本发明属于注浆材料技术领域，具体涉及一种高性能盾构隧道同步注浆材料配合比的设计方法。
背景技术：
城市规模的不断扩张与道路交通拥挤程度的明显增加，带动城市地铁的不断开发与建设。在城市地铁的修建中，由于盾构开挖的高效性、安全性、施工对周围环境的影响较小等优点，盾构法施工已成为城市地铁修建的主要方法。由于盾构法开挖隧道存在超挖的现象，导致隧道管片与隧道实际开挖面之间存在一定体积的环状空隙，需要依靠注浆来填充隧道间隙，注入的浆液将代替超挖土体，在隧道管片外围形成一道衬砌，达到加固地层、止水防渗以及促使管片受力均匀的目的。
由于注浆对隧道施工安全的重要性，国内外学者和专家对注浆浆材配合比优化展开了相关研究，针对不同地层的实际注浆工程提出了各自的注浆材料配合比，解决了实际工程存在的一些问题。但他们优化浆材配合比时的试验方法不够系统化，试验方法重复性强，浪费大量时间和材料。优化后的浆材在注浆工程中依然存在初凝时间不能适应实际工程，浆材堵塞注浆泵和注浆管道，隧道空隙填充不完整的情况。总体来说，现有的注浆材料配合比方法主要是通过反复试验操作，依然存在一定的盲目性，不能及时根据隧道施工工程地质情况快速做出浆材配合比的调整，无法通过室内试验快速定出基准配合比，或者给出的浆材配合比不能满足工程需要。故盾构隧道同步注浆的配合比设计方法急需完善，希望通过快速、便捷、准确的方法快速定出配合比。
综上所述，现有的注浆浆材研究方法不够系统化，试验操作重复性强，存在盲目性，优化后的浆材与实际注浆工程需求不能完好地契合，急需更加准确、便捷的注浆浆材配合比的设计方法，对于给定的盾构同步注浆工程快速确定高性能注浆材料配合比，提高配合比优化效率和优化效果。
技术实现要素：
有鉴于此，本发明的目的在于解决现有注浆材料配合比优化过程中存在的技术问题，提供了一种简单而高效的盾构隧道同步注浆浆材配合比的设计方法。
为了达到上述目的，本发明特采用了以下技术方案：一种高性能盾构隧道同步注浆材料配合比的设计方法，该方法适用于盾构隧道填充盾壳与管片间隙的注浆工程，尤其是盾构隧道同步注浆工程，该方法可以包括以下步骤：
步骤(1)，基于注浆材料配合比变量来设计注浆浆材的正交试验，以建立浆材的稠度、流动度、泌水率、抗压强度、凝结时间的预测模型；
步骤(2)，根据实际同步注浆工程需求的浆材性能经验范围值和所述预测模型，反推浆材中水泥、粉煤灰、河砂、水和膨润土的初始配合比；
步骤(3)，在步骤(2)中的浆材中添加相应外加剂，设定浆材的外加剂试验组，对比分析试验组结果，确保浆材的各性能达到工程预定浆液注浆要求，从而得到浆液配合比；
步骤(4)，利用步骤(3)中得到的浆材配合比进行现场注浆试验，根据注浆试验结果综合评价浆材是否满足工程要求，若满足工程要求，能达到填充地层的效果，则可确定最终同步注浆浆材配合比；若不满足工程要求，则调整相应浆材性能值继续反推浆液配合比或改变外加剂配比，重复步骤(2)-(4)，直到满足工程要求，获得最终同步注浆浆材配合比。
进一步地，所述预测模型为：
y1＝-5.846+1.173x1-10.725x2+15.388x3+3.513x4
y2＝-50.193-2.425x1-36.25x2+101.125x3+25.375x4
y3＝5.575-0.5x1-30.2x2+4.9x3-0.7x4
y4＝1.718-0.048x1+0.148x2-1.389x3-0.03x4
y5＝-15.419-1.975x1-20.25x2+41.625x3+11.125x4
其中，yi(i＝1,2,3,4,5)依次表示浆材的稠度、流动度、泌水率、抗压强度、凝结时间；xj(j＝1,2,3,4)依次表示粉灰比、膨胶比、水胶比和胶砂比。
进一步地，所述注浆工程要求包括流动性、凝结速度、强度。
进一步地，在步骤(2)中，选择稠度、流动度、凝结时间、强度这几个浆液性能指标作为注浆控制因素，针对性地满足注浆工程环境下的流动性、抗分散、凝结速度、强度的要求，协调好流动性与凝结速度的浆材性能的矛盾性，将浆材性能要求值代入预测模型，反推浆材基准配合比。
根据以上实施例，本发明的方法与现有方法相比，具有以下有益效果：
对比已有的盾构隧道同步注浆材料配合比的设计方法，现有设计方法不再通过反复设立有限的浆材配比对照组确定浆材配比，而是通过浆材性能预测模型，根据同步注浆工程需要的浆材性能，利用预测模型反推浆材配合比参数。如此能够快速定位不同地层所适应的浆材主材配合比，减少了反复试验带来的消耗，节约了大量时间和材料。
