石膏种类、水泥比表面积以及混合材种类。铁道科学院等单位认为，选用C3A含量低、C3S含量高和细度大的水泥能充分发挥减水剂的分散、减水效应。按照混凝土外加剂应用技术规范，将经检验符合有关标准的某种外加剂，掺入到按20 长江科学院硕士论文规定可以使用该品种外加剂的水泥所配制的混凝土(或砂浆)中，若能够产生应有的效果，就认为该水泥与这种外加剂是适应的；相反，如果不能产生应有的效果，则该水泥与这种外加剂之间存在不适应性。高效减水剂与水泥产生不适应性的时候，能够直观快速地反应出来，如流动性差、减水率低、拌合物板结发热、塌落度损失过快等。高效减水剂与水泥的适应性受诸多因素的影响，评价高效减水剂与水泥的适应性是十分复杂的。2.3.1水泥矿物成分的影响水泥中C3A的含量越低，减水剂与水泥的适应性较好；当水泥中C3A的含量高时，减水剂的使用效果较差。各种试验表明，C3A含量高的水泥，将形成大量的钙矾石，须消耗大量的水，使混凝土流动度降低，需增加减水剂的用量。这是因为减水剂溶解后，优先选择性地吸附在C3A或其初期水化物表面，从而使对其它粒子产生分散作用的有效的减水剂量相应减少。2.3.2水泥碱性的影响现代工程普遍采用纯硅或普硅水泥，而这类水泥的碱度是比较高的。加上砂、石或外掺材料等也都带有一定数量的碱。碱含量对减水剂与水泥的适应性有很大影响，试验表明，掺量一样的同种减水剂，采用碱含量高的水泥，其水泥净浆的流动性就较差，塑化效果亦差。2.3.3水泥细度的影响当水泥细度增加时，水泥比表面积就增大。因此，就需要有更多的分散剂的分子吸附覆盖在水泥颗粒表面，才能达到预期的使用效果。水泥颗粒越细，其净浆流动稳定性越差，要有好的流动性，则所需的减水剂就要增多。2.3.4水泥中石膏的影响石膏控制硅酸盐水泥的凝结时间与硬化速度，一般会以二水石膏、半水石膏、可溶性或不可溶性硬石膏(无水石膏)等几种形式存在。由于它们的溶解度和溶解速度是不相2－同的，在混合物中C3A与SO4之间的平衡将直接影响减水剂的使用效果。以无水石膏21 长江科学院硕士论文作为调凝剂的水泥碰到木钙、糖钙减水剂时，会产生严重的不适应性，不仅得不到预期的效果，而且往往会引起流动损失过快甚至异常凝结。因此，对于掺有硬石膏的水泥，在使用减水剂时要特别小心。2.3.5高效减水剂自身特性的影响高效减水剂的分子结构对其塑化效果有很大的影响。此外，减水剂的掺量、形态等其他因素有影响。当高效减水剂掺量过高时，其分散作用可能影响到水化产物，阻碍它们之间的粘结，从而推迟强度增长以及降低最终的强度。三聚氰胺系高效减水剂、氨基磺酸盐系高效减水剂在施工中只有以减水剂方式作用才能发挥良好的塑化效果。2.4减水剂的适宜掺量减水剂掺量对拌和物流动性的影响规律是：掺量较少时，无论是水泥净浆、砂浆及混凝土拌和物的流动性均增加得较少；掺量过多时，流动性并不成正比增加；只有在一个狭小的最佳掺量范围内减水剂量稍微增加，拌和物的流动性才有显著的提高。这可用减水剂的作用机理中的有关临界胶束浓度和极限吸附量的原理加以解释。减水剂提高拌和物流动性的主要原因是使水泥浆体中絮凝状结构成为均匀的分散结构。因此所需减水剂的掺量应恰好能使水泥颗粒成为均匀的分散结构。因此所需减水剂的掺量应恰好能使[52]水泥颗粒成为均匀的分散结构时，再增加减水剂掺量，对流动性的改善就不明显。2.5减水剂的选择试验为了比较不同减水剂的减水性能，本试验选取了FDN-2、PC100、FDN-9000、FDN－1。FDN-1、2、9000是以β－萘磺酸盐甲醛缩合物为主要成分的高效减水剂，PC100为聚羧酸系高效减水剂。掺量均为2%,水胶比为0.8，试验情况如表2-1：22 长江科学院硕士论文表2-1减水剂性能的对比减水剂稠度（cm）砂浆表现特征备注FDN-110.3初始气泡较多，粘聚性好可泵性较好FDN－28.5初始气泡较少，轻微离析可泵性一般FDN-90009.8初始气泡多，粘聚性好可泵性好PC1007.8初始气泡较少，轻微离析难泵送空白—砂浆较稠不能泵送图2-1掺加减水剂的砂浆23 长江科学院硕士论文图2-2未掺入减水剂的砂浆试验数据表明：（1）不掺减水剂时，砂浆流动性低，流动性损失快，而掺加减水剂后，砂浆流动性损失减慢，说明减水剂具有能增大砂浆流动性，减慢流动性损失的效应；（2）缓凝效果比较：FDN-9000>FDN-1>FDN－2>PC100；（3）减水效果比较：FDN-1>FDN-9000>FDN－2>PC100；（4）引气效果比较：FDN-1、FDN-9000、FDN－2都具有一定的引气作用，而PC100引气作用不是很明显。从砂浆的流动性及流动性经时损失性能出发，要求减水剂具有较大的减水性能和一定的缓凝作用；从砂浆的稳定性出发，要求减水剂具有引气效应。因此，根据试验结果，判定FDN-1为多种组分的复合材料，具多功能性，既具有较高的减水性能，又具有较强的缓凝性，可基本满足砂浆的性能要求。24 长江科学院硕士论文2.5.1减水剂掺量试验减水剂掺量对拌和物流动性的影响规律是：掺量较少时，无论是水泥净浆、砂浆及混凝土拌和物的流动性均增加得较少；掺量过多时，流动性并不成正比增加；只有在一个狭小的最佳掺量范围内减水剂量稍微增加，拌和物的流动性才有显著的提高。因此，为了合理地确定减水剂的用量，在保持其它的成分用量不变的情况下根据试验确定减水剂的用量。砂浆的稠度随减水剂掺量不同的变化曲线如图2-3所示：表2-2不同减水剂掺量下砂浆的稠度水泥（g）粉煤灰（g）膨润土（g）减水剂（g）水（g）砂（g）20012080029011002001208042901100200120806290110020012080829011002001208010290110020012080122901100128小时后的稠度11初始稠度10987砂浆稠度（cm）654345678910111213减水剂掺量（g）图2-3砂浆稠度随减水剂掺量的变化由于未加减水剂时砂浆的稠度较小，故未在图上画出。根据上图的结果以及未掺减水剂的砂浆的稠度可知：不掺加减水剂时，砂浆稠度小，砂浆不易于流动，流动性损失25 长江科学院硕士论文快，而掺减水剂后，砂浆稠度大，流动性增大，稠度损失减慢，说明减水剂具有能增大砂浆流动性，减慢流动性损失的效应。在一定的范围内随着减水剂掺量的增加砂浆的稠度逐渐变大，当减水剂的掺量达到一定值后再增加减水剂的含量，砂浆的稠度变化不大，说明减水剂的掺量有一个适宜值。当减水剂的掺量少于6g时，砂浆稠度较小，不能满足灌浆要求，当其掺量在8g～12g时稠度的变化不是很明显，减水剂的掺量为8g时，砂浆在8小时后的稠度仍然满足灌浆要求，为了节约成本初步确定减水剂的掺量为8g。3d167d1428d121086抗压强度（MPa）42468101214减水剂掺量（g）图2-4抗压强度随碱水剂掺量的变化由图2-4可知：砂浆的强度随着减水剂掺量的增加而提高，但当掺量增加到10g后，再增加掺量，砂浆的强度反而降低。因此，确定合适的减水剂掺量尤为重要。14121086凝结时间（h）42468101214减水剂掺量（g）图2-5凝结时间随减水剂掺量的变化26 长江科学院硕士论文由图2-5可知砂浆的凝结时间随着减水剂掺量的增加而延长，因为砂浆的凝结时间主要受水的影响，砂浆里的水越多，凝结时间越长，随着减水剂掺量的增加，被水泥包裹的自由水被释放出来就多，因此砂浆的凝结时间就相应的延长。2.6膨润土的作用及意义膨润土的主要化学组分是二氧化硅、三氧化二铝和水。氧化铁和氧化镁含量有时也较高。此外，钙、钠、钾等常以不同含量存在于膨润土中。膨润土的Na2O和CaO含量对膨润土的物理化学性能和工艺技术性能影响颇大。