在海水侵蚀和高水压共同作用下，盾构回填浆体微观结构退化的表征及其水力和力学性能的预测

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Characterization of microstructural degradation and prediction of hydraulic and mechanical properties for shield backfill grouts under coupled seawater erosion and high-water pressure

本研究针对沿海及海底盾构隧道中水泥基材料在高压与海水离子耦合侵蚀下的性能退化问题，开发了PTL-MHSA-Bi-LSTM迁移学习模型。通过加速侵蚀实验分析Cl?、SO?2?、Mg2?及海水环境下材料的抗压强度与渗透系数变化规律，揭示了离子侵蚀导致的颗粒分散、孔隙连通性变化及新相形成机制，并证实高压显著加剧性能退化。模型通过迁移学习从单离子数据预训练，结合海水数据微调，预测精度达R2=0.89，并利用注意力机制可视化各离子贡献，为工程寿命预测提供新方法。

　　

作者：宋慕远、杨明辉、张文聪、尹成双、卢能远、刘卓扬

单位：厦门大学建筑与土木工程学院，中国厦门361005

摘要

灌浆技术在防止沿海和海底盾构隧道海水入侵中起着关键作用，这些隧道极易受到严重侵蚀和高压水力的影响。灌浆材料的耐久性直接关系到隧道的使用寿命。基于我们开发的灌浆材料，本文阐明了其在高水压力和加速离子侵蚀作用下的强度和防水性能的劣化行为及其背后的机制。研究结果表明，离子侵蚀会降低灌浆材料的强度和防水性能，这一过程由颗粒分散、孔隙连通性以及新相的形成驱动，并伴随着凝胶结构的破坏。此外，在高压条件下，这些劣化效应会更加显著。在分别持续26.5年、1.90年、0.96年和0.96年的Cl^-、SO₄^2-、Mg²⁺和海水侵蚀作用下，灌浆材料在71.2 psi水压力下的抗压强度分别降至2.45 MPa、2.18 MPa、0.71 MPa和2.16 MPa，相比无压力条件分别降低了23.2%、19.8%、41.3%和29.9%。同时，相应的渗透系数分别降至3.62 m?s^-1、6.19 m?s^-1、8.29 m?s^-1和9.70 m?s^-1（×10^-9），降低了3.71倍、1.33倍、1.31倍和17.38倍。此外，我们建立了一个新的深度学习模型来预测灌浆材料的长期性能。通过从单离子数据集中转移知识并使用有限的海水数据集微调参数，该模型在未预见的海水测试数据上取得了良好的效果，强度和渗透率的平均相对误差分别为0.104和0.155，接近于在相同测试数据上直接进行海水训练得到的结果（0.091和0.118）。重要的是，所提出的方法通过可视化各个离子的贡献程度，提高了模型的可解释性。

引言

回填灌浆层是盾构隧道施工中的重要“生命线”，主要填充围岩与衬砌段之间的空隙[1]，[2]。它还充当了防止潜在水灾的第一道防水屏障。大量研究[2]、[3]、[4]表明，合适的灌浆材料可以显著增强隧道对水文地质挑战的抵抗力，从而确保施工和运行的安全性。尽管灌浆后形成了灌浆-土壤复合材料，但仍有必要研究固化灌浆材料在复杂条件下的内在性能[2]、[5]，以提供针对不同地质环境的指导，并延长隧道结构的使用寿命。