该浆材配合比设计方法主要利用调整水泥、砂、粉煤灰、水、膨润土混合比例来最大程度靠近浆材的最终性能，在浆材的初凝时间、终凝时间的性能调整上，选择性加入外加剂来微调注浆浆材的性能，不再盲目利用外加剂调整浆材性能，优化目标性强，节省原料。
该发明考虑了实际注浆条件的影响，在优化配合比的基础上，结合现场同步注浆试验，综合对浆材性能进行评价，若注浆效果不理想，则根据现场实验数据和试验效果调整预设的注浆浆材性能，重新反推注浆配合比；或改变外加剂种类或掺量，调整浆材配比，确保达到理想的注浆效果。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于描述本发明的操作流程。
图1是根据实施例示出的一种高性能盾构隧道同步注浆材料配合比的设计方法流程图。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。
在本申请使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
图1是根据实施例示出的一种高性能盾构隧道同步注浆材料配合比的设计方法流程图，参考图1所示，该方法可以包括以下步骤：
步骤(1)，基于注浆材料配合比变量来设计注浆浆材的正交试验，以建立浆材的稠度、流动度、泌水率、抗压强度、凝结时间的预测模型；
具体地，利用水泥基浆材的配合比变量(包括：粉灰比、膨胶比、水胶比和胶砂比)，确定配合比变量范围值，基于正交试验设计方法，设计浆材四个变量的正交试验组，正交试验各试验组配比参数如下表1所示。通过正交试验组结果，建立注浆浆材的稠度、流动度、泌水率、抗压强度、凝结时间的预测模型，预测模型如下所示：
y1＝-5.846+1.173x1-10.725x2+15.388x3+3.513x4
y2＝-50.193-2.425x1-36.25x2+101.125x3+25.375x4
y3＝5.575-0.5x1-30.2x2+4.9x3-0.7x4
y4＝1.718-0.048x1+0.148x2-1.389x3-0.03x4
y5＝-15.419-1.975x1-20.25x2+41.625x3+11.125x4
其中，yi(i＝1,2,3,4,5)依次表示浆材的稠度、流动度、泌水率、抗压强度、凝结时间；xj(j＝1,2,3,4)依次表示粉灰比、膨胶比、水胶比和胶砂比。该预测模型是根据正交试验拟合而得到的，还可根据不同的试验数据进行优化预测模型，预测得到的浆材性能精度能满足在注浆材料优化过程中的预测功能，以上模型为其中一个，并不局限于此。
表1砂浆正交试验组
进一步地，建立模型还可改变注浆材料的材料种类，增加配合比变量，使模型不仅仅适用于水泥基浆材，设计的浆材性能范围也可扩大化，加入坍塌度、分层度性能指标，方便多方面优化设计浆材配合比。
步骤(2)，根据实际同步注浆工程需求的浆材性能经验范围值和所述预测模型，反推浆材中水泥、粉煤灰、河砂、水和膨润土的初始配合比；
具体地，根据不同隧道开挖地层同步注浆总结的浆材性能范围以及具体工程要求，首选对应地层中稠度、流动度、凝结时间、抗压强度这四个浆材性能指标值，将浆液性能值代入上述的预测模型中，反推地层适应的注浆浆材配合比参数(粉灰比、膨胶比、水胶比和胶砂比)，这样可以快速根据已知注浆环境确定浆材主材基准配合比，调节灵活，节省大量试验过程。除此之外，还可针对不同类型的注浆地层环境优化浆材配合比，控制浆材性能。利用模型反推配合比，总体设计步骤和思路清晰、操作简便合理，有效避免了现有优化试验操作中的盲目性、减少了因反复试配调整带来时间、人力、材料和能源浪费，因而具有更好的可操作性和实用性。
步骤(3)，在步骤(2)中的浆材中添加相应外加剂，设定浆材的外加剂试验组，对比分析试验组结果，确保浆材的各性能达到工程预定浆液注浆要求，从而得到浆液配合比；
具体地，利用预测模型得到的基准配合比，根据实际注浆工程具体要求添加外加剂，设定外加剂试验组，然后进行室内试验，确定注浆材料配合比，调整注浆浆材性能。外加剂试验组便于应用合理的混合外加剂，对基准配合比下的浆材进行性能调节，优化基准配合比下的浆材性能，以期提供一种高性能的同步注浆浆材配合比，解决现有注浆材料注浆过程中存在的堵管、凝结时间不合理的问题，使浆材性能更能满足注浆工程需要。
步骤(4)，利用步骤(3)中得到的浆材配合比进行现场注浆试验，根据注浆试验结果综合评价浆材是否满足工程要求，若满足工程要求，能达到填充地层的效果，则可确定最终同步注浆浆材配合比；若不满足工程要求，则调整相应浆材性能值继续反推浆液配合比或改变外加剂配比，重复步骤(2)-(4)，直到满足工程要求，获得最终同步注浆浆材配合比。