膨润土的主要成分蒙脱石为少量碱[53]及碱土金属的含水铝硅酸盐矿物，其化学式为Nax(H2O)4{(Al2-xMg0.33)[SiO10](OH)2}。膨润土为溶胀材料，其溶胀过程将吸收大量的水，使砂浆中的自由水减少，导致砂浆的流动性降低，流动性损失加快；膨润土为类似蒙脱石的硅酸盐，主要具有柱状结构，因而其水解以后，在砂浆中可形成卡屋结构，增大砂浆的稳定性，同时其特有的滑动效应，[17]在一定程度上提高砂浆的滑动性能，增大可泵性，可在一定程度上防止堵管。蒙脱石的晶体结构由两层硅氧四面体晶片中间夹一层铝氧八面体晶片组成，属2:1型层状硅酸盐矿物。半个晶胞中总阴离子电荷[(OH)]为22，八面体中存在的阳离子数为2＋3＋2，四面体中存在的阳离子数为4。一般硅氧四面体(或)铝氧八面体中存在如Fe、Fe、2＋3＋Mg、Al等阳离子类质同象置换，当置换阳离子为低价时，使结构增加等当量的负电荷，由层间吸附阳离子补偿。由于矿体产出的地质环境不同，层间吸附的阳离子和四面体、八面体的类质同象置换，可有很大不同，因而蒙脱石的化学成分变化也较大。蒙脱石晶层间阳离子与晶体格架间形成电偶极子，加上蒙脱石晶层之间结合力较弱，能吸附极性水分子，根据阳离子种类及相对湿度，层间能吸附一层或两层水分子。另外，在蒙脱石晶粒表面也吸附了一定的水分子，结构水以OH基形式存在于晶格中。蒙脱石晶格内阳离子置换这一构造特性决定了蒙脱石一系列重要性质。如阳离子交换性、膨胀性、[54]吸附性、分散性、流变性、可塑性、粘结性、胶体性、触变性、耐火性、润滑性等。由于蒙脱石层间水和层间可交换阳离子存在，按蒙脱石所含可交换阳离子种类、含量和结晶化学性质等，可将膨润土划分为钠基膨润土(碱性土)、钙基膨润土(碱性土)和天然漂白土(酸性土或酸性白土)3种。其中钙基膨润土包括钙钠基、钙镁基等膨润土。++碱性土的主要交换阳离子为Na(和K)，碱性系数大于或等于1。碱性土的主要交换阳27 长江科学院硕士论文2++2+2++3+离子为Ca、Na或Ca、Mg等，碱性系数小于1。酸性土的主要交换阳离子为H(Al)。一般钠基膨润土较之钙基或镁基膨润土的物理化学性质和工艺技术性能优越。主要表现在：吸水速度慢，但吸水率和膨胀倍数大；阳离子交换量高；在水介质中分散性好，胶质价高；它的胶体悬浮液触变性、粘度、润滑性好，pH值高；热稳定性好；有较高的可塑性和较强的粘结性；热湿拉强度和干压强度高。所以钠基膨润土的使用价值和经济价值较高。膨润土具有吸湿性，能吸附8～15倍于本体积的水量。吸水后膨胀，能膨胀数倍，可达30余倍。在水介质中能分散呈胶体悬浮液，这种悬浮液具有一定的粘滞性、触变性和润滑性。它和水、泥或砂等细碎屑物质的掺合物有可塑性和粘结性。有较强的阳离子交换能力。对各种气体、液体、有机物质有一定的吸附能力，最大吸附量可达5[53]倍于它的重量，具有表面活性的酸性漂白土能吸附有色物质。[55～58]2.6.1膨润土的作用机理膨润土是一种以蒙脱石为主要成分的粘土，因此，蒙脱石的品种和含量对膨润土的性能有很大的影响。蒙脱石是由2层Si－O四面体中间夹一层Al－(O，OH)八面体为构造单元组成的层状硅酸盐矿物。其结构有2个特点：层间范德华力连接，这种作用较弱；4+3+3+2+2+2+四面体中部分Si可被A1取代，八面体中的A1可被Fe、Mg、Zn等离子取代，使晶层平面上带负电。前者使水分子易于进入晶胞层问发生膨胀；后者使粘土颗粒表面能自发地吸附反电荷离子(阳离子)形成络合物或有机、无机复合物。当膨润土分散于水中时，由于表面吸附的阳离子在溶液主体中的浓度较低，它们有自晶层表面向外扩散的趋势；另一方面，它们又受带电晶层的静电吸引。这2个相反趋向的结果，使粘土颗粒晶层外表面形成扩散双电层，并呈大气状分布。堆叠晶层间的阳离子则限制在面对面的晶层表面中间的狭窄间隔内。膨润土分散在水中，蒙脱石的颗粒可能呈单一晶胞，也可以是许多晶胞的附聚体。由于蒙脱石晶体表面电荷的多样性和颗粒的不规则性，它们在水中会产生许多不同的附聚型式。膨润土在水中高度分散搭接成网络结构，并使多量的自由水转变为网络结构中的束缚水，而形成非牛顿液体类型的触变性凝胶。它的粘度对于悬浮液体系的稳定性具有重要影响，并与剪切速度变化有关。搅动时，网络结构破坏，凝胶转化为低粘滞性的悬浮液；静止时，恢复到初始凝胶网络结构的均相塑性体状态，粘度逐渐增大。在外力作用下悬浮液与胶体可以无限转化。这就是掺加膨润土后砂浆触变性变好的原因。由于上述28 长江科学院硕士论文原因，导致加入膨润土的砂浆粘度上升，保水性能提高，触变性能变好。2.6.2膨润土的选择及其意义为了比较掺加膨润土和不加膨润土的情况下砂浆的性能，设计了如下的试验，其中膨润土掺量为30.0％，水胶比为1.0，减水剂掺量为2.0％。试验情况如表2-3：表2-3膨润土数据膨润土掺加情稠度（cm）砂浆表现特征况初始3h8h加膨润土加减11.010.27.6砂浆稳定性较好水剂不加膨润土，加>1211.89.8严重离析减水剂加膨润土无减砂浆较稠不可泵水剂29 长江科学院硕士论文图2-6未掺入膨润土的砂浆图2-7掺入膨润土的砂浆30 长江科学院硕士论文以上数据及试验现象表明：（1）膨润土的加入，使砂浆流动性降低；（2）膨润土的加入，砂浆流动性损失加快；（3）减水剂的加入使砂浆的流动性增大，特别是对加膨润土的砂浆来说更具有意义。文献《地铁隧道盾构法同步注浆用水泥砂浆的试验研究》认为膨润土的预水化无意义，为了检验其说法，在本试验中分别对进行预水化和未进行预水化的膨润土加入到砂浆中进行试验。膨润土的预水化按土水比为1:5进行水化24小时。表2-4膨润土预水化对砂浆性能的影响膨润土水膨润土掺稠度（cm）用水量（g）砂浆表现化情况量（g）初始8h60（土＋预水化25011.29.8初始稳定性好，流动性好水）未预水化10300>128.7初始有点离析，流动性好表2-4试验结果表明，在实际用水量相同的情况下未预水化膨润土砂浆的稠度比加预水化膨润土砂浆的稠度大，但是8小时后未预水化膨润土砂浆的稠度比预水化膨润土的稠度小且未预水化膨润土砂浆的稳定性比加预水化膨润土砂浆的稳定性差些。造成这种情况的原因可能是由于膨润土预水化足够长的时间后，与之混合的水大部分已渗入其结构之中，而成为约束水，自由水减少，因此在同样的用水量情况下，预水化的膨润土砂浆稠度比未预水化的膨润土砂浆稠度小。膨润土未经预水化时，虽然其与水相遇后，就开始水解吸水，但这是一个较慢的过程，其在水解时，一定时间还不能将大量的自由水吸收而成为约束水，所以开始时砂浆的稠度较大但是经过几个小时后砂浆中的自由水被膨润土吸收，导致了砂浆的稠度变小。8小时后未预水化膨润土砂浆的分层度之所以比预水化膨润土砂浆的大，原因在于未预水化的膨润土砂浆中的膨润土水化不均匀，部分膨润土未能充分水化。31 长江科学院硕士论文2.6.3膨润土掺量试验为了检验膨润土不同掺量下砂浆的性能，对不同掺量的膨润土进行了试验，结果如表2-5：表2-5不同掺量膨润土砂浆水泥（g）粉煤灰（g）膨润土（g）减水剂（g）水（g）砂（g）200120404320110020012080432011002001201204320110020012014043201100在上表配合比下砂浆的稠度如图2-8：12111098稠度（cm）765406080100120140膨润土掺量（g）图2-8不同膨润土掺量下砂浆的稠度32 长江科学院硕士论文9.69.49.29.0凝结时间（h）8.88.6406080100120膨润土掺量（g）图2-9不同膨润土掺量下砂浆的凝结时间根据图2-9可知在同等用水量的情况下，随着膨润土掺量的增加，砂浆的稠度降低。