实际上，用于沿海和海底盾构隧道中的回填固化灌浆材料长期暴露在恶劣的海水环境中，面临强烈的海水离子[6]、[7]、高水压力[8]、[9]以及动态水条件[10]（如图1所示）。这些因素共同导致灌浆材料的强度和防水性能下降，缩短了盾构隧道的使用寿命。大量研究表明，海水离子对灌浆材料的耐久性有不利影响。例如，Yu等人[11]和Li等人[7]报告称，硫酸盐和镁盐显著降低了水泥灌浆的抗压强度（UCS）。当水泥-硅酸钠灌浆材料[11]暴露在3 wt%的硫酸钠溶液中时，表现出严重的强度损失和干燥收缩。暴露于镁离子[7]会导致水泥灌浆中的水化产物脱落，从而降低其强度和防水性能。有趣的是，Li等人[12]报告称，由聚氨酯/水玻璃组成的化学灌浆材料在海水侵蚀下也表现出较高的抗压强度，最低值达到37.7 MPa。一些研究还探讨了灌浆材料在海水环境中的长期行为。Andre等人[13]发现，由磨碎的矿渣和高炉渣组成的双组分灌浆材料在90天时的抗压强度为2.1 MPa，而在硫酸盐侵蚀作用下180天和365天时分别降至1.8 MPa和1.1 MPa。Cheng等人[14]研究了纳米二氧化硅-砂混合物在海水浸泡365天后的长期强度，最大抗压强度为253 kPa。关于动态水条件，Jin等人[15]使用箱型模型首次阐明了灌浆材料在潮汐效应下的喀斯特裂缝中的扩散行为。Du等人[16]、[17]通过实验和现场调查研究了水泥灌浆在复杂水流和裂缝几何形状下的密封效果，揭示了其在动态水环境中的扩散特性。Wang等人[10]进一步研究了单离子和海水对水泥灌浆材料性能的影响，发现含有不同侵蚀离子的动态水环境会降低其抗压强度并增加渗透性。Wang等人[10]和Li等人[7]认为，增加灌浆压力和降低水灰比可以提高灌浆材料的水力-机械性能。目前大多数研究主要集中在离子侵蚀引起的灌浆材料性能劣化上，一些研究还表明，高水压力会削弱海底和沿海隧道中灌浆-土壤复合材料的强度和防水性能[9]、[10]。鉴于这一主题的重要性，本研究基于我们之前开发的海水混合灌浆材料[3]，借鉴了固体废物复合材料和海砂混凝土[1]、[3]、[18]、[19]、[20]的概念，系统地阐明了灌浆材料在高水压力和代表性海水离子（Cl^-、SO₄^2-、Mg²⁺）作用下的长期行为[10]、[11]、[21]。

对于实际应用而言，从盾构隧道结构中获取受侵蚀的灌浆样本几乎是不可能的，而且超出实验时间范围后也难以研究其长期性能。因此，机器学习（ML）和深度学习（DL）作为先进技术，越来越多地被用于预测建筑材料（如混凝土、土聚合物和水泥砂浆[22]、[23]、[24]、[25]）的性能。此外，大量研究表明，在真实环境中，多种离子共存并表现出高度耦合和竞争性的相互作用[26]、[27]。这些复杂的相互作用以及灌浆材料的长期演变使得室内实验变得具有挑战性、成本高昂且劳动密集[26]。一方面，虽然进行海水和单离子实验需要相当的努力，但阐明各个离子的响应机制至关重要；另一方面，虽然海水响应数据可以直接用于模型训练和测试，但它无法揭示各个离子的贡献。实际上，探索关键离子的独立响应对于支持在具有明显离子差异的海水条件下的模型泛化至关重要。目前的工作仍面临两个主要挑战：

• 先前研究很少通过预测建模来研究灌浆材料的长期行为，因为成本高昂且实验时间有限。
• 由于海水响应中固有的耦合效应，无法明确各个离子在海水中的主要贡献和动态效应。

