盾構棄渣在巖溶充填注漿材料中的資源化利用

徐 濤, 楊 磊, 郭松濤, 趙喜斌, 陽軍生, 張 聰

(1. 廣西南寧機場綜合交通樞紐建設有限公司, 廣西 南寧 530048; 2. 中南大學, 湖南 長沙 410075)

0 引言

隨著我國盾構隧道工程的蓬勃發展,盾構棄渣的產量日益陡增。受限于城市施工場地的有限性,棄渣往往需要外排處理。但大量的棄渣運輸和處理費用較高,且運輸與處理過程極易對周邊生態環境造成不利影響。因此,如何對盾構隧道施工過程中產生的棄渣進行就地資源化利用已成為工程人員重點關注且亟待解決的難題。

目前,國內外研究人員圍繞盾構棄渣再利用已開展了大量研究,其再利用領域主要包括建筑材料[1]、路基填料[2]、植被復墾土[3]以及同步注漿材料[4]等方面。在建筑材料方面:Voit等[5]以Brenner Base隧道為背景,研究了盾構渣土作為混凝土骨料的再利用問題,發現鈣質片巖渣土可直接應用于混凝土骨料生產;王海良等[6]、劉春等[7]采用磨細后的盾構渣土制備C30以及C50混凝土,探究了渣土摻量對混凝土工作性能和力學性能的影響;Bellopede等[8-9]在“REMUCK”項目中開展了盾構渣土制備再生骨料的實踐研究工作,并且提出集中處理后渣土的各項性能比現場處理更符合混凝土再生骨料標準;謝發之等[10]以盾構渣土、稻草秸稈與氧化鎂為原材料,研發出一種水體除磷效果優良的新型盾構渣土基碳復合陶粒。在路基填料方面: Saing等[11]研究了石灰改良后的盾構渣土性能,研究結果表明以渣土為原料用作路基填料具有可行性;Tauer等[12]結合具體案例,對隧道施工產生的泥漿類渣土進行了固化改性,發現渣土經過固化改性后,滿足路基填筑的基本要求;Riviera等[13]對阿爾卑斯山區的典型粗顆粒盾構渣土進行了研究,研究結果表明可以將其用于道路面層、基層與功能層的填筑。在植被復墾土方面: 陳蕊等[14]對盾構渣土中各元素進行了分析,結果表明盾構渣土中的有機質含量較高,符合植物生長的要求;鄧川等[15]利用渣土配制噴播基質應用于坡面綠化,研究了不同坡面性質、不同黏結劑及保水劑用量對基質保水性及抗剪強度的影響;楊海君等[16]分析了香樟樹枝堆肥產物與盾構渣土共堆肥的效果,提出了香樟樹枝堆肥產物與盾構渣土共堆肥可有效促進盾構渣土中污染物AES的降解,具備將其作為植被復墾土的可行性;謝亦朋等[17]對礦物摻合料改良泥水平衡盾構渣土作為植被復墾基質的再利用可行性開展試驗研究,結果表明盾構渣土更適用于改良作為植被復墾基質。在同步注漿材料方面: Zhang等[18]依托鄭州地鐵EPB盾構隧道工程,提出了EPB盾構棄土作為同步注漿原料的方案,并研究了其對同步注漿材料的性能影響;李雪等[19]采用泥水盾構渣土作為同步注漿的砂源,研究了其對同步注漿漿液性能的影響;戴勇等[20]依托杭州望江路過江大直徑泥水盾構隧道工程,提出了盾構棄渣取代同步注漿原材料再利用方案。

綜上可知,盡管上述研究為盾構棄渣的再利用提出了眾多途徑,但由于盾構施工產生的渣土量非常大,如何高效消納盾構棄渣仍是工程中迫切關注的難題。與此同時,隨著地鐵交通網絡的建設,盾構穿越溶洞、土洞等不良地質條件的工況愈發普遍,而尋求一種原材料易于獲得、價格低廉、配制簡便的綠色充填注漿材料也一直困擾著工程人員。為此,若就地對盾構棄渣進行改良,制備成一種性能可滿足盾構隧道巖溶充填注漿要求的漿材,不僅可在一定程度上就地消納盾構棄渣,也可很大程度上解決充填注漿材料來源的難題,具有廣泛的應用價值和現實意義。

本文依托南寧國際空港綜合交通樞紐城市軌道交通機場線引入機場盾構隧道工程,首先,對盾構棄渣進行物理性能分析,探究盾構棄渣在巖溶充填注漿材料中再利用的可行性;其次,通過正交試驗研究各因素對漿液性能指標的影響規律,再基于多目標-理想點法提出漿液最優配合比;最后,依托于南寧國際空港綜合交通樞紐盾構隧道工程開展現場應用。

