一种盾构开挖间隙低剪切强度注浆材料的配置方法与流程

1.本发明属于盾构施工技术领域，尤其涉及盾构注浆技术，具体一种盾构开挖间隙低剪切强度注浆材料的配置方法。


背景技术：

2.在盾构施工过程中影响注浆效果的除注浆材料外还与注浆时所采用的压力、注浆时间等注浆参数有关系，在现有的研究中专家学者对注浆扩散半径、注浆后的结石体强度等因素进行了研究，从而得出注浆参数与填充效果之间的关系。
3.杨坪等采用室内试验方法对砂卵石地层进行注浆试验研究，从而得出了注浆压力对于浆液扩散半径的影响最为显著，其次影响较大的是渗透系数和注浆时间，注浆的扩散半径主要与地层参数以及注浆工艺有关系。葛家良等利用室内试验得出浆液扩散半径与填充材料的介质结构特性以及注浆压力等注浆因素之间的关系。叶飞等通过理论推导的方式，将盾尾脱出后所形成的盾尾间隙折算成土体本身的孔隙率，从而来考虑盾尾间隙所带来的影响，得到了浆液扩散范围及注浆压力的消散规律。朱合华等采用有限元模拟方法，通过模拟浆液由液态转变为固态的凝固过程研究注浆材料随时间凝固以及土体固结将引起的衬砌与地层之间的相互作用，通过模拟均布及非均布注浆压力下土压力及衬砌内力值得出注浆压力形式的适用性。滕丽等采用数值模拟方法对土压平衡盾构穿越砂卵石地层的失稳机制和沉降规律进行了研究分析，得出了在砂卵石地层中掘进盾构开挖面的土仓压力及同步注浆注浆压力参数的取值范围。路平等对盾构施工过程中，盾壳的摩阻力、刀盘扭矩以及掌子面压力、注浆压力等参数进行数值模拟分析，从而计算得出各类致险因子的风险值，提出了相应的精细化控制研究。罗海燕以太原地铁为工程依托采用理论分析和数值模拟相结合研究得出注浆量及注浆压力等注浆参数对地表变形及管片位移的影响，并得出合理的注浆参数为实际工程作指导。雷华阳等以天津地铁工程为背景，采用数值模拟方法分别对比重力非均布、三角形分布、均匀分布以及非均匀分布四类不同注浆压力分布形式，通过与现场监测结果对比分析，从而得出数值计算中合理的注浆压力分布形式。马险峰等通过离心模型试验，研究不同注浆率对隧道上穿既有隧道的施工期和施工结束后长期位移变形，研究注浆率对由于卸载作用而产生隆起的影响。
4.现有研究的不足之处在于：由于开挖间隙填充材料于近几年才开始投入使用，现在仍处于试使用阶段，因此可能面临一些问题：（1）填充材料早期强度偏低，不能及时与盾壳外土体形成相互作用，或者初凝时间设置不合理等因素都不能做到真正意义的填充；（2）填充材料配比不合理，可能会导致填充材料流动性太好，流到刀盘处固结使得刀盘扭转变大，或是和易性差，填充材料发生了离析作用，从而产生填充材料损失，对于快接近洞门和联络通道处应提高填充材料的强度和抗渗性能；（3）对于不同地层，填充材料的使用效果可能存在差异。如以填充量控制填充效
果，可能由于填充材料强度过低或者自身收缩性大等原因，不能对盾壳周围土体形成有效支撑。对于沉降控制要求高的地段应该严格控制注浆压力、填充量以及合理调整填充材料配比。


技术实现要素：

5.基于以上问题，本发明针对开挖间隙填充材料物理力学特性，采用室内试验对其影响因素进行分析。通过调整填充材料配比，研究不同因素对填充材料的填充效果的影响规律。通过采用直剪试验和摩擦试验，对填充材料的附着特性进行研究，借此优化盾构掘进参数，对实际现场施工提供理论参考以及技术支持。
6.本发明是这样实现的：一种盾构开挖间隙低剪切强度注浆材料的配置方法，包括如下步骤：步骤1，选择注浆材料，注浆材料组分包括水泥、膨润土、 水玻璃和水；步骤2，初步设计多组不同水灰比和多组不同膨水比的注浆材料，并根据初步设计的水灰比和膨水比配置多组浆液；步骤3，采用配置的多组浆液对应制作多组注浆材料的试件；步骤4，测试各组试件的抗剪强度，由试件的抗剪强度，确定注浆材料的最优水灰比为8:1或4:1，最优膨水比为1:2；步骤5，根据所得到的最优水灰比、最优膨水比，称取水泥、膨润土和水原材料；步骤6，按最优膨水比将膨润土与水加入搅拌机内搅拌，使其充分混合均匀，然后静置，使其充分膨化；步骤7，按最优水灰比将水泥加入到已经膨化的膨润土浆液中，搅拌均匀；步骤8，量取所需波美度的水玻璃，在含有水泥的膨润土浆液中加入水玻璃，继续搅拌均匀，配置完成。
