引言

 盾构隧道穿越岩溶地层时，经常面临掌子面失稳、盾构下沉及局部液化等工程事故，而压力注浆是工程实践中广泛采用的岩溶处理手段。在动水岩溶治理工程中，传统水泥单液浆稳定性差，岩溶水下易于冲蚀，难于达到加固防渗要求，注浆浆液是否具有良好的岩溶水下抗分散性质与留存体物理力学性能是岩溶区水下盾构隧洞施工和长期运营的重要保障。目前，学者对于浆液抗分散性质的研究相对较少，如KHKhayat和A Yahia提出了一种未考虑实际动水条件的简易测试方法;李利平等研制了一种具有凝结时间快、遇水迅速膨胀等特性的马丽散浆液，并通过室内试验定量评价了浆液的抗冲刷性能;刘人太等[[}]将注浆材料置于大理石板上，对比分析30min后浆液凝胶体在静水与动水条件下的质量变化，提出采用留存率来评价浆液抗分散性质;袁敬强等考虑浆液在未凝胶之前即面临动水冲刷的关键过程，开展了速凝浆液的抗分散性质试验，并定义浆液留存率指标，对速凝浆液在动水条件下的抗分散性质进行定量评价。但遗憾的是，尚未有学者进行岩溶水环境下浆液的抗分散性及留存体基本性能研究。

 为了科学评价岩溶水环境下浆液抗分散性及留存浆液的基本性能，本文设计了水下岩溶浆液抗分散性质试验装置，进行多因素影响下的浆液抗分散性质和留存体物理力学性能试验，并通过工程应用原型试验论证了试验结果的正确性，以期为科学评价水下岩溶注浆材料能否达到盾构隧道施工和长期运营要求提供依据。

1 水下岩溶浆液抗分散性质试验

1.1 试验装置

 为了探讨水下不同充填物岩溶注浆时，浆液水固比、岩溶水流速与浆液抗分散性质及留存体的基本性能的关系，研制了一种水下岩溶浆液抗分散性质试验装置。该装置主要由岩溶水供应系统、可视化水槽与溶洞、注浆系统、废液收集系统及量测系统五部分构成，如图1、图2所示。

（1）岩溶水供应系统

 岩溶水供应系统主要由空压机、岩溶水储罐、调节阀及高压水管组成，利用空压机产生适宜压力，将岩溶水压入高压水管内，并通过调节进水口阀门控制岩溶水流速。空压机可供压力最大达2MPa，岩溶水储罐可储存300L岩溶水，罐顶设置有加液单向阀和泄气阀，高压水管内径为4cmo

（2）可视化水槽与溶洞

 可视化水槽与溶洞由高压有机玻璃和角钢等组装而成，并置于可调节高度的铁架上。可视化水槽尺寸为200cmX35cmX35cm，水槽前端与高压水管连接，后端设置有滤网，利于废液收集。可视化溶洞尺寸为30cmX30cmX30cm，上端设有可与注浆管连接的丝扣，四周用布满孔洞的有机玻璃板和角钢组装，溶洞内可充填淤泥、细砂等。

 由于岩溶围岩裂隙的复杂性，且试验主要探讨浆液自身和注浆参数对浆液抗分散性质及留存体性能的影响，固仅考虑均匀裂隙下细砂不被水流带出溶洞的情况，孔洞设置大小为0.25 mm，且尽量布满整个有机玻璃板，减小对岩溶水的阻碍。

 (3)注浆系统

 注浆系统由螺杆注浆泵、注浆软管、压力表及注浆管等组成，可真实模拟注浆过程。注浆泵容量最大可达20L，压力表可监测注浆过程压力变化情况，注浆软管与注浆管止浆通过丝扣连接，注浆管长30cm}内径为4cmo

（4）废液收集及量测系统

 废液收集主要由废液收集桶及内置的滤网组成。监测系统主要包括秒表、电子秤、环刀及取样刀等，电子秤可测得注浆前后溶洞质量，环刀和取样刀用于取样。

（5）试验装置工作机理

 调设空气压缩机压力值，将储水罐内的岩溶水压入高压水管内，通过调节阀控制岩溶水进水流速和可视化水槽排水口流速，直至可视化水槽内水流稳定。将配制好的浆液倒入注浆泵内，通过注浆泵注入可视化溶洞内，待浆液全部注入后观察可视化水槽内后端，直至后端尾水较清澈时，关闭进水阀，排出可视化水槽内岩溶水，称量溶洞重量，并取样对留存体进行基本物理力学性能测试。

