南京江底盾構施工廢棄砂土在同步注漿中再利用的適用性

劉慧剛 丁建文 吉鋒 高鵬舉 廖趙勝

摘要：依托南京長江新濟洲供水廊道項目泥水盾構工程，針對江底粉細砂地層和巖石地層中泥水盾構施工產生的廢棄砂土，研究其在盾構同步注漿材料中再利用的適用性。通過改變砂土地層棄砂的粒徑分布，研究其對砂漿性能的影響；針對巖石地層產生的廢棄砂土，研究其顆粒形狀對砂漿性能的影響，并對巖層棄砂制備同步砂漿進行配比優化。結果表明：該工程砂土層棄砂可直接代替原配比中的砂進行再利用，巖層棄砂通過調整配比亦能滿足工程要求；增大砂層棄砂細度模數和砂粒含量可改善砂漿的流動性，但砂土黏粒含量過大會使砂漿流動性變差、凝結時間縮短、強度降低；巖層棄砂顆粒表面越粗糙，所制備砂漿流動性越差，凝結時間越短。合適配比下，盾構施工廢棄砂土可應用于同步注漿，砂漿配比應隨廢棄砂土粒徑分布和顆粒形狀的變化做出適當調整。

關鍵詞：泥水盾構；廢棄砂土；巖層棄砂；同步注漿；資源化利用

中圖分類號：TU744???? 文獻標志碼：A???? 文章編號：2096-6717（2023）06-0134-09

Applicability of recycling of shield waste sand as synchronous grouting during shield construction under the Nanjing Yangtze River

LIU Huigang1， DING Jianwen1， JI Feng2， GAO Pengju1， LIAO Zhaosheng1

（1. School of Transportation， Southeast University， Nanjing 210096， P. R. China； 2. The Eastern Route of South-to-North Water Diversion Project Jiangsu Water Source Co.， Ltd.， Nanjing 210029， P. R. China）

Abstract： Based on the slurry shield engineering of Xinjizhou water supply corridor project in Nanjing Yangtze River， the applicability of reusing waste sand as shield synchronous grouting materials was studied， which was produced by slurry shield construction in silty fine sand layer and rock stratum. Through changing the particle size distribution of abandoned sand in sandy soil layer， its influence on the performance of mortar was examined; furthermore， the influence of the particle shape of rock stratum waste sand on the performance of mortar? was investigated， and the proportioning optimizing of synchronous mortar prepared from rock stratum waste sand was discussed. The results indicated that the sand layer waste sand can be used to replace the original sand directly， and the rock stratum waste sand can also satisfy the engineering requirements by adjusting the proportion; the fluidity of mortar improves with the increase of fineness modulus and sand content of sand layer waste sand， but excessive clay content results in decreased fluidity， shorter setting time and lower strength of mortar; the rougher the surface of rock stratum waste sand particles， the worse the fluidity and shorter the setting time. The waste sand of shield construction can be used for synchronous grouting under the appropriate proportioning， but the mortar proportioning should be adjusted appropriately with the change of particle size distribution and particle surface shape of waste sand.

Keywords： slurry shield； waste sand； rock stratum waste sand； synchronous grouting； recycling

近年來，隨著生態文明建設的有力推進，施工廢棄泥漿渣土無害化處理及資源化利用成為必然趨勢[1-6]。泥水盾構施工廢棄泥漿渣土是指盾構刀盤掘削地層產生的渣土與泥漿混合后輸送到地面的廢棄物，經泥水分離系統處理后分離成泥漿和廢棄渣土，其中部分泥漿進入泥漿循環系統再利用，多余泥漿則成為廢棄泥漿，而廢棄渣土又可根據掘進地層的不同分為廢棄黏土和廢棄砂土等。

