成都地鐵18號線高含水率渣土快速包水處理技術(shù)研究

張興德 許文英 丁建彤 程安文 黃莊志

【摘要】文章針對成都地鐵18號線土壓平衡盾構(gòu)施工過程中產(chǎn)生大量高含水率、高流動性渣土的問題，在施工現(xiàn)場開展了渣土快速包水處理技術(shù)研究。通過包水材料配合比試驗、投料方案比選、設(shè)備設(shè)計安裝和實際應(yīng)用，最終確定可行的快速包水處理技術(shù)方案。研究結(jié)果表明，經(jīng)包水處理后的渣土能夠完全滿足現(xiàn)場堆碼、運輸及消納回填的要求。

【關(guān)鍵詞】土壓平衡盾構(gòu); 渣土; 快速包水處理; 技術(shù)

【中國分類號】U455.92【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】B

在盾構(gòu)施工過程中，需綜合考慮地層土質(zhì)、地下水條件、施工場地布置等因素，選擇兼具安全性、經(jīng)濟(jì)性和可靠性的盾構(gòu)施工方法。目前，國內(nèi)外常用的盾構(gòu)施工方法主要為土壓平衡法和泥水平衡法[1]。泥水平衡盾構(gòu)能夠很好地適應(yīng)砂礫、砂土、砂質(zhì)黏土及卵石層等多種地層土質(zhì)條件，但是在城市地鐵施工的作業(yè)區(qū)較小、場地有限，泥水平衡盾構(gòu)因需在現(xiàn)場裝備泥水配置系統(tǒng)和泥水處理系統(tǒng)而占據(jù)大量施工場地，因此在市區(qū)地鐵施工中使用不多[2]。土壓平衡盾構(gòu)對黏土層和砂質(zhì)土層適應(yīng)性較好，但是對砂礫和卵石層等滲透系數(shù)較大的地層適應(yīng)性不佳。因此在土壓平衡盾構(gòu)施工過程中，為保持開挖面穩(wěn)定性、防止渣土閉塞結(jié)餅，開挖渣土需具有一定的流動性、易掘進(jìn)性和穩(wěn)定性。對于無黏性土而言，需要其具有一定粘稠性和流動性;對于黏性土而言，需要減弱其粘稠性并提高流動性[3]。為滿足施工要求，在土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)過程中常采用黏土類礦物[4]、表面活性劑[5]、吸水或水溶性聚合物[6-7]等添加劑對開挖面土體進(jìn)行改良，產(chǎn)生的渣土即為一次改良渣土。

1 工程概況

成都地鐵18號線世海區(qū)間土壓平衡盾構(gòu)所穿越地層大多為風(fēng)化砂巖及泥巖層，在掘進(jìn)過程中產(chǎn)生的渣土為低液限黏土和低液限粉土。為增加渣土流動性并降低粘性，工程中采用泡沫劑對其進(jìn)行改良，以保證渣土在掘進(jìn)倉內(nèi)不形成泥餅。但泡沫劑改良后的渣土在出渣過程（皮帶機運輸、臨時堆放、卡車運輸）中存在諸多問題，如渣土流動性過大而在皮帶機傳送和卡車運輸過程中出現(xiàn)“滴、撒、漏”現(xiàn)象，以及渣土臨時堆放高度過大出現(xiàn)垮塌等。為解決成都地鐵18號線隧道中由土壓盾構(gòu)施工產(chǎn)生的高含水率、高流動性渣土在高速皮帶機出渣以及市內(nèi)運輸過程中存在的上述問題，實現(xiàn)渣土在皮帶機上的穩(wěn)定傳送、減少渣土堆放場地面積，對盾構(gòu)輸出渣土進(jìn)行二次改良，以實現(xiàn)高速皮帶機快速出渣、盾構(gòu)快速掘進(jìn)。

