盾构弃渣在岩溶充填注浆材料中的资源化利用

徐 涛, 杨 磊, 郭松涛, 赵喜斌, 阳军生, 张 聪

(1. 广西南宁机场综合交通枢纽建设有限公司, 广西 南宁 530048; 2. 中南大学, 湖南 长沙 410075)

0 引言

随着我国盾构隧道工程的蓬勃发展,盾构弃渣的产量日益陡增。受限于城市施工场地的有限性,弃渣往往需要外排处理。但大量的弃渣运输和处理费用较高,且运输与处理过程极易对周边生态环境造成不利影响。因此,如何对盾构隧道施工过程中产生的弃渣进行就地资源化利用已成为工程人员重点关注且亟待解决的难题。

目前,国内外研究人员围绕盾构弃渣再利用已开展了大量研究,其再利用领域主要包括建筑材料[1]、路基填料[2]、植被复垦土[3]以及同步注浆材料[4]等方面。在建筑材料方面:Voit等[5]以Brenner Base隧道为背景,研究了盾构渣土作为混凝土骨料的再利用问题,发现钙质片岩渣土可直接应用于混凝土骨料生产;王海良等[6]、刘春等[7]采用磨细后的盾构渣土制备C30以及C50混凝土,探究了渣土掺量对混凝土工作性能和力学性能的影响;Bellopede等[8-9]在“REMUCK”项目中开展了盾构渣土制备再生骨料的实践研究工作,并且提出集中处理后渣土的各项性能比现场处理更符合混凝土再生骨料标准;谢发之等[10]以盾构渣土、稻草秸秆与氧化镁为原材料,研发出一种水体除磷效果优良的新型盾构渣土基碳复合陶粒。在路基填料方面: Saing等[11]研究了石灰改良后的盾构渣土性能,研究结果表明以渣土为原料用作路基填料具有可行性;Tauer等[12]结合具体案例,对隧道施工产生的泥浆类渣土进行了固化改性,发现渣土经过固化改性后,满足路基填筑的基本要求;Riviera等[13]对阿尔卑斯山区的典型粗颗粒盾构渣土进行了研究,研究结果表明可以将其用于道路面层、基层与功能层的填筑。在植被复垦土方面: 陈蕊等[14]对盾构渣土中各元素进行了分析,结果表明盾构渣土中的有机质含量较高,符合植物生长的要求;邓川等[15]利用渣土配制喷播基质应用于坡面绿化,研究了不同坡面性质、不同黏结剂及保水剂用量对基质保水性及抗剪强度的影响;杨海君等[16]分析了香樟树枝堆肥产物与盾构渣土共堆肥的效果,提出了香樟树枝堆肥产物与盾构渣土共堆肥可有效促进盾构渣土中污染物AES的降解,具备将其作为植被复垦土的可行性;谢亦朋等[17]对矿物掺合料改良泥水平衡盾构渣土作为植被复垦基质的再利用可行性开展试验研究,结果表明盾构渣土更适用于改良作为植被复垦基质。在同步注浆材料方面: Zhang等[18]依托郑州地铁EPB盾构隧道工程,提出了EPB盾构弃土作为同步注浆原料的方案,并研究了其对同步注浆材料的性能影响;李雪等[19]采用泥水盾构渣土作为同步注浆的砂源,研究了其对同步注浆浆液性能的影响;戴勇等[20]依托杭州望江路过江大直径泥水盾构隧道工程,提出了盾构弃渣取代同步注浆原材料再利用方案。

综上可知,尽管上述研究为盾构弃渣的再利用提出了众多途径,但由于盾构施工产生的渣土量非常大,如何高效消纳盾构弃渣仍是工程中迫切关注的难题。与此同时,随着地铁交通网络的建设,盾构穿越溶洞、土洞等不良地质条件的工况愈发普遍,而寻求一种原材料易于获得、价格低廉、配制简便的绿色充填注浆材料也一直困扰着工程人员。为此,若就地对盾构弃渣进行改良,制备成一种性能可满足盾构隧道岩溶充填注浆要求的浆材,不仅可在一定程度上就地消纳盾构弃渣,也可很大程度上解决充填注浆材料来源的难题,具有广泛的应用价值和现实意义。

本文依托南宁国际空港综合交通枢纽城市轨道交通机场线引入机场盾构隧道工程,首先,对盾构弃渣进行物理性能分析,探究盾构弃渣在岩溶充填注浆材料中再利用的可行性;其次,通过正交试验研究各因素对浆液性能指标的影响规律,再基于多目标-理想点法提出浆液最优配合比;最后,依托于南宁国际空港综合交通枢纽盾构隧道工程开展现场应用。