目前，關于廢棄砂土在壁后注漿中的再利用已有不少研究。鐘小春等[7]提出將南京長江隧道施工排放的粉細砂用于壁后注漿中，并研究了各種渣土情況下漿液性質的變化。林文書等[8]、許可[9]研究了不同顆粒組成、不同塑性指數的盾構泥砂對同步注漿材料工作性能、力學性能及抗水分散性能的影響。Wang[10]以粉細砂地層的廢棄砂土作為盾構同步注漿的砂源，并探討了不同配比條件下的砂漿性能。陳喜坤等[11]、張亞洲等[12]探究了砂的細度模數對同步砂漿基本性能的影響，進而提出了棄砂再利用的方法。Zhou等[13]、李雪等[14]探究了廢棄砂土作為壁后注漿砂源的可行性，同時研究了優化砂漿性能的方法。Kato等[15]提出了一種將廢棄渣土與水泥混合后用作回填土的方法。Xu等[16]將盾構開挖出的黏質粉土作為壁后注漿中砂的替代物，提出了黏質粉土的再利用方案，并對砂漿進行了微觀分析。郝彤等[17]分析了地鐵盾構渣土摻量及水膠比對砂漿性能的影響，探討了盾構渣土制備同步注漿材料的可行性。史慶濤等[18]采用致密堆積設計思想，開展了篩分渣土、黃砂與膠結材的緊密堆積密度試驗研究。目前關于廢棄砂土在壁后注漿中的研究主要集中在可行性驗證、廢棄砂土對砂漿性能的影響、砂漿配比優化等方面，關于廢棄砂土自然變異性對砂漿性能影響的研究還不足。另外，目前大部分研究都是針對粉細砂地層產生的廢棄砂，缺少針對巖石地層所產生廢棄砂的相關研究。

筆者依托南京長江新濟洲過江供水廊道項目泥水盾構工程，針對該工程粉細砂地層產生的廢棄砂土，研究其在同步砂漿中再利用的適用性，同時，考慮粉細砂地層的自然變異性，研究廢棄砂土粒徑分布對砂漿性能的影響；針對該工程巖石地層產生的廢棄砂土，研究其顆粒形狀特性對砂漿性能的影響，并利用多元回歸分析和多目標規劃進行配比優化，得到滿足本工程施工要求的同步砂漿，驗證了巖層棄砂制備同步砂漿的可行性。

1 工程背景

1.1 工程概況

南京長江新濟洲過江供水廊道項目采用泥水盾構施工，隧道單線單洞總長1 945 m，盾構管片外徑6.2 m，埋深約10.77～51.53 m，江面至江底水深約33 m。隧道地質條件復雜，自江寧始發井到新濟洲接收井依次穿越444 m軟土地層、25 m軟硬不均地層、600 m閃長玢巖層、57 m軟硬不均地層、819 m砂土地層，如圖1所示。該工程盾構機穿越巖石地層和砂土地層時會產生大量的廢棄砂土，如將其運用于同步砂漿中，將產生巨大的經濟和環保效益。

1.2 漿液性能要求

盾構壁后注漿作為盾構隧道施工中一項關鍵技術，其主要目的在于及時填充盾尾空隙，控制由地層損失引起的地表沉降[19-21]，這就要求注漿漿液具有良好的輸送性能、充填性能和強度性能。結合工程特點并參考相關文獻[21-25]，初步確定工程施工所用同步砂漿的性能指標要求為：流動度為20～25 cm，稠度為10～13 cm，凝結時間為6～9 h，泌水率不大于5%，體積收縮率不大于5%，3、7、28 d抗壓強度分別不低于0.5、1.0、2.5 MPa。

2 試驗材料、試樣制備及測試方法

2.1 試驗材料

壁后同步砂漿采用單液硬性漿，其主要成分為水泥、粉煤灰、膨潤土、砂，為保證試驗所得結果適用于工程施工，試驗所用原材料均取自工程現場。

水泥為散裝P·O 42.5普通硅酸鹽水泥；粉煤灰為句容市東升公司生產的二級粉煤灰；膨潤土為江蘇潤通膨潤土科技有限公司生產的鈉基膨潤土。

工程現場使用的砂，簡稱現場河砂。現場河砂顆粒均小于4.75 mm，細度模數為0.30，砂粒含量為71.1%，粉粒含量為22.0%，黏粒含量為6.9%，不均勻系數為3.11，曲率系數為1.87，屬于均粒土，級配不良，顆粒分布曲線見圖2。

