摻加粗骨料改善盾構廢渣路用性能研究

張新天，亓帥，胡興波，張志，何歷超，夏佑龍

（1.北京建筑大學土木與交通工程學院，北京 100044；2. 北京市首都公路發展集團有限公司，北京 100161）

1 引言

城市地鐵盾構隧道掘進多采用泥水平衡盾構開挖，通常要制備和利用由水、膨潤土、泡沫劑、高分子聚合物等添加劑組成的泥漿輔助開挖與出渣，導致盾構廢渣含水量大、結構松散，并伴有大量棄漿，渣土顆粒物級配不良，資源化利用困難[1]。

以北京市東六環（京哈高速—潞苑北大街）改造工程為例，盾構隧道長約7.3 km，出渣量約293.8 萬m3，具有出渣量大且集中的特點。盾構廢渣的主要組成為不同粒徑的中粗砂、細砂及黏土（含膨潤土及其他添加劑，對環境無污染），細-中砂（粒徑d 為0.5~0.075 mm）占總組分的91%，含水量在30%左右，資源化用于路基填土需要解決含水量過高，粒徑過于細小，工程性質差等問題，為盾構廢渣在路基填筑工程中的固廢利用提供可參考借鑒的技術措施。

2 盾構廢渣路用性能劣化問題

盾構廢渣即為盾構開挖棄出的含殘余泥漿的土渣，不同項目或部位的盾構渣土成分有所不同，但其本質是不同級配的土顆粒、水與添加劑的混合體。盾構渣土的土性參數一般包括含砂率、含泥量（針對砂石類渣土）、含水率、級配組成等，往往因盾構區間地質情況的不同而存在差異。

盾構渣土的資源化利用途徑，除其中材性良好的成分多用于建筑材料與制品（如砂漿、混凝土、砌塊等）以外，其余大部分可以嘗試改變以往棄置方式而作為路基填料進行利用。從路基填筑材料的路用性能要求出發，考慮到盾構廢渣產生過程及其特征，經試驗分析發現盾構廢渣性能劣化的主要問題如下。

2.1 級配條件較差

經對同層位原狀土及盾構廢渣材料的粒徑組成試驗分析，確定其級配曲線圖如圖1 所示。結果表明，原狀土為粉土質砂，盾構廢渣部分粒徑組成產生較大變化，其中，粗粒組中粗砂部分減少了11%，細砂部分提高了13.2%；同時細粒組部分粉粒含量提高，黏粒含量降低，反映出盾構廢渣粒徑偏細，組成松散，整體結合性降低，組成結構劣化明顯。

圖1 原狀土與盾構渣土級配曲線

從原狀土與盾構廢渣試樣的SEM 掃描結果（見圖2）看，原狀土土體結構以砂粒為骨架，細顆粒在結構中起到膠結相鄰砂粒、以團粒形態填充于砂粒間孔隙的作用。而盾構廢渣的微觀結構則表現為顆粒細化、存在松散與多孔隙狀況。

圖2 典型試樣SEM結果-砂粒骨架微觀結構

2.2 含水量較高

根據原狀土及盾構廢渣初始含水量及其變化情況的測定結果（見表1）可知，原狀土天然含水量接近路基壓實最佳含水量值，利于施工壓實處理；而盾構廢渣源于盾構泥水處理系統，其含水量往往在20%以上，外棄堆置一段時間后才可能逐漸降低，短期內與路基壓實含水量最佳值相差較大，在資源化利用盾構廢渣作為路基填料的過程中，如何實現盾構廢渣的快速高效疏干，以滿足路基壓實含水量要求是需要解決的核心問題之一[2]。

