1、引用格式:徐涛,杨磊,郭松涛,等.盾构弃渣在岩溶充填注浆材料中的资源化利用J.隧道建设(中英文),2023,43(11):1842.XU Tao,YANG Lei,GUO Songtao,et al.Utilization of shield waste muck in karst grouting materialJ.Tunnel Construction,2023,43(11):1842.收稿日期:2023-01-03;修回日期:2023-08-01基金项目:广西南宁机场综合交通枢纽建设有限公司项目(机场枢纽合工 2021-010);国家自然科学基金项目(52108389)第一作者简介:徐
2、涛(1971),男,河南南阳人,1999 年毕业于郑州大学,建筑工程专业,本科,高级工程师,主要从事工程技术管理与企业管理工作。E-mail:630524275 。通信作者:杨磊,E-mail:1428641170 。盾构弃渣在岩溶充填注浆材料中的资源化利用徐 涛1,杨 磊2,郭松涛1,赵喜斌1,阳军生2,张 聪2(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)摘要:为经济、环保地处理盾构弃渣,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,探讨盾构弃渣就地消纳用于岩溶充填注浆原料的可行性。首先,选用 L16(4
3、4)的正交试验设计,开展盾构弃渣制备岩溶注浆材料室内试验,并研究各影响因素对于浆液性能指标的影响规律;其次,通过多目标-理想点法获取浆液最优配合比;最后,将研究成果成功应用于工程现场。研究结果表明:1)盾构弃渣用于岩溶充填注浆原料是可行的,一定程度上解决了盾构弃渣的处理问题,且该注浆材料可满足后续盾构安全高效掘进;2)在最优配合比(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%)下浆液各性能参数均符合岩溶充填注浆要求;3)注浆后取芯样发现,浆液与岩溶充填物胶结紧密,后续盾构掘进过程无异常突变情况,注浆和掘进效果达到预期,且盾构弃渣在简易处理后即可实
4、现浆液现场快速配制,可节省约 30%的材料成本,其经济与环境效益显著,具有广泛的推广及应用价值。关键词:盾构隧道;岩溶注浆材料;盾构弃渣;资源化利用;正交试验DOI:10.3973/j.issn.2096-4498.2023.11.004文章编号:2096-4498(2023)11-1842-11中图分类号:U 45 文献标志码:A开放科学(资源服务)标识码(OSID):U Ut ti il li iz za at ti io on n o of f S Sh hi ie el ld d WWa as st te e MMu uc ck k i in n K Ka ar rs st t G G
5、r ro ou ut ti in ng g MMa at te er ri ia al lXU Tao1,YANG Lei2,*,GUO Songtao1,ZHAO Xibin1,YANG Junsheng2,ZHANG Cong2(1.Guangxi Nanning Airport Comprehensive Transportation Hub Construction Co.,Ltd.,Nanning 530048,Guangxi,China;2.Central South University,Changsha 410075,Hunan,China)A Ab bs st tr ra a
6、c ct t:The widespread use of the shield method has raised the challenge of economically and environmentally managing shield waste muck,which is a crucial factor limiting its efficient implementation of the shield method.In this study,a case study is conducted on an airport shield tunnel project at t
7、he Nanning International Airport Comprehensive Transportation Hub Urban Rail Transit Airport Line,and the feasibility of employing shield waste muck for in-situ absorption in the production of raw materials for karst grouting is discussed.An L16(44)orthogonal test design is employed to perform indoo
8、r tests on karst grouting materials made from shield muck.Herein,the impact of various factors on the slurry s performance index is examined.The optimal slurry mixing ratio is determined using the multitarget-ideal point method.Finally,the research findings have been successfully put into practice a
9、t an engineering site.The results demonstrate the following:(1)Shield waste muck is a viable raw material for karst grouting,partially resolving the issue of shield muck treatment.The resulting grouting material satisfies the safety and efficiency requirements for subsequent shield tunneling.(2)Unde
10、r the optimal mixing ratio(water-cement ratio,shield waste muck content,quick-setting agent content,and expansion agent content of 1.41,35.80%,0.48%,and 0.31%,respectively),the slurrys performance parameters comply with the karst filling and grouting standards.(3)Examination of the core sample post
11、grouting reveals a strong bond between the slurry and karst filling,ensuring a smooth subsequent shield 第 11 期徐 涛,等:盾构弃渣在岩溶充填注浆材料中的资源化利用tunneling process without any unexpected deviations.The grouting and excavation effects align with expectations,and on-site preparation of shield waste muck after s
12、imple treatment results in material cost savings of approximately 30%.The economic and environmental benefits of this approach are noteworthy and merit widespread adoption.K Ke ey yw wo or rd ds s:shield tunnel;karst grouting material;shield waste muck;resource utilization;orthogonal test0 引言随着我国盾构隧