具体地，优化后的浆材配合比进行现场注浆试验，浆材性能结合现场注浆设备、注浆效率的工程实际条件，考虑浆材的运输过程的不确定性因素，根据试验结果对注浆材料进行性能评价。因为同步注浆效果不仅仅受浆材本身的影响，同时注浆设备和注浆流程对注浆工程的施工效果影响也不可忽略，所以注浆材料的优化过程中必须考虑现场注浆影响因素的影响。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的总之和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围之内。
技术特征：
1.一种高性能盾构隧道同步注浆材料配合比的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤(1)，基于注浆材料配合比变量来设计注浆浆材的正交试验，以建立浆材的稠度、流动度、泌水率、抗压强度、凝结时间的预测模型；
步骤(2)，根据实际同步注浆工程需求的浆材性能经验范围值和所述预测模型，反推浆材中水泥、粉煤灰、河砂、水和膨润土的初始配合比；
步骤(3)，在步骤(2)中的浆材中添加相应外加剂，设定浆材的外加剂试验组，对比分析试验组结果，确保浆材的各性能达到工程预定浆材注浆要求，从而得到浆液配合比；
步骤(4)，利用步骤(3)中得到的浆材配合比进行现场注浆试验，根据注浆试验结果综合评价浆材是否满足工程要求，若满足工程要求，能达到填充地层的效果，则可确定最终同步注浆浆材配合比；若不满足工程要求，则调整相应浆材性能值继续反推浆液配合比或改变外加剂配比，重复步骤(2)-(4)，直到满足工程要求，获得最终同步注浆浆材配合比。
2.根据权利要求1所述的一种高性能盾构隧道同步注浆材料配合比的设计方法，其特征在于，所述预测模型为：
y1＝-5.846+1.173x1-10.725x2+15.388x3+3.513x4
y2＝-50.193-2.425x1-36.25x2+101.125x3+25.375x4
y3＝5.575-0.5x1-30.2x2+4.9x3-0.7x4
y4＝1.718-0.048x1+0.148x2-1.389x3-0.03x4
y5＝-15.419-1.975x1-20.25x2+41.625x3+11.125x4
其中，yi(i＝1,2,3,4,5)依次表示浆材的稠度、流动度、泌水率、抗压强度、凝结时间；xj(j＝1,2,3,4)依次表示粉灰比、膨胶比、水胶比和胶砂比。
3.根据权利要求1所述的一种高性能盾构隧道同步注浆材料配合比的设计方法，其特征在于，所述注浆工程要求包括流动性、凝结速度、强度。
4.根据权利要求1所述的一种高性能盾构隧道同步注浆材料配合比的设计方法，其特征在于，在步骤(2)中，选择稠度、流动度、凝结时间、强度这几个浆液性能指标作为注浆控制因素，针对性地满足注浆工程环境下的流动性、抗分散、凝结速度、强度的要求，协调好流动性与凝结速度的浆材性能的矛盾性，将浆材性能要求值代入预测模型，反推浆材基准配合比。
技术总结
本发明公开了一种高性能盾构隧道同步注浆材料配合比的设计方法，属于注浆材料技术领域，该方法包括：步骤(1)，基于注浆材料正交试验，建立浆材性能与配合比参数的预测模型；步骤(2)，根据实际注浆工程需求的浆材性能经验范围值和预测模型，反推浆材的基准配合比；步骤(3)，在步骤(2)中的浆材中添加相应外加剂，得到达到预设浆材效果的浆液配合比；步骤(4)，利用步骤(3)中得到的浆材配合比进行现场注浆试验，根据注浆试验结果调整浆材配合比。该方法解决了注浆材料配合比设计中存在的盲目性，浆液性能不能与注浆工程要求相匹配的问题，适用于填充施工间隙的注浆工程，尤其是盾构隧道同步注浆工程。
技术研发人员：刘映晶;盛林皓;闵加正;施凤根;潘定科;吴锋;晁春峰;朱汉华
受保护的技术使用者：中天建设集团有限公司
技术研发日：2021.04.06
技术公布日：2021.06.11
声明：
“高性能盾构隧道同步注浆材料配合比的设计方法与流程” 该技术专利(论文)所有权利归属于技术(论文)所有人。仅供学习研究，如用于商业用途，请联系该技术所有人。
我是此专利(论文)的发明人(作者)
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编辑：中冶有色技术网
来源：中天建设集团有限公司
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2025年01月03日 ~ 05日 
