摻加粗骨料改善盾構(gòu)廢渣路用性能研究

張新天，亓帥，胡興波，張志，何歷超，夏佑龍

（1.北京建筑大學(xué)土木與交通工程學(xué)院，北京 100044；2. 北京市首都公路發(fā)展集團有限公司，北京 100161）

1 引言

城市地鐵盾構(gòu)隧道掘進多采用泥水平衡盾構(gòu)開挖，通常要制備和利用由水、膨潤土、泡沫劑、高分子聚合物等添加劑組成的泥漿輔助開挖與出渣，導(dǎo)致盾構(gòu)廢渣含水量大、結(jié)構(gòu)松散，并伴有大量棄漿，渣土顆粒物級配不良，資源化利用困難[1]。

以北京市東六環(huán)（京哈高速—潞苑北大街）改造工程為例，盾構(gòu)隧道長約7.3 km，出渣量約293.8 萬m3，具有出渣量大且集中的特點。盾構(gòu)廢渣的主要組成為不同粒徑的中粗砂、細砂及黏土（含膨潤土及其他添加劑，對環(huán)境無污染），細-中砂（粒徑d 為0.5~0.075 mm）占總組分的91%，含水量在30%左右，資源化用于路基填土需要解決含水量過高，粒徑過于細小，工程性質(zhì)差等問題，為盾構(gòu)廢渣在路基填筑工程中的固廢利用提供可參考借鑒的技術(shù)措施。

2 盾構(gòu)廢渣路用性能劣化問題

盾構(gòu)廢渣即為盾構(gòu)開挖棄出的含殘余泥漿的土渣，不同項目或部位的盾構(gòu)渣土成分有所不同，但其本質(zhì)是不同級配的土顆粒、水與添加劑的混合體。盾構(gòu)渣土的土性參數(shù)一般包括含砂率、含泥量（針對砂石類渣土）、含水率、級配組成等，往往因盾構(gòu)區(qū)間地質(zhì)情況的不同而存在差異。

盾構(gòu)渣土的資源化利用途徑，除其中材性良好的成分多用于建筑材料與制品（如砂漿、混凝土、砌塊等）以外，其余大部分可以嘗試改變以往棄置方式而作為路基填料進行利用。從路基填筑材料的路用性能要求出發(fā)，考慮到盾構(gòu)廢渣產(chǎn)生過程及其特征，經(jīng)試驗分析發(fā)現(xiàn)盾構(gòu)廢渣性能劣化的主要問題如下。

2.1 級配條件較差

經(jīng)對同層位原狀土及盾構(gòu)廢渣材料的粒徑組成試驗分析，確定其級配曲線圖如圖1 所示。結(jié)果表明，原狀土為粉土質(zhì)砂，盾構(gòu)廢渣部分粒徑組成產(chǎn)生較大變化，其中，粗粒組中粗砂部分減少了11%，細砂部分提高了13.2%；同時細粒組部分粉粒含量提高，黏粒含量降低，反映出盾構(gòu)廢渣粒徑偏細，組成松散，整體結(jié)合性降低，組成結(jié)構(gòu)劣化明顯。

圖1 原狀土與盾構(gòu)渣土級配曲線

從原狀土與盾構(gòu)廢渣試樣的SEM 掃描結(jié)果（見圖2）看，原狀土土體結(jié)構(gòu)以砂粒為骨架，細顆粒在結(jié)構(gòu)中起到膠結(jié)相鄰砂粒、以團粒形態(tài)填充于砂粒間孔隙的作用。而盾構(gòu)廢渣的微觀結(jié)構(gòu)則表現(xiàn)為顆粒細化、存在松散與多孔隙狀況。

圖2 典型試樣SEM結(jié)果-砂粒骨架微觀結(jié)構(gòu)

2.2 含水量較高

根據(jù)原狀土及盾構(gòu)廢渣初始含水量及其變化情況的測定結(jié)果（見表1）可知，原狀土天然含水量接近路基壓實最佳含水量值，利于施工壓實處理；而盾構(gòu)廢渣源于盾構(gòu)泥水處理系統(tǒng)，其含水量往往在20%以上，外棄堆置一段時間后才可能逐漸降低，短期內(nèi)與路基壓實含水量最佳值相差較大，在資源化利用盾構(gòu)廢渣作為路基填料的過程中，如何實現(xiàn)盾構(gòu)廢渣的快速高效疏干，以滿足路基壓實含水量要求是需要解決的核心問題之一[2]。

表1 原狀土及廢渣土含水率及變化

2.3 化學(xué)成分復(fù)雜

經(jīng)X 射線熒光光譜分析（XRF）測定原狀土及盾構(gòu)渣土的化學(xué)元素成分組成如表2 所示。原狀土的pH 為7.18，屬弱堿性土；廢渣土pH 為7.91，偏堿性。