13、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
14、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
15、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
16、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
17、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
18、应用。1 工程概况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 按 照 设 计 在 区 间 DK9+997 DK12+685 需穿越岩溶发育区,区间全长 110 m,隧道埋深为 36.540.6 m。盾构区间地层主要为黏土、角砾土、溶洞、泥质粉砂岩。隧道左、右线地质剖面分别如图1 和图 2 所示。勘察期间钻探、物探共揭露溶洞 177 个,地下隐伏溶洞较多,以中小型为主,少数为大型溶洞;岩溶大多强烈发育,局部零星地段中等发育,线岩溶率大于 10%占 69.7%,岩溶钻孔遇洞隙率为 44.3%;溶洞基岩面高程为 94123 m 空溶洞占 79%,全充填溶洞占18%,半充填溶洞
19、占 3%。溶洞充填物主要为黏土(Qca4)以及少量中砂(Qca4)、碎石土(Qca4),呈灰褐色、灰黄色、褐黄色、棕黄色等,属 级普通土。经现场勘察,其含水率为 43.38%,自然密度为 1.77 g/cm3,孔隙比为 1.24,孔隙率为 55.06%,饱和度为 96.5%。3481隧道建设(中英文)第 43 卷图 1 左线地质剖面图Fig.1 Geological profile of the left line图 2 右线地质剖面图Fig.2 Geological profile of the right line 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
20、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
21、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Table 1 Shield waste muck performance天然密度/(g/cm3)pH 值含水率/%液限/%塑限/%塑性指数1.998919.733.810.723.1图 3 盾构弃渣Fig.3 Shield w
22、aste muck4481第 11 期徐 涛,等:盾构弃渣在岩溶充填注浆材料中的资源化利用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Fig.4 Particle size grading of shield waste muck 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。图 5 XRD 测试结果Fig.5 XRD test results由表 1 和
23、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 PO 42.5 级普通硅酸盐水泥,水泥细度为通过80 m 方孔筛的筛余量不大于5%,性能满足 GB l752007通用硅酸盐水泥的有关要求。2.1.3 添加剂本文中研制
24、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Table 2 Individual influencing factors and levels水平值 水灰质量比 盾构弃渣掺量/%速凝剂掺量/%膨胀剂掺量/%10.8 1200.250.2521.0 1300.500.50
25、31.5 1400.750.7542.0 1501.001.00表 3 正交试验设计Table 3 Orthogonal experimental design组别水灰质量比盾构弃渣掺量/%速凝剂掺量/%膨胀剂掺量/%10.8 1200.250.2520.8 1300.500.5030.8 1400.750.7540.8 1501.001.0051.0 1200.500.7561.0 1300.251.0071.0 1401.000.2581.0 1500.750.5091.5 1200.751.00101.5 1301.000.75111.5 1400.250.50121.5 1500.50
26、0.25132.0 1201.000.50142.0 1300.750.25152.0 1400.501.00162.0 1500.250.752.3 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Table 4 Grouting material performance test method测试指标测试方法参考文献 相对体积质量NB-1 比重计法SY/T 5381200821流动度截锥圆模法GB/T 50448201522析水率分层量筒法GB/T 25182201023胶凝时间倒杯法文献24结石体收缩率
27、体积法JGJ/T 70200925抗压强度单轴压缩JGJ/T 702009255481隧道建设(中英文)第 43 卷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。图 6 各影响因素对浆液相对体积质量的影响规律Fig.6 Influence of each influencing factor on relative volume of slurry表 5 浆液相对体积质量极差分析Table 5 Slurry relative volume range analysis影响因素
28、均值K1K2K3K4极差排序水灰质量比1.651.631.391.280.371盾构弃渣掺量1.491.481.501.470.034速凝剂掺量1.451.521.501.490.073膨胀剂掺量1.501.521.501.440.082 注:Ki(i=1,2,3,),为某水平对应因素的试验结果之和的均值,下同。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0.3
29、7、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
30、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Fig.7Influence of each influencing factor on flow degree of slurry表 6 浆液流动度极差分析Table 6 Slurry flow range analysis影响因素均值K1K2K3K4极差排序水灰质量比82.75100.50 200.75 26
31、3.50180.751盾构弃渣掺量257.00176.50 168.50 145.50111.504速凝剂掺量208.50190.25 174.5064.25144.252膨胀剂掺量103.50110.25 135.75 218.00114.503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 180260 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
32、果分析,得到如图 8 所示的影响浆液析水率的直观分6481第 11 期徐 涛,等:盾构弃渣在岩溶充填注浆材料中的资源化利用析图,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Fig.8 Influence of each influencing factor on slurry water evolution rate表 7 浆液析水率极差分析Table 7 Slurry water evolution rate extreme analysis影响因素均值K1K2K3K4极差排序水灰质量比0.400.831.638.588.181盾构弃渣掺量0.902.033.18