2 一次改良渣土土工特性

2.1 一次改良渣土分類

對成都地鐵18號線世海區(qū)間不同區(qū)域段盾構(gòu)所出的9組渣土顆粒粒徑分布進(jìn)行統(tǒng)計，如表1所示。根據(jù)GB/T 50145-2007《土的工程分類標(biāo)準(zhǔn)》中土顆粒粒徑范圍劃分，渣土顆粒類別為細(xì)粒土質(zhì)砂。此外，根據(jù)液塑限分析判斷渣土土質(zhì)，各試樣在塑性圖中的位置如圖1所示。對于細(xì)粒土質(zhì)砂而言，按其在如圖1中位置確定土類別：（a）當(dāng)細(xì)粒土位于塑性圖A線或A線以上時：在B線或B線以右，稱作高液限黏土，記為CH;在B線以左，IP=7線以上，稱作低液限黏土，記為CL。（b）當(dāng)細(xì)粒土位于塑性圖A線以下時：在B線或B線以右，稱作高液限粉土，記為MH;在B線以左，IP=4線以下，稱作低液限粉土，記為ML。由圖中所知，渣土塑性指標(biāo)皆處于CL區(qū)間內(nèi)，為低液限黏土。

2.2 一次改良渣土基本性質(zhì)

對施工區(qū)間內(nèi)盾構(gòu)所出渣土的含水率和流動度進(jìn)行分析。通過室內(nèi)流動度試驗及現(xiàn)場渣土觀察對比，確定滿足現(xiàn)場處理要求（4 h內(nèi)可堆碼、6 h內(nèi)可運輸且運輸時無“撒、滴、漏”現(xiàn)象）的渣土技術(shù)指標(biāo)：4 h流動度不大于110 mm，并以此作為渣土快速包水處理時的技術(shù)控制指標(biāo)。此外，渣土以回填料進(jìn)行最終消納時，其應(yīng)滿足的技術(shù)指標(biāo)為：錐入度不大于2 mm。本研究中流動度依照GB/T 2419-2005《水泥膠砂流動度測定方法》進(jìn)行測定，含水率依照GB/T 50123-1999《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測定，錐入度依照J(rèn)TG E 40-2007《公路土工試驗規(guī)程》進(jìn)行測定。

從施工現(xiàn)場不同區(qū)域取24組渣土試樣進(jìn)行含水率和流動度測定，如圖2所示。渣土種類為黏土質(zhì)砂類土，在保證盾構(gòu)掘進(jìn)過程中易掘進(jìn)、不形成泥餅時的流動度范圍為130～160 mm，含水率范圍為23 %～35 %。此外，對渣土流動度和含水率的變化關(guān)系進(jìn)行進(jìn)一步分析，如圖3所示。隨著含水率的增加，渣土流動度表現(xiàn)出逐漸增加的趨勢，但當(dāng)在一個較小的含水率范圍內(nèi)時，由于不同地區(qū)的渣土成分存在差異，流動度的變化并不完全遵循上述規(guī)律。

綜上，黏土質(zhì)砂類渣土中細(xì)粒組含量較高，顆粒間自由水遷移速度較慢，若采用自然風(fēng)干、過濾、離心、擠壓等物理方式除水，需占用大量場地，且干燥時耗費大量時間。因此，本研究采用一種新型快速包水處理技術(shù)，通過包水性材料與渣土中自由水的物化反應(yīng)，快速固定或消耗渣土中可流動的自由水，改善渣土流動性，使其在極短時間內(nèi)滿足消納要求。

3 包水材料的研究

基于對渣土中自由水的快速固化要求，同時滿足渣土碼堆及運輸要求，本研究選擇絨毛漿、高分子聚合物、生石灰、普硅水泥、熟料、速凝劑、增稠劑、黏土穩(wěn)定劑、水玻璃、促凝劑MS等作為包水材料組分。根據(jù)原材料作用機理和預(yù)期效果，采用單摻或復(fù)配的形式，研究在不同包水材料配比和摻量下的包水處理效果。根據(jù)試驗效果，在滿足材料性能要求的基礎(chǔ)上綜合經(jīng)濟(jì)性考慮，最終確定包水材料配比，如表2所示?，F(xiàn)場生產(chǎn)性試驗的包水材料摻量為渣土質(zhì)量的1 %。

4 生產(chǎn)性工藝研究

通過生產(chǎn)性工藝試驗，確定在實際工程中的包水材料使用方式，設(shè)計出高效可行的包水處理設(shè)備。此外，進(jìn)一步對比核實包水材料配比和摻量，了解現(xiàn)場實際施工過程中包水材料對渣土的處理效果，及包水處理后的渣土是否能夠達(dá)到皮帶機穩(wěn)定高速傳輸、露天堆碼無垮塌、運輸時無“撒、滴、漏”現(xiàn)象的要求。