1 工程概况

图1 左线地质剖面图

图2 右线地质剖面图

溶洞的存在极易导致盾构掘进时发生工程事故,需在盾构掘进前对溶洞进行地表预注浆加固。由于岩溶发育区所探测出的溶洞数量众多,充填加固时浆液消耗量大、造价高,采用一种经济有效的注浆加固材料是本工程的难题。通过大量调研,拟提出对盾构渣土进行改性,研发一种基于盾构弃渣的岩溶充填注浆材料,不仅会显著降低注浆原材料的购置成本,还能减少盾构弃渣的处治和运输费用,减少城市污染。

2 盾构弃渣充填注浆材料基本性能试验

为确保盾构在岩溶发育区的高效掘进,岩溶充填注浆材料需符合以下要求: 稠度与流动度适中,可泵性好;析水率低、保水性强;凝结时间较快,且凝结时间可控;浆结石体的体积收缩率小;结石体有一定的抗压强度,具有良好的抗渗性和良好的耐冲刷性能;绿色环保、价格低廉。考虑盾构渣土存在强度低、可泵性差、凝结时间长等缺点,需对其进行改良。此外,通过文献与现场调研,本文最终选择盾构渣土、水泥、速凝剂以及膨胀剂为试验原材料。

2.1 试验原材料

2.1.1 盾构弃渣

对现场堆积弃渣进行取样,弃渣为黄褐色泥质粉砂岩,无特殊气味,含水率较大,以细小颗粒为主。盾构弃渣性能如表1所示。弃渣中尚存有较大的破碎岩块,需进行筛分预处理。盾构弃渣如图3所示。

表1 盾构弃渣性能指标

图3 盾构弃渣

盾构弃渣的基本物理特性及微观组成能在很大程度上反映其工程特性。为研究盾构掘进弃渣作为岩溶发育区地表预注浆充填浆材原材料的可行性,需对现场取样的盾构弃渣进行详细的物性分析及矿物成分分析。测试结果如表1、图4和图5所示。

图4 盾构弃渣粒径级配

横坐标为角度,是2倍角,是衍射谱仪扫描的角度;纵坐标为接收器检测到的计数单位。

由表1和图5可知: 1)盾构弃渣样品X射线衍射峰对应的矿物成分分别为石英、云母和方解石,表明盾构右线该掘进段的粉砂质泥岩弃渣主要由石英、云母和方解石等矿物成分构成,且水解后的水化云母具有黏土矿物的性质; 2)盾构弃渣塑性指数为23.1,且碱性较低,满足相关规范对水泥基黏土注浆材料土样塑性指数大于12的要求。因此,盾构弃渣具备作为材料组分制备水泥基黏土浆液的可行性。

2.1.2 水泥

水泥主要起到固化与增强的作用。本次试验用水泥为P·O 42.5级普通硅酸盐水泥,水泥细度为通过80 μm方孔筛的筛余量不大于5%,性能满足GB l75—2007《通用硅酸盐水泥》的有关要求。

2.1.3 添加剂

本文中研制的岩溶注浆材料所涉及的添加剂包括速凝剂和膨胀剂2种。其中,速凝剂主要起到调节凝结时间的作用,膨胀剂的主要作用是确保浆液固化后不收缩。

2.2 试验方案设计

选取水灰质量比、盾构弃渣掺量、速凝剂掺量、膨胀剂掺量为影响因素,各影响因素选取4个水平值,构建L16(44)的正交试验设计。各影响因素及水平值如表2所示。正交试验设计如表3所示。

表2 各影响因素及水平值

表3 正交试验设计

2.3 试验测试方法

岩溶注浆材料的性能方法参考标准及相关文献中测试方法进行测定。注浆材料性能测试方法如表4所示。

表4 注浆材料性能测试方法

2.4 试验结果分析

2.4.1 相对体积质量

通过对不同配合比下浆液的相对体积质量进行正交设计结果分析,得到如图6所示的直观分析图,测试结果极差分析如表5所示。

表5 浆液相对体积质量极差分析

由图6可知: 浆液的相对体积质量随着不同的试验配比呈现较大的变化,表明水灰质量比、盾构弃渣掺量、速凝剂掺量和膨胀剂掺量均对浆液相对体积质量有一定程度的影响,且受水灰质量比影响最为显著。由表5的极差分析计算可知: 1)水灰质量比、盾构弃渣掺量、速凝剂掺量和膨胀剂掺量的极差分别为0.37、0.02、0.03、0.08; 2)各影响因素对浆液相对体积质量影响的主次顺序为水灰质量比>膨胀剂掺量>速凝剂掺量>盾构弃渣掺量。

