南京江底盾構(gòu)施工廢棄砂土在同步注漿中再利用的適用性

劉慧剛 丁建文 吉鋒 高鵬舉 廖趙勝

摘要：依托南京長(zhǎng)江新濟(jì)洲供水廊道項(xiàng)目泥水盾構(gòu)工程，針對(duì)江底粉細(xì)砂地層和巖石地層中泥水盾構(gòu)施工產(chǎn)生的廢棄砂土，研究其在盾構(gòu)同步注漿材料中再利用的適用性。通過改變砂土地層棄砂的粒徑分布，研究其對(duì)砂漿性能的影響；針對(duì)巖石地層產(chǎn)生的廢棄砂土，研究其顆粒形狀對(duì)砂漿性能的影響，并對(duì)巖層棄砂制備同步砂漿進(jìn)行配比優(yōu)化。結(jié)果表明：該工程砂土層棄砂可直接代替原配比中的砂進(jìn)行再利用，巖層棄砂通過調(diào)整配比亦能滿足工程要求；增大砂層棄砂細(xì)度模數(shù)和砂粒含量可改善砂漿的流動(dòng)性，但砂土黏粒含量過大會(huì)使砂漿流動(dòng)性變差、凝結(jié)時(shí)間縮短、強(qiáng)度降低；巖層棄砂顆粒表面越粗糙，所制備砂漿流動(dòng)性越差，凝結(jié)時(shí)間越短。合適配比下，盾構(gòu)施工廢棄砂土可應(yīng)用于同步注漿，砂漿配比應(yīng)隨廢棄砂土粒徑分布和顆粒形狀的變化做出適當(dāng)調(diào)整。

關(guān)鍵詞：泥水盾構(gòu)；廢棄砂土；巖層棄砂；同步注漿；資源化利用

中圖分類號(hào)：TU744???? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A???? 文章編號(hào)：2096-6717（2023）06-0134-09

Applicability of recycling of shield waste sand as synchronous grouting during shield construction under the Nanjing Yangtze River

LIU Huigang1， DING Jianwen1， JI Feng2， GAO Pengju1， LIAO Zhaosheng1

（1. School of Transportation， Southeast University， Nanjing 210096， P. R. China； 2. The Eastern Route of South-to-North Water Diversion Project Jiangsu Water Source Co.， Ltd.， Nanjing 210029， P. R. China）

Abstract： Based on the slurry shield engineering of Xinjizhou water supply corridor project in Nanjing Yangtze River， the applicability of reusing waste sand as shield synchronous grouting materials was studied， which was produced by slurry shield construction in silty fine sand layer and rock stratum. Through changing the particle size distribution of abandoned sand in sandy soil layer， its influence on the performance of mortar was examined; furthermore， the influence of the particle shape of rock stratum waste sand on the performance of mortar? was investigated， and the proportioning optimizing of synchronous mortar prepared from rock stratum waste sand was discussed. The results indicated that the sand layer waste sand can be used to replace the original sand directly， and the rock stratum waste sand can also satisfy the engineering requirements by adjusting the proportion; the fluidity of mortar improves with the increase of fineness modulus and sand content of sand layer waste sand， but excessive clay content results in decreased fluidity， shorter setting time and lower strength of mortar; the rougher the surface of rock stratum waste sand particles， the worse the fluidity and shorter the setting time. The waste sand of shield construction can be used for synchronous grouting under the appropriate proportioning， but the mortar proportioning should be adjusted appropriately with the change of particle size distribution and particle surface shape of waste sand.

Keywords： slurry shield； waste sand； rock stratum waste sand； synchronous grouting； recycling

近年來，隨著生態(tài)文明建設(shè)的有力推進(jìn)，施工廢棄泥漿渣土無害化處理及資源化利用成為必然趨勢(shì)[1-6]。泥水盾構(gòu)施工廢棄泥漿渣土是指盾構(gòu)刀盤掘削地層產(chǎn)生的渣土與泥漿混合后輸送到地面的廢棄物，經(jīng)泥水分離系統(tǒng)處理后分離成泥漿和廢棄渣土，其中部分泥漿進(jìn)入泥漿循環(huán)系統(tǒng)再利用，多余泥漿則成為廢棄泥漿，而廢棄渣土又可根據(jù)掘進(jìn)地層的不同分為廢棄黏土和廢棄砂土等。