1.2 试验材料

（1）岩溶水及溶洞充填物

 参考大量实际工程水文地质资料，配制含典型离子含量的岩溶水和常见的细砂类、淤泥类充填物。其中，淤泥含水率85%，液限65.2%，塑性指数13，相对密度为1.22;细砂含水率4.5，表观密度2.11 g/cm3 0配制的岩溶水各离子含量，见表to

（2）注浆材料

 试验采用自制的改性粘土水泥膏浆，由水泥、粘土、水及改性剂组成。其中，水泥为42.5R普通硅酸盐水泥，水泥细度通过80}m方孔筛的筛余量不大于5%，性能满足GB175-2007标准的有关要求;粘土采用现场附近较纯的优质粘土，塑性指数29，粘粒(粒径<O.OOSmm) 60%，原浆比重为1.25;改性剂成分为:A(矿物类添加剂Sodium aluminate ) +B(活性剂Calcium lignosulfonate) o

1.3 试验步骤

 首先配制好足量的岩溶水，倒满整个储水罐，并按图1所示连接好各组件，检查试验装置气密性。将可视化溶洞上盖打开，安装好注浆管，并按试验需求不装或装填满淤泥、细砂等，并称量溶洞质量(Mo ) o然后，调节空气压缩机及前后端水阀，将可视化水槽内水流采用浮标法调设到对应恒定流速v C 0.2m/s,O.Sm/s,  0.8m/s)。待可视化水槽内水流稳定后，配制工程上常用的浆液水固比WlC 00.8:1, 1:1, 1.2:1)置于注浆泵内，开启注浆泵注浆，待浆液全部注入后，关闭注浆泵，观察可视化水槽尾部水流，直至尾部水流较清澈时，关闭可视化水槽前端水阀，将空压机关闭，卸排掉储水罐、管道及可视化水槽内岩溶水，再次称取可视化溶洞质量(Ms)，并按要求对留存体进行取样，进行密实度、粘度及岩溶水养护下的结石体强度测试。

2 试验结果与分析

 采用全面试验法对改性粘土水泥膏浆进行抗分散性质试验，共计21组(由于含淤泥类溶洞在动水下易被冲蚀，只考虑低水流情况)，测定浆液注入前后可视化溶洞总质量，计算得到浆液留存率GRR，见表20

2.1 水固比对浆液抗分散性质的影响

 不同岩溶水流速下，浆液留存率试验曲线如图3所示。

 由图3可知，在不大于0.8m/s的岩溶水流速下，改性粘土水泥膏浆在充填不同类型溶洞时浆液留存率均达63%以上，主要为改性剂A加入粘土水泥浆液后会发生复杂的物理化学反应，改善浆液稳定性，生成的Al(OH}:和3Ca0 "A1203 " 6H20等水化产物进一步促进了水泥水化反应，从而使浆液迅速凝固，大幅度提高了浆液的整体性与粘聚力，使得该浆液具有一定的岩溶动水抗分散特性。而随着改性粘土水泥膏浆水固比的减小，浆液留存率呈增大趋势，最大可达96% ,表现出水固比较小的稠浆抗分散性质相对更好;而对比不同充填物溶洞下浆液抗分散性可知，含充填物的溶洞浆液留存率要明显高于不含充填物的溶洞浆液留存率，且水固比越大表现得越明显。分析产生上述现象的原因，浆液的水固比越大，水泥与粘土形成的粘土水泥球团粒总量相应减少，与矿物类添加剂A反应生成的Al(OH}:和3Ca0 "A1203 " 6H20等水化产物也相应减少，进而导致浆液稳定性变差，胶凝过程减缓，更易被岩溶水冲蚀，而当溶洞内有充填物时，充填物不仅会降低岩溶水的冲刷力，且充当了注浆材料胶凝过程的外骨架结构，能进一步提高留存体的整体稳定性和粘聚力。

