風(fēng)化巖層巖渣配制的盾構(gòu)同步注漿漿液性能及微觀形貌分析

王義盛,趙小鵬,袁 銳,李鵬飛,姚占虎,王登峰,閔凡路

(1.中交隧道工程局有限公司,北京 100102;2.河海大學(xué)巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)試驗(yàn)室,江蘇 南京 210098;3.河海大學(xué)土木與交通工程學(xué)院,江蘇 南京 210098)

近年來,泥水盾構(gòu)工法以其高安全性和優(yōu)越的壓力控制模式在我國(guó)大型水下交通隧道工程中應(yīng)用越來越多[1-3]。泥水盾構(gòu)產(chǎn)生的大量廢棄泥漿,經(jīng)泥水處理系統(tǒng)處理后,粗顆粒被分離出來,剩余泥砂作為廢棄渣土進(jìn)行處理。目前工程中廢棄渣土常用的處理方式為外運(yùn)填埋,這不僅占用了大量的土地資源,還易造成二次污染,對(duì)環(huán)境產(chǎn)生負(fù)面影響。此外,渣土本身就是一種資源,外運(yùn)填埋的處理方式造成了極大的資源浪費(fèi)。因此,如何實(shí)現(xiàn)大量廢棄渣土的綠色處理及資源化利用成了工程中亟須解決的問題之一。

盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過程中,因其工法原理導(dǎo)致盾尾管片與地層之間存在15～25cm的空隙,工程中通常會(huì)通過同步注漿的方式填充空隙,以減少地層沉降[4]。同步注漿漿液主要由水泥、粉煤灰等膠凝材料以及砂和水組成,其中砂的含量在50%以上,是重要的組成成分。因此探究盾構(gòu)渣土代替砂在同步注漿中的再利用具有一定的工程價(jià)值[5]。

目前針對(duì)廢棄渣土配制同步注漿漿液的研究,主要是圍繞廢棄渣土用于配制同步注漿漿液的配比、性能優(yōu)化和經(jīng)濟(jì)性分析等方面開展的。鐘小春等[6]用南京長(zhǎng)江隧道工程排出的未處理粉細(xì)砂部分替代商品砂,直接用于配制同步注漿漿液,所制漿液隨著土砂比(粉黏粒與砂土干質(zhì)量之比)的增大,漿液凝結(jié)時(shí)間增長(zhǎng)。在南京緯三路過江通道工程中,陳喜坤等[7-8]將其粉細(xì)砂地層的渣土過篩處理后,部分代替商品砂配制同步注漿漿液,發(fā)現(xiàn)隨渣土細(xì)度模數(shù)的增加,漿液凝結(jié)時(shí)間增長(zhǎng),但是在一定范圍內(nèi)可以滿足工程要求。李雪等[9]將粉細(xì)砂地層中不同地段的3種不同盾構(gòu)渣土用于替換同步注漿漿液中的商品砂,發(fā)現(xiàn)采用渣土替換商品砂所配制漿液的凝結(jié)時(shí)間普遍比原漿液的凝結(jié)時(shí)間長(zhǎng)。此外,也有探討利用黏土地層渣土[10]和廢棄泥漿[11]代替部分膨潤(rùn)土和水等材料進(jìn)行同步注漿漿液配制的研究,但是用量一般都比較少,且會(huì)導(dǎo)致漿液凝結(jié)時(shí)間明顯增長(zhǎng),漿液后期強(qiáng)度顯著減小。綜上所述,工程中采用渣土配制同步注漿漿液方面的研究較多,且大多數(shù)是針對(duì)廢棄粉細(xì)砂配制同步注漿漿液開展研究的,但凝結(jié)時(shí)間相比現(xiàn)場(chǎng)漿液有所延長(zhǎng)。

本文依托南京和燕路過江通道工程,以泥水盾構(gòu)穿越中風(fēng)化角礫巖層所排出的巖渣替換一定比例的原同步注漿漿液中的商品砂,測(cè)試替換后的漿液流動(dòng)性、凝結(jié)時(shí)間、強(qiáng)度等基本性質(zhì),探討巖渣替換商品砂進(jìn)行同步注漿漿液配制的可行性,并給出能夠滿足同步注漿要求的替換比例。