7.在一些实施例中，步骤1中，所使用的水为纯净水。
8.在一些实施例中，步骤2中，多组不同水灰比为四组，分别为16:1、8:1、4:1和2.6:1，多组不同膨水比亦为四组，分别为1:4、1:2.67、1:2和1:1.6。
9.在一些实施例中，步骤2中，浆液配置方法为：按照初步设计的多组不同膨水比将膨润土与水加入搅拌机内搅拌5
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10分钟，使其充分混合均匀，静置10
‑
30分钟使其充分膨化；按照初步设计的多组不同水灰比在膨润土浆液中加入水泥粉末，继续搅拌至少10分钟直至均匀；量取所需波美度的水玻璃，加入到已经膨化的膨润土浆液中，搅拌至少5分钟直至均匀，配置完成。
10.在一些实施例中，步骤3中，按如下方法制作试件：（1）选择可批量制样的制样模具，制样模具为针筒注射式模具，包括筒体，筒体上端敞口，下端设置有推进器；（2）将配置好的各组浆液倒入制样模具中，使浆液静置一定时间后，固化形成试样；（3）将试样从模具的筒体中推出一定长度，用环刀切取第一个试件，然后再依次将
试样推出同样长度，用环刀切取得到多个试件。
11.在一些实施例中，所述筒体内径12cm，壁厚0.1cm。
12.在一些实施例中，所述推进器顶部设置有橡胶防漏垫。
13.在一些实施例中，步骤（2）中，浆液静置时间与盾构推进速度相关，确保该静置时间内浆液始终保持低剪切强度、高可泵性的状态。
14.在一些实施例中，步骤（2）中，浆液固化至制样模具倒扣时浆液不会产生位移和形变。
15.在一些实施例中，步骤6中，配置浆液在一个标准大气压下以及常温条件下进行，膨润土与水搅拌5
‑
10分钟，静置10
‑
30分钟；步骤7中，搅拌至少5分钟；步骤8中，搅拌至少10分钟。
16.本发明相对于现有技术的有益效果是：（1）本发明研究盾构施工开挖间隙的填充问题，能够解决常规的盾体注浆材料对盾体抱死的问题；（2）采用了新型的填充材料配置方法，事先对填充材料性能影响因素进行研究，获得最佳水灰比、最佳膨水比，满足盾构开挖间隙对填充材料的性能要求；（3）填充材料凝结时间长，即其能够较慢的初凝，从而满足在注浆设备中的泵送要求；（4）填充材料早期剪切强度较低，即在盾构推进时浆液保持一个较低的剪切强度，使得盾构可以顺利推进，不会抱死盾壳，同时后期也能够获得较高的抗剪强度，能对开挖间隙进行有效填充从而达到控制地层变形的作用；（5）填充材料同时具备润滑性能好、稳定性高、与盾壳摩擦小等特点；（6）采用更加合理的配比方案，控制填充材料流动性，防止填充材料流到刀盘处固结使得刀盘扭转变大；和易性好，新型填充材料不易发生离析作用，减少材料损失，更加经济环保。
附图说明
17.为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。
18.本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容涵盖的范围内。
19.图1为本发明一个实施例的制样模具示意图；图2
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图5为本发明16:1、8:1、4:1和2.6:1四组水灰比时的剪应力与位移图；图6
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图9为本发明1:4、1:2.67、1:2和1:1.6四组膨水比时的剪应力与位移图；图10
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图12为100kpa、200kpa、400kpa法向压力下对比试验的剪应力与位移图（抗