 因此，只要确保浆液能达到可泵性要求，为提高充填型溶洞注浆浆液的抗分散性，可考虑使用水固比较低的浆液，而为提高无充填物类型溶洞注浆浆液的抗分散性，可在浆液内适当掺入细砂，但为确保浆液可泵性和流动性细砂掺入量宜小于30% o

2.2 岩溶水流速对浆液抗分散性质的影响

 岩溶水不同流速下，浆液留存率试验曲线见图40

 由图4可知，浆液在充填不同类型充填物溶洞时，均呈现出相同规律，即随着浆液水固比的减小，浆液留存率呈增大趋势，水固比较小的浆液抗分散性质相对较好;而比较浆液充填不同充填物溶洞的浆液留存率可知，同一水固比下，含充填物的溶洞浆液留存率要明显高于不含充填物的溶洞浆液留存率，含细砂类岩溶浆液留存率略大于含淤泥类岩溶浆液留存率，且流速越大、水固比越大表现得越明显。分析上述原因，浆液水固比越大，一方面粘土水泥浆液水化产物总量相对应的会减少，加入改性剂A后反应生成的Al(OH)3和3Ca0 " A1203·6H20等水化产物总量也对应减少，从而使得浆液凝胶过程变缓。另一方面，浆液水固比越大，浆液中自由水含量也相应增加，自由水的增加会导致浆液中离子浓度的降低，从而会降低改价剂A的促凝速度。因此，在确保浆液可泵性和流动性的条件下，可采用水固比较低或粘土原浆比重较大等抗分散性质较好的浆液配比方案。

 另外，当调节岩溶水流速至1 m/s时，改性粘土水泥膏浆留存率急剧下降，而通过调节水固比、掺细砂等方式，尚不能得到明显改善，仍达不到封水堵漏的作用，表明改性粘土水泥膏浆仅适宜于流速不大于1 m/s的水下岩溶区治理。

2.3 浆液抗分散性质影响因素多元回归分析

 为了定量评价不同岩溶充填物下，浆液水固比和岩溶水流速对改性粘土水泥膏浆抗分散性质的影响，待试验数据进行标准化处理后，采用SPSS软件进行多元回归分析[Wn，得到不同岩溶充填物下，浆液留存率与各影响因素之间的关系为:

式中:GRR, , GRR:及GRR、分别为无充填物、含细砂及含淤泥的溶洞浆液留存率;}w}c}, w]分别为标准化处理后的浆液水固比和岩溶水流速，式中多元回归分析的复相关系数分别为r1 Z = 0.924 ,  rZ’一0.904 ,几z13=0.988·

 由式(l)一(3}可以看出，浆液留存率与动水流速v,  WlC均呈负相关关系;岩溶水流速对浆液的留存率影响最大，水固比次之;不同充填物下水固比影响权重不一，随着浆液水固比的减小，浆液留存率士曾力口。

3 留存体物理力学性能研究

3.1 留存体密实度

 采用环刀法对留存体进行密实度测试，为尽量减少试验误差，每组进行3次取样，计算密实度平均值，测试结果见表3、图So

 由表3、图5可以看出，留存体密实度与浆液抗分散条件密切相关，充填物影响最明显，浆液水固比影响次之。含砂类溶洞浆液留存体密实度均大于70%远大于未含充填物的溶洞浆液留存体密实度;随着浆液水固比的增大，留存体密实度呈减小趋势;岩溶水流速对浆液留存体密实度影响不明显。其主要原因为，浆液水固比越小，浆液越稠，在有充填物的岩溶充填注浆过程中更易产生挤密效应，从而留存体更密实。

3.2 留存体粘度及扩散距离

 留存体的流变特性对注浆的影响主要体现在可灌性与浆液扩散距离两方面。对于水下岩溶注浆而言，留存体的流变性主要反映出留存体充填满岩溶后向四周裂隙岩溶扩散的能力，当作用于改性粘土水泥膏浆上的剪切力小于屈服强度时，浆体静止不动，只有当剪切力超过屈服强度之后浆体才开始运动。采用R/S+plus流变仪对留存体进行粘度测试，保持转子剪切速率为30s-‘不变，测得留存体粘度和剪切力，并引用相关学者研究成果[iz}，分析留存体流变特性对扩散距离的影响，采用式(4}、式(5}计算浆液扩散距离，计算结果具体见表40当浆液扩散与水流方向一致时:

式中:t为注浆时间，计算时取t=900s;为浆液茹度(Pas);  P。为注浆压力，计算时取1MPa;  P}.为静水压力(Pa);  p、为水的密度(kg/m3 ) ;  v为水流流速(m/s);  b为裂隙开度，取O.lcm;  r为浆液扩散半径(m);:。为注浆孔半径，取0.375m0

 由表4易知，动水岩溶环境下注浆时，浆液顺水扩散距离大于逆水扩散距离;顺水和逆水条件下，浆液扩散距离与浆液留存体粘度成反比，与浆液水固比成正比，浆液扩散距离随着浆液粘度的减小而增大，随着水固比降低而减小;顺水条件下，浆液扩散距离与岩溶水流速成正比，逆水条件下，浆液扩散距离与岩溶水流速成反比，表明岩溶水流速有利于浆液沿顺水流方向扩散而抑制浆液沿逆水流方向扩散。

3.3 留存体抗压强度

 留存体抗压强度是盾构机能否顺利施工及隧道后期运营的最主要影响因素。对每组留存体进行取样，尺寸为7.07cm * 7.07cm * 7.07cm，并置于岩溶水内养护至28d，采用伺服压力机进行无侧限抗压强度的测定，结石体岩溶水养护见图6,测试结果见表So

 由于岩溶水对试样的侵蚀是一个长期过程，仅观察28d的留存体抗压强度并不能得出岩溶水对试样的侵蚀规律。但总体而言，改性粘土水泥膏浆抗侵蚀能力较强，28d抗压强度可达3MPa;留存体28d抗压强度受抗冲条件影响明显，影响因素中充填物对留存体的抗压强度影响最大，其次为浆液水固比和岩溶水流速;随着浆液水固比的增大或岩溶水流速的增大，留存体抗压强度随之减小。

4 改性粘土水泥膏浆适用性分析

 在盾构隧道水下岩溶治理工程中，尤其涉及环保性要求时，可综合考虑施工条件、注浆要求等来选择合适配比的改性粘土水泥膏浆。根据水下岩溶抗分散性和留存体性能试验结果，提出水下岩溶治理工程的改性粘土水泥膏浆配比选取原则:

 当岩溶水流速v<o.2}s时，在满足浆液可泵性和流动性要求下，可以通过调整水固比来达到较高的浆液留存率和较优的留存体性能，能满足盾构隧道施工和运营要求。

 当岩溶水o.s }s<v<o.8}s时，在满足浆液可泵性和流动性要求下，对于含充填物型溶洞可以通过调整水固比来达到较高的浆液留存率和较优的留存体性能，而对于未含充填物的溶洞，可采用掺砂(细砂掺量宜小于30%)等方式来达到较高的浆液留存率和较优的留存体性能，能满足盾构隧道施工和运营要求。

 当岩溶水v> 1.Om/s时，改性粘土水泥膏浆留存率急剧下降，而通过调节水固比、掺细砂等方式，尚不能得到明显改善，达不到封水堵漏的作用。

5 工程应用原型试验

 长沙市轨道交通3号线一期工程阜埠河站至灵官渡站区间全长约2663m，越江部分达1400m。工程勘测表明，该区间地层上部为填土、粉砂、卵石等，基岩主要为白云质灰岩、砂岩、砾岩，渗透系数达2.1 * 10^-2cm/s。在橘子洲梅园和湘江西河汉区间溶洞强烈发育，岩溶发育区约323m，详勘共36个钻孔，见洞率约80.6%。溶洞为1 ^-12层串珠状发育，溶洞顶板埋深最浅为2.5m，最深为60m，最高洞高达22.46m}岩溶构造形态不同，且垂直分布规律不明显。溶洞多数有充填，充填物为细沙、淤泥等，部分为空洞。岩溶水与湘江贯通，具有承压性，岩溶水流速在0.2 m/s-O.5m/s之间。隧道主要穿越地层为中、强风化砂岩，中、强风化砾岩，中风化灰岩，围岩级别主要为V一VI级。