1 工程概況

南京和燕路過江通道位于長(zhǎng)江大橋和長(zhǎng)江二橋之間,距離上游的長(zhǎng)江大橋約7.4km,距離下游的長(zhǎng)江二橋約2.7km。和燕路過江通道工程采用隧道方案穿越長(zhǎng)江右汊(主江),主線工程全長(zhǎng)約5.725km,其中隧道盾構(gòu)段為YK1+732.209～YK4+708.589,長(zhǎng)約2976.38m,采用15.03m的超大直徑泥水盾構(gòu)機(jī)修建,隧道外徑為14.5m,內(nèi)徑為13.3m。

盾構(gòu)主要穿越強(qiáng)透水砂層、土-巖復(fù)合地層、全斷面風(fēng)化巖層(約1270m,其中包含部分巖溶和斷裂帶)等多種復(fù)雜地層,進(jìn)入全斷面風(fēng)化巖層后,將會(huì)產(chǎn)生大約22.5萬m3的巖渣。若按通常的外運(yùn)棄置方式處理廢棄巖渣,將造成一定的環(huán)境污染。盾構(gòu)所排放的巖渣級(jí)配曲線如圖1所示,從圖1中可以看出巖渣粒徑小于2mm的顆粒占90%以上,顆粒級(jí)配較好,可以用于配制同步注漿漿液,對(duì)此開展廢棄巖渣替換商品砂配制同步注漿漿液的研究。將巖渣用于配制同步注漿漿液不僅能夠節(jié)省商品砂的購(gòu)買費(fèi)用,還可以解決巖渣堆放帶來的環(huán)境問題。

圖1 級(jí)配曲線

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)材料

巖渣替換商品砂的同步注漿試驗(yàn),采用以水泥、粉煤灰、商品砂、巖渣、水和添加劑(減水劑)為原材料的可硬性活性漿液進(jìn)行注漿。同步注漿所用細(xì)砂經(jīng)過洗砂、烘干后進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn),水泥為海螺水泥廠P·O42.5普通硅酸鹽水泥,粉煤灰為南京揚(yáng)子粉煤灰公司生產(chǎn)的F類Ⅱ級(jí)粉煤灰,減水劑為江蘇蘇博特新材料公司PCA-Ⅰ聚羧酸減水劑,膨潤(rùn)土以蒙脫石為主要成分。

本試驗(yàn)所用巖渣為盾構(gòu)穿越中風(fēng)化角礫巖地層施工產(chǎn)生的,地層中角礫巖呈紫紅色夾灰白色,角礫狀構(gòu)造,以鈣質(zhì)膠結(jié)為主。角礫成分主要為砂巖、灰?guī)r等,灰?guī)r質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為30%～50%。盾構(gòu)機(jī)掘經(jīng)此地層排出的廢棄泥砂經(jīng)旋流、振篩后得到巖渣,含水率ω渣=23.45%。巖渣級(jí)配曲線如圖1所示,巖渣不均勻系數(shù)Cu=6.2,曲率Cc=0.69,粒徑小于0.075mm的粉粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為24.5%,即含泥率φ=24.5%。

2.2 試驗(yàn)裝置和方法

為滿足漿液在施工中的泵送能力、穩(wěn)定性和注入空隙后盡快固結(jié)硬化等要求,需要測(cè)定漿液流動(dòng)度、稠度、泌水率、凝結(jié)時(shí)間和抗壓強(qiáng)度。

同步注漿材料的抗壓強(qiáng)度、稠度和凝結(jié)時(shí)間參考JGJ/T 70—2009《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[12]進(jìn)行試驗(yàn),流動(dòng)度參考GB/T 2419—2005《水泥膠砂流動(dòng)度測(cè)定方法》[13],泌水率測(cè)定參考GB/T 50080—2002《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[14]以及T/CECS 563—2018《盾構(gòu)法隧道同步注漿材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》[15]。圖2是同步注漿漿液性能測(cè)試儀器,主要包括稠度儀、砂漿流動(dòng)度測(cè)定儀、路面材料強(qiáng)度測(cè)試儀、量筒、凝結(jié)時(shí)間測(cè)定儀等。

圖2 同步注漿漿液性能測(cè)試儀器

2.3 試驗(yàn)方案

按照盾構(gòu)隧道現(xiàn)場(chǎng)同步注漿材料及配比進(jìn)行試驗(yàn),測(cè)試漿液流動(dòng)度、稠度、凝結(jié)時(shí)間、泌水率、抗壓強(qiáng)度等各項(xiàng)性能參數(shù),現(xiàn)場(chǎng)同步注漿漿液配比:水泥260g、粉煤灰190g、砂1100g、水340g、膨脹土80g、減水劑8g。