粉細砂地層產生的廢棄砂土，簡稱砂層棄砂。砂層棄砂顆粒均小于4.75 mm，細度模數為0.13，砂粒含量為65.4%，粉粒含量為32.6%，黏粒含量為2.1%。不均勻系數為2.01，曲率系數為0.97，屬于均粒土，級配不良，顆粒分布曲線見圖2。

巖石地層產生的廢棄砂土，簡稱巖層棄砂，為盾構在閃長玢巖中掘進時產生的渣土過4.75 mm篩后所得。細度模數為1.94，砂粒含量為84.1%，粉粒含量為12.8%，黏粒含量為3.1%。不均勻系數為15.33，曲率系數為1.76，屬不均粒土，級配良好，顆粒分布曲線見圖2。

2.2 試樣制備及測試方法

砂漿的制備流程：將膨潤土與水混合并攪拌均勻，制備出一定膨水比的泥漿；靜置24 h讓其充分膨化；在泥漿中加入水泥、粉煤灰和砂，充分攪拌后即得到試驗用砂漿。制備完成后，迅速進行砂漿的流動度和稠度測試，取部分砂漿分別測試泌水率與凝結時間，剩余砂漿用于制作無側限抗壓強度試塊，待養護后測試砂漿的強度及體積收縮率。各項性能指標測試方法如下。

1）稠度、凝結時間和無側限抗壓強度測試參考《建筑砂漿基本性能試驗方法標準》（JGJ/T 70—2009）。

2）流動度測試采用《水泥膠砂流動度測定方法》（GB/T 2419—2005）中的截錐圓模測試方法。

3）泌水率測試參考《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》（GB/T 50080—2016）。

4）體積收縮率通過測量28 d抗壓強度試樣的長、寬、高尺寸確定，試樣實際體積與試模標準容積的差值與標準容積的比值即為體積收縮率。

3 砂層棄砂再利用研究

依據本工程漿液性能要求，利用現場河砂，通過前期試配得到滿足要求的基礎配比為粉灰比1.5、膨水比0.067、水膠比0.9、膠砂比0.75，即試驗組S1。然后用砂層棄砂直接全部代替基礎配比中的現場河砂，分析砂層棄砂制備的砂漿性能是否滿足工程要求，在此基礎上，通過對砂層棄砂篩分得到不同粒徑分布的砂樣，研究廢棄砂土粒徑分布對砂漿性能的影響。各試驗組試驗結果見表1。

3.1 砂層棄砂適用性分析

表2給出了砂層棄砂和現場河砂所制備砂漿的性能測試結果。相比于現場河砂制備的砂漿，砂層棄砂制備的砂漿具有更好的流動性、更短的凝結時間和更高的強度，雖然泌水率和體積收縮率更大，但均在5%以下。因此，在工程中可以直接用粉細砂地層的廢棄砂土全部代替同步砂漿中的砂，制備出的砂漿能夠滿足工程要求。

3.2 細度模數對砂漿性能的影響

將砂層棄砂篩分得到細度模數分別為0.1、0.5、1.0的砂樣，并控制砂樣的砂粒含量和黏粒含量不變，砂樣顆粒分布曲線如圖3所示。

圖4給出了砂漿流動性、凝結時間、泌水率與細度模數之間的關系曲線，從圖中可以看出，在砂粒含量和黏粒含量相同的情況下，隨著細度模數的增大，砂漿的流動度、稠度和凝結時間均呈線性增大趨勢，而泌水率稍有降低。圖5為細度模數對砂漿無側限抗壓強度的影響，可以看到，砂漿的強度隨著細度模數的增大略有降低，但變化幅度較小。