剪强度指标）；图13为对比试验的抗剪强度拟合图；图14
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图17为50kpa、100kpa、200kpa、400kpa法向压力下对比试验的剪应力与位移图（早期强度指标）；图18为本发明一个实施例的摩擦试验装置示意图；图19为水泥用量与摩擦应力的关系图；图20为膨润土用量与摩擦应力的关系图；图21为浆液流动性试验效果示意图。
具体实施方式
20.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
21.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“包括/包含”、“由
……
组成”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的产品、设备、过程或方法不仅包括那些要素，而且需要时还可以包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种产品、设备、过程或方法所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括/包含
……”
、“由
……
组成”限定的要素，并不排除在包括所述要素的产品、设备、过程或方法中还存在另外的相同要素。
22.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
23.还需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置、部件或结构必须具有特定的方位、以特定的方位构造或操作，不能理解为对本发明的限制。
24.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
25.以下结合较佳的实施方式对本发明的实现进行详细的描述。
26.本发明所述的一种盾构开挖间隙低剪切强度注浆材料的配置方法，包括如下步骤：步骤1，选择注浆材料，注浆材料组分包括水泥、膨润土、 水玻璃和水；步骤2，初步设计多组不同水灰比和多组不同膨水比的注浆材料，并根据初步设计的水灰比和膨水比配置多组浆液；步骤3，采用配置的多组浆液对应制作多组注浆材料的试件；
步骤4，测试各组试件的抗剪强度，由试件的抗剪强度，得到低剪切强度注浆材料的最优水灰比为8:1或4:1，最优膨水比为1:2；步骤5，根据所得到的最优水灰比、最优膨水比，称取水泥、膨润土和水原材料；步骤6，按最优膨水比将膨润土与水加入搅拌机内搅拌，使其充分混合均匀，然后静置，使其充分膨化；步骤7，按最优水灰比将水泥加入到已经膨化的膨润土浆液中，搅拌均匀；步骤8，量取所需波美度的水玻璃，在含有水泥的膨润土浆液中加入水玻璃，继续搅拌均匀，配置完成。
27.本发明中，注浆材料组分具体可参照如下选取：（1）水泥，水泥为填充材料重要组成成分，其主要成分为硅酸二钙、硅酸三钙、铝酸三钙等，作为一种水硬性材料充当着固化剂作用，对填充材料黏度及强度有着重要的影响，本发明所用水泥材料为钧牌公司的p.o 42.5r普通硅酸盐水泥，满足《硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥》gb175
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2007通用水泥要求。
28.（2）膨润土，选用佛山泰迪斯材料有限公司研制的以蒙脱石为主要成分的未改性膨润土，含大量活性基团，为单斜晶结构，其蒙脱石含量一般大于65%，相对密度为2.4~2.8，熔点为1330~1430℃，可以起到增强填充材料稳定性的作用，提高填充材料流塑性，具有很好的抗水冲分散性能。
29.（3）水玻璃，采用无锡亚泰联合公司的水玻璃产品，俗称泡花碱，是由硅酸钠溶于水产生的碱性溶液，为无毒的非游离态强碱性材料。硅酸钠为透明粘稠状固体，化学式为na2·