4.1 包水處理工藝

要實現(xiàn)包水材料的包水效果，需要將包水材料與渣土混合均勻，以滿足以下要求：①使包水材料與渣土充分接觸以發(fā)揮包水材料效果;②減少包水材料用量以節(jié)約成本;③防塵。對渣土傳送、儲存及運輸環(huán)境進(jìn)行考察，初步提出三種投料方案：①在皮帶機上播撒包水材料;②在皮帶機尾部跌落過程中摻入包水材料;③在渣池中摻入包水材料輔以挖掘機攪拌。

如表3所示，通過綜合對比各投料方案的優(yōu)、缺點，優(yōu)選皮帶機投料。在始發(fā)井處設(shè)置儲料罐和下料管進(jìn)行儲投料，同時設(shè)置防塵罩減小揚塵污染。以上設(shè)計不占據(jù)地面施工場地，更符合文明施工理念。此外減少了攪拌機、挖掘機等輔助設(shè)備的使用，在成本和效率上更具優(yōu)勢。

4.2 渣土包水處理設(shè)備

由于包水材料為粉體材料，對始發(fā)井位置進(jìn)行量測，安裝30 t粉料罐2組。在投料方式上，利用螺旋機出料，通過遠(yuǎn)程控制螺旋機頻率控制出料量，螺旋機接入下料器，向皮帶機上方投料。此外，投料處皮帶機上方設(shè)置防塵罩以減小揚塵污染。包水處理設(shè)備如圖4所示，施工現(xiàn)場設(shè)備見圖5。包水處理設(shè)備的主要部件有：

（1）下料器。初期設(shè)計中，為保證出料與皮帶渣土的均勻性，在螺旋機口下接平板振動裝置，通過平板振動向皮帶上的渣土中播撒包水材料（圖6）。但是，采用振動平板下料會加重?fù)P塵產(chǎn)生。因此對下料器進(jìn)行改良，設(shè)置傾斜下料裝置（圖7）。在硬質(zhì)下料口位置下接軟連接，緩解粉塵下落速度，降低揚塵量。在現(xiàn)場設(shè)備安裝時，設(shè)置兩套儲投料設(shè)備，以保證在設(shè)備檢修時的無間斷投料。

（2）防塵罩。從出料口位置向皮帶機兩端延伸20 m設(shè)置防塵罩，并在防塵罩兩端設(shè)置軟簾，以達(dá)到減少揚塵擴(kuò)散、降低揚塵污染的目的。此外，以2 m間排距設(shè)置水霧裝置，對粉塵進(jìn)行主動防護(hù)。

對投料裝置、下料口皮帶機前后端和除塵裝置進(jìn)行多角度監(jiān)控，以保障包水處理設(shè)備安全、高效運行。將除塵設(shè)備控制開關(guān)和螺旋機控制開關(guān)接入操作間，操作人員可在操作間中對設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程操控。通過監(jiān)控觀察皮帶機出渣狀態(tài)，調(diào)節(jié)螺旋機出料頻率，從而控制包水材料投放量。

4.3 渣土包水處理效果

在包水處理設(shè)備投入使用后，對現(xiàn)場實際輸出渣土在包水處理前后的狀態(tài)進(jìn)行對比分析，主要分析內(nèi)容為流動度、跌落狀態(tài)和堆積情況等。

4.3.1 包水處理前后流動度對比

包水處理前后渣土流動度經(jīng)時變化情況如圖8所示。隨著放置時間的增加，各條件下的渣土流動度皆呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢。進(jìn)一步對各時段（初始→2 h、2 h→4 h、4 h→6 h）的流動度變化率進(jìn)行分析，如表4所示。未經(jīng)過包水處理的渣土試樣，其初始流動度為145 mm，2h、4h和6h的流動度分別為136 mm、128 mm和120 mm，變化率分別為6.2 %、5.5 %和5.5 %。經(jīng)過快速包水處理后，測得初始流動度為127 mm，2 h、4 h流動度分別為111 mm和100 mm，變化率分別為12.6 %和8.7 %。由于流動度測定儀的最小量程為100 mm，所以包水處理后6 h流動性變化無法通過流動度表示?，F(xiàn)場試驗結(jié)果表明，由內(nèi)部水分遷移、自由風(fēng)干以及包水材料與自由水間物化反應(yīng)產(chǎn)生的復(fù)合影響，使得渣土在包水處理后與經(jīng)包水處理前相比具有更高的流動度變化率。經(jīng)處理的渣土在2 h后，其流動度指標(biāo)即可滿足現(xiàn)場堆碼、運輸?shù)囊蟆?/p>