目前，關(guān)于廢棄砂土在壁后注漿中的再利用已有不少研究。鐘小春等[7]提出將南京長(zhǎng)江隧道施工排放的粉細(xì)砂用于壁后注漿中，并研究了各種渣土情況下漿液性質(zhì)的變化。林文書等[8]、許可[9]研究了不同顆粒組成、不同塑性指數(shù)的盾構(gòu)泥砂對(duì)同步注漿材料工作性能、力學(xué)性能及抗水分散性能的影響。Wang[10]以粉細(xì)砂地層的廢棄砂土作為盾構(gòu)同步注漿的砂源，并探討了不同配比條件下的砂漿性能。陳喜坤等[11]、張亞洲等[12]探究了砂的細(xì)度模數(shù)對(duì)同步砂漿基本性能的影響，進(jìn)而提出了棄砂再利用的方法。Zhou等[13]、李雪等[14]探究了廢棄砂土作為壁后注漿砂源的可行性，同時(shí)研究了優(yōu)化砂漿性能的方法。Kato等[15]提出了一種將廢棄渣土與水泥混合后用作回填土的方法。Xu等[16]將盾構(gòu)開挖出的黏質(zhì)粉土作為壁后注漿中砂的替代物，提出了黏質(zhì)粉土的再利用方案，并對(duì)砂漿進(jìn)行了微觀分析。郝彤等[17]分析了地鐵盾構(gòu)渣土摻量及水膠比對(duì)砂漿性能的影響，探討了盾構(gòu)渣土制備同步注漿材料的可行性。史慶濤等[18]采用致密堆積設(shè)計(jì)思想，開展了篩分渣土、黃砂與膠結(jié)材的緊密堆積密度試驗(yàn)研究。目前關(guān)于廢棄砂土在壁后注漿中的研究主要集中在可行性驗(yàn)證、廢棄砂土對(duì)砂漿性能的影響、砂漿配比優(yōu)化等方面，關(guān)于廢棄砂土自然變異性對(duì)砂漿性能影響的研究還不足。另外，目前大部分研究都是針對(duì)粉細(xì)砂地層產(chǎn)生的廢棄砂，缺少針對(duì)巖石地層所產(chǎn)生廢棄砂的相關(guān)研究。

筆者依托南京長(zhǎng)江新濟(jì)洲過江供水廊道項(xiàng)目泥水盾構(gòu)工程，針對(duì)該工程粉細(xì)砂地層產(chǎn)生的廢棄砂土，研究其在同步砂漿中再利用的適用性，同時(shí)，考慮粉細(xì)砂地層的自然變異性，研究廢棄砂土粒徑分布對(duì)砂漿性能的影響；針對(duì)該工程巖石地層產(chǎn)生的廢棄砂土，研究其顆粒形狀特性對(duì)砂漿性能的影響，并利用多元回歸分析和多目標(biāo)規(guī)劃進(jìn)行配比優(yōu)化，得到滿足本工程施工要求的同步砂漿，驗(yàn)證了巖層棄砂制備同步砂漿的可行性。

1 工程背景

1.1 工程概況

南京長(zhǎng)江新濟(jì)洲過江供水廊道項(xiàng)目采用泥水盾構(gòu)施工，隧道單線單洞總長(zhǎng)1 945 m，盾構(gòu)管片外徑6.2 m，埋深約10.77～51.53 m，江面至江底水深約33 m。隧道地質(zhì)條件復(fù)雜，自江寧始發(fā)井到新濟(jì)洲接收井依次穿越444 m軟土地層、25 m軟硬不均地層、600 m閃長(zhǎng)玢巖層、57 m軟硬不均地層、819 m砂土地層，如圖1所示。該工程盾構(gòu)機(jī)穿越巖石地層和砂土地層時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的廢棄砂土，如將其運(yùn)用于同步砂漿中，將產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)和環(huán)保效益。