2.4.2 流动度

通过对不同配合比下浆液流动度进行正交设计结果分析,得到如图7所示的影响浆液流动度的直观分析图,测试结果极差分析如表6所示。

由图7可知: 1)浆液流动度随着水灰质量比的增大而增大,原因在于水灰质量比增大,水的相对含量增加,浆液流动度增大; 2)浆液流动度随着盾构弃渣掺量的增加而逐渐减小,主要原因为盾构弃渣含有较多的固体颗粒,增大了浆液间整体摩擦力,从而降低了流动度; 3)浆液流动度随着速凝剂掺量的增大而逐渐减小,主要是因为速凝剂一定程度上加速了浆液的凝结,从而降低了浆液的流动性能; 4)浆液流动度随着膨胀剂掺量的增大而逐渐增大,原因在于膨胀剂的添加会降低水化反应所需的需水量。通过对比表6的极差分析结果可知,各影响因素对浆液流动度影响的主次顺序为水灰质量比>速凝剂掺量>膨胀剂掺量>盾构弃渣掺量。

图7 各影响因素对浆液流动度的影响规律

表6 浆液流动度极差分析

考虑到在注浆过程中,浆液初始流动度不宜太大也不宜太小,应该控制为180～260 mm。在现场实际情况下,为确保岩溶发育区注浆充填加固达到施工安全要求,应在满足浆液强度和泵送性的前提下选取较小的流动度。实际工程中配浆时应选择较大的水灰质量比、较大的弃渣掺量、较小的速凝剂掺量及较小的膨胀剂掺量。

2.4.3 析水率

通过对不同配合比下浆液析水率进行正交设计结果分析,得到如图8所示的影响浆液析水率的直观分析图,测试结果极差分析如表7所示。

图8 各影响因素对浆液析水率的影响规律

表7 浆液析水率极差分析

由图8可知: 1)浆液析水率随着水灰质量比的增大而逐渐增大,原因在于水灰质量比增大,水含量相对增加,水化反应时间增加,导致水泥浆液析水效果增加; 2)浆液析水率随着盾构弃渣掺量的增加而逐渐增大; 3)浆液析水率随着速凝剂掺量的增大而逐渐减小,主要是因为速凝剂能有效促进水泥的水化反应,使浆液中可自由析出的水量减少,故析水率降低。通过对比表7的极差分析结果可知,各影响因素对浆液析水率影响的主次顺序为水灰质量比>盾构弃渣掺量>速凝剂掺量>膨胀剂掺量。

当浆液的析水率越低,浆液在被注介质中推进扩散过程中更加均匀,其稳定性随之增强,结合充填料的性能指标要求,实际工程中配浆时应根据实际要求控制浆液的析水率,即在满足浆液流动度要求的前提下,选择较小的水灰质量比、较小的盾构弃渣掺量以及较大的速凝剂掺量,以保证浆液析水率较低,使浆液被注浆后在地层中稳定性较强。

2.4.4 胶凝时间

通过对不同配合比下浆液胶凝时间进行正交设计结果分析,得到如图9所示的影响浆液胶凝时间的直观分析图,测试结果极差分析如表8所示。

图9 各影响因素对浆液胶凝时间的影响规律

表8 浆液胶凝时间极差分析

由图9可知: 1)浆液胶凝时间随着水灰质量比的增大而逐渐增长,水灰质量比越大,水泥凝结时需要填充的结构孔隙越多,将造成胶凝时间的增长; 2)浆液胶凝时间随着盾构弃渣掺量的增大而逐渐增长; 3)浆液胶凝时间随着速凝剂掺量的增大而逐渐缩短,主要是因为速凝剂为工程现场较为常用的一种浆液促凝化合物,能释放出大量的强碱性氢氧化物,促进水泥的水化。通过对比表8的极差分析结果可知,各影响因素对浆液胶凝时间影响的主次顺序为速凝剂掺量>水灰质量比>盾构弃渣掺量>膨胀剂掺量。

在注浆工程中,为保证浆液灌注效果良好,一般要求浆液初凝时间在大于45 min的控制标准下尽可能小,结合充填料的性能指标要求可以发现,实际工程中配浆时应根据实际要求控制浆液的初凝时间,即在满足流动度及泵送性的前提下,选择较大的水灰质量比、较小的速凝剂掺量,以保证浆液良好的泵送性。