定量來看，隨著細度模數從0.1增大到1.0，砂漿的流動度、稠度、凝結時間分別增加了12.7%、15.3%、16.1%，而泌水率、3 d強度、7 d強度、28 d強度則分別降低了31.2%、6.7%、4.6%、4.2%，其中流動性與凝結時間的增加幅度相差不大。

流動性和凝結時間的增加主要與砂漿中顆粒之間的接觸面積有關。隨著細度模數的增大，砂漿中的粗顆粒增多，等效于將原先砂漿中的部分細顆粒凝聚成粗顆粒，減小了顆粒之間的接觸面積，從而一方面降低了顆粒之間的摩擦力，使砂漿流動性增大，另一方面減少了砂漿中水泥水化反應的接觸面積，延長了砂漿的凝結時間。

綜上所述，細度模數主要影響砂漿的流動性、凝結時間和泌水率，對強度影響不大。在利用粉細砂地層產生的廢棄砂土時，如果砂土細度模數過小，可能會出現流動性不足的情況，而細度模數過大則可能出現凝結時間過長的問題。

3.3 砂粒含量對砂漿性能的影響

將砂層棄砂篩分得到砂粒含量分別為45%、65%、85%的砂樣，并控制砂樣的細度模數和粉黏比不變，砂樣顆粒分布曲線如圖6所示。

圖7為砂漿流動性、凝結時間、泌水率隨砂粒含量變化的關系曲線，從圖中可以看出，在細度模數和粉黏比相同的情況下，隨著砂粒含量的增大，砂漿的流動性、凝結時間和泌水率均呈增大趨勢。圖8給出了不同砂粒含量下的砂漿無側限抗壓強度，隨著砂粒含量的增大，砂漿的3、7、28 d強度均有所下降，但下降幅度較小。除泌水率外，各項性能的變化趨勢都與細度模數引起的變化趨勢相似。

隨著砂粒含量從45%增加到85%，砂漿的流動度、稠度、凝結時間和泌水率分別增加了19.1%、32.0%、47.4%、16.5%，而3、7、28 d強度分別降低了3.0%、8.4%、4.3%。其中，流動性的增加幅度比凝結時間小，這與細度模數對砂漿性能的影響有所不同，換言之，通過調整砂粒含量，可以使砂漿具有良好流動性的同時獲得更短的凝結時間。

3.4 黏粒含量對砂漿性能的影響

控制砂樣的細度模數和砂粒含量不變，通過摻入現場廢棄黏土中的粉黏粒得到黏粒含量分別為2%、10%、20%的砂樣，砂樣顆粒分布曲線如圖9所示。

圖10為砂漿流動性、凝結時間、泌水率隨黏粒含量變化的關系曲線，從圖中可以看出，在細度模數和砂粒含量相同的情況下，隨著廢棄砂土黏粒含量的增大，砂漿中被黏粒吸附的水分子增多，自由流動的水分子減少，使砂漿的流動度、稠度和泌水率顯著降低，當黏粒含量超過10%后，砂漿的流動性將不滿足要求。另外，隨著廢棄砂土的黏粒含量從2%增加到20%，砂漿的凝結時間從8.7 h縮短至3 h，而本工程中砂漿的凝結時間應控制在6～9 h之間，當廢棄砂土的黏粒含量大于10%時，砂漿的凝結時間將低于6 h，無法滿足工程要求。因此，當廢棄砂土黏粒含量較高時，砂漿的流動性將變差，凝結時間過短，需對配比進行調整。

圖11給出了不同黏粒含量下砂漿無側限抗壓強度，隨著黏粒含量的增大，砂漿的3、7 d強度稍有增大，而28 d強度呈下降趨勢。隨著黏粒含量從2%增加到20%，砂漿的3、7 d強度分別增大了4.6%和12.8%，而28 d強度則降低了21.1%。因此，在回收利用廢棄砂土時應注意監測廢棄砂土的黏粒含量，當黏粒含量過高時，砂漿的強度可能不滿足要求。