為滿足盾構(gòu)同步注漿的目的和施工工藝要求,同步注漿漿液需滿足強(qiáng)度、流動(dòng)性、凝結(jié)時(shí)間、泌水率和抗壓強(qiáng)度等要求。根據(jù)工程地質(zhì)條件、周邊情況、注漿情況和工程經(jīng)驗(yàn)等,同步注漿漿液的流動(dòng)度、稠度、凝結(jié)時(shí)間、泌水率和抗壓強(qiáng)度等一般需要滿足的性能指標(biāo)見表1[6,16-19]。

表1 同步注漿漿液性能指標(biāo)及現(xiàn)場(chǎng)漿液基本性能

巖渣替換商品砂配制同步注漿漿液試驗(yàn)在現(xiàn)場(chǎng)原始同步注漿配比的基礎(chǔ)上,不計(jì)算巖渣中泥(粒徑小于0.075mm)的含量,將巖渣等質(zhì)量替換原漿液中的商品砂和水,然后測(cè)試不同替換比例(替換比例為10%～100%,每組試驗(yàn)巖渣替換比例間隔10%)漿液的性能。由于巖渣中的含泥量較高,使用其替換商品砂會(huì)增加漿液中的泥含量,從而導(dǎo)致漿液吸水性增加、流動(dòng)性降低,因此將本試驗(yàn)中基于廢棄巖渣配制的漿液的用水量均增加至510g。巖渣替換量計(jì)算公式為

m渣=m砂(1+ω渣)/(1-φ)

(1)

式中:m渣為巖渣質(zhì)量;m砂為商品砂質(zhì)量。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 流動(dòng)性

流動(dòng)度和稠度是衡量漿液泵送能力的指標(biāo)[20],當(dāng)流動(dòng)度、稠度較小時(shí),注漿所需壓力增大,不利于漿液在注漿管道內(nèi)的泵送。流動(dòng)度和稠度與替換比例的關(guān)系如圖3所示,由于使用巖渣替換商品砂試驗(yàn)配比相對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)配比增加了用水量,水膠比增大,因此巖渣替換比例為10%時(shí)的流動(dòng)度和稠度比現(xiàn)場(chǎng)漿液有所增大。但隨著替換比例逐漸增大,漿液中含泥量逐漸增加,流動(dòng)度、稠度呈下降趨勢(shì),根據(jù)工程要求,流動(dòng)度應(yīng)大于260mm,稠度在10～13cm,因此,替換比例在30%～85%可以滿足流動(dòng)度和稠度指標(biāo)。替換比例在85%的漿液的流動(dòng)度為260mm、稠度為11.8cm,與現(xiàn)場(chǎng)漿液接近。

圖3 替換比例與流動(dòng)性的關(guān)系曲線

3.2 泌水率

同步注漿漿液泌水率是單位體積的漿液中固體顆粒下沉?xí)r與粒料分離所泌水體積的大小,是評(píng)價(jià)同步注漿漿液性能的重要參數(shù)之一,可以反映漿液的穩(wěn)定性[21]。泌水率越小,表示漿液越穩(wěn)定,反之,漿液越不穩(wěn)定,在注漿過程中越容易發(fā)生堵管現(xiàn)象,因此,同步注漿漿液的泌水率越小越好。

泌水率與替換比例關(guān)系如圖4所示,由于使用巖渣替換商品砂試驗(yàn)相比現(xiàn)場(chǎng)漿液用水量增大,因此替換比例為10%時(shí)相對(duì)現(xiàn)場(chǎng)漿液泌水率大幅度增加。但隨著替換比例增大,泌水率呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。隨著替換比例增大,漿液中含泥量增多,漿液整體孔隙率降低,水不易排出,進(jìn)而泌水率減小。替換比例大于50%時(shí),泌水率小于3.5%,滿足同步注漿漿液泌水率要求,為滿足漿液泌水率指標(biāo),替換比例應(yīng)在50%～100%。