1 工程概況

圖1 左線地質剖面圖

圖2 右線地質剖面圖

溶洞的存在極易導致盾構掘進時發生工程事故,需在盾構掘進前對溶洞進行地表預注漿加固。由于巖溶發育區所探測出的溶洞數量眾多,充填加固時漿液消耗量大、造價高,采用一種經濟有效的注漿加固材料是本工程的難題。通過大量調研,擬提出對盾構渣土進行改性,研發一種基于盾構棄渣的巖溶充填注漿材料,不僅會顯著降低注漿原材料的購置成本,還能減少盾構棄渣的處治和運輸費用,減少城市污染。

2 盾構棄渣充填注漿材料基本性能試驗

為確保盾構在巖溶發育區的高效掘進,巖溶充填注漿材料需符合以下要求: 稠度與流動度適中,可泵性好;析水率低、保水性強;凝結時間較快,且凝結時間可控;漿結石體的體積收縮率小;結石體有一定的抗壓強度,具有良好的抗滲性和良好的耐沖刷性能;綠色環保、價格低廉。考慮盾構渣土存在強度低、可泵性差、凝結時間長等缺點,需對其進行改良。此外,通過文獻與現場調研,本文最終選擇盾構渣土、水泥、速凝劑以及膨脹劑為試驗原材料。

2.1 試驗原材料

2.1.1 盾構棄渣

對現場堆積棄渣進行取樣,棄渣為黃褐色泥質粉砂巖,無特殊氣味,含水率較大,以細小顆粒為主。盾構棄渣性能如表1所示。棄渣中尚存有較大的破碎巖塊,需進行篩分預處理。盾構棄渣如圖3所示。

表1 盾構棄渣性能指標

圖3 盾構棄渣

盾構棄渣的基本物理特性及微觀組成能在很大程度上反映其工程特性。為研究盾構掘進棄渣作為巖溶發育區地表預注漿充填漿材原材料的可行性,需對現場取樣的盾構棄渣進行詳細的物性分析及礦物成分分析。測試結果如表1、圖4和圖5所示。

圖4 盾構棄渣粒徑級配

橫坐標為角度,是2倍角,是衍射譜儀掃描的角度;縱坐標為接收器檢測到的計數單位。

由表1和圖5可知: 1)盾構棄渣樣品X射線衍射峰對應的礦物成分分別為石英、云母和方解石,表明盾構右線該掘進段的粉砂質泥巖棄渣主要由石英、云母和方解石等礦物成分構成,且水解后的水化云母具有黏土礦物的性質; 2)盾構棄渣塑性指數為23.1,且堿性較低,滿足相關規范對水泥基黏土注漿材料土樣塑性指數大于12的要求。因此,盾構棄渣具備作為材料組分制備水泥基黏土漿液的可行性。

2.1.2 水泥

水泥主要起到固化與增強的作用。本次試驗用水泥為P·O 42.5級普通硅酸鹽水泥,水泥細度為通過80 μm方孔篩的篩余量不大于5%,性能滿足GB l75—2007《通用硅酸鹽水泥》的有關要求。

2.1.3 添加劑

本文中研制的巖溶注漿材料所涉及的添加劑包括速凝劑和膨脹劑2種。其中,速凝劑主要起到調節凝結時間的作用,膨脹劑的主要作用是確保漿液固化后不收縮。

2.2 試驗方案設計

選取水灰質量比、盾構棄渣摻量、速凝劑摻量、膨脹劑摻量為影響因素,各影響因素選取4個水平值,構建L16(44)的正交試驗設計。各影響因素及水平值如表2所示。正交試驗設計如表3所示。

表2 各影響因素及水平值

表3 正交試驗設計

2.3 試驗測試方法

巖溶注漿材料的性能方法參考標準及相關文獻中測試方法進行測定。注漿材料性能測試方法如表4所示。

表4 注漿材料性能測試方法

2.4 試驗結果分析

2.4.1 相對體積質量

通過對不同配合比下漿液的相對體積質量進行正交設計結果分析,得到如圖6所示的直觀分析圖,測試結果極差分析如表5所示。

表5 漿液相對體積質量極差分析

由圖6可知: 漿液的相對體積質量隨著不同的試驗配比呈現較大的變化,表明水灰質量比、盾構棄渣摻量、速凝劑摻量和膨脹劑摻量均對漿液相對體積質量有一定程度的影響,且受水灰質量比影響最為顯著。由表5的極差分析計算可知: 1)水灰質量比、盾構棄渣摻量、速凝劑摻量和膨脹劑摻量的極差分別為0.37、0.02、0.03、0.08; 2)各影響因素對漿液相對體積質量影響的主次順序為水灰質量比>膨脹劑摻量>速凝劑摻量>盾構棄渣摻量。