1.2 漿液性能要求

盾構(gòu)壁后注漿作為盾構(gòu)隧道施工中一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，其主要目的在于及時(shí)填充盾尾空隙，控制由地層損失引起的地表沉降[19-21]，這就要求注漿漿液具有良好的輸送性能、充填性能和強(qiáng)度性能。結(jié)合工程特點(diǎn)并參考相關(guān)文獻(xiàn)[21-25]，初步確定工程施工所用同步砂漿的性能指標(biāo)要求為：流動(dòng)度為20～25 cm，稠度為10～13 cm，凝結(jié)時(shí)間為6～9 h，泌水率不大于5%，體積收縮率不大于5%，3、7、28 d抗壓強(qiáng)度分別不低于0.5、1.0、2.5 MPa。

2 試驗(yàn)材料、試樣制備及測(cè)試方法

2.1 試驗(yàn)材料

壁后同步砂漿采用單液硬性漿，其主要成分為水泥、粉煤灰、膨潤(rùn)土、砂，為保證試驗(yàn)所得結(jié)果適用于工程施工，試驗(yàn)所用原材料均取自工程現(xiàn)場(chǎng)。

水泥為散裝P·O 42.5普通硅酸鹽水泥；粉煤灰為句容市東升公司生產(chǎn)的二級(jí)粉煤灰；膨潤(rùn)土為江蘇潤(rùn)通膨潤(rùn)土科技有限公司生產(chǎn)的鈉基膨潤(rùn)土。

工程現(xiàn)場(chǎng)使用的砂，簡(jiǎn)稱現(xiàn)場(chǎng)河砂?，F(xiàn)場(chǎng)河砂顆粒均小于4.75 mm，細(xì)度模數(shù)為0.30，砂粒含量為71.1%，粉粒含量為22.0%，黏粒含量為6.9%，不均勻系數(shù)為3.11，曲率系數(shù)為1.87，屬于均粒土，級(jí)配不良，顆粒分布曲線見圖2。

粉細(xì)砂地層產(chǎn)生的廢棄砂土，簡(jiǎn)稱砂層棄砂。砂層棄砂顆粒均小于4.75 mm，細(xì)度模數(shù)為0.13，砂粒含量為65.4%，粉粒含量為32.6%，黏粒含量為2.1%。不均勻系數(shù)為2.01，曲率系數(shù)為0.97，屬于均粒土，級(jí)配不良，顆粒分布曲線見圖2。

巖石地層產(chǎn)生的廢棄砂土，簡(jiǎn)稱巖層棄砂，為盾構(gòu)在閃長(zhǎng)玢巖中掘進(jìn)時(shí)產(chǎn)生的渣土過4.75 mm篩后所得。細(xì)度模數(shù)為1.94，砂粒含量為84.1%，粉粒含量為12.8%，黏粒含量為3.1%。不均勻系數(shù)為15.33，曲率系數(shù)為1.76，屬不均粒土，級(jí)配良好，顆粒分布曲線見圖2。

2.2 試樣制備及測(cè)試方法

砂漿的制備流程：將膨潤(rùn)土與水混合并攪拌均勻，制備出一定膨水比的泥漿；靜置24 h讓其充分膨化；在泥漿中加入水泥、粉煤灰和砂，充分?jǐn)嚢韬蠹吹玫皆囼?yàn)用砂漿。制備完成后，迅速進(jìn)行砂漿的流動(dòng)度和稠度測(cè)試，取部分砂漿分別測(cè)試泌水率與凝結(jié)時(shí)間，剩余砂漿用于制作無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試塊，待養(yǎng)護(hù)后測(cè)試砂漿的強(qiáng)度及體積收縮率。各項(xiàng)性能指標(biāo)測(cè)試方法如下。

1）稠度、凝結(jié)時(shí)間和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度測(cè)試參考《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ/T 70—2009）。

2）流動(dòng)度測(cè)試采用《水泥膠砂流動(dòng)度測(cè)定方法》（GB/T 2419—2005）中的截錐圓模測(cè)試方法。

3）泌水率測(cè)試參考《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50080—2016）。

4）體積收縮率通過測(cè)量28 d抗壓強(qiáng)度試樣的長(zhǎng)、寬、高尺寸確定，試樣實(shí)際體積與試模標(biāo)準(zhǔn)容積的差值與標(biāo)準(zhǔn)容積的比值即為體積收縮率。