圖4 替換比例與泌水率的關(guān)系曲線

3.3 凝結(jié)時(shí)間與抗壓強(qiáng)度

從盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)到管片脫出盾尾后,隧道管片在一定長(zhǎng)度范圍內(nèi)就像兩端固定的彈簧梁:一端受到盾尾的約束不能上浮,另一端受到已凝固水泥砂漿固體的約束也不能上浮[22]。如果管片脫出盾尾后(一般情況2環(huán)或3環(huán)),同步注漿漿液凝結(jié)時(shí)間過長(zhǎng),達(dá)不到一定的早期強(qiáng)度,隧道管片仍然可視為浸泡在液體之中,在浮力的作用下必然會(huì)產(chǎn)生上浮現(xiàn)象。因此,凝結(jié)時(shí)間以及初期抗壓強(qiáng)度對(duì)控制盾構(gòu)隧道管片上浮具有十分重要的作用。

漿液的凝結(jié)時(shí)間和抗壓強(qiáng)度受水膠比、膠砂比、替換比例與水泥占比等因素影響,從圖5可以看出,隨著替換比例增大,凝結(jié)時(shí)間縮短,替換比例為85%時(shí),縮短至7.3h;1d抗壓強(qiáng)度逐漸增大,3d和7d抗壓強(qiáng)度在替換比例為10%～50%時(shí)有所減小,在60%～100%時(shí)增大。替換比例為85%時(shí),1d抗壓強(qiáng)度為0.73MPa,增強(qiáng)了近1倍;7d抗壓強(qiáng)度為2.26MPa,略小于現(xiàn)場(chǎng)漿液。根據(jù)同步注漿要求,漿液凝結(jié)時(shí)間應(yīng)在6～12h范圍內(nèi),1d抗壓強(qiáng)度大于或等于0.15MPa,7d抗壓強(qiáng)度大于或等于0.5MPa,因此替換商品砂各組漿液凝結(jié)時(shí)間、抗壓強(qiáng)度均能滿足施工要求。

圖5 替換比例與抗壓強(qiáng)度及凝結(jié)時(shí)間的關(guān)系曲線

綜上所述,以巖渣替換商品砂進(jìn)行同步注漿漿液配制,當(dāng)替換比例在50%～85%時(shí),漿液各項(xiàng)指標(biāo)能夠滿足同步注漿漿液性能標(biāo)準(zhǔn),替換比例越大,流動(dòng)度、稠度越小,漿液泵送能力降低。替換比例越大,泌水率越小,漿液凝結(jié)時(shí)間越短,1d抗壓強(qiáng)度隨替換比例增大而增大,7d抗壓強(qiáng)度隨替換比例先減小后增大。相較于現(xiàn)場(chǎng)漿液性能,將巖渣替換商品砂進(jìn)行同步注漿漿液配制,總用水量增多,但所得漿液凝結(jié)時(shí)間均比現(xiàn)場(chǎng)短,且1d抗壓強(qiáng)度均大于現(xiàn)場(chǎng)漿液。

4 討 論

目前國(guó)內(nèi)關(guān)于廢棄渣土用于配制同步注漿漿液的研究,多是關(guān)于廢棄粉細(xì)砂配制同步注漿漿液。將粉細(xì)砂地層盾構(gòu)機(jī)所排出的渣土經(jīng)過一定處理后用于配制同步注漿漿液,漿液凝結(jié)時(shí)間有所增加,且抗壓強(qiáng)度略小于原漿液,通過調(diào)整配比,所制漿液各性質(zhì)均能滿足要求。本文采用盾構(gòu)穿越中風(fēng)化角礫巖層時(shí)排出的巖渣替換現(xiàn)場(chǎng)漿液中部分商品砂和水,隨著替換比例增大,漿液凝結(jié)時(shí)間縮短、1d抗壓強(qiáng)度增大,有利于更好地控制盾構(gòu)隧道管片的上浮。相比于粉細(xì)砂層渣土,替換效果更好,且所用巖渣不需經(jīng)過進(jìn)一步處理,可直接用于配制同步注漿漿液,在一定的配比條件下,漿液各項(xiàng)性能均能滿足施工要求。