msio2。硅酸钠液体的参数指标如表1所示。水玻璃溶液具有较好的粘结能力，可以起到堵塞毛细管防止渗透的作用。工程上常将水玻璃掺入水泥砂浆中，利用水玻璃的速凝性和黏附性，用于富水地层的注浆加固和抢修等。
30.表1 水玻璃材料性质 （4）水，考虑到其他水会含有不同成分的杂志，而且酸碱度也会不同，影响注浆材料性能，本发明所使用的水为纯净水，以消除可能存在的杂质以及酸碱度的影响。
31.本发明中，在初步设计多组不同水灰比和多组不同膨水比的注浆材料时，根据工程经验初步设计16:1、8:1、4:1和2.6:1四组水灰比，以及1:4、1:2.67、1:2和1:1.6四组膨水比，具体采用如下表2所示配置方案：表2 试验所用材料配比
初步设计多组不同水灰比和多组不同膨水比的注浆材料后，进行试验材料的浆液配置，本发明中具体采用如下配置方法：按照初步设计的多组不同膨水比将膨润土与水加入搅拌机内搅拌，优选搅拌5
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10分钟，使其充分混合均匀，静置10
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30分钟使其充分膨化；按照初步设计的多组不同水灰比在膨润土浆液中加入水泥粉末，继续搅拌至少10分钟直至均匀；量取所需波美度的水玻璃，加入到已经膨化的膨润土浆液中，搅拌至少5分钟直至均匀，配置完成。
32.得到试验浆液后，制作多组注浆材料的试件，具体按如下方法进行：（1）选择可批量制样的制样模具，本发明制样模具为针筒注射式模具，如图1所示，包括筒体1，筒体1上端敞口，下端设置有推进器2；筒体1内径12cm，壁厚0.1cm，筒体上端敞口形成剪切口；本发明进一步在推进器2顶部设置橡胶防漏垫3，以防止浆液渗漏。
33.（2）将配置好的各组浆液倒入制样模具中，使浆液静置一定时间后，固化形成试样4；浆液静置时间与盾构推进速度相关，由于盾构以一定的速度向前推进，假设某台盾构机推进一环所需的时间为20分钟，那么在配置浆液时需要确保在这20分钟内配置的浆液不会终凝，否则终凝会抱死盾壳，因此需要提前配置好浆液，控制时间，浆液在这20分钟内依然保持一个低剪切强度、高可泵性的状态，以满足盾构需求。
34.静置一定时间后，浆液固化的基本要求是将模具倒扣状态下浆液不会产生位移和形变即可，如此方能满足试验要求。
35.（3）将试样4从模具的筒体1中推出一定长度，本发明是分阶段推进，每次推出1cm，共推出3cm然后在剪切口用环刀切取得到第一个试件，然后再依次将试样推出同样长度，用环刀切取得到多个试件。
36.本发明分步切取4个试样，为下一步50kpa、100kpa、200kpa和400kpa竖向压力下的直剪试验做准备。
37.试件制作完成后，测试各组试件的抗剪强度，将各组试件分别在50kpa、100kpa、200kpa和400kpa竖向压力下进行直剪试验。
38.首先进行不同水灰比下填充材料的抗剪强度试验，试验结果如图2~5所示，当竖向荷载为50kpa时，水灰比对剪应力的影响较小，此时剪应力大约为10~20kpa；当竖向荷载为100kpa时，a2填充材料的剪应力极具增大，a3与a4填充材料的剪应力较为接近，此时a3、a4剪应力约为40~45kpa，而此时a1填充材料的剪应力为11.67kpa，a2填充材料的剪应力为12.54kpa增长了7.4%；在400kpa作用下，水灰比对剪应力的影响急剧增大，a4填充材料的峰值剪应力为193kpa。水泥用量增多出现了团粒化现象，由于胶结物质使较小的土颗粒在胶结物作用下形成较大的团粒从而使得填充材料剪切强度变高，水泥水化产生大量不溶于水的稳定结合物如硅酸钙、铝酸钙水化物等，这些水化物与空气接触逐渐发生硬化，形成了结构致密的物质使得填充材料的抗剪强度增高。