2.4.2 流動度

通過對不同配合比下漿液流動度進行正交設計結果分析,得到如圖7所示的影響漿液流動度的直觀分析圖,測試結果極差分析如表6所示。

由圖7可知: 1)漿液流動度隨著水灰質量比的增大而增大,原因在于水灰質量比增大,水的相對含量增加,漿液流動度增大; 2)漿液流動度隨著盾構棄渣摻量的增加而逐漸減小,主要原因為盾構棄渣含有較多的固體顆粒,增大了漿液間整體摩擦力,從而降低了流動度; 3)漿液流動度隨著速凝劑摻量的增大而逐漸減小,主要是因為速凝劑一定程度上加速了漿液的凝結,從而降低了漿液的流動性能; 4)漿液流動度隨著膨脹劑摻量的增大而逐漸增大,原因在于膨脹劑的添加會降低水化反應所需的需水量。通過對比表6的極差分析結果可知,各影響因素對漿液流動度影響的主次順序為水灰質量比>速凝劑摻量>膨脹劑摻量>盾構棄渣摻量。

圖7 各影響因素對漿液流動度的影響規律

表6 漿液流動度極差分析

考慮到在注漿過程中,漿液初始流動度不宜太大也不宜太小,應該控制為180～260 mm。在現場實際情況下,為確保巖溶發育區注漿充填加固達到施工安全要求,應在滿足漿液強度和泵送性的前提下選取較小的流動度。實際工程中配漿時應選擇較大的水灰質量比、較大的棄渣摻量、較小的速凝劑摻量及較小的膨脹劑摻量。

2.4.3 析水率

通過對不同配合比下漿液析水率進行正交設計結果分析,得到如圖8所示的影響漿液析水率的直觀分析圖,測試結果極差分析如表7所示。

圖8 各影響因素對漿液析水率的影響規律

表7 漿液析水率極差分析

由圖8可知: 1)漿液析水率隨著水灰質量比的增大而逐漸增大,原因在于水灰質量比增大,水含量相對增加,水化反應時間增加,導致水泥漿液析水效果增加; 2)漿液析水率隨著盾構棄渣摻量的增加而逐漸增大; 3)漿液析水率隨著速凝劑摻量的增大而逐漸減小,主要是因為速凝劑能有效促進水泥的水化反應,使漿液中可自由析出的水量減少,故析水率降低。通過對比表7的極差分析結果可知,各影響因素對漿液析水率影響的主次順序為水灰質量比>盾構棄渣摻量>速凝劑摻量>膨脹劑摻量。

當漿液的析水率越低,漿液在被注介質中推進擴散過程中更加均勻,其穩定性隨之增強,結合充填料的性能指標要求,實際工程中配漿時應根據實際要求控制漿液的析水率,即在滿足漿液流動度要求的前提下,選擇較小的水灰質量比、較小的盾構棄渣摻量以及較大的速凝劑摻量,以保證漿液析水率較低,使漿液被注漿后在地層中穩定性較強。

2.4.4 膠凝時間

通過對不同配合比下漿液膠凝時間進行正交設計結果分析,得到如圖9所示的影響漿液膠凝時間的直觀分析圖,測試結果極差分析如表8所示。

圖9 各影響因素對漿液膠凝時間的影響規律

表8 漿液膠凝時間極差分析

由圖9可知: 1)漿液膠凝時間隨著水灰質量比的增大而逐漸增長,水灰質量比越大,水泥凝結時需要填充的結構孔隙越多,將造成膠凝時間的增長; 2)漿液膠凝時間隨著盾構棄渣摻量的增大而逐漸增長; 3)漿液膠凝時間隨著速凝劑摻量的增大而逐漸縮短,主要是因為速凝劑為工程現場較為常用的一種漿液促凝化合物,能釋放出大量的強堿性氫氧化物,促進水泥的水化。通過對比表8的極差分析結果可知,各影響因素對漿液膠凝時間影響的主次順序為速凝劑摻量>水灰質量比>盾構棄渣摻量>膨脹劑摻量。

在注漿工程中,為保證漿液灌注效果良好,一般要求漿液初凝時間在大于45 min的控制標準下盡可能小,結合充填料的性能指標要求可以發現,實際工程中配漿時應根據實際要求控制漿液的初凝時間,即在滿足流動度及泵送性的前提下,選擇較大的水灰質量比、較小的速凝劑摻量,以保證漿液良好的泵送性。