針對(duì)圖5中巖渣摻入后漿液凝結(jié)時(shí)間縮短和1d抗壓強(qiáng)度增大的現(xiàn)象,進(jìn)行了XRD和SEM微觀測(cè)試。由圖6可知,巖渣中含有一定量的Al2Si2O5(OH)4相,Al2Si2O5(OH)4屬于高嶺石,是一種黏土礦物,由長(zhǎng)石、普通輝石等鋁硅酸鹽類礦物在風(fēng)化過程中形成。Al2Si2O5(OH)4在水中會(huì)電解出Al3+,Al3+能夠加速Ca5Si6O16(OH)·4H2O(水化硅酸鈣,簡(jiǎn)稱C-S-H)凝膠的形成[23]。C-S-H凝膠是水泥水化的主要產(chǎn)物之一,其與另一水化產(chǎn)物3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O結(jié)晶(鈣礬石,簡(jiǎn)稱AFt)相互搭接,填充于漿液的空隙之中,是漿液凝結(jié)后強(qiáng)度的主要來源。而商品砂的主要成分為二氧化硅,在漿液中主要起骨架作用,幾乎對(duì)水泥水化反應(yīng)沒有影響。

圖6 巖渣XRD圖譜

由圖7可知,各試樣水化產(chǎn)物種類基本相同,均為AFt、C-S-H凝膠和Ca(OH)2等,未摻入巖渣替換商品砂組試樣中,生成AFt和C-S-H凝膠較少,水化程度較低,產(chǎn)物間搭接不密實(shí),因此強(qiáng)度較低。相較于替換比例為20%和50%組,巖渣替換比例增大,C-S-H凝膠量明顯增多,AFt結(jié)晶生成增多,各產(chǎn)物之間搭接更緊密,空隙較少,強(qiáng)度更高。

圖7 巖渣替換商品砂試樣水化1d的SEM圖

替換比例越大,Al2Si2O5(OH)4越多,則其在水中電解出的Al3+越多。Al3+能夠加速C-S-H凝膠的形成, C-S-H凝膠增多,能與AFt結(jié)晶搭接更緊密,漿液空隙更少,因而漿液凝結(jié)時(shí)間縮短,1d抗壓強(qiáng)度增大。這是漿液凝結(jié)時(shí)間縮短、強(qiáng)度提高的根本原因之一。和燕路過江隧道右線總掘進(jìn)約1500環(huán),其中全斷面風(fēng)化巖層約635環(huán)。盾構(gòu)機(jī)外徑D=15.03m,隧道管片外徑d=14.5m,環(huán)寬B=2m,注入率為α=150%,則單環(huán)注入量V=π(D2-d2)Bα/4 =36.87m3。

按現(xiàn)用漿液配比中商品砂用量進(jìn)行估算,商品砂單價(jià)為150～200元/t,若將全斷面風(fēng)化巖層約635環(huán)所排巖渣均用于配制同步注漿漿液,替換比例為85%,不計(jì)巖渣處理費(fèi)用、砂子運(yùn)輸費(fèi)及人工費(fèi)用,可節(jié)約成本約380萬元。可見使用巖渣替換商品砂進(jìn)行同步注漿材料制備具有較高的經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié) 論

a.替換比例越大,流動(dòng)度、稠度、泌水率、凝結(jié)時(shí)間越小;1d抗壓強(qiáng)度隨著替換比例增加而增強(qiáng),而7d抗壓強(qiáng)度隨替換比例增加先減小后增大;替換比例為50%～85%時(shí),漿液各項(xiàng)性能指標(biāo)均能滿足施工要求,說明使用巖渣替換同步注漿漿液中商品砂的可行性較高。

b.相對(duì)于粉細(xì)砂層渣土,使用風(fēng)化巖層巖渣替換商品砂配制同步注漿漿液的最大優(yōu)勢(shì)在于能夠使?jié){液凝結(jié)時(shí)間縮短。從巖渣XRD圖譜中發(fā)現(xiàn),巖渣替換商品砂配制的同步注漿漿液含有Al2Si2O5(OH)4相,Al2Si2O5(OH)4在水中會(huì)電解出Al3+,Al3+能夠促進(jìn)漿液中C-S-H凝膠的形成,C-S-H凝膠增多,能與AFt結(jié)晶搭接更緊密,漿液空隙更少,則漿液凝結(jié)時(shí)間縮短、1d抗壓強(qiáng)度增大。

c.替換比例為85%時(shí),漿液性能滿足施工要求,且可最大限度地將巖渣再次利用,此替換比例下漿液流動(dòng)度260mm、稠度11.8cm,與現(xiàn)場(chǎng)漿液接近;凝結(jié)時(shí)間為7.3h,縮短了約30%;1d抗壓強(qiáng)度為0.73MPa,增強(qiáng)了近1倍,7d抗壓強(qiáng)度為2.26MPa,略小于現(xiàn)場(chǎng)漿液,但仍能滿足施工要求。