表2 原狀土盾構(gòu)渣土化學(xué)元素成分組成 %

盾構(gòu)渣土的化學(xué)元素組成以穩(wěn)定的氧化硅物質(zhì)為主，相比原狀土，各元素含量近似，從環(huán)保要求考慮，二者其他污染物質(zhì)如磷、鉻、硝酸鹽的含量極少，均滿足直接用作路基工程填筑材料的環(huán)保要求。

2.4 壓實性能變化

由于級配組成的不同，盾構(gòu)廢渣土粒徑偏細的變化，導(dǎo)致其壓實性能與原狀土比較變化明顯，最佳含水量從9.2%提高到11%，最大干密度從1.9 g/cm3降至1.73 g/cm3，符合壓實性能隨材料顆粒組成改變的規(guī)律。

2.5 承載力不足

在滿足壓實度要求下，通過對原狀土與盾構(gòu)廢渣土進行CBR、動三軸以及無側(cè)限抗壓強度試驗，評價其作為路基材料的承載能力，試驗結(jié)果如表3 所示。其結(jié)果反映出盾構(gòu)廢渣的CBR 值及動彈性模量均降低約1/4，吸水率有所提高，幾乎喪失了抗壓強度。這是由于廢渣土級配組成條件的變化以及所含殘余泥漿中膨潤土遇水后形成的吸附性、膨脹性、造漿性使然，對盾構(gòu)廢渣承載能力、強度水平均產(chǎn)生不利影響。

表3 原狀土與盾構(gòu)渣土承載能力對比

2.6 壓縮性較大

對原狀土及盾構(gòu)廢渣土的壓縮試驗得到其壓縮系數(shù)接近，分別為0.4 MPa-1及0.44 MPa-1，根據(jù)GB 50007—2011《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》判別其屬中壓縮性土的上限，如作為路基填料時存在工后沉降變形的隱患。

總之，就盾構(gòu)廢渣資源化應(yīng)用于路基填筑工程，必須慎重對待上述盾構(gòu)廢渣在路用性能方面存在的諸多劣化問題，針對性采取適于工程應(yīng)用條件的技術(shù)改善措施，以滿足路基填筑的規(guī)范要求。

3 改善盾構(gòu)廢渣路用性能的技術(shù)措施

盾構(gòu)廢渣土經(jīng)處理后用于路基填筑工程是盾構(gòu)廢渣資源化利用的重要途徑之一，經(jīng)改善處理的盾構(gòu)廢渣應(yīng)用路基工程應(yīng)滿足JTG/T 3610—2019《公路路基施工技術(shù)規(guī)范》的相關(guān)規(guī)定。

作為路基填料的最小承載比和路基施工壓實度應(yīng)符合相關(guān)規(guī)定，并隨公路等級、交通等級以及路基層位而改變，此外，還需滿足路基強度、回彈模量以及控制路基工后沉降量的要求。當(dāng)路基濕度狀態(tài)、路基填料CBR 值、路基回彈模量和豎向壓應(yīng)變不能滿足要求時，應(yīng)根據(jù)氣候、土質(zhì)、地下水和料源等條件，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟比選后，對路基采取處理措施[3]。

對于泥水盾構(gòu)廢渣性能劣化，一般選擇摻加穩(wěn)定材料實現(xiàn)對盾構(gòu)廢渣路用性能的改善，提高其作為路基填料的壓實性能、強度與穩(wěn)定性以及抗變形能力，滿足路基填料的使用要求。東六環(huán)工程項目盾構(gòu)廢渣處理所考慮摻加的穩(wěn)定材料包括水泥基加固材料、高效疏干加固材料以及利于松散材料固結(jié)的生態(tài)膠粉等[4-5]。

但工程實際中盾構(gòu)出渣狀態(tài)表現(xiàn)為集中量大、含水量高、土顆粒粒徑小、含部分漿液，因此，廢渣后續(xù)處理工藝及疏干加固方法的選擇是解決問題的前提及技術(shù)關(guān)鍵。考慮東六環(huán)改造工程中對大量廢渣臨時處理存在場地不足的實際條件，研究短期內(nèi)廢渣處理工法，即摻加粗骨料改善盾構(gòu)廢渣的路用性能，滿足快速簡易疏干、混拌的技術(shù)要求，實現(xiàn)對盾構(gòu)廢渣即棄即用的應(yīng)用條件，具有實用價值[6]。