因为膨润土为溶胀材料，其溶胀过程将吸收大量的水，使砂浆的自由水减少，导致砂浆的流动性降低，流动性损失加快。膨润土可增大砂浆的稳定性和润滑性，但同时会使砂浆的流动性降低。在使用上，须控制好其用量。膨润土掺量的变化对砂浆凝结时间有一定的影响但不是很明显。2.7含水量试验为了试验水对砂浆的凝结时间以及强度的影响，对砂浆在不同含水量下的性能进行试验。砂浆的配比及结果如下：表2-6砂浆的配合比减水剂编号水泥（g）粉煤灰（g）膨润土（g）水（g）砂（g）（g）A12001205043001200A22001205043301200A32001205043501200A4200120504400120033 长江科学院硕士论文9.89.69.49.29.0稠度（cm）8.88.68.4300320340360380400水的掺量（g）图2-108h后砂浆稠度随含水量的变化15.515.014.514.0（h）13.513.0凝结时间12.512.011.5300320340360380400水的掺量（g）图2-11凝结时间随含水量的变化9.08.58.07.5强度（MPa）7.06.5300320340360380400水掺量（g）图2-12强度随含水量的变化34 长江科学院硕士论文根据图2-10～图2-12结果可知：随着水掺量的增加。砂浆的稠度逐渐增大，凝结时间变长，水对砂浆的凝结时间影响较大，随着含水量的增加，砂浆28d的强度下降。2.8粉煤灰掺量试验粉煤灰是一种火山灰质材料，粒径较小，大多数颗粒呈球形，与水泥的水化产物可发生二次水化，具有一定的活性，在注浆中可以部分代替水泥，不仅可以减少水泥的用量，降低造价而且还能改善浆料及其结石性能。根据文献[59]，加入粉煤灰的砂浆后降低泌水率性能Ⅰ级>Ⅱ级>Ⅲ级，这是由于Ⅰ、Ⅱ级粉煤灰含有较多的微细球形颗粒有利于浆体的流动性能，并有助于截断砂浆内泌水通道，而且粉煤灰越细，颗粒中的玻璃微珠较多，要满足试验所需的设计稠度，其相应的用水量较少。根据上述的结果，为了降低砂浆的泌水性能，本试验采用Ⅰ级粉煤灰。表2-7粉煤灰的掺量变化编号粉煤灰（g）膨润土（g）减水剂（g）水（g）砂（g）A12005043501200A23005043501200A34005043501200A450050435012009.89.69.4cm）9.2稠度（9.08.8200250300350400450500粉煤灰掺量（g）图2-13稠度随粉煤灰掺量的变化（8h）35 长江科学院硕士论文16.516.015.515.014.514.0凝结时间（h）13.513.0200250300350400450500粉煤灰掺量（g）图2-14凝结时间随粉煤灰掺量变化8.07.87.67.47.27.06.8强度（MPa）6.66.46.2200250300350400450500粉煤灰掺量（g）图2-15强度随粉煤灰掺量的变化通过试验结果可以看出，在保持其它成分不变的情况下，随着粉煤灰掺量的增加，砂浆的稠度减少。这主要是由于粉煤灰具有一定的保水性，随着粉煤灰掺量的增加，粉煤灰水泥砂浆中的自由水减少。其次随着粉煤灰掺量的增加，粉煤灰水泥砂浆的凝结时间变长，抗压强度降低。产生这种现象的原因是由于粉煤灰部分代替水泥后，粉煤灰中的有效成分SiO2、Al2O3跟水泥水化产物Ca(OH)2发生作用，发生碱性较低的二次水化产物－水化硅酸钙胶体和水化铝酸钙晶体。这种二次水化作用较慢，需要较长的时间，粉煤灰水泥砂浆的强度主要靠水泥产物的凝结硬化，随着粉煤灰掺量的增加，这种早期36 长江科学院硕士论文[60～63]强度、凝结时间变长的现象就越明显。2.9羧甲基纤维素试验由于穿黄工程穿越的部分地层富含地下水，注浆材料应具备在水中注浆时不易被水稀释的能力，一般的注浆材料抗水稀释的能力较差，在水中易分散。为了满足穿黄工程浆液抗水稀释的能力，在配制的浆液中加入羧甲基纤维素以增强砂浆的抗水稀释能力。羧甲基纤维素为白色或浅黄色纤维状粉末，无毒、无臭、无味，有吸湿性，不溶于酸和甲醇、乙醇、乙醚、丙酮、氯仿及苯等有机溶剂，易溶于水并具有一定黏度。上述组合加入羧甲基纤维素后砂浆的性能。表2-8CMC掺量变化试验水泥粉煤灰膨润土减水剂砂水CMC编号120040050212003103220040050212003105320040050212003107表2-9砂浆性能试验编号稠度泌水率凝结时间110.41.29.2210.10.89.139.7－8.337 长江科学院硕士论文图2-16未掺入CMC的砂浆图2-17掺入了CMC的砂浆38 长江科学院硕士论文由试验结果可以知道：加入了羧甲基纤维素后，砂浆的抗水稀释能力增强，在水中不易分散。因为水溶性高聚物羧甲基纤维素加入到水泥中后，可以增大浆体的内聚力，使浆体不易离析，稳定性得到提高，原因可能是跟这种高聚物聚电解质的性质有关。加入羧甲基纤维素后，砂浆的稠度以及泌水率都变小了，原因是因为羧甲基纤维素作为一种水溶性高聚物，其水解后吸收大量的自由水，具有良好的保水作用，尽管砂浆的稠度[64]变小了但是由于浆体克服内摩擦力产生塑性流动的阻力减小，流动性得到了提高。加入羧甲基纤维素后砂浆的凝结时间缩短1～2小时，可能是由于羧甲基纤维素和水泥中的阳离子反应生成不溶性产物，使注浆材料的贯注入阻力相比同期未掺加高聚物的注浆材料有所提高所致。39 长江科学院硕士论文第3章砂浆优化试验3.1穿黄隧道地质概况砂浆的优化试验指标根据穿黄隧洞的工程地质条件来确定，隧洞穿越的主要地层为1Q2粉质壤土、Q4砂层和砂砾石层。在桩号6＋144以南，隧洞围土全部为Q2粉质壤土1层，渗透系数较低，强度较高。在桩号6＋144～6＋850之间，隧洞围土上部为Q4砂层，下部为Q2粉质壤土层，为半砂半土结构。其中在桩号6＋262～6+770之间，隧洞1底板为Q2粉质壤土层，上部为Q4砂砾石层透镜体，隧洞围土中、下部为Q2粉质壤土层，渗透系数较低，强度较高，其中夹有数层钙质结核层和砂砾石层透镜体。桩号6+850～8+172之间，隧洞围土为Q2粉质壤土组成的单一粘性土结构，桩号6+582～6+770、6+850～7+140、7+566～7+766，隧洞围土顶部分布泥砾层，厚度1m～4.2m，砾石强度较高；Q2粉质壤土层，渗透系数较低，强度较高，其中夹有数层钙质结核层。在桩号18+172～8+266之间，隧洞围土由上部的Q4砂层和下部的Q2粉质壤土层组成半砂半土1结构。在桩号8+266以北，隧洞围土全部为Q4砂层，其中零星分布砂卵石，隧洞底板[1]以下1.5m～4.0m为Q3地层，存在厚3.0m～7.5m的粉质壤土层。2－11－4隧道主要穿过的Q4、Q4砂层和Q2壤土层的主要物理力学指标如下表。表3-1穿黄工程岩土物理力学指标地层代承载力标准值土层名称含水量（％）孔隙比饱和度（％）号（MPa）Q2粘土19.0～23.20.575～0.6751000.35粘土22.4～27.60.618～0.7121000.121－4Q4细砂20.4～26.30.619～0.7601000.17中砂18.5～24.70.612～0.6771000.30细纱21.8～26.00.600～0.6471000.201－3Q4中砂17.5～24.20.584～0.6471000.30粘土21.4～26.60.633～0.6961000.141－2Q4细砂20.5～23.40.584～0.6401000.22中砂20.5～23.80.497～0.6351000.3440 长江科学院硕士论文隧道穿越的砂层中，各砂层构成统一的潜水含水层，水位较高，隧道穿越深度处得－2-3地下水压力0.3～0.4MPa。