表1 原狀土及廢渣土含水率及變化

2.3 化學成分復雜

經X 射線熒光光譜分析（XRF）測定原狀土及盾構渣土的化學元素成分組成如表2 所示。原狀土的pH 為7.18，屬弱堿性土；廢渣土pH 為7.91，偏堿性。

表2 原狀土盾構渣土化學元素成分組成 %

盾構渣土的化學元素組成以穩定的氧化硅物質為主，相比原狀土，各元素含量近似，從環保要求考慮，二者其他污染物質如磷、鉻、硝酸鹽的含量極少，均滿足直接用作路基工程填筑材料的環保要求。

2.4 壓實性能變化

由于級配組成的不同，盾構廢渣土粒徑偏細的變化，導致其壓實性能與原狀土比較變化明顯，最佳含水量從9.2%提高到11%，最大干密度從1.9 g/cm3降至1.73 g/cm3，符合壓實性能隨材料顆粒組成改變的規律。

2.5 承載力不足

在滿足壓實度要求下，通過對原狀土與盾構廢渣土進行CBR、動三軸以及無側限抗壓強度試驗，評價其作為路基材料的承載能力，試驗結果如表3 所示。其結果反映出盾構廢渣的CBR 值及動彈性模量均降低約1/4，吸水率有所提高，幾乎喪失了抗壓強度。這是由于廢渣土級配組成條件的變化以及所含殘余泥漿中膨潤土遇水后形成的吸附性、膨脹性、造漿性使然，對盾構廢渣承載能力、強度水平均產生不利影響。

表3 原狀土與盾構渣土承載能力對比

2.6 壓縮性較大

對原狀土及盾構廢渣土的壓縮試驗得到其壓縮系數接近，分別為0.4 MPa-1及0.44 MPa-1，根據GB 50007—2011《建筑地基基礎設計規范》判別其屬中壓縮性土的上限，如作為路基填料時存在工后沉降變形的隱患。

總之，就盾構廢渣資源化應用于路基填筑工程，必須慎重對待上述盾構廢渣在路用性能方面存在的諸多劣化問題，針對性采取適于工程應用條件的技術改善措施，以滿足路基填筑的規范要求。

3 改善盾構廢渣路用性能的技術措施

盾構廢渣土經處理后用于路基填筑工程是盾構廢渣資源化利用的重要途徑之一，經改善處理的盾構廢渣應用路基工程應滿足JTG/T 3610—2019《公路路基施工技術規范》的相關規定。

作為路基填料的最小承載比和路基施工壓實度應符合相關規定，并隨公路等級、交通等級以及路基層位而改變，此外，還需滿足路基強度、回彈模量以及控制路基工后沉降量的要求。當路基濕度狀態、路基填料CBR 值、路基回彈模量和豎向壓應變不能滿足要求時，應根據氣候、土質、地下水和料源等條件，經技術經濟比選后，對路基采取處理措施[3]。

對于泥水盾構廢渣性能劣化，一般選擇摻加穩定材料實現對盾構廢渣路用性能的改善，提高其作為路基填料的壓實性能、強度與穩定性以及抗變形能力，滿足路基填料的使用要求。東六環工程項目盾構廢渣處理所考慮摻加的穩定材料包括水泥基加固材料、高效疏干加固材料以及利于松散材料固結的生態膠粉等[4-5]。

但工程實際中盾構出渣狀態表現為集中量大、含水量高、土顆粒粒徑小、含部分漿液，因此，廢渣后續處理工藝及疏干加固方法的選擇是解決問題的前提及技術關鍵。考慮東六環改造工程中對大量廢渣臨時處理存在場地不足的實際條件，研究短期內廢渣處理工法，即摻加粗骨料改善盾構廢渣的路用性能，滿足快速簡易疏干、混拌的技術要求，實現對盾構廢渣即棄即用的應用條件，具有實用價值[6]。