2.4.5 结石体收缩率

通过对不同配合比下浆液结石体28 d体积收缩率进行正交设计结果分析,得到如图10所示的影响浆液结石体28 d体积收缩率的直观分析图,测试结果极差分析如表9所示。

图10 各影响因素对浆液收缩率的影响规律

表9 浆液收缩率极差分析

由图10可知: 1)浆液结石体收缩率随着水灰质量比的增大而逐渐减小,原因在于水灰质量比增大导致水化反应时间增加,结石体收缩效应明显增加; 2)浆液结石体收缩率随着盾构弃渣掺量的增加而逐渐减小,主要原因为盾构弃渣具有一定的吸水性,降低了浆液中的水,从而降低水泥浆液凝固后的收缩; 3)浆液结石体收缩率随着速凝剂掺量的增大而逐渐增大,主要是因为速凝剂加快了水化反应,造成结石体孔隙增大,导致收缩率增加。通过对比表9的极差分析结果可知,各影响因素对浆液结石体收缩率影响的主次顺序为盾构弃渣掺量>水灰质量比>速凝剂掺量>膨胀剂掺量。

在注浆过程中,浆液的结石体收缩率越小则注浆时的耗浆量越小,溶洞充填能力越强,结合充填料的性能指标要求,实际工程中配浆时应根据实际要求控制浆液的结石体收缩率,即在满足流动度及泵送性的前提下,选择较大的膨胀剂掺量、速凝剂掺量和盾构弃渣掺量。

2.4.6 浆液结石体抗压强度

通过对不同配合比下浆液结石体7 d和28 d抗压强度进行正交设计结果分析,得到如图11所示的影响抗压强度的直观分析图,测试结果极差分析如表10和表11所示。

图11 各影响因素对浆液结石体抗压强度的影响规律

表10 浆液结石体7 d抗压强度分析

表11 浆液结石体28 d抗压强度分析

由图11可知: 1)浆液结石体抗压强度随着水灰质量比的增大而减小,原因在于水灰质量比增大则水泥含量相对减少,导致结石体抗压强度降低; 2)浆液结石体抗压强度随着盾构弃渣掺量的增加而逐渐减小; 3)浆液结石体抗压强度随着速凝剂掺量的增大而逐渐减小,主要是因为速凝剂水化产物扩散不及时、包裹未水化水泥颗粒以及水分的蒸发阻碍水化反应持续进行,造成孔隙率增大,使结石体抗压强度降低; 4)膨胀剂掺量对于结石体抗压强度影响相对较小,其增加一定程度会使抗压强度减小。通过对比表10和表11的极差分析结果可知,各影响因素对浆液析水率影响的主次顺序为水灰质量比>速凝剂掺量>盾构弃渣掺量>膨胀剂掺量。

在注浆充填过程中,结石体应尽早达到一定的强度以保证盾构掘进掌子面稳定,结合充填料的性能指标要求,实际工程中配浆时应根据实际要求控制结石体抗压强度,即在满足流动度与泵送性的前提下,选择较小的水灰质量比、较小的盾构弃渣掺量、较小的速凝剂掺量及较小的膨胀剂掺量,使结石体抗压强度取到控制区间内的较大值,以保障盾构穿越岩溶发育区的安全掘进。

3 多目标-理想点法的注浆材料配合比优选

3.1 注浆材料性能要求

通过查阅相关规范规程,并且参考相关研究成果后,提出盾构穿越岩溶区域的注浆材料需满足的性能指标如下:

1)浆液流动性及析水率。初始流动度应控制为180～260 mm,析水率不高于5%,满足泵送施工要求。

2)凝结时间。凝结时间可以反映岩溶注浆效果,设定胶凝时间为30～120 min。

3)注浆加固体抗压强度。需要确保注浆填充溶洞后加固体强度与周围地层相匹配。

4)结石体收缩率。浆液填充效果是比较关键的性能,如果结石体收缩过大,则溶洞充填效果不佳,对后续盾构施工造成安全隐患。因此,要求结石率不低于95%。

3.2 最优配合比优选设计

为了获取最佳的岩溶注浆材料配合比,使其满足盾构高效掘进需求,提出基于多目标-理想点的注浆材料配合比优选方法。

3.2.1 确定系统优化的目标函数

采用SPSS软件构建各影响因素与浆液性能参数之间的回归方程,确定系统优化的目标函数,结果如表12所示。

表12 回归方程系数及方程拟合度

3.2.2 建立系统优化的约束条件及理想点数据

通过查阅规范要求以及结合实际的测试情况,确定该注浆材料在实际施工中的最优性能如表13所示,理想点数据如表14所示。

表13 浆液性能指标

表14 理想点浆液配合比

4 工程应用及效益分析

4.1 工程应用

工程现场注浆所采用的盾构弃渣与室内试验取样弃渣在工程特性上具有高度一致性,均为可塑性较强的粉砂质泥岩。浆液制备及施工流程如图12所示。现场注浆施工示意如图13所示。由于在最优配合比下的浆液性能均满足要求,同时考虑到现场制备浆液时称重设备精度不足,为便于浆液制备,采用浆液配合比为水灰质量比∶盾构弃渣掺量∶速凝剂掺量∶膨胀剂掺量=1.4∶36%∶0.5%∶0.3%进行了岩溶充填加固处理。工程应用效果表明,盾构在后续掘进时各项掘进参数变化相对平稳,且地表沉降及管片累计沉降量均在安全可控范围内,达到了预期效果。

图12 浆液制备及施工流程图

(a) 泥浆制作

(b) 筛分处理

(c) 加入外加剂

(d) 注浆封孔

南宁机场线隧道工程盾构段在穿越岩溶发育区时采用水泥-盾构弃渣注浆材料对岩溶进行了处理,盾构平均日掘进8～10环,安全高效地穿越了岩溶发育区,项目提前3个月完成主体工程施工。

4.2 效益分析

以上研究表明,利用南宁国际空港综合交通枢纽城市轨道交通机场线引入机场隧道工程盾构弃渣作为原材料制备的岩溶充填注浆材料是可行的。若将其应用于实际工程,可产生可观的经济效益与环境效益。

4.2.1 经济效益

若按目前市场价格购置各类原材料,并采用最优配合比来配置水泥-盾构弃渣岩溶充填注浆材料,浆液成本约193.4元/m3,相比于采用现场浆液设计配比(原材料成本约187.56元/m3),水泥-盾构弃渣岩溶充填注浆材料的购置成本更低。此外,考虑到2种注浆材料之间的性能差异,现场水泥浆液的结石体收缩率较大,若使用现场水泥浆液完全密实填充溶洞,注浆量约为水泥-盾构弃渣岩溶注浆材料的1.5倍。计算得出利用盾构弃渣的岩溶充填注浆材料相对现场岩溶注浆材料可节省原材料成本约58.63元/m3,降低注浆原材料单价成本约31.26%。

4.2.2 社会效益及环境效益

1)节约了大量的工程场地资源,缓解了弃渣场的堆渣压力; 2)避免了弃渣外运对城市环境造成污染; 3)减少了弃渣乱堆放现象,一定程度上保护了城市生态环境。

5 结论与建议

1)基于正交试验设计理论,开展了盾构弃渣制备岩溶注浆材料室内试验,并测试了不同配合比下浆液的基本性能,并根据试验数据拟合了不同配比与浆液性能指标之间的多元回归方程,构建了多目标-理想点法浆液配合比优化模型,从而得到了注浆材料最优配合比为水灰质量比∶盾构弃渣掺量∶速凝剂掺量∶膨胀剂掺量=1.41∶35.80%∶0.48%∶0.31%。

2)利用盾构弃渣制备的浆液进行了工程现场应用,注浆后28 d对注浆加固区进行了取芯测试,结果表明取芯样强度大于3 MPa,芯样结构密实,无蜂窝空洞和裂缝出现,后续盾构穿越岩溶区时的各项掘进参数变化均相对平稳,地表沉降及管片累计沉降量均在安全可控范围内,并且提前3个月完成主体工程施工,提高了施工效率。

3)利用盾构弃渣作为原材料配制现场岩溶注浆充填材料,可以节省31.26%的注浆原材料购置成本,可以极大节约场地资源,减少施工场地的污染, 能减少渣土挖运与弃渣场处置成本,同时一定程度上保护了城市道路环境,减少了城市环境污染。

4)在“碳达峰、碳中和”的背景下,盾构弃渣的减量化、无害化处置的趋势愈加明显,因其具备与胶凝材料有良好的结合能力,建议将其作为盾构壁后注浆材料、掘进泥浆等材料的原料回用于施工现场,或者将其作为免烧砖、自密实混凝土等绿色建材的原料,有助于推动盾构弃渣的资源化利用向多元化方向发展。