39.由上述试验可得出结论：当水灰比过高时，会导致材料强度降低，无法满足填充需求，同时水灰比过低将导致材料性能过剩，使用成本较大，因此本发明采取8:1或者4:1的水
灰比是最有效、最经济的配置方案。
40.然后进行不同膨水比下填充材料的抗剪强度试验。膨润土遇水膨胀，填充至固结体骨架之间中，从而减小了固结体孔隙，降低固结体渗透系数。同时遇水后膨润土颗粒可以在骨架中可以起到润滑作用，但膨润土用量过高时，填充材料流动度与管道之间摩擦应力增大，泵送压力不能克服流动阻力时就会造成管道堵塞，此类填充材料通常被认为不满足泵送要求。如膨润土用量过少时，填充材料中含水量较高，此时填充材料较为稀薄，填充材料初凝时间变长，填充材料较易在土体中流失，可能会流失至刀盘处凝结造成刀盘扭矩增大从而影响盾构掘进。因此填充材料中膨润土用量不仅会影响到填充材料的可泵性，还会影响到填充材料的可填充性，因此分别对各组填充材料进行不同竖向荷载下的抗剪强度试验，从而验证膨润土材料对填充材料的抗剪强度影响。
41.试验结果如图6~9所示，从图中分析可得，膨水比对填充材料的抗剪强度影响较小，当膨水比为1:4、1:2.67时，竖向荷载为400kpa时其剪应力相差较小，随着荷载的减小剪应力差异逐渐明显。从图9中对比分析可得，膨润土材料用量增加会使得填充材料抗剪强度有所降低，主要是由于膨润土中的蒙脱石材料会与水泥水化所产生的如氢氧化钙等产物发生硬凝反应，但是膨润土的硬凝反应缓慢，因此大量膨润土颗粒吸水膨胀后都填充于水泥骨架孔隙中，相比传统水泥浆，在竖向荷载作用下水泥浆之间的颗粒充分接触体现出很强抗剪能力，而膨润土颗粒填充于水泥骨架中起到润滑作用反而减小了水泥骨架之间的直接接触，使得填充材料内摩擦角减小。膨润土材料用量增加对填充材料粘聚力影响较小，颗粒之间的内摩擦角降低后，大量自由水使得填充材料结石，颗粒之间距离变大从而导致粘聚力降低。
42.由上述试验可得出结论：膨润土对材料的强度影响较低，在保证材料强度的同时尽可能节约费用是最理想的选择，因此采用1:2的膨水比是最有效、最经济的配置方案。
43.得到所需浆液的最优水灰比、最优膨水比后，本发明中，根据所得到的最优水灰比、最优膨水比，称取水泥、膨润土和水原材料；固体类采用电子秤称取所需的原材料，液体采用量筒量取。
44.按最优膨水比将膨润土与水加入搅拌机内搅拌，使其充分混合均匀，然后静置，使其充分膨化；本发明中，配置浆液在一个标准大气压下以及常温条件下进行，膨润土与水搅拌5
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10分钟，确保膨润土搅拌均匀，静置30分钟，确保膨润土充分膨化。
45.然后在膨润土浆液中加入水泥粉末，继续搅拌均匀；在已经膨化过的膨润土浆液中加入水泥粉末可减缓水泥的水化反应，延缓水泥初凝硬化时间，达到盾体通过时填充材料剪切强度较低的目的，防止浆液抱死盾壳。本发明中，加入水泥粉末搅拌至少10分钟，确保水泥粉末搅拌均匀，与水发生充分的水化反应。
46.水泥搅拌充分后，量取所需波美度的水玻璃，加入到已经膨化的膨润土浆液中，搅拌均匀，水玻璃类似于催化剂，与水泥的胶结体所带电荷性质相反，混合后可以起到中和作用，从而促进胶结体凝结。本发明中，搅拌至少5分钟，确保水玻璃与膨润土浆液混合均匀。
47.本发明采用如下对比试验以验证本发明注浆材料的效果。
48.试验一，抗剪强度试验：将本发明所用新配比填充材料与普通粉质黏土做对比，新配比填充材料配置搅拌均匀后，在常温及一个标准大气压下静置反应30分钟，而后采用100kap、200kpa、400kpa的
法向压力做直剪试验（50kpa的法向压力下由于剪切强度太低而无法区分），对比试验结果如图10
‑
12所示。
49.由图10可见，在100kpa的法向压力下，新配比填充材料的抗剪强度与粉质黏土相近，差异不大。