33、7.336.432速凝剂掺量6.201.781.100.335.873膨胀剂掺量1.102.132.655.554.454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
34、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Fig.9Influence of each influencing factor on gelling time of slurry表
35、 8 浆液胶凝时间极差分析Table 8 Slurry gelling time range analysis影响因素均值K1K2K3K4极差排序水灰质量比16.5020.5041.7552.0035.52盾构弃渣掺量27.7529.0035.7562.0034.253速凝剂掺量93.2541.7522.255.2588.001膨胀剂掺量40.0026.5024.5029.7515.504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
36、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
37、缩率进行正交设计结果分析,得到如图 10 所示的影响浆7481隧道建设(中英文)第 43 卷液结石体 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Fig.10 Influence of each influencing factor on shrinkage rate of slurry表 9 浆液收缩率极差分析Table 9 Slurry shrinkage range analysis影响因素均值K1K2K3K4极差排序水灰质量比1.181.922.242.781.602盾构弃渣掺量3.241.851.481.371.871速
38、凝剂掺量0.951.061.582.361.413膨胀剂掺量1.201.411.502.241.044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
39、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Fig.11Influence of influencing factors on com
40、pressive strength of serous stones表 10 浆液结石体 7 d 抗压强度分析Table 10 Analysis of 7-day compressive strength of serous stone body影响因素均值K1K2K3K4极差排序水灰质量比3.363.060.660.522.841盾构弃渣掺量2.822.071.421.291.533速凝剂掺量2.712.361.680.891.822膨胀剂掺量2.222.192.121.400.824表 11 浆液结石体 28 d 抗压强度分析Table 11 Analysis of 28-day comp
41、ressive strength of serous stone body影响因素均值K1K2K3K4极差排序水灰质量比4.383.270.890.753.631盾构弃渣掺量3.512.961.311.252.263速凝剂掺量3.202.891.560.822.382膨胀剂掺量2.562.752.501.471.284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8481第 11 期徐 涛,等:盾构弃渣在岩溶充填注浆材料中的资源化利用小;3)浆液结石体抗压
42、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
43、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180260 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 30120 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
44、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Table 12 Regression equation coefficients and equation fits性能属性公式RR2胶凝时间f凝结时间=133.0-6.460 x2+437.770 x3-346.057
45、x4+2.571x1x2-144.063x1x3+0.83x22-9.192x2x3+4.429x2x4+147.845x240.9850.889析水率f析水率=8.381-1.227x2-49.048x3-6.735x4+0.432x21+0.438x1x2-16.549x1x3-3.443x1x4-0.007x22-0.367x2x3-0.599x2x4-5.477x23-14.197x3x40.9860.865收缩率f收缩率=1.687-0.269x2+19.442x4+0.193x1x2-4.344x1x3-5.858x1x4-0.093x2x4+4.469x23-6.990 x3x4
46、0.9650.786流动度f流动度=152.403+12.016x2-833.143x3+92.774x21-167.958x1x3-0.133x22-5.465x2x4-117.767x23+245.627x3x4+702.000 x240.9830.910抗压强度f28 d抗压强度=15.5-0.658x2+9.553x3-6.239x4-3.438x21+0.104x1x2+4.141x1x3+0.810 x1x4+0.004x22+0.343x2x4-8.49x23-8.369x3x4-1.490 x240.9970.953 注:x1为水灰质量比;x2为盾构弃渣掺量;x3为速凝剂掺量;
47、x4为膨胀剂掺量。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Table 13 Slurry performance indicators编号检验指标技术性能要求1浆液相对体积质量1.41.72浆液流动性初始流动度 180260 mm3析水率析水率小于 5%4凝结时间初凝时间 0.51.5 h5结石体收缩率结石体收缩率小于 5%6结石体抗压强度7 d 不小于0.6 MPa,28 d 不小于3 MPa表 14 理想点浆液配合比Table 14 Slur
48、ry mixing ratios at ideal point水灰质量比盾构弃渣掺量/%速凝剂掺量/%膨胀剂掺量/%1.4135.80.480.314 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9481隧道建设(中英文)第 43 卷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
49、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Fig.12 Slurry preparation and construction flowchart(a)泥浆制作(b)筛分处理(c)加入外加剂(d)注浆封孔图 13 现场注浆施工示意图Fig.13 Schematic of on-site grouting construction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 810 环,安全高效地穿越了岩溶发育区,项目
50、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