4 巖層棄砂再利用研究

4.1 巖層棄砂適用性分析

用巖層棄砂代替基礎配比中的現場河砂，測試得到砂漿性能如表3所示。由表3可知，巖層棄砂制備的砂漿在流動度、稠度、泌水率、體積收縮率等方面均優于基礎配比，3 d強度及7 d強度與基礎配比相差不大，28 d強度比基礎配比稍低，但滿足工程要求，而凝結時間遠遠短于基礎配比，只有4.5 h，無法滿足工程需求。對比巖層棄砂和現場河砂的粒徑分布情況可以發現，巖層棄砂的細度模數更大，砂粒含量更多，黏粒含量更低，因此，巖層棄砂制備的砂漿流動性更好，這與砂土粒徑分布對砂漿性能影響的研究結果一致，但凝結時間卻大幅縮短，這是因為受砂土顆粒形狀的影響，故對砂顆粒表面形狀對砂漿性能的影響進行探討。

4.2 顆粒形狀對砂漿性能的影響

考慮到巖層棄砂是由刀盤破巖而成，砂顆粒表面粗糙，與通常的河砂有所區別，因此，開展了砂土顆粒形狀對砂漿性能影響的研究。試驗方法如下：將磨圓度較好的河砂篩分后代替巖層棄砂中的砂粒部分，而粉粒和黏粒部分則繼續使用巖層棄砂，從而得到與巖層棄砂粒徑分布一致但顆粒形狀不同的砂樣，然后利用這兩種砂樣分別配制砂漿，比較不同砂漿的性能差異。

兩種砂樣的顆粒形狀分別如圖12、圖13所示，由圖可見，巖層棄砂各粒組顆粒表面粗糙，棱角分明，磨圓度較差，形狀不規則；而河砂表面光滑、富有光澤，顆粒形狀較為圓潤，質地均勻透明。

兩種砂樣所制備砂漿的性能如表4所示。從表4中可以看出，在砂土顆粒分布曲線完全一致的情況下，砂土的顆粒形狀也會對砂漿性能產生較大影響，與河砂制備的砂漿相比，巖層棄砂制備的砂漿流動度、稠度、凝結時間、泌水率和體積收縮率更小，強度則相差不大。這是由于砂顆粒表面粗糙，增大了砂漿中顆粒之間的接觸面積，使得摩擦力增大、自由流動的水分子減少，從而引起砂漿流動性和泌水率降低，接觸面積的增大同時也增大了水泥水化反應的面積，故凝結時間大大縮短。

4.3 配比優化

由于巖層棄砂顆粒表面粗糙，制備的砂漿凝結速度快，不滿足工程要求，需要通過調整配比來延長凝結時間，但砂漿凝結時間的延長往往伴隨著砂漿流動度和稠度的增大，又由于巖層棄砂細度模數較大，制備的砂漿流動度和稠度本身就很大，若凝結時間延長，砂漿流動度和稠度很可能超過工程要求，這就給砂漿配比調整造成了困難。因此，設計了以粉灰比、膨水比、水膠比和膠砂比為自變量的配比優化試驗，擬通過多元回歸分析和多目標規劃得到滿足本工程要求的配合比。各試驗組因素取值及試驗結果如表5所示。

4.3.1 多元回歸分析

根據表5 的試驗結果，利用SPSS 軟件進行多元回歸分析，回歸模型采用二次型多元回歸模型，得到粉灰比x1、膨水比x2、水膠比x3、膠砂比x4 與流動度FL、稠度FC、凝結時間FT、泌水率FB、體積收縮率FS、3 d 強度F3、7 d 強度F7、28 d 強度F28 之間的回歸方程為