4.3.2 包水處理前后渣土跌落狀態(tài)對比

現(xiàn)場渣土從皮帶機端頭跌落高度為3 m，對包水處理前后渣土下落時的流動狀態(tài)及形成的休止角進(jìn)行觀察對比，如圖9所示。未經(jīng)包水處理的渣土從皮帶機端頭下落后，渣土由中間向四周擴(kuò)散，流動速度為0.5 m/s左右，輸送停止后渣土池表面幾乎成平面，休止角約為0～3 °;經(jīng)包水處理的渣土跌落后由中間向四周擴(kuò)散，流動速度下降60 %，為0.2 m/s左右，且當(dāng)輸送停止后渣土池內(nèi)形成一定高度堆坡，休止角約為5～15 °。

4.3.3 包水處理前后渣土堆碼狀態(tài)對比

受成都市交通限制，通常渣土運輸集中在夜間，運輸能力有限。為保證施工進(jìn)度，現(xiàn)場需具有一定的存渣能力。由于場地條件有限，成都地鐵18號線世海區(qū)間盾構(gòu)施工現(xiàn)場的渣土池面積為1 000 m2、擋墻高度為2 m、容量僅為2 000 m3，無法滿足雙線正常掘進(jìn)（20環(huán)/d，渣土產(chǎn)出量3 500 m3/d）所出渣土的儲存需求。在渣土池滿容量條件下，未經(jīng)包水處理的渣土短時間內(nèi)無法繼續(xù)進(jìn)行堆碼。經(jīng)包水處理、放置2 h后，可采用挖掘機對渣土進(jìn)行堆碼至擋墻以上，此時渣土堆積狀態(tài)如圖10所示?，F(xiàn)場試驗表明，包水處理可提升渣池堆放能力約2倍，隨著時間的推移，堆碼的高度繼續(xù)增加，渣土池的存渣能力相應(yīng)的也會繼續(xù)提升。

4.3.4 渣土包水處理前后社會消納能力對比

一般來說，盾構(gòu)所出渣土需建立專門渣場進(jìn)行消納，通過自然風(fēng)干使渣土達(dá)到常規(guī)建筑廢料的狀態(tài)，最終以回填方式再次利用[8]。在回填工程中，渣土的理想狀態(tài)為固態(tài)，該狀態(tài)下渣土可通過碾壓達(dá)最密實狀態(tài)。通過液塑限錐入度試驗對渣土在各放置齡期下的狀態(tài)進(jìn)行表征。經(jīng)包水處理后的渣土，在6～8 h后由流動狀態(tài)過渡為塑性狀態(tài)，其錐入度為16～18 mm，;在3～7 d后，由塑性狀態(tài)過渡為固態(tài)，其錐入度不大于2 mm。未經(jīng)包水處理的渣土，一般在5～10 d后錐入度達(dá)到16～18 mm，而天氣較差時該時間可達(dá)15 d以上。而達(dá)到錐入度不大于2 mm，則需要15～30 d。對于渣場而言，采用包水技術(shù)處理渣土后由運輸、場地租賃、場地管理等產(chǎn)生的成本將大幅度降低。

5 結(jié)束語

（1）通過對不同配比和摻量的包水材料進(jìn)行試驗，綜合包水效果和經(jīng)濟(jì)性考慮，最終確定包水材料配方，摻量為渣土質(zhì)量的1%。

（2）本研究中采用在始發(fā)井處皮帶機上方設(shè)置儲投料裝置，同時設(shè)置防塵裝置的工藝方案。該方案中設(shè)備設(shè)置時不額外占據(jù)地面空間，且利用皮帶機振動即可均勻混料，無需增加輔助攪拌設(shè)備。此外，防塵裝置的設(shè)置能有效減少揚塵污染。

（3）與未經(jīng)包水處理的渣土進(jìn)行對比，經(jīng)包水處理后的渣土能夠完全滿足現(xiàn)場堆碼、運輸?shù)募夹g(shù)指標(biāo)（4 h流動度不大于110 mm），且能夠在更短時間內(nèi)達(dá)到回填消納的要求（錐入度不大于2 mm）。

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