建筑垃圾粉末摻量對盾構棄渣的失水特性試驗研究

林 哲 勇兆瑞 崔春凱 李文昊 楊金勇 劉應然 羅 曄

鄭州工程技術學院（450044）

城市地鐵建設常用的施工方法是盾構施工。盾構施工是對地面交通影響最小的一種施工方法。在地鐵區(qū)間施工過程中，地面依然可以開放交通，這給大城市本來就擁堵的地面交通減少了不少壓力。然而大量的城市地鐵項目建設，必然會帶來掘進過程中產(chǎn)生的巨量的盾構棄渣，這些渣土將會帶來嚴重的環(huán)境和安全問題。2015年，深圳市就發(fā)生了一起渣土場滑坡事故，造成73人死亡，多棟房屋被毀，直接經(jīng)濟損失約8.8億元[1]。為了使渣土的塑性流動效果好，施工過程中會添加一些改良劑[2]，但這樣的渣土到達棄渣場后，在同樣條件下會發(fā)生水土流失，甚至滑坡的可能性要比一般渣土大。

按洞徑6 m，松散系數(shù)取1.5保守估計，盾構棄渣的產(chǎn)量大約為4.5萬m3/km[3]，含水率一般在20%以上[5]。目前工程研究人員對渣土回收利用做了大量的工作，如制作水泥混合材料、新型墻材、采空區(qū)回填等[4-8]，但是要對渣土進行回收利用，第一步是如何降低棄渣的含水率。

1 試驗材料及方法

試驗所用渣土來自雙鶴湖南站地鐵盾構區(qū)間。區(qū)間全長1 026.84 m，隧洞呈圓形，洞徑為6.2 m，結構底板標高86.48～96.2 m，埋深17.4～24.8 m。所取渣土主要為粉質黏土，紅褐-黃褐色，一般呈硬塑-堅硬狀，黏粒含量較高，平均含水率在23%左右，平均孔隙比0.7左右，失水性較差。因此選用建筑垃圾粉碎之后的砂粉對其進行拌和，增加其失水性。利用光電式液塑限聯(lián)合測試儀對所取渣土的液塑限進行測試。液塑限聯(lián)合測定法測試渣土液塑限中錐尖下沉深度與含水率之間的關系如圖1所示，盾構棄渣液塑限測定數(shù)據(jù)見表1。

圖1 液塑限聯(lián)合測定法測試渣土液塑限中錐尖下沉深度與含水率之間的關系

表1 盾構棄渣液塑限測定數(shù)據(jù)

在所取的盾構棄渣原狀樣中慘入不同的砂粉測定其失水量隨時間變化的規(guī)律，考慮到溫度、濕度的影響用量筒盛入一定量的水，作為空白對照。試驗過程如圖2所示，失水量空白對照見表2。

表中括號內(nèi)數(shù)據(jù)為10 mm圓錐入土深度對應的液限含水率及其計算的塑性指數(shù)。

圖2 試驗過程圖

表2 失水量空白對照表

5月24日，由于降雨，環(huán)境溫度、濕度發(fā)生異常變化，試驗停止，同時含水率變化也基本趨于穩(wěn)定，此時，盾構棄渣的失水特性試驗數(shù)據(jù)見表3。

表3見后兩頁。

2 試驗結果分析

通過上述試驗，將上述含水率變化小于0.5 g土樣認為是干土，測其含水率與含砂率之間關系如圖3所示。

由圖3可以看出，隨著含砂率的增加土樣含水率呈降低趨勢，但砂粉摻量為30%～40%時變化較小，含砂率10%的土樣含水率小于液限含水率（15.5%）。由此可見，盾構棄渣雖然保水性較好，但可適當添加一定含量的吸水性好的非黏性粉末狀顆粒物質，便可有效降低含水率至液限以下。

圖3 含水率與含砂率之間關系

為研究失水量隨時間的變化規(guī)律，定義失水量與初始土樣質量的比值為同比失水率，失水量與前一天土樣的比值為環(huán)比失水率。砂粉摻量從0～50%的失水率與時間的關系如圖4、圖5所示。

圖4 同比失水率與時間的關系

圖5 環(huán)比失水率與時間的關系

由圖4、圖5可以看出，隨著時間的變化失水速率迅速減小，并趨于穩(wěn)定。含砂率在30%時失水速率最快，失水效果最好。由此可見，對應該種砂粉快速脫水盾構棄渣最佳摻量為30%。

3 結語

盾構棄渣的渣土中添加了一定量的外加劑，使得渣土具有一定的保水特性，同時該地區(qū)的粉質黏土黏粒含量較高，其渣土保水性較好，有利于盾構施工，但會對渣土外運及綠色處理產(chǎn)生不利影響。

表3 盾構棄渣的失水特性試驗

通過添加建筑垃圾砂粉，可以有效快速地降低盾構棄渣的含水率，在28℃～30℃，濕度10%左右氣候條件下，2 d內(nèi)渣土的失水效率最高，而且砂粉摻量在30%時效果最佳。