中砂层的渗透系数K＝A×10cm/s，细砂K＝A×10～A×-410cm/s。由于隧道穿越的地层中部分是含水量较高的砂层，含水的砂层在开挖后自稳性较差，因此穿越砂层段的注浆浆液除了要具有防水稀释的能力外，对浆液的凝结时间也有一定的要求，浆液应在盾尾脱出砂层地段后较早凝结。3.2砂浆的稠度优化试验在实际施工过程中，砂浆在配制后，须经过一次转贮过程，而且往往须等待泵机调整好或其它工序完成后才开始注浆（约需0.5h～1.0h），砂浆并不是刚配制好就马上进行注浆施工的。因此为了延长砂浆可泵性的时段，在配制砂浆时可使砂浆初始处于轻微离[17]析状态，使之在经过0.5h后不离析，即使之满足开始注浆时具有良好的可能性即可。根据盾构法施工工艺的要求，砂浆须满足如下条件：[12]（1）砂浆的稠度在8cm～12cm之间；（2）砂浆在静置过程中，不发生分层、离析与板结现象；（3）固结强度：3d不小于0.3MPa，28d要高于原状土强度，根据南水北调地质条件砂浆28d的固结抗压强度应大于2.0MPa；-6（4）渗透系数：小于10cm/s；（5）凝结时间：在地层稳定性较好的地段凝结时间可以长些，但不宜超过18小时，地层稳定性差的地段砂浆的凝结时间则不能太长，应控制在8小时以内；[12]（6）体积收缩小于5％；[12]（7）泌水率小于5％。在隧道穿越的地层中如果遇到不稳定的地层，如砂层和砾石层。由于这种地层遇水后砂、砾石极易分散，造成地层不稳定。因此在这种地层中注浆时浆液的凝结时间最好小些，而在黏土层中，由于其稳定性较好，砂浆的凝结时间可以比砂层和砾石层中浆液的凝结时间大。参照前面试验的结果，设计砂浆的优化配合比试验表如下：41 长江科学院硕士论文表3-2砂浆优化试验试验编号W/CSm/WF/C减水剂S－11.350.2590.60.02S－21.350.2221.00.02S－31.350.1851.50.02S－41.350.1482.00.02S－51.350.1112.50.02S－61.450.2590.60.015S－71.450.2221.00.015S－81.450.1851.50.015S－91.450.1482.00.015S－101.450.1112.50.015S－111.650.2590.60.01S－121.650.2221.00.01S－131.650.1851.50.01S－141.650.1482.00.01S－151.650.1112.50.01S－161.750.2590.60.005S－171.750.2221.00.005S－181.750.1851.50.005S－191.750.1482.00.005S－201.750.1112.50.005表中：W、C、Sm、F分别表示水、水泥、膨润土、粉煤灰的含量，数据均为重量比。其中减水剂的数据为减水剂与水泥的重量百分比。试验结果如下图，其中图3-1表示水灰比为1.35、减水剂为0.02时砂浆的性能随膨润土以及粉煤灰掺量的变化；图3-2表示水灰比为1.45、减水剂为0.015时砂浆的性能随膨润土以及粉煤灰量的变化；图3-3表示水灰比为1.65、减水剂为0.010时砂浆的性能随膨润土以及粉煤灰掺量的变化；图3-4表示水灰比为1.75、减水剂为0.005时砂浆的性42 长江科学院硕士论文能随膨润土以及粉煤灰掺量的变化。1514稠度（cm）13凝结时间（h）123d强度（MPa）1128d强度（MPa）109876稠度、强度、凝结时间543150200250300350400450500550膨润土＋粉煤灰掺量（g）图3-1砂浆性能随膨润土、粉煤灰的变化（水灰比为1.35、减水剂为0.02）1413121110987稠度（cm）凝结时间（h）63d强度（MPa）稠度、强度、凝结时间528d强度（MPa）43150200250300350400450500550膨润土＋粉煤灰掺量（g）图3-2砂浆性能随膨润土、粉煤灰的变化（水灰比为1.45、减水剂为0.015）43 长江科学院硕士论文121086稠度（cm）凝结时间（h）3d强度（MPa）稠度、强度、凝结时间428d强度（MPa）2150200250300350400450500550膨润土＋粉煤灰掺量（g）图3-3砂浆性能随膨润土、粉煤灰的变化（水灰比为1.65、减水剂为0.010）121086稠度（cm）凝结时间（h）43d强度（MPa）稠度、强度、凝结时间28d强度（MPa）2150200250300350400450500550膨润土＋粉煤灰掺量（g）图3-4砂浆性能随膨润土、粉煤灰的变化（水灰比为1.75、减水剂为0.005）上述的20种配比中泌水率均小于4％，砂浆28d固结后的收缩率4％，渗透系数n-6×10cm/s。由上面的4个图可知，随着水灰比增大，砂浆稠度变大，凝结时间增长，砂浆的强度则降低了。砂浆的泌水率变大，收缩变大，但变化不是很明显，渗透系数也随着水灰比的增大而有微小的增大。在水灰比和减水剂的掺量相同的情况下，随着粉煤灰以及膨润土掺量的增大。砂浆的稠度变小，凝结时间增长，强度变大。砂浆的泌水率变小，收缩变小，渗透系数变小。说明粉煤灰的增加对砂浆的泌水、收缩以及渗透系数有利。44 ）cm/s-610×渗透系数（收缩率（％）泌水率（％））MPa45强度（3d28d长江科学院硕士论文表3-3试验结果）h凝结时间（）cm稠度（1.8951.50.81.8871.70.715.191.8541.60.515.051.8311.34.070.414.811.8231.319.77.94.030.414.3929.57.93.851.9561.813.850.839.18.23.531.9261.21.9011.10.813.3548.78.53.190.71.8731.513.2758.28.83.630.511.86610.28.33.591.8621.210.31710.18.43.430.52.5172.589.78.69.873.152.62.4392.399.48.98.313.022.02.4333.1109.09.38.373.091.82.4522.11111.69.51.57.882.861211.59.67.532.711311.29.92.671410.810.2－S－S－S－S－S－S－S－S－S－－－－－SSSSS试验编号 46长江科学院硕士论文2.3911.71.42.8672.86.863.52.5612.77.223.42.492.8022.21510.410.47.072.213.22.7641.916>1210.16.852.072.92.7282.017>1210.36.461.892.91811.810.66.371.681911.511.11.342011.111.5－－－－－－SSSSSS 长江科学院硕士论文根据上表的试验结果可知:编号为s1～s4的组合中的砂浆可以满足在软弱地层的壁后注浆；s5～s12组合中砂浆的凝结时间比s1～s4稍长一些，可以在地层较好的地段应用。47 长江科学院硕士论文第4章数值优化4.1概述为了对数据进行分析，本文应用数值计算方法对由试验得出的数据进行处理，主要应用的是数据挖掘中的支持向量机以及应用遗传算法对数据进行优化。数据挖掘源于数据库技术引发的海量数据和人们利用这些数据的愿望。用数据管理系统存储数据，用机器学习的方法分析数据、挖掘海量数据背后的知识，便促成了数据挖掘的产生。