为了克服这些挑战，时间序列模型（TL）提供了一个有效的框架，用于捕捉序列数据中的时空相关性并突出关键特征，从而实现长期性能预测。基于我们之前提出的MHSA-Bi-LSTM模型[28]、[29]，本研究结合了概率传递学习（PTL）技术，以在多种离子环境和海水中实现准确预测。值得注意的是，TL已在数据有限但领域间相关性强的各种领域得到广泛应用。在工程建设中，Zhou等人[30]指出，与传统的机器学习模型相比，TL在预测盾构隧道引起的地表沉降方面表现出最低的相对误差。同样，Jiang等人[31]和Zhang等人[32]报告称，TL在估计盾构姿态方面也表现出优异的性能和低误差。在材料设计方面，Nguyen等人[33]通过从传统混凝土中转移知识，将UHPC的抗压强度预测精度从0.86提高到0.93。Feng等人[34]开发了一个TL框架，用于预测低温条件下低水/ binder比例水泥基灌浆材料的性能，预测精度达到0.90以上。Ji等人[35]将TL应用于实验室条件下开发的侵蚀模型，以预测自然条件下的钢筋砂浆侵蚀率，预测精度达到0.815。因此，TL为从单离子侵蚀转移到海水环境预测灌浆材料的强度和渗透性提供了有前景的方法。此外，注意力机制[28]、[36]、[37]可以可视化每个离子对灌浆性能的贡献，这有助于构建单离子侵蚀与海水侵蚀之间的映射关系，提高模型的透明度和可解释性。最终，本研究建立了PTL-MHSA-Bi-LSTM模型。

基于上述讨论，探索压力-侵蚀条件下灌浆材料的劣化机制并预测其长期性能对于实际应用非常重要。第2节概述了工程背景、实验程序和测试技术；第3节介绍了方案和方法；第4节分析了灌浆材料抗压强度和渗透系数的变化，并使用表征方法阐明了背后的机制；第5节讨论了工程意义和未来方向，并总结了本研究的主要发现。

工程概述

鉴于海水中离子组成的区域差异，本研究收集并检测了来自中国厦门市思明区的沿海海水，具体信息见表1。主要的侵蚀性离子包括硫酸盐（SO₄^2-）、镁（Mg²⁺）和氯离子（Cl^-）。值得注意的是，测得的各个离子浓度接近ASTM D1141–98（2021）标准规定的浓度，见表2。因此，ASW可以模拟实际海水的侵蚀特性。

原材料

原材料的化学成分和物理性质列在表3和表4中。原材料的矿物组成和粒径分布如图2所示。XRF分析表明，LZTs中的玻璃成分（石英（SiO₂）和氧化钙（CaO）含量达到80%。FA的主要成分是SiO₂、氧化铝（Al₂O₃）和CaO；SR含有74.8%的CaO和8.05%的NaCl。SR和FA的塑性指数分别为60.11和88.15；LZTs的塑性指数较高。

压力对渗透系数的影响

图7显示，随着水压的升高，k值增加。Li等人[12]和Zhou等人[9]指出，高压会降低灌浆-土壤复合材料的防水性能。此外，加速侵蚀时间（da）对应于更长的侵蚀年限（ye），会提高k值。在预饱和阶段，由于灌浆中存在孔隙和残余空气，样品的初始k值较高；随后k值逐渐降低。

压力-侵蚀机制

如图19所示，灌浆材料的水力和机械性能的劣化受到水压力和海水侵蚀的耦合影响，主要体现在三个方面：

1. 机械破碎和结构退化：侵蚀导致颗粒尺寸从大颗粒转变为细颗粒，降低了硬化灌浆材料的完整性和密实度。尽管一些脱落的颗粒可以部分密封有效的孔隙空间和渗流通道，但仍然会影响整体性能。

CRediT作者贡献声明

作者贡献： 刘卓扬：撰写、审稿与编辑、可视化、监督、软件开发、实验研究。 卢能远：可视化、方法论研究、概念化。 宋慕远：撰写、审稿与编辑、初稿撰写、可视化、验证、软件开发、方法论研究、调查分析、概念化。 杨明辉：初稿撰写、验证、监督、方法论研究、资金获取、概念化。 尹成双：撰写、审稿

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了河南省重点研发项目的支持[项目编号：241111241000]。作者衷心感谢湖南大学土木工程学院的康欣教授在实验设备方面提供的宝贵技术指导和慷慨支持。