50.在200kpa的法向压力下，新配比填充材料的曲线更加平缓，如图11，主要是因为膨润土以及水玻璃成分减小了分子间摩擦力，使得其剪切过程更加顺滑，这点更加说明新配比填充材料对比粉质黏土更加有利于泵送，不容易造成抱死盾壳或堵死泵送管道等问题。此外，在200kpa的法向压力下，新配比填充材料的抗剪强度较粉质黏土有了明显提高，说明其填充效果更好。
51.而在400kpa的法向压力下，新配比填充材料的抗剪强度已大幅度高于粉质黏土，如图12，更加适应盾构高压的工况。
52.综上可见，新配比填充材料在力学性能上明显优于粉质黏土，采用此种新型混合材料将有利于控制盾构过程中产生的沉降，能对开挖间隙进行有效填充从而达到控制地层变形的作用，并且相较于填充粉质黏土，该种新型混合材料的填充效果更优，效益更高。
53.本发明进一步对抗剪强度进行拟合，拟合结果如图13所示，从图13中可以看出，新配比填充材料的粘聚力更低，说明其不会导致盾构机抱死，内摩擦角更大，说明其强度高，填充效果明显，符合盾构对填充材料的要求。
54.试验二，早期强度试验：将本发明所用新配比填充材料按时间顺序做对比，采用2h、7h、24h的时间间隔分别做50kpa、100kpa、200kpa、400kpa的直剪试验，对比试验结果如图14
‑
17所示。
55.由图14可见，在50kpa的法向压力的作用下，2小时的试样抗剪强度最低，24小时的试样抗剪强度最高，说明试样的早期抗剪强度较低，后期抗剪强度较高，符合盾构要求。
56.由图15可见，在100kpa的法向压力作用下，2小时的试样抗剪强度最低，7小时和24小时的试样抗剪强度较近，说明在100kpa的法向压力下，7小时和24小时的试样最终抗剪强度没有明显区别。但是在剪切位移不足时，2小时的试样抗剪强度明显低于其他两个时间段的试样，说明在0至8mm的剪切位移区间，试样满足盾构对早期强度较低的要求。
57.由图16可见，在200kpa的法向压力作用下，三个时间段的试样最终抗剪强度十分接近，区别在于当剪切位移在5mm的时候，2小时的试样抗剪强度明显低于其他两个时间段的试样，这点说明当剪切位移不足时，2小时的试样抗剪强度要比7小时以及24小时的低，同样符合盾构要求。
58.由图17可见，在400kpa的法向压力作用下，三个时间段的试样最终抗剪强度由24h到2h逐级递减，最高160kpa，最低140kpa，并且在0至6mm的剪切位移区间内，试样早期强度明显低于其他两个时间段的试样，这也说明，在高压环境以及剪切位移较小的情况下，试样的早期强度非常低，符合盾构开始注浆时的工况，满足盾构要求。
59.试验三，摩阻力试验：本发明继续进行如下检测摩阻力的试验，以检测和验证填充材料对盾壳摩阻力的影响。
60.本试验分别研究了填充材料的水灰比、膨水比对摩阻力的影响。在盾构推进过程中，盾壳与填充材料之间的摩擦作用类似于上覆材料与下层钢材之间的摩擦作用，因此对
盾构与填充材料相互作用关系进行简化，采用改造后的直剪仪进行摩擦阻力研究。在剪切盒下盒5放置透水石8以及2cm厚不锈钢钢块7并与剪切盒下盒表面齐平，如图18所示，钢块7表面粗糙程度与盾壳表面相似，在剪切盒上盒6分别放置填充材料试样9及现场土样，上方顺次放上滤纸与透水石8加上加压盖板、钢珠、加压框架及位移计。
61.盾构在推进过程中的掘进速度跟诸多因素有关，为非稳定值，通过研究发现，手轮转速对试验结果影响较小且摩擦应力随着埋深增大而增大。故本试验参考北京地铁大兴机场线磁1#区间，隧道主要埋深约为15m~25m，穿越地层主要为粉细砂地层、粉质黏土地层和卵砾石地层，通过计算所得隧道拱顶上部的覆土压力范围为250~450kpa，故本次试验对试样施加400kpa的竖向应力，采用0.8mm/min的剪切速度，模拟盾构掘进时，在上覆土压力作用下填充材料及现场土样对盾壳摩阻力的影响。
62.盾构推进过程中，根据注浆方式、周围地质情况及刀盘对土体的扰动程度不同，填充材料可能会发生压密注浆或者渗透注浆，在盾体外围形成填充材料固结体或者填充材料