概括地讲，数据挖掘的任务就是从大型数据库或数据仓库中提取人们感兴趣地、事先未知地、有用的或潜在有用的信息。支持向量机是数据挖掘中的一个新方法。支持向量机能非常成功地处理回归问题，并可推广于预测和综合评价等领域。4.2支持向量机的基本理论及回归算法支持向量机是数据挖掘中的一个新方法。支持向量机能较好地处理回归问题，并可推广于预测和综合评价等领域。数据挖掘源于数据库技术引发的海量数据和人们利用这些数据的愿望。用数据管理系统存储数据，用机器学习的方法分析数据、挖掘海量数据背后的知识，便于促成了数据挖掘的产生。概括地讲，数据挖掘地任务是从大型数据库中提取人们感兴趣的、事先未知的、有用的或潜在有用的信息。支持向量机是数据挖掘中的一项新技术，是借助于最优化方法解决机器学习问题的新工具，它最初于20世纪90年代由Vapnik提出，近年来在理论研究和算法实现都取得了突破性的进展，开始成[65]为克服“维数灾难”和“过学习”等传统困难的有力手段。[66～67]回归问题的数学提法：设给定训练集lTx=∈{(,yx),...,(,yX)}(,)Y11lln其中x∈=XR，y∈=YR,il=1,2,...,.假定训练集是按（X，Y）上的某个概率分ii布p(,)xy选取的独立同分布的样本点，又设给定损失函数cxyf(,,)。试寻求一个函数f()x，使得期望风险R[]fc=∫(,,)(,)xyfdpxy达到最小。从上述回归问题的数学提法可48 长江科学院硕士论文以看出，为建立算法，需要选择适当的损失函数。为了保持算法的稀疏性，常常选择损失函数为ε－不敏感损失函数cxyfx(,,())=−yfx()ε其中yfx−=()max{0,yfx−−()ε}ε这里ε是事先取定的一个正数。ε－不敏感损失函数的含义是，当x点的观察值y与预测值f()x之差不超过事先给定的ε时，则认为在该点的预测值f()x是无损失的，尽管预测值f()x和观察值y可能并不完全相等。ε－不敏感损失函数的图像见图29。-εε图4-1ε－不敏感损失函数支持向量机的基本思想是通过用内积函数定义的非线性变换将输入空间变换到一个高维空间，在这个高维空间中寻找输入变量和输出变量之间的一种非线性关系。支持向量机有着严格的理论基础，采用结构风险最小化原则，具有很好的推广能力；支持向量机算法是一个凸二次优化问题，保证找到的解是全局最优解；能较好地解决小样本、[68]非线性、高维数等实际。回归问题就是考虑用函数nf()xw=+.xb拟合数据{,},xyi=1,2,3...,,kxRyR∈∈,的问题。考虑到允许拟合误iiii*差的情况，引入松弛因子ξξ≥≥0,0，优化问题是最小化函数为iik**1RW(,,)ξiiξξ=++wwC.∑(ξi)（1）2i=1*⎧fxy()−≤+ξεiii⎪⎨yfx−≤()ξ+ε（2）iii⎪*⎩ξξ,0≥ii49 长江科学院硕士论文采用优化方法即可得优化问题的对偶形式，最大化函数为kkk**1***Wx(,)ααα=−∑∑(iijji−α)(α−α)(+,xj)+(αii−α)yi−ε∑(αii−α)（3）2ij,1==i1ij,1=约束条件为k⎧*⎪∑()ααii−=0⎨i=1（4）⎪*⎩0,≤≤ααCii由式(4)即可得到支持向量机拟合函数为k*f()xw=+=.xb∑(ααiii−)(,)xxb+（5）i=1[69～71]*其中b按下列方式计算：选择位于开区间（0，C）中的α或α。若选到的是α，jkj则k*by=−ji∑()α−αεikxx(i,j)+（6）i=1*若选到的是α，则kk*by=−ki∑()α−αεikxx(i,k)−（7）i=1非线性回归使用非线性映射把数据映射到一个高维特征空间进行线性回归，在高维特征空间用核函数来代替线性问题中的内积运算，即Kxx(,)()()=ϕxϕxijij经过与上面相同的推导，最后得到的支持向量机拟合函数为k*f()xK=−∑(ααii)(,)xxi+b（8）i=1*令β=−αα，则训练样本中β不为0的样本就是支持向量。iiii目前常用的核函数主要有：①线性核：Kxyxy(,)=.（9）d②多项式核：Kxy(,)[(.)1]=+xy（10）50 长江科学院硕士论文22③径向基函数核：Kxy(,)=−−exp[||xy||/σ]（11）④两层神经网络核：Kxy(,)=−tanh[(.)axyδ]（12）式中：tanh(﹒)为Sigmoid函数；a,δ为常数。4.3遗传算法遗传算法是一类借鉴生物界自然选择和自然遗传机制的随机化搜索算法，它具有简单、通用，适于并行处理等特点，在机器学习、软件技术、图像处理、模式识别、神经网络、工业优化控制、生物学、遗传学、社会科学等方面得到成功的应用，受到人们的广泛关注，显示了非常广泛的应用前景。4.3.1遗传算法的基本概念[72～73]（1）遗传算法的基本概念遗传算法是以达尔文的“优胜劣汰，适者生存”理论为基础的一种叠代算法。遗传算法的每一次叠代都获得一组解答。这组解答最初是随机生成的，每次叠代得到的一组新解答由模拟继承和进化的遗传操作生成。每个解答都由一个适应函数来评估，这一过程不断重复，直到达到某种形式上的收敛。新的一组解答不仅可以有选择地保留一些适应函数值高的旧的解答，而且可以包括一些经其他解答结合而成的新解答。最简单的遗传算法应包括如下组成部分：1）一个对参数空间编码的符号串表示2）一个评价符号串的适应函数3）一组产生新符号串的遗传操作4）一组控制遗传操作的概率值（2）群体与个体遗传算法求解问题是从给定的多个初始解开始进行叠代搜索的，这给定的多个初始解的集合以及每次叠代生成的一组新解就称为一个群体，群体是问题的解空间的一个子集，群体中的每个元素叫个体。群体中的个体在整个演化过程中是不断地变化的，但是群体中个体的数量，即群体的规模是不变的，并且群体中的个体永远在解空间之中。51 长江科学院硕士论文（3）编码遗传算法并不直接处理问题空间的参数，而是在将问题的解的参数转换成染色体的形式后对染色体进行遗传操作。这一从参数到染色体的转换过程就称为编码。（4）染色体与基因、基因组一个解的编码串表示就叫染色体，染色体上的每一个就叫做基因。染色体上的一个有效信息段叫做基因组，一般一个基因组对应于解中的一个优化参数。（5）适应函数为区别不同的解，在遗传算法的演化过程中使用了一个评价函数，也就是适应函数，它起到一个环境的作用，是群体中个体对周围环境的适应程度的度量，它通常是用户所提供的目标函数的一个合理的数学变换。适应函数的值—适应值是评价个体好坏的唯一标准。4.3.2遗传算法的基本思想遗传算法模拟物种从低级到高级的演化过程，即从初始群体出发，采用优胜劣汰，适者生存的自然法则选择个体，通过交叉、变异来产生下一代群体，逐代演化，直到产[74~77]生满足条件的个体为止。遗传算法的演化过程可用如下形式描述：GA＝（P（0），N，L，S，g，p，f，t）N这里p(0)=∈((0),pp(0),L,pI(0))，表示初始群体：12nNLIB=={}0,1表示长度为L的二进制码位串空间；N：表示群体中含有个体的个数；L：表示二进制串的长度；NNsI:→I表示选择策略；g：表示遗传算子，通常它包括有选择（复制）算子QII：、→交叉算子rQIIII：××→和变异算子QII：；→cmp：表示遗传算子的操作概率，它包括选择（繁殖）概率p、交叉概率p和变异rc概率p；m52 长江科学院硕士论文＋fI：→R表示适应函数；Nt：I→{0,1}是终止准则。4.3.3遗传算法的5个要素设计（1）编码及解码编码就是将问题的解空间的对象参数转换成遗传空间的染色体的过程。