4 摻加粗骨料改善盾構廢渣路用性能試驗研究

東六環改造工程施工現場臨近北京城市副中心，受到東六環及周邊路網現況交通影響，施工范圍內場地緊張，又限于嚴格的環保要求，摻加穩定材料改善盾構廢渣的工藝方法實施困難，加之路基填筑試驗工程實施臨近冬季，不利于盾構廢渣排水疏干防凍。故而摻加粗骨料改善盾構廢渣成為適宜的技術方案。研究中選擇的粗骨料包括常用的級配碎石以及再生的建筑廢渣兩類，試驗考慮的摻配比為是廢渣土∶粗骨料（干重比）=70∶30、60∶40、50∶50、40∶60。

4.1 不同摻配比的壓實性能

隨著粗骨料摻配比的增加，混合料級配組成與結構狀態產生較大變化，粗骨料形成的骨架結構逐漸完善，從壓實試驗結果看（見表4），最佳含水量漸次降低而最大干密度提高，壓實性能得以改善。

表4 不同摻配比的壓實性能指標

4.2 不同摻配比的疏干規律

對不同粗骨料摻配比下含水量變化的測定反映出盾構廢渣的疏干效果，如表5 所示。測定結果說明，隨著粗骨料摻配量的增加，混合料含水量逐漸降低，比較未摻配粗骨料廢渣土初始含水量約18%，摻配比例達到5∶5 時，碎石廢渣土含水量降低了8%，建筑垃圾廢渣土含水量降低了8.5%。尤其建筑垃圾由廢棄磚、混凝土破碎而成，多孔吸水性突出，疏干效果明顯；當摻配量達到5∶5 后，其疏干含水量與最佳壓實含水量的差值至2%以內，已符合按壓實度控制要求確定的工程適用壓實含水量范圍，以此為依據可確定粗骨料（建筑垃圾）合理摻配量為5∶5。

表5 不同摻配比的含水量變化

4.3 不同摻配比下的承載能力

根據不同摻配比的CBR 試驗數據，如表6 所示，隨粗骨料摻配比例的提高，調整了盾構廢渣的級配組成，增強了骨架結構，CBR 值提高幅度較大，以摻配量5∶5 為例，對比盾構廢渣承載能力提高2.5 倍以上；如綜合考慮疏干性能、廢舊資源利用，選擇摻配建筑垃圾的效果更為突出。

表6 不同摻配比的承載能力變化

4.4 不同摻配比下的壓縮性能

為測定摻配粗骨料后粒料土混合料的壓縮性能，在借鑒土的固結試驗原理的基礎上進行了試驗裝置的模擬設計，以CBR 試驗中的標準試筒代替土固結試驗中的環刀，以環形砝碼作為加載部件，試驗裝置如圖3 所示。

圖3 模擬設計的粒料土固結試驗

測定不同摻拌比的建筑垃圾改善盾構廢渣混合料的壓縮系數結果如表7 所示。

表7 不同摻配比的壓縮性能變化

試驗結果表明：利用建筑垃圾對盾構廢渣進行改善后，其壓縮系數有明顯降低。當建筑垃圾摻配比達到5∶5 及以上時，改善后的盾構廢渣壓縮系數小于0.1 MPa-1，已滿足低壓縮性填料標準，意味著以其填筑路基后產生的工后沉降變形的可能性大大降低，這對于保證特殊施工條件下如舊路加寬、臨時工程以及冬雨季施工的路基填筑質量大為有益。

5 結語

在試驗分析盾構廢渣路用性能劣化的基礎上，選擇驗證了以摻加粗骨料改善盾構廢渣路用性能的技術措施，取得了主要研究結論如下。

1）未處理的盾構廢渣表現出級配組成不佳、含水量偏高、壓實性能不良、承載力不足以及壓縮性較大的劣化特征，不滿足作為路基用填料的規范要求，需采取有效和適用的技術措施處理。

2）除摻加穩定材料外，為適應盾構廢渣量大集中、即排即用、排水疏干及特殊施工環境條件的需求，摻配粗骨料是可行的技術方案，經試驗分析確定了建筑垃圾以5∶5 摻配比的混合料綜合應用效果良好。