3 砂層棄砂再利用研究

依據(jù)本工程漿液性能要求，利用現(xiàn)場(chǎng)河砂，通過前期試配得到滿足要求的基礎(chǔ)配比為粉灰比1.5、膨水比0.067、水膠比0.9、膠砂比0.75，即試驗(yàn)組S1。然后用砂層棄砂直接全部代替基礎(chǔ)配比中的現(xiàn)場(chǎng)河砂，分析砂層棄砂制備的砂漿性能是否滿足工程要求，在此基礎(chǔ)上，通過對(duì)砂層棄砂篩分得到不同粒徑分布的砂樣，研究廢棄砂土粒徑分布對(duì)砂漿性能的影響。各試驗(yàn)組試驗(yàn)結(jié)果見表1。

3.1 砂層棄砂適用性分析

表2給出了砂層棄砂和現(xiàn)場(chǎng)河砂所制備砂漿的性能測(cè)試結(jié)果。相比于現(xiàn)場(chǎng)河砂制備的砂漿，砂層棄砂制備的砂漿具有更好的流動(dòng)性、更短的凝結(jié)時(shí)間和更高的強(qiáng)度，雖然泌水率和體積收縮率更大，但均在5%以下。因此，在工程中可以直接用粉細(xì)砂地層的廢棄砂土全部代替同步砂漿中的砂，制備出的砂漿能夠滿足工程要求。

3.2 細(xì)度模數(shù)對(duì)砂漿性能的影響

將砂層棄砂篩分得到細(xì)度模數(shù)分別為0.1、0.5、1.0的砂樣，并控制砂樣的砂粒含量和黏粒含量不變，砂樣顆粒分布曲線如圖3所示。

圖4給出了砂漿流動(dòng)性、凝結(jié)時(shí)間、泌水率與細(xì)度模數(shù)之間的關(guān)系曲線，從圖中可以看出，在砂粒含量和黏粒含量相同的情況下，隨著細(xì)度模數(shù)的增大，砂漿的流動(dòng)度、稠度和凝結(jié)時(shí)間均呈線性增大趨勢(shì)，而泌水率稍有降低。圖5為細(xì)度模數(shù)對(duì)砂漿無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響，可以看到，砂漿的強(qiáng)度隨著細(xì)度模數(shù)的增大略有降低，但變化幅度較小。

定量來看，隨著細(xì)度模數(shù)從0.1增大到1.0，砂漿的流動(dòng)度、稠度、凝結(jié)時(shí)間分別增加了12.7%、15.3%、16.1%，而泌水率、3 d強(qiáng)度、7 d強(qiáng)度、28 d強(qiáng)度則分別降低了31.2%、6.7%、4.6%、4.2%，其中流動(dòng)性與凝結(jié)時(shí)間的增加幅度相差不大。

流動(dòng)性和凝結(jié)時(shí)間的增加主要與砂漿中顆粒之間的接觸面積有關(guān)。隨著細(xì)度模數(shù)的增大，砂漿中的粗顆粒增多，等效于將原先砂漿中的部分細(xì)顆粒凝聚成粗顆粒，減小了顆粒之間的接觸面積，從而一方面降低了顆粒之間的摩擦力，使砂漿流動(dòng)性增大，另一方面減少了砂漿中水泥水化反應(yīng)的接觸面積，延長(zhǎng)了砂漿的凝結(jié)時(shí)間。

綜上所述，細(xì)度模數(shù)主要影響砂漿的流動(dòng)性、凝結(jié)時(shí)間和泌水率，對(duì)強(qiáng)度影響不大。在利用粉細(xì)砂地層產(chǎn)生的廢棄砂土?xí)r，如果砂土細(xì)度模數(shù)過小，可能會(huì)出現(xiàn)流動(dòng)性不足的情況，而細(xì)度模數(shù)過大則可能出現(xiàn)凝結(jié)時(shí)間過長(zhǎng)的問題。

3.3 砂粒含量對(duì)砂漿性能的影響

將砂層棄砂篩分得到砂粒含量分別為45%、65%、85%的砂樣，并控制砂樣的細(xì)度模數(shù)和粉黏比不變，砂樣顆粒分布曲線如圖6所示。

圖7為砂漿流動(dòng)性、凝結(jié)時(shí)間、泌水率隨砂粒含量變化的關(guān)系曲線，從圖中可以看出，在細(xì)度模數(shù)和粉黏比相同的情況下，隨著砂粒含量的增大，砂漿的流動(dòng)性、凝結(jié)時(shí)間和泌水率均呈增大趨勢(shì)。圖8給出了不同砂粒含量下的砂漿無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，隨著砂粒含量的增大，砂漿的3、7、28 d強(qiáng)度均有所下降，但下降幅度較小。除泌水率外，各項(xiàng)性能的變化趨勢(shì)都與細(xì)度模數(shù)引起的變化趨勢(shì)相似。