遗传算法的一个显著特点就是它交替地在编码和解空间中工作，它在编码空间中对染色体进行遗传运算，而在解空间中对解进行评估和选择。在编码和解码过程中，自然选择联结了染色体和它所表达地解的性能，因此如何将问题的解转换为以编码表达的染色体是遗传法的关键问题。经典的编码方法用的是二进制串。二进制编码方法使用的编码符号是由二进制符号0和1所组成的二值符号集{0,1}，它所构成的个体基因型是一个二进制编码符号串。二进制编码符号串的长度与问题所要求的求解精度有关。假设某一参数的取值范围是[Umin，Umax]，我们用长度为l的二进制编码符号串来表示该参数，则它总共能够产l生2种不同的编码，若使参数编码时的对应关系如下：则二进制编码的编码精度为：UU−maxminδ=l21−假设某一个体的编码是：X=bbbLbbll−−12l21li−1UUmax−min则对应的解码公式为：XU=+⋅⋅min(2∑bi)li=121−（2）初始群体的设定一般的方法是直接从问题的可行解域中随机选择N个染色体作为初始群体。[78]（3）适应函数的设计a．原始适应函数在极集求解问题中，若值最大的个体就是最好解，则可以直接以问题的目标函数作为适应函数。如求解某一函数的最大值：max()fx，x∈[,]ab时，可直接用f()x作为适53 长江科学院硕士论文应值的度量，此时f()x即为x的原始适应函数。对一些非数值优化问题，也可以将其转化为求解某个目标函数的极值问题，并将其目标函数作为适应函数。可以说，原始适应函数是问题求解目标的直接表示，在许多优化中总是采用问题的目标函数作为个体的适应值度量。b.标准适应函数在遗传算法计算中，选择策略一般以适应值作为复制比例标准，因此要求适应值非负，且应是适应值越大对应个体的性能越好。如果原始适应函数不能体现这点，则要对原始适应函数做一个适当的变换，转化成符合上述条件的标准适应值度量方式。常用的变换方法为：1）对求极大值问题，⎧Fx()=+fxC(),()fxC+>0minmin⎨⎩Fx()0,()=+fxC≤0min式中，C为一适当较小的数。min2）对求极小值问题，⎧FxC()=−fxfxC(),()0称为惩罚因子，它的大小表明了对解的可行性要求的严格程度；φ()x为罚函数，对于带约束的极大值问题，罚函数可取：⎧φ=()0,x若x可行⎨⎩φ<()0x，其它（4）遗传操作设计在遗传算法中，主要的遗传操作有选择、交叉和变异，下面分别对他们进行介绍。a.选择操作所谓选择操作是指根据一定的选择策略，以较大的概率从父代群体中选择适应值较大的个体复制到子代中，等待交叉和变异对其进一步演化。选择操作遵循了“自然选择，适者生存”的原则。使适应值大的个体有更多的机会生存繁殖。选择操作有多种不同的选择策略，如轮盘选择、线形排名选择、锦标赛选择等。各选择策略在原理上是一致的，都运用了适者生存的法则。本文采用确定式采样选择方法，确定式采样选择方法的基本思想是按照一种确定的方式[79~81]进行选择操作。其具体过程是：1）计算群体中各个个体在下一代群体中的期望生存数目Mi：NMiii=⋅NF/∑F（iN=1,2,L,）i=12）用Mi的整数部分[Mi]确定各个对应个体在下一代群体中的生存数目。其中[x]表55 长江科学院硕士论文N示取不大于x的最大的整数。由该步共可确定下一代群体中的∑[]Mi个个体。i=1N3）以FMiii−⋅[]∑FN/为各个个体的新的适应度，按照适应度对个体进行降序排序，i=1N顺序取前NM−∑[]i个个体加入到下一代群体中。至此可完全确定出下一代群体中的Ni=1个个体。b.交叉操作所谓交叉是指从交配池中取出一对染色体，交换它们的部分基因，生成一对新的染色体。本文采用单点交叉。点交叉是随机地在两个父体串上选择一个（单点交叉）或多个（多点交叉）交叉点，然后交换或间断交换父体串地对应子串。单点交叉的执行过程如下：1）对群体中的个体进行两两随机配对。若群体大小为N,则共有[N/2]对相互配对的个体组，其中[x]表示取不大于x的最大的整数。2）对每一相互配对的个体，随机设置某一基因座之后的位置为交叉点。若染色体的长度为l，则共有l－1个可能的交叉位置。3）对每一对相互配对的个体，依设定的交叉概率Pc在其交叉点处相互交换两个个体的部分染色体，从而产生两个新的个体。简单的单点交叉如图所示。A：101101111110010111110011110000B：0001110000图4-2基本位变异操作的示意图c.变异操作所谓变异操作是按一定的概率，随机选取符号串中的一个基因，改变其值，生成一个新的符号串。本文采用的是基本位变异算子。对于用二进制编码符号串所表示的个体，若需要进行变异操作的某一基因座上的原有基因值为0，则变异操作将该基因值变为1，反之，若原有基因值为1，则变异操作将其变为0。基本位变异算子的具体执行过程是：56 长江科学院硕士论文1）对个体的每一个基因座，依变异概率Pm指定其为变异点，2）对每一个指定的变异点，对其基因值做取反运算，产生一个新的个体。（5）控制参数的设定在遗传算法的运行过程中，存在着对其性能产生重大影响的一组参数。主要参数包括染色体位串长度l，群体规模N，交叉概率Pc、变异概率Pm以及终止代数T。许多学者进行了大量试验研究，给出了最优参数建议1）位串长度l：位串长度l的选择取决于特定问题解的精度。要求的精度越高，位串越长，但需要更长的时间。为提高运算效率，变长度位串或者在当前所达到的较小可行域内重新编码，是一种可行的方法，并显示了良好的性能。2）群体规模N：大群体含有较多模式，为遗传算法提供了足够的模式采样容量，可以改进遗传算法搜索的质量，防止成熟前收敛。但大群体增加了个体适应性评价的计算量，从而使收敛速度降低。3）交叉概率Pc：交叉概率控制着交叉算子的应用频率，在每一代新的群体中，需要对Pc×N个个体的染色体结构进行交叉操作。交叉概率越高，群体中新结构的引入越快，已获得的优良基因结构的丢失速度也相应升高。而交叉概率太低则可能导致搜索阻滞。4）变异概率Pm：变异操作是保持群体多样性的有效手段，交叉结束后，交配池中的全部个体位串上的每位等位基因按变异率Pm随机改变，因此每代中大约发生Pm×N×l次变异。变异概率太小，可能使某些基因位过早丢失得信息无法恢复；而变异概率过高，则遗传搜索将变成堆积搜索。5）终止代数T：终止代数T是表示遗传算法运行结束条件得一个参数，它表示遗传算法运行到指定的进化代数之后就停止运行，并将当前群体中的最佳个体作为所求问题的最优解输出。一般建议的取值范围是100～1000。对于遗传算法的终止条件，还可以利用某种判定准则，当判定出群体已经进化成熟且不再有进化趋势时就可以终止算法的运行过程。常用的判定准则有下面两种：○1连续几代个体平均适应度的差异小于某一个极小的阈值；○2群体中所有个体适应度的方差小于某一个极小的阈值。57 长江科学院硕士论文4.3.4遗传算法的基本步骤遗传算法的运行过程为一个典型的叠代过程，其必须完成的工作内容和基本步骤如下：（1）定实际问题参数库；（2）选择编码策略，把参数集合和域转换为位串结构空间；（3）定义适应值函数；（4）确定遗传策略，包括选择群体大小，选择、交叉、变异方法，以及确定交叉概率、变异概率等遗传参数；（5）随机初始化生成群体；（6）计算群体中个体位串解码后的适应值；（7）按照遗传算法策略，运用选择、交叉和变异算子作用于群体，形成下一代群体；（8）判断群体性能是否满足某一指标，或者已完成预定叠代次数，不满足则返回步骤（6），或者修改遗传策略再返回步骤（6）。4.4砂浆配合比优化设计的数学模型4.4.1配合比设计参数与稠度和泌水率、凝结时间的非线形、线性关系的支持向量机表达式本文以支持向量机建立遗传算法的目标函数和约束函数。