FL = -26.042 - 78.749x2 + 53.181x3 +43.548x4 - 38.563x3 x4（1）

FC = -28.829 - 58.76x2 + 40.382x3 +33.165x4 - 25.83x3 x4（2）

FT = -8.012 - 1.255x1 - 16.162x2 +8.207x3 + 7.346x4 + 1.748x1 x3（3）

FB = -5.245 + 0.116x1 + 10.228x2 +2.209x3 + 5.554x4 - 22.005x2 x4（4）

FS = -1.737 - 12.262x2 + 10.002x3 -11.215x4 + 8.221x42 （5）

F3 = 9.594 - 0.66x1 - 13.156x3 -0.873x4 + 0.075x12 + 5.989x32 （6）

F7 = 18.044 - 1.849x1 - 25.758x3 -0.682x4 + 0.246x12 + 12.039x32 （7）

F28 = 30.948 - 3.415x1 - 43.861x3 +0.458x12 + 20.061x32 （8）

對上述模型進行擬合度評價及顯著性評價，評價結果如表6 所示。表中R 為相關系數；R2 為決定系數；Rˉ2 為校正決定系數。其中，決定系數R2 反映了擬合值與真值之間的差異程度，其值越接近于1，表示回歸方程的擬合程度越好。F 為顯著性檢驗值；P 值反映模型的顯著程度，當P<0. 05 時，表示回歸模型顯著，當P<0. 01 時，表示回歸模型非常顯著。

由表6 可知，各回歸方程的R2 均接近于1，說明各回歸方程的擬合值與真值之間差異較小，方程能夠較好地擬合性能與各因素之間的關系，而各回歸方程的P 值均小于0. 05，說明模型具有較高的可信度。

4.3.2 多目標規劃與試驗驗證

以各項性能的回歸方程為目標函數，將性能要求上下限設為約束條件，采用Design-Expert.8.05b 軟件的Optimization模塊進行多目標規劃求解，即可獲得多組滿足要求的配比。擇優得到巖層棄砂制備砂漿的優化配比為：粉灰比1.5，膨水比0.15，水膠比1.15，膠砂比0.9。將該配比代入回歸方程中，得到優化配比各項性能的預測值如表7所示。由表7可以看出，各項性能均滿足要求。

根據優化配比配制砂漿，并對砂漿性能進行驗證性測試，得到砂漿各項性能實測值如表7所示。由表7可見，經過配比優化后砂漿各項性能均處于要求范圍內，說明經過配比調整后，巖層棄砂制備的同步注漿漿液能夠滿足本工程要求，驗證了利用巖層棄砂制備同步砂漿的可行性。

5 結論

開展了盾構施工砂土層棄砂和巖層棄砂在同步注漿材料中的再利用研究，得到以下主要結論：

1）粉細砂地層所產生的廢棄砂可直接代替原配比中的砂，制備出的砂漿能夠滿足本工程漿液性能要求。

2）砂層棄砂的粒徑分布對砂漿性能影響較大。增大細度模數和砂粒含量可提高砂漿的流動度和稠度，延長砂漿的凝結時間，對砂漿強度的影響則不大；增大黏粒含量可縮短砂漿凝結時間和減小泌水率，但會降低砂漿的流動性和強度。

3）巖石地層所產生的廢棄砂土無法直接應用于本工程的同步注漿，但經過配比的優化調整，巖層棄砂也能制備出滿足性能要求的砂漿，表明巖層棄砂與砂層棄砂一樣具有再利用的價值。

4）巖層棄砂的顆粒形狀主要對砂漿的流動性和凝結時間有較大影響，對砂漿強度影響不大。巖層棄砂顆粒表面相對較粗糙，制備出的砂漿流動性更差，凝結時間更短。

5）不同粒徑分布和顆粒形狀的砂制備得到的砂漿性能差異較大，因此，在對廢棄砂土進行再生利用時，應隨地層的變化及時檢測廢棄砂土的粒徑分布和顆粒形狀，同時對砂漿的配比進行相應調整或者摻入河砂對廢棄砂土的級配進行改良。

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