隨著砂粒含量從45%增加到85%，砂漿的流動(dòng)度、稠度、凝結(jié)時(shí)間和泌水率分別增加了19.1%、32.0%、47.4%、16.5%，而3、7、28 d強(qiáng)度分別降低了3.0%、8.4%、4.3%。其中，流動(dòng)性的增加幅度比凝結(jié)時(shí)間小，這與細(xì)度模數(shù)對(duì)砂漿性能的影響有所不同，換言之，通過調(diào)整砂粒含量，可以使砂漿具有良好流動(dòng)性的同時(shí)獲得更短的凝結(jié)時(shí)間。

3.4 黏粒含量對(duì)砂漿性能的影響

控制砂樣的細(xì)度模數(shù)和砂粒含量不變，通過摻入現(xiàn)場(chǎng)廢棄黏土中的粉黏粒得到黏粒含量分別為2%、10%、20%的砂樣，砂樣顆粒分布曲線如圖9所示。

圖10為砂漿流動(dòng)性、凝結(jié)時(shí)間、泌水率隨黏粒含量變化的關(guān)系曲線，從圖中可以看出，在細(xì)度模數(shù)和砂粒含量相同的情況下，隨著廢棄砂土黏粒含量的增大，砂漿中被黏粒吸附的水分子增多，自由流動(dòng)的水分子減少，使砂漿的流動(dòng)度、稠度和泌水率顯著降低，當(dāng)黏粒含量超過10%后，砂漿的流動(dòng)性將不滿足要求。另外，隨著廢棄砂土的黏粒含量從2%增加到20%，砂漿的凝結(jié)時(shí)間從8.7 h縮短至3 h，而本工程中砂漿的凝結(jié)時(shí)間應(yīng)控制在6～9 h之間，當(dāng)廢棄砂土的黏粒含量大于10%時(shí)，砂漿的凝結(jié)時(shí)間將低于6 h，無法滿足工程要求。因此，當(dāng)廢棄砂土黏粒含量較高時(shí)，砂漿的流動(dòng)性將變差，凝結(jié)時(shí)間過短，需對(duì)配比進(jìn)行調(diào)整。

圖11給出了不同黏粒含量下砂漿無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，隨著黏粒含量的增大，砂漿的3、7 d強(qiáng)度稍有增大，而28 d強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)。隨著黏粒含量從2%增加到20%，砂漿的3、7 d強(qiáng)度分別增大了4.6%和12.8%，而28 d強(qiáng)度則降低了21.1%。因此，在回收利用廢棄砂土?xí)r應(yīng)注意監(jiān)測(cè)廢棄砂土的黏粒含量，當(dāng)黏粒含量過高時(shí)，砂漿的強(qiáng)度可能不滿足要求。

4 巖層棄砂再利用研究

4.1 巖層棄砂適用性分析

用巖層棄砂代替基礎(chǔ)配比中的現(xiàn)場(chǎng)河砂，測(cè)試得到砂漿性能如表3所示。由表3可知，巖層棄砂制備的砂漿在流動(dòng)度、稠度、泌水率、體積收縮率等方面均優(yōu)于基礎(chǔ)配比，3 d強(qiáng)度及7 d強(qiáng)度與基礎(chǔ)配比相差不大，28 d強(qiáng)度比基礎(chǔ)配比稍低，但滿足工程要求，而凝結(jié)時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)短于基礎(chǔ)配比，只有4.5 h，無法滿足工程需求。對(duì)比巖層棄砂和現(xiàn)場(chǎng)河砂的粒徑分布情況可以發(fā)現(xiàn)，巖層棄砂的細(xì)度模數(shù)更大，砂粒含量更多，黏粒含量更低，因此，巖層棄砂制備的砂漿流動(dòng)性更好，這與砂土粒徑分布對(duì)砂漿性能影響的研究結(jié)果一致，但凝結(jié)時(shí)間卻大幅縮短，這是因?yàn)槭苌巴令w粒形狀的影響，故對(duì)砂顆粒表面形狀對(duì)砂漿性能的影響進(jìn)行探討。