 为确保盾构机能顺利通过该区间，宜预先采用地表注浆进行治理。若采用传统注浆材料则水泥单液浆注浆易稀释，水玻璃双液浆、化灌浆液注浆污染江水。考虑国内尚无类似工程借鉴，研究提出采用改性粘土水泥膏浆进行现场原型试验。施工时，依据现场注水试验成果，试验设计最大灌浆压力为1.0-1.5 MPa}结合室内浆液抗分散性质和留存体性能试验结果，控制浆液原浆比重1.25-1.30，水固比0.8:1-1.2:1，偏铝酸盐2%、木质磺酸盐0.2(占水泥质量)。其中，对于岩溶水流速v<0.2m/s的区域采用水固比为1:1的浆液，岩溶水0.2 m/s<v<O.Sm/s的区域采用水固比为0.8:1的浆液，岩溶水v > 0.5 m/s的区域采用水固比为1:1的浆液，并掺入20%细砂。按3排梅花型布孔，孔排距均为1.0m，采用自下而上，分段灌注。

 注浆施工结束后，采用钻孔取芯、注水试验及电法等手段对注浆效果进行评价。结果表明，该区间地层连续性、整体性得到明显提高，止水加固效果显著，地层渗透系数降至5.2*10^-5Cm/s，达达到了预期效果。

结论

 为了科学评价岩溶水环境下浆液抗分散性质及留存体的基本物理力学性能，设计了水下岩溶浆液抗分散性质试验装置，进行了多因素影响下的浆液抗分散性质试验，并对留存体进行了密实度、粘度及抗压强度等测试，主要结论如下:

（1）改性粘土水泥膏浆抗分散性能受浆液水固比、岩溶充填物及岩溶水流速等因素影响明显，在不大于o.8m/s的岩溶水流速下浆液抗分散性能良好，随着浆液水固比或岩溶水流速的减小，浆液留存率呈增大趋势，而充填物的存在会显著提高浆液的留存率。

（2）通过多元回归方法，定量分析了浆液留存率与岩溶水流速、充填物类型及浆液水固比之间的关系。浆液留存率与动水流速v, w/c均呈负相关关系;且岩溶水流速对浆液的留存率影响最大，水固比次之;且不同充填物下水固比影响权重不一，随着浆液水固比的减小，浆液留存率增加。

 (3)取留存体进行物理力学性能测试，结果表明，留存体密实度受充填物影响较大，浆液水固比次之，岩溶水流速影响较小;动水岩溶环境下注浆时，浆液顺水扩散距离大于逆水扩散距离，浆液初始粘度对浆材扩散距离影响明显，岩溶水流速有利于浆液沿顺水流方向扩散而抑制浆液沿逆水流方向扩散;岩溶水养护下，留存体28d抗压强度受抗冲条件影响明显，影响因素中充填物对留存体的抗压强度影响最大，其次为浆液水固比和岩溶水流速，岩溶水养护环境下28d抗压强度明显小于淡水环境养护，但仍可达3MPao

 (4)根据水下岩溶抗分散性和留存体性能试验结果，提出水下岩溶治理工程的改性粘土水泥膏浆配比选取原则:当岩溶水流速v<0.2m/s时，可以通过调整水固比来达到较高的浆液留存率和较优的留存体性能;当岩溶水0.5 m/s<v<0.8m/s时，对于含充填物型溶洞可以通过调整水固比来达到较高的浆液留存率和较优的留存体性能，而对于未含充填物的溶洞，可采用掺砂(细砂含量不宜大于30%)等方式来达到较高的浆液留存率和较优的留存体性能。但当岩溶水v>1.Om/s时，改性粘土水泥膏浆达不到封水堵漏的作用。

 (5)经工程应用原型试验验证，改性粘土水泥膏浆可用于一定岩溶水流速下的岩溶区治理，试验提出的水下岩溶治理工程浆液配比选取原则可行，可为盾构隧道水下岩溶注浆治理提供理论指导。

 文章仅探讨了浆液自身性能和注浆参数对浆液抗分散性质及留存体基本物理力学性能的影响，由于水下岩溶的复杂性，地层渗透性、围岩压力和岩溶水藕合环境等对浆液抗分散性质及留存体性能的影响

有待进一步探讨。