盾构壁后注浆浆液配制过程中的难点是当浆液的稠度大时浆液的泌水率就较大、凝结时间长，调节前者与后两者之间的关系，使其满足要求是本文的主要目标。因此定义目标函数为砂浆的稠度，约束函数定义为砂浆的泌水率和砂浆的凝结时间。影响砂浆稠度、泌水率以及凝结时间的因素有水泥、粉煤灰、膨润土、减水剂、砂、水。这几种材料之间的关系是高度非线形的，但是在设计泌水率以及凝结时间的表达式上用的是线性的，这是本计算得出的结果不是很精确的主要原因。根据支持向量机理论可以建立它们之间的关系为：k*f()xK=−∑(ααii)(,)xxi+bi=158 长江科学院硕士论文式中f()x为对应某配比方案的稠度、泌水率或者凝结时间;x为配比设计参数;xi为k个样本中的第i个样本;(,)Kxx为核函数。i4.4.2遗传算法搜索最优配合比利用上面建立的支持向量机模型，记其输出项中的稠度为D(SVM)，输出项中的泌水率、凝结时间为H(SVM)，则砂浆配比的优化是在满足稠度要求的前提下，以泌水率[82~83]最低或者是凝结时间最短作为最优设计方案,可以归纳为这样一个数学模型：maxf=D（SVM)s.t.H(SVM)≤s式中f为砂浆的稠度，s为允许的泌水率或者凝结时间。砂浆配比的优化问题是一个有约束的优化问题，可以利用遗传算法对配比方案进行优化,也就是在配合比可行的范围内，搜索既满足稠度要求，泌水率又最低或者凝结时间较短的配比，其对应的方案就是最优配合比方案。砂浆优化配合比设计，根据工程实际不同的要求，可以选择不同的优化目标。本项目是南水北调中线穿黄隧道盾构壁后注浆浆液研究，根据工程要求，本项目的优化目标是使砂浆的稠度值在尽可能大的情况下，泌水率较小、凝结时间较短。根据工程经验，砂浆稠度在8～12㎝符合灌浆要求。本文的数据是由室内试验并经过模型模拟试验得出。试验数据根据表3-2进行数据变换后得出，变换后的数据如表4-1（由于支持向量机对分散性大的数据处理时得出的结果不精确，因此为了得出精确的结果，对数据进行了处理，使得数据的离散性变小）。59 长江科学院硕士论文表4-1数值分析数据试验凝结时间泌水率W/CSm/WF/C减水剂（g）稠度（cm）编号（h）（%）S－11.352.590.62.09.77.90.8S－21.352.221.02.09.57.90.7S－31.351.851.52.09.18.20.5S－41.351.482.02.08.78.50.4S－51.351.112.52.08.28.80.4S－61.452.590.61.510.28.30.8S－71.452.221.01.510.18.40.8S－81.451.851.51.59.78.60.7S－91.451.482.01.59.48.90.5S－101.451.112.51.59.09.30.5S－111.652.590.61.011.69.50.9S－121.652.221.01.011.59.60.7S－131.651.851.51.011.29.90.8S－141.651.482.01.010.810.20.6S－151.651.112.51.010.410.40.5S－161.752.590.60.512.010.10.7S－171.752.221.00.512.010.30.9S－181.751.851.50.511.810.60.8S－191.751.482.00.511.511.10.7S－201.751.112.50.511.111.50.8根据支持向量机理论，式（8）可以通过解式（6）、（7）组成的二次规划问题获得，本文利用MATLAB语言编制了相应的程序。根据以上20个样本数据的稠度，应用支持向量机进行训练，直到误差小于0.01，函数和参数C的选取通过试算得出。最后选取的2*核函数是多项式的核函Kxy(,)[(.)1]=+xy。学习后得到的α和α值见表4-2。泌水率、jk60 长江科学院硕士论文凝结时间的核函数选择同样是多项式核函数，但选择的是线性的。训练后得出的αj**和α值见表4-3，凝结时间的α和α值见表4-4。kjk根据支持向量机训练得出的稠度、泌水率以及凝结时间的公式。应用遗传算法对配比进行优化时，刚开始应用遗传算法优化配比时，算法较早的进入早熟的收敛，得出的结果不理想。后来对算法进行改进，采用新的算法后得出的结果比之前好些。*表4-2稠度的α和α值kj*编号αkαj12.0000000.00000021.3226340.00000030.0000002.00000040.0000000.00000050.0000000.42858360.0000001.25392470.0000000.11364180.0000002.00000090.0000000.637162102.0000000.000000110.0000000.096839122.0000000.000000132.0000000.000000140.0000000.000000150.0000001.219765160.0000002.000000170.0000001.860740182.0000000.000000192.0000000.000000200.0000000.94848261 长江科学院硕士论文*表4-3泌水率的α和α值kj*编号αkαj14.5713870.00000021.7285920.00000030.0000002.81099840.0000004.38090350.1321820.00000060.0000004.52173270.2831050.00000085.0000000.00000090.0000000.679604103.9881110.000000115.0000000.000000120.0000005.000000135.0000000.000000140.0000000.947604150.0000005.000000160.0000005.000000170.0000000.546068183.5828010.000000190.0000005.000000204.5857380.000000*表4-4凝结时间的α和α值kj*编号αkαj10.0000003.77362920.0000005.00000031.5071350.00000062 长江科学院硕士论文45.0000000.00000053.3159030.00000064.9999980.00000075.0000000.00000080.0000005.00000090.0000005.000000100.0000002.381362111.5928720.000000125.0000000.000000134.8381200.000000140.0000005.000000150.0000005.000000160.0000005.000000170.3458030.000000180.0000005.000000195.0000000.000000204.6803050.000000按照上述方法，通过对样本的学习，建立对应关系，通过遗传算法搜索到的基于泌水率约束条件的最优配合比为水泥192g、粉煤灰160g、膨润土57g、减水剂1.2g、水303g（部分数据四舍五入）。对应的稠度值为10.8㎝，泌水率为0.5％。根据遗传算法得出的结果进行室内实验验证（砂用量为1265g），室内试验得出的结果是稠度11.3㎝，泌水率是0.6％。试验结果泌水率与计算结果较接近，稠度结果有一定的差距。