4.2 顆粒形狀對(duì)砂漿性能的影響

考慮到巖層棄砂是由刀盤破巖而成，砂顆粒表面粗糙，與通常的河砂有所區(qū)別，因此，開展了砂土顆粒形狀對(duì)砂漿性能影響的研究。試驗(yàn)方法如下：將磨圓度較好的河砂篩分后代替巖層棄砂中的砂粒部分，而粉粒和黏粒部分則繼續(xù)使用巖層棄砂，從而得到與巖層棄砂粒徑分布一致但顆粒形狀不同的砂樣，然后利用這兩種砂樣分別配制砂漿，比較不同砂漿的性能差異。

兩種砂樣的顆粒形狀分別如圖12、圖13所示，由圖可見，巖層棄砂各粒組顆粒表面粗糙，棱角分明，磨圓度較差，形狀不規(guī)則；而河砂表面光滑、富有光澤，顆粒形狀較為圓潤(rùn)，質(zhì)地均勻透明。

兩種砂樣所制備砂漿的性能如表4所示。從表4中可以看出，在砂土顆粒分布曲線完全一致的情況下，砂土的顆粒形狀也會(huì)對(duì)砂漿性能產(chǎn)生較大影響，與河砂制備的砂漿相比，巖層棄砂制備的砂漿流動(dòng)度、稠度、凝結(jié)時(shí)間、泌水率和體積收縮率更小，強(qiáng)度則相差不大。這是由于砂顆粒表面粗糙，增大了砂漿中顆粒之間的接觸面積，使得摩擦力增大、自由流動(dòng)的水分子減少，從而引起砂漿流動(dòng)性和泌水率降低，接觸面積的增大同時(shí)也增大了水泥水化反應(yīng)的面積，故凝結(jié)時(shí)間大大縮短。

4.3 配比優(yōu)化

由于巖層棄砂顆粒表面粗糙，制備的砂漿凝結(jié)速度快，不滿足工程要求，需要通過調(diào)整配比來延長(zhǎng)凝結(jié)時(shí)間，但砂漿凝結(jié)時(shí)間的延長(zhǎng)往往伴隨著砂漿流動(dòng)度和稠度的增大，又由于巖層棄砂細(xì)度模數(shù)較大，制備的砂漿流動(dòng)度和稠度本身就很大，若凝結(jié)時(shí)間延長(zhǎng)，砂漿流動(dòng)度和稠度很可能超過工程要求，這就給砂漿配比調(diào)整造成了困難。因此，設(shè)計(jì)了以粉灰比、膨水比、水膠比和膠砂比為自變量的配比優(yōu)化試驗(yàn)，擬通過多元回歸分析和多目標(biāo)規(guī)劃得到滿足本工程要求的配合比。各試驗(yàn)組因素取值及試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

4.3.1 多元回歸分析

根據(jù)表5 的試驗(yàn)結(jié)果，利用SPSS 軟件進(jìn)行多元回歸分析，回歸模型采用二次型多元回歸模型，得到粉灰比x1、膨水比x2、水膠比x3、膠砂比x4 與流動(dòng)度FL、稠度FC、凝結(jié)時(shí)間FT、泌水率FB、體積收縮率FS、3 d 強(qiáng)度F3、7 d 強(qiáng)度F7、28 d 強(qiáng)度F28 之間的回歸方程為