2.4.5 結石體收縮率

通過對不同配合比下漿液結石體28 d體積收縮率進行正交設計結果分析,得到如圖10所示的影響漿液結石體28 d體積收縮率的直觀分析圖,測試結果極差分析如表9所示。

圖10 各影響因素對漿液收縮率的影響規律

表9 漿液收縮率極差分析

由圖10可知: 1)漿液結石體收縮率隨著水灰質量比的增大而逐漸減小,原因在于水灰質量比增大導致水化反應時間增加,結石體收縮效應明顯增加; 2)漿液結石體收縮率隨著盾構棄渣摻量的增加而逐漸減小,主要原因為盾構棄渣具有一定的吸水性,降低了漿液中的水,從而降低水泥漿液凝固后的收縮; 3)漿液結石體收縮率隨著速凝劑摻量的增大而逐漸增大,主要是因為速凝劑加快了水化反應,造成結石體孔隙增大,導致收縮率增加。通過對比表9的極差分析結果可知,各影響因素對漿液結石體收縮率影響的主次順序為盾構棄渣摻量>水灰質量比>速凝劑摻量>膨脹劑摻量。

在注漿過程中,漿液的結石體收縮率越小則注漿時的耗漿量越小,溶洞充填能力越強,結合充填料的性能指標要求,實際工程中配漿時應根據實際要求控制漿液的結石體收縮率,即在滿足流動度及泵送性的前提下,選擇較大的膨脹劑摻量、速凝劑摻量和盾構棄渣摻量。

2.4.6 漿液結石體抗壓強度

通過對不同配合比下漿液結石體7 d和28 d抗壓強度進行正交設計結果分析,得到如圖11所示的影響抗壓強度的直觀分析圖,測試結果極差分析如表10和表11所示。

圖11 各影響因素對漿液結石體抗壓強度的影響規律

表10 漿液結石體7 d抗壓強度分析

表11 漿液結石體28 d抗壓強度分析

由圖11可知: 1)漿液結石體抗壓強度隨著水灰質量比的增大而減小,原因在于水灰質量比增大則水泥含量相對減少,導致結石體抗壓強度降低; 2)漿液結石體抗壓強度隨著盾構棄渣摻量的增加而逐漸減小; 3)漿液結石體抗壓強度隨著速凝劑摻量的增大而逐漸減小,主要是因為速凝劑水化產物擴散不及時、包裹未水化水泥顆粒以及水分的蒸發阻礙水化反應持續進行,造成孔隙率增大,使結石體抗壓強度降低; 4)膨脹劑摻量對于結石體抗壓強度影響相對較小,其增加一定程度會使抗壓強度減小。通過對比表10和表11的極差分析結果可知,各影響因素對漿液析水率影響的主次順序為水灰質量比>速凝劑摻量>盾構棄渣摻量>膨脹劑摻量。

在注漿充填過程中,結石體應盡早達到一定的強度以保證盾構掘進掌子面穩定,結合充填料的性能指標要求,實際工程中配漿時應根據實際要求控制結石體抗壓強度,即在滿足流動度與泵送性的前提下,選擇較小的水灰質量比、較小的盾構棄渣摻量、較小的速凝劑摻量及較小的膨脹劑摻量,使結石體抗壓強度取到控制區間內的較大值,以保障盾構穿越巖溶發育區的安全掘進。

3 多目標-理想點法的注漿材料配合比優選

3.1 注漿材料性能要求

通過查閱相關規范規程,并且參考相關研究成果后,提出盾構穿越巖溶區域的注漿材料需滿足的性能指標如下:

1)漿液流動性及析水率。初始流動度應控制為180～260 mm,析水率不高于5%,滿足泵送施工要求。

2)凝結時間。凝結時間可以反映巖溶注漿效果,設定膠凝時間為30～120 min。

3)注漿加固體抗壓強度。需要確保注漿填充溶洞后加固體強度與周圍地層相匹配。

4)結石體收縮率。漿液填充效果是比較關鍵的性能,如果結石體收縮過大,則溶洞充填效果不佳,對后續盾構施工造成安全隱患。因此,要求結石率不低于95%。

3.2 最優配合比優選設計

為了獲取最佳的巖溶注漿材料配合比,使其滿足盾構高效掘進需求,提出基于多目標-理想點的注漿材料配合比優選方法。

3.2.1 確定系統優化的目標函數

采用SPSS軟件構建各影響因素與漿液性能參數之間的回歸方程,確定系統優化的目標函數,結果如表12所示。

表12 回歸方程系數及方程擬合度

3.2.2 建立系統優化的約束條件及理想點數據

通過查閱規范要求以及結合實際的測試情況,確定該注漿材料在實際施工中的最優性能如表13所示,理想點數據如表14所示。

表13 漿液性能指標

表14 理想點漿液配合比

4 工程應用及效益分析

4.1 工程應用

工程現場注漿所采用的盾構棄渣與室內試驗取樣棄渣在工程特性上具有高度一致性,均為可塑性較強的粉砂質泥巖。漿液制備及施工流程如圖12所示。現場注漿施工示意如圖13所示。由于在最優配合比下的漿液性能均滿足要求,同時考慮到現場制備漿液時稱重設備精度不足,為便于漿液制備,采用漿液配合比為水灰質量比∶盾構棄渣摻量∶速凝劑摻量∶膨脹劑摻量=1.4∶36%∶0.5%∶0.3%進行了巖溶充填加固處理。工程應用效果表明,盾構在后續掘進時各項掘進參數變化相對平穩,且地表沉降及管片累計沉降量均在安全可控范圍內,達到了預期效果。

圖12 漿液制備及施工流程圖

(a) 泥漿制作

(b) 篩分處理

(c) 加入外加劑

(d) 注漿封孔

南寧機場線隧道工程盾構段在穿越巖溶發育區時采用水泥-盾構棄渣注漿材料對巖溶進行了處理,盾構平均日掘進8～10環,安全高效地穿越了巖溶發育區,項目提前3個月完成主體工程施工。

4.2 效益分析

以上研究表明,利用南寧國際空港綜合交通樞紐城市軌道交通機場線引入機場隧道工程盾構棄渣作為原材料制備的巖溶充填注漿材料是可行的。若將其應用于實際工程,可產生可觀的經濟效益與環境效益。

4.2.1 經濟效益

若按目前市場價格購置各類原材料,并采用最優配合比來配置水泥-盾構棄渣巖溶充填注漿材料,漿液成本約193.4元/m3,相比于采用現場漿液設計配比(原材料成本約187.56元/m3),水泥-盾構棄渣巖溶充填注漿材料的購置成本更低。此外,考慮到2種注漿材料之間的性能差異,現場水泥漿液的結石體收縮率較大,若使用現場水泥漿液完全密實填充溶洞,注漿量約為水泥-盾構棄渣巖溶注漿材料的1.5倍。計算得出利用盾構棄渣的巖溶充填注漿材料相對現場巖溶注漿材料可節省原材料成本約58.63元/m3,降低注漿原材料單價成本約31.26%。

4.2.2 社會效益及環境效益

1)節約了大量的工程場地資源,緩解了棄渣場的堆渣壓力; 2)避免了棄渣外運對城市環境造成污染; 3)減少了棄渣亂堆放現象,一定程度上保護了城市生態環境。

5 結論與建議

1)基于正交試驗設計理論,開展了盾構棄渣制備巖溶注漿材料室內試驗,并測試了不同配合比下漿液的基本性能,并根據試驗數據擬合了不同配比與漿液性能指標之間的多元回歸方程,構建了多目標-理想點法漿液配合比優化模型,從而得到了注漿材料最優配合比為水灰質量比∶盾構棄渣摻量∶速凝劑摻量∶膨脹劑摻量=1.41∶35.80%∶0.48%∶0.31%。

2)利用盾構棄渣制備的漿液進行了工程現場應用,注漿后28 d對注漿加固區進行了取芯測試,結果表明取芯樣強度大于3 MPa,芯樣結構密實,無蜂窩空洞和裂縫出現,后續盾構穿越巖溶區時的各項掘進參數變化均相對平穩,地表沉降及管片累計沉降量均在安全可控范圍內,并且提前3個月完成主體工程施工,提高了施工效率。

3)利用盾構棄渣作為原材料配制現場巖溶注漿充填材料,可以節省31.26%的注漿原材料購置成本,可以極大節約場地資源,減少施工場地的污染, 能減少渣土挖運與棄渣場處置成本,同時一定程度上保護了城市道路環境,減少了城市環境污染。

4)在“碳達峰、碳中和”的背景下,盾構棄渣的減量化、無害化處置的趨勢愈加明顯,因其具備與膠凝材料有良好的結合能力,建議將其作為盾構壁后注漿材料、掘進泥漿等材料的原料回用于施工現場,或者將其作為免燒磚、自密實混凝土等綠色建材的原料,有助于推動盾構棄渣的資源化利用向多元化方向發展。