盾构弃渣在岩溶充填注浆材料中的资源化利用.pdf
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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
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- 盾构 岩溶 充填 材料 中的 资源 利用