FL = -26.042 - 78.749x2 + 53.181x3 +43.548x4 - 38.563x3 x4（1）

FC = -28.829 - 58.76x2 + 40.382x3 +33.165x4 - 25.83x3 x4（2）

FT = -8.012 - 1.255x1 - 16.162x2 +8.207x3 + 7.346x4 + 1.748x1 x3（3）

FB = -5.245 + 0.116x1 + 10.228x2 +2.209x3 + 5.554x4 - 22.005x2 x4（4）

FS = -1.737 - 12.262x2 + 10.002x3 -11.215x4 + 8.221x42 （5）

F3 = 9.594 - 0.66x1 - 13.156x3 -0.873x4 + 0.075x12 + 5.989x32 （6）

F7 = 18.044 - 1.849x1 - 25.758x3 -0.682x4 + 0.246x12 + 12.039x32 （7）

F28 = 30.948 - 3.415x1 - 43.861x3 +0.458x12 + 20.061x32 （8）

對(duì)上述模型進(jìn)行擬合度評(píng)價(jià)及顯著性評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)果如表6 所示。表中R 為相關(guān)系數(shù)；R2 為決定系數(shù)；Rˉ2 為校正決定系數(shù)。其中，決定系數(shù)R2 反映了擬合值與真值之間的差異程度，其值越接近于1，表示回歸方程的擬合程度越好。F 為顯著性檢驗(yàn)值；P 值反映模型的顯著程度，當(dāng)P<0. 05 時(shí)，表示回歸模型顯著，當(dāng)P<0. 01 時(shí)，表示回歸模型非常顯著。

由表6 可知，各回歸方程的R2 均接近于1，說明各回歸方程的擬合值與真值之間差異較小，方程能夠較好地?cái)M合性能與各因素之間的關(guān)系，而各回歸方程的P 值均小于0. 05，說明模型具有較高的可信度。

4.3.2 多目標(biāo)規(guī)劃與試驗(yàn)驗(yàn)證

以各項(xiàng)性能的回歸方程為目標(biāo)函數(shù)，將性能要求上下限設(shè)為約束條件，采用Design-Expert.8.05b 軟件的Optimization模塊進(jìn)行多目標(biāo)規(guī)劃求解，即可獲得多組滿足要求的配比。擇優(yōu)得到巖層棄砂制備砂漿的優(yōu)化配比為：粉灰比1.5，膨水比0.15，水膠比1.15，膠砂比0.9。將該配比代入回歸方程中，得到優(yōu)化配比各項(xiàng)性能的預(yù)測(cè)值如表7所示。由表7可以看出，各項(xiàng)性能均滿足要求。

根據(jù)優(yōu)化配比配制砂漿，并對(duì)砂漿性能進(jìn)行驗(yàn)證性測(cè)試，得到砂漿各項(xiàng)性能實(shí)測(cè)值如表7所示。由表7可見，經(jīng)過配比優(yōu)化后砂漿各項(xiàng)性能均處于要求范圍內(nèi)，說明經(jīng)過配比調(diào)整后，巖層棄砂制備的同步注漿漿液能夠滿足本工程要求，驗(yàn)證了利用巖層棄砂制備同步砂漿的可行性。

5 結(jié)論

開展了盾構(gòu)施工砂土層棄砂和巖層棄砂在同步注漿材料中的再利用研究，得到以下主要結(jié)論：

1）粉細(xì)砂地層所產(chǎn)生的廢棄砂可直接代替原配比中的砂，制備出的砂漿能夠滿足本工程漿液性能要求。

2）砂層棄砂的粒徑分布對(duì)砂漿性能影響較大。增大細(xì)度模數(shù)和砂粒含量可提高砂漿的流動(dòng)度和稠度，延長(zhǎng)砂漿的凝結(jié)時(shí)間，對(duì)砂漿強(qiáng)度的影響則不大；增大黏粒含量可縮短砂漿凝結(jié)時(shí)間和減小泌水率，但會(huì)降低砂漿的流動(dòng)性和強(qiáng)度。

3）巖石地層所產(chǎn)生的廢棄砂土無法直接應(yīng)用于本工程的同步注漿，但經(jīng)過配比的優(yōu)化調(diào)整，巖層棄砂也能制備出滿足性能要求的砂漿，表明巖層棄砂與砂層棄砂一樣具有再利用的價(jià)值。

4）巖層棄砂的顆粒形狀主要對(duì)砂漿的流動(dòng)性和凝結(jié)時(shí)間有較大影響，對(duì)砂漿強(qiáng)度影響不大。巖層棄砂顆粒表面相對(duì)較粗糙，制備出的砂漿流動(dòng)性更差，凝結(jié)時(shí)間更短。

5）不同粒徑分布和顆粒形狀的砂制備得到的砂漿性能差異較大，因此，在對(duì)廢棄砂土進(jìn)行再生利用時(shí)，應(yīng)隨地層的變化及時(shí)檢測(cè)廢棄砂土的粒徑分布和顆粒形狀，同時(shí)對(duì)砂漿的配比進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整或者摻入河砂對(duì)廢棄砂土的級(jí)配進(jìn)行改良。

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