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土复合体，如若其不发生剪切破坏，则在盾构推进过程中，盾壳将沿着填充材料表面向前移动。如发生压密注浆，此时盾体外围被填充材料固结体所包裹，对摩阻力影响较为明显的是填充材料自身的水灰比及膨水比。因此分别对a组、b组填充材料试样施加400kpa竖向压力并静止24小时后进行摩擦试验，研究填充材料水灰比、膨水比对盾体摩阻力的影响。
63.研究结果显示，水灰比过低，即过多的水泥用量会导致填充材料中结石率过高，填充材料从可塑状态变为硬化状态，胶结物粘附在钢块上增大了摩阻力。从图19中分析可得，在静置24小时后，在其他组分用量一定的情况下，水灰比为16:1后的摩阻力曲线随着水灰比的减小而呈线性增长的趋势。水泥水化物与膨润土材料发生反应从而实现了离子交换过程，土颗粒周围包裹了水泥凝胶体，水泥胶结体粘度大，不仅起到加大浆液强度的作用，同时也会引起盾壳
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填充材料相互作用力增大。不同水泥用量对摩擦力的影响如下表3。
64.表3 不同水灰比对摩擦力的影响由表3可见，a2组浆液（8:1）和a3组浆液（4:1）摩擦力适中，a4组浆液（2.6:1）摩擦力太高，且水灰比过低会导致浆液结块，无法泵送并且会阻碍盾构推进，而a1组浆液（16:1）虽然摩擦力更低，但其水灰比过高，会导致浆液强度过低，无法起到良好的填充效果。
65.进一步基于8:1的水灰比，研究膨水比对盾壳
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填充材料相互作用的影响。从图20中可以看出，摩阻力随着膨润土含量增多而增大，但增幅相对较小。膨润土材料主要为蒙脱石，吸水能力极强且几乎不与水泥反应，主要是遇水膨胀而变为自身体积的十几倍甚至几十倍，可以吸收大量的自由水分子，膨润土用量过多时会影响填充材料自身的流动性，这是导致填充材料由流塑状态变为可塑状态的重要因素之一，不仅会影响填充材料的可泵性，还会增大盾壳
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填充材料之间的摩阻力，不利于盾构推进。不同膨润土用量对摩擦力的影响如下表4。
66.表4 不同膨水比对摩擦力的影响
由表4可见，相对于水灰比而言，彭水比的变化对浆液性能影响较小，在满足工程需要的前提下，尽量采用较低的彭水比，以达到节约成本的目的。表中b4组浆液（1:1.6）摩擦力较大，且其膨润土用量最大，b1组浆液（1:4）和b2组浆液（1:2.67）摩擦力较小，且膨润土用量也不大，但其强度不够，在保证强度的同时，遵循膨润土用量更低的原则，b3组浆液（1:2）显然最适合配比要求。
67.试验四，流动性试验：为了验证上述配比浆液的流动性、和易性，本发明还进行流动性试验。由于流动性、和易性试验实施起来相对较难，本发明采用行业内普遍的做法—倒杯法，通过倒杯法来判断浆液的流动性，试验效果如图21所示，通过几组试验的结果看，新配比的浆液在满足泵送的条件下，不易从倒置的量杯中流下，说明其流动性控制地较好，流动性不高，不易流到刀盘处发生固结。
68.综上可见，本发明研究现有技术中开挖间隙的填充问题，尤其是现有技术普遍不太关注的填充材料对盾体抱死的问题，采用了新型的填充材料配置方法，通过理论分析和试验时试验，新配比填充材料具备润滑性能好、稳定性高、凝结时间较长、早期强度较低、与盾壳摩擦小等特点，早期低剪切强度防止了抱死盾体，后期较高的抗剪强度又能对开挖间隙进行有效填充从而达到控制地层变形的作用，同时流动性控制地较好，流动性不高、和易性较好，满足在注浆设备中的泵送要求，不易发生离析作用，减少材料损失。
69.本领域技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下，上述各优选方案可以自由地组合、叠加。
70.以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。