原因可能是在线性约束的条件下，计算得出的结果跟实际的不是很相符。基于凝结时间约束条件的最优配合比为水泥215g、粉煤灰183g、膨润土62g、减水剂2.3g、水297g。对应的稠度为10.1cm，凝结时间为8.3h。根据得出的数据进行室内试验得出的稠度为9.5cm，凝结时间为7.6h。比较计算与试验的结果表明该方法是具有一定的可行性,本计算正是充分利用了支持向量机在处理高维数等问题的优良特性,又利用了遗传算法在全局优化方面的优点,具有很好的理论意义。63 长江科学院硕士论文第5章模拟注浆试验5.1概述模拟注浆效果按下列参数进行评价：（1）注浆压力；（2）充填率；（3）固结率；（4）过注入率。注浆压力：注浆泵压力表读书与气压表读书的差值。注浆区固结体体积充填率：×100％注浆区容积模型内固结体体积固体率：×100％模型内固结体及浆体总体积过注入区固结体及浆体总体积过注入率：×100％注入的浆体总体积5.2水中注浆试验图5-1为水中注入试验装置示意图，当从上部注入口注浆时，评价注浆材料的抗水稀释、分散性能；当从底部注入口注浆时，评价其在不同时间的追加注入性能（再注入压力）及充填情况。（图中的尺寸单位为mm）64 长江科学院硕士论文上部注入口水首次注入的充填体底部注入口图5-1水中注浆试验装置示意图表5-1水中注浆试验结果底部注入注浆材料上部水平可追加注入的压力（KPa）充填状配方编号注入描述10min30min60min90min120min况描述S1－1.052.433.584.51S2－－1.923.264.08充填良注浆体不S3－－1.812.353.86好基本为水稀S6－－1.261.693.37无空洞。释、分散。S7－－1.332.643.66S11－－1.822.313.08由表5-1可以看出，单液注浆在120分钟时注浆压力为4.51KPa，注浆压力不大。根据文献[9]双液注浆当两次注入的时间间隔为90分钟时，追加注入的压力将达到0.4～0.5MPa，因为双液凝结时间较快，浆体凝结后需要追加的压力相应的就较大，这说明单液注浆的施工工艺比双液注浆的施工工艺简单。5.3高水压条件下模拟注浆试验图5-2试验模型装置由钢制内筒，有机玻璃外筒，内外筒间隔为100mm，并充满水，65 长江科学院硕士论文在内外筒（间隙内）中部有18mm厚的钢制隔板，板中每间隔5mm分布有Φ5mm的圆孔，用于评价浆材的过注入性能。模型控压装置由气压钢瓶，贮气罐等构成，用于模拟高水压工况条件，试验时从注浆孔注浆，通过钢瓶给气排气，以控制模型内的压力，并使得贮气罐内的压力稳定在0.34MPa，整个注浆过程可透过有机玻璃直接观察。（图中的尺寸单位为mm）调节阀注浆区过注入区贮气罐浆液注入口多孔金属板高压氮气瓶图5-2模拟注浆试验模型示意图注入压力的确定：盾构工法中的背后注浆，即向尾隙中充填足够的浆液，必须以一定的压力压送浆液，才能使浆液很好地遍及于管片的外侧。66 长江科学院硕士论文图5-3注浆模型67 长江科学院硕士论文图5-4注浆后的模型68 长江科学院硕士论文图5-5浆液凝结后的模型69 长江科学院硕士论文5.4模拟注浆过程分析随着注浆的进行，注浆凝胶体不断充填注浆区，并向贮气罐排水，注浆压力逐渐升高，无论注浆区是在未充填完还是在充填完后，过注入区的浆体都较少，说明浆液不易流失。过注入区的浆体在5mm孔的剪切分散下，过注入区的浆体容易被水分散、稀释。5.5模拟注浆效果及材料综合性能评价穿黄隧道要求充填注浆材料满足以下条件：（1）具有良好的稳定性及良好的流动性，以适应远距离泵送；（2）良好的充填性能，并能在尽可能低的压力下实施充填注浆；（3）尽可能早地获得高于土层强度的早期强度且长期强度不低于2.0MPa，并具有良好的抗渗性能。上述各性能是相互制约的，如稳定性与强度、稳定性与流动性、充填性与早期强度等，要同时满足各条件最佳是不可能的，因此必须根据工程地质条件及施工手段，综合平衡，确定合适的注浆材料及施工工艺。表5-2模拟注浆试验结果材料注浆压力配方充填率（％）固体率（％）过注入率（％）（MPa）编号S10.419898极少S20.409997极少S30.409997极少S60.389595很少S70.389793很少S110.379593很少70 长江科学院硕士论文第6章结论（1）在盾构砂浆中加入膨润土是必要的，膨润土的加入一方面可以降低砂浆的泌水率，另一方面可以提高砂浆的稳定性。膨润土的加入量要控制在一定的范围内，过多的掺入量会使降低砂浆的流动性。（2）对于加入膨润土的砂浆来说，减水剂的掺入是必要的，掺入减水剂可以在保持用水量不变的情况下增大砂浆的流动性，减水剂的掺量存在一个合适的范围。（3）粉煤灰的掺入一方面可以降低水泥的用量，如果应用高等级的粉煤灰，其还可以在一定程度上降低泌水率。（4）羧甲基纤维素的加入不但可以增强砂浆的稳定性，还可以使砂浆抵抗水稀释的能力得到提高。（5）在砂浆优化配比设计中应用数值计算方法可以减少试验量，数值计算得出的结果经过试验检验表明，优化的数值计算方法具有一定的应用价值。本文应用的数值计算由于所编制的程序的约束条件跟实际的约束条件形式有一定的差距，因此得出的结果精度不是很高，要想得出更精确的结果还需对约束条件进一步的改进。（6）试验结果表明所配制的砂浆的稠度可以满足壁后注浆的要求，根据南水北调中线穿黄隧道穿越不同地层的特点，在保持泌水率、强度等均满足壁后注浆对砂浆的要求以及保持浆材具有一定的抗水稀释能力的前提下，根据不同的凝结时间研制出不同的配比。所研制出的浆材凝结时间在8h～11h之间；稠度在9.7cm～12cm之间；3d的抗压强度在1.34Mpa～4.07Mpa之间；28d的抗压强度在6.37Mpa～15.19Mpa之间；泌水-6率<4%；渗透系数为n×10cm/s。（7）模拟试验表明：材料具有良好的充填性，可以在较低的压力下实现限定区域注浆，即使在盾构管片顶部，也可以形成密实的充填固结体。模拟注浆的注浆压力在0.37MPa～0.41MPa之间，注浆压力不大，在实际的应用中这样的压力不会对盾壳造成影响，也不会对土层产生劈裂作用。注浆后模型内的充填率>95%，固体率>93%。说明所注的浆液具有较好的充填性以及固结率。盾构隧道中使用的壁后注浆浆材应具备耐久性，支配耐久性的因素较多，在这些因素中影响较大的当属浆材的特性，固结后的抗压强度。本试验所配制浆材的耐久性由于71 长江科学院硕士论文时间的原因没有做相应的耐久性试验，但根据文献资料，当单液型浆材的强度>0.5MPa～[6]1.0MPa时认为耐久性不存在任何的问题，本试验所配制的浆材的抗压强度大于上述所要求的强度。72 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长江科学院硕士论文致谢衷心感谢我的导师汪在芹教高，李珍、魏涛高级工程师。论文的选题、试验和研究直到最终定稿的过程中，正是有了导师们的关心和帮助，我的论文才得以顺利完成。感谢长江科学院研究生部的徐惠芬老师、顾颖老师为我们提供良好的生活环境，在生活和学习中给予我莫大关怀和帮助。论文开题、试验过程中，得到了长江科学院材料与结构研究所肖汉江教高、韩炜博士（后）、王迎春高工、杨松伶教高等的帮助和支持。感谢新材料室的各位职工对我的试验给予的各种帮助和支持。衷心感谢我的论文评阅人及论文答辩评委。感谢2004级同窗好友和我一起度过这段美好的时光。感谢我的家人，在我的人生道路中始终给我最坚定的信心和支持，是我不竭的动力源泉。最后，祝福所有我爱和爱我的亲人、朋友们，一生平安，好梦成真！作者：苏华78