4 摻加粗骨料改善盾構(gòu)廢渣路用性能試驗研究

東六環(huán)改造工程施工現(xiàn)場臨近北京城市副中心，受到東六環(huán)及周邊路網(wǎng)現(xiàn)況交通影響，施工范圍內(nèi)場地緊張，又限于嚴格的環(huán)保要求，摻加穩(wěn)定材料改善盾構(gòu)廢渣的工藝方法實施困難，加之路基填筑試驗工程實施臨近冬季，不利于盾構(gòu)廢渣排水疏干防凍。故而摻加粗骨料改善盾構(gòu)廢渣成為適宜的技術(shù)方案。研究中選擇的粗骨料包括常用的級配碎石以及再生的建筑廢渣兩類，試驗考慮的摻配比為是廢渣土∶粗骨料（干重比）=70∶30、60∶40、50∶50、40∶60。

4.1 不同摻配比的壓實性能

隨著粗骨料摻配比的增加，混合料級配組成與結(jié)構(gòu)狀態(tài)產(chǎn)生較大變化，粗骨料形成的骨架結(jié)構(gòu)逐漸完善，從壓實試驗結(jié)果看（見表4），最佳含水量漸次降低而最大干密度提高，壓實性能得以改善。

表4 不同摻配比的壓實性能指標(biāo)

4.2 不同摻配比的疏干規(guī)律

對不同粗骨料摻配比下含水量變化的測定反映出盾構(gòu)廢渣的疏干效果，如表5 所示。測定結(jié)果說明，隨著粗骨料摻配量的增加，混合料含水量逐漸降低，比較未摻配粗骨料廢渣土初始含水量約18%，摻配比例達到5∶5 時，碎石廢渣土含水量降低了8%，建筑垃圾廢渣土含水量降低了8.5%。尤其建筑垃圾由廢棄磚、混凝土破碎而成，多孔吸水性突出，疏干效果明顯；當(dāng)摻配量達到5∶5 后，其疏干含水量與最佳壓實含水量的差值至2%以內(nèi)，已符合按壓實度控制要求確定的工程適用壓實含水量范圍，以此為依據(jù)可確定粗骨料（建筑垃圾）合理摻配量為5∶5。

表5 不同摻配比的含水量變化

4.3 不同摻配比下的承載能力

根據(jù)不同摻配比的CBR 試驗數(shù)據(jù)，如表6 所示，隨粗骨料摻配比例的提高，調(diào)整了盾構(gòu)廢渣的級配組成，增強了骨架結(jié)構(gòu)，CBR 值提高幅度較大，以摻配量5∶5 為例，對比盾構(gòu)廢渣承載能力提高2.5 倍以上；如綜合考慮疏干性能、廢舊資源利用，選擇摻配建筑垃圾的效果更為突出。

表6 不同摻配比的承載能力變化

4.4 不同摻配比下的壓縮性能

為測定摻配粗骨料后粒料土混合料的壓縮性能，在借鑒土的固結(jié)試驗原理的基礎(chǔ)上進行了試驗裝置的模擬設(shè)計，以CBR 試驗中的標(biāo)準試筒代替土固結(jié)試驗中的環(huán)刀，以環(huán)形砝碼作為加載部件，試驗裝置如圖3 所示。

圖3 模擬設(shè)計的粒料土固結(jié)試驗

測定不同摻拌比的建筑垃圾改善盾構(gòu)廢渣混合料的壓縮系數(shù)結(jié)果如表7 所示。

表7 不同摻配比的壓縮性能變化

試驗結(jié)果表明：利用建筑垃圾對盾構(gòu)廢渣進行改善后，其壓縮系數(shù)有明顯降低。當(dāng)建筑垃圾摻配比達到5∶5 及以上時，改善后的盾構(gòu)廢渣壓縮系數(shù)小于0.1 MPa-1，已滿足低壓縮性填料標(biāo)準，意味著以其填筑路基后產(chǎn)生的工后沉降變形的可能性大大降低，這對于保證特殊施工條件下如舊路加寬、臨時工程以及冬雨季施工的路基填筑質(zhì)量大為有益。

5 結(jié)語

在試驗分析盾構(gòu)廢渣路用性能劣化的基礎(chǔ)上，選擇驗證了以摻加粗骨料改善盾構(gòu)廢渣路用性能的技術(shù)措施，取得了主要研究結(jié)論如下。

1）未處理的盾構(gòu)廢渣表現(xiàn)出級配組成不佳、含水量偏高、壓實性能不良、承載力不足以及壓縮性較大的劣化特征，不滿足作為路基用填料的規(guī)范要求，需采取有效和適用的技術(shù)措施處理。

2）除摻加穩(wěn)定材料外，為適應(yīng)盾構(gòu)廢渣量大集中、即排即用、排水疏干及特殊施工環(huán)境條件的需求，摻配粗骨料是可行的技術(shù)方案，經(jīng)試驗分析確定了建筑垃圾以5∶5 摻配比的混合料綜合應(yīng)用效果良好。