隧道棄土在隧道開挖階段中作為填充材料的應(yīng)用研究

作者簡(jiǎn)介：

杜 掀（1994—），碩士，工程師，主要從事巖土工程材料研究工作。

摘要：文章以隧道棄土為研究對(duì)象，針對(duì)隧道開挖輪廓后的空隙，利用正交表L16（44）通過改變水灰比、隧道棄土含量、十二烷基苯磺酸鈉含量、偏鋁酸鈉含量等參數(shù)條件，研究隧道開挖階段中填充材料的力學(xué)性能。結(jié)果表明：隧道開挖后空隙的輕質(zhì)填充材料最佳配方建議水灰比為1.2，隧道棄土含量為80%，十二烷基苯磺酸鈉含量為5%，偏鋁酸鈉含量為1%，可以表現(xiàn)出良好的泵送性能、膠凝時(shí)間短、穩(wěn)定性高（2 h泌水率為0）、收縮?。w積收縮率為0.7%）和硬化材料重量輕（干密度為1.19 g/cm3）等優(yōu)點(diǎn)；隧道棄土可以作為一種輕質(zhì)回填材料，用于填充隧道施工中開挖輪廓后的空隙，這種輕質(zhì)填充材料不僅可以滿足工程要求，而且具有成本效益和生態(tài)友好性。

關(guān)鍵詞：隧道棄土；隧道；開挖；輕質(zhì)填充材料

中圖分類號(hào)：U454.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 30 102 3

0 引言

在我國各地的隧道建設(shè)過程中，數(shù)十億噸的隧道棄土（土壤和巖石）成為廢物。大量隧道廢棄物被遺棄或非法就地填埋。且隧道棄土?xí)l(fā)一系列施工和環(huán)境問題，例如非法棄土可能破壞生態(tài)環(huán)境，可能導(dǎo)致嚴(yán)重的地質(zhì)災(zāi)害（如滑坡、崩塌、泥石流等），同時(shí)隧道棄土長(zhǎng)期暴露在外，容易造成空氣、土壤和地下水污染［1］。因此，隧道棄土再利用的可能性是一個(gè)重要而有意義的研究課題。

在路堤建設(shè)、填海項(xiàng)目、骨料加工和礦物加工等領(lǐng)域，工程師們投入了大量精力來利用隧道棄土。關(guān)于隧道棄土利用的研究已經(jīng)證明了其具有較好的力學(xué)性能、低成本、環(huán)境友好的優(yōu)點(diǎn)［2］。然而，隧道棄土尚未得到大規(guī)模利用，其應(yīng)用范圍有待擴(kuò)大。在隧道施工領(lǐng)域，隧道開挖輪廓后的空隙區(qū)可能是由大面積超挖引起的，且坍塌引起的空隙或空洞及溶洞，是困擾隧道項(xiàng)目行政監(jiān)督的普遍問題之一［3］。

在現(xiàn)場(chǎng)施工過程中，由于某隧道區(qū)域特殊的地質(zhì)條件，頂板坍塌、大變形、超限斷裂等現(xiàn)象較為普遍，導(dǎo)致開挖等高線后的空隙面積較大。此外，大量廢棄或就地填埋的隧道渣土也會(huì)帶來一系列施工和環(huán)境問題。除施工安全外，本項(xiàng)目的主要問題還包括隧道棄土的環(huán)境污染和高昂的處理成本，以及隧道開挖輪廓線后的空隙所需的大量填充材料［4-5］。政府要求采用經(jīng)濟(jì)可行的方法，以更環(huán)保的方式處理隧道棄土并提供填充材料。受隧道棄土再利用研究的啟發(fā)，提出了一種將隧道棄土循環(huán)利用的方案，作為隧道開挖輪廓線后空隙的輕質(zhì)填充材料。因此，如果能將排出的棄土作為填充材料的原材料進(jìn)行再利用，這將成為一種有效的可持續(xù)做法，既能最大限度地減少對(duì)環(huán)境污染和隧道穩(wěn)定性的不利影響，還能降低工程成本［6］。

基于此，本文以隧道棄土為研究對(duì)象，針對(duì)隧道開挖輪廓后的空隙，研制一種性能良好的輕質(zhì)填料。首先提出了一種將隧道棄土作為輕質(zhì)材料進(jìn)行回填的框架，然后采用均勻設(shè)計(jì)試驗(yàn)方法，研究和優(yōu)化了新型輕質(zhì)回填材料的制備方法以及成分和配方對(duì)其性能的影響。此外，基于微觀表征試驗(yàn)的結(jié)果，提出了新型輕質(zhì)回填材料的微觀結(jié)構(gòu)機(jī)制。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 原材料和試樣制備

試驗(yàn)中使用的排放隧道土是從某隧道的廢棄土堆中收集的，其原位含水量為7.6%，濕密度為2.31 g/cm3，自由膨脹率為48%（見表1）。隧道泥土呈現(xiàn)出致密的片麻狀微觀結(jié)構(gòu)，表面凹凸不平，泥土空隙中充滿了小顆粒。隧道泥土的主要礦物成分是石英、綠泥石和云母［7］。這些特征表明，排出的隧道土具有作為填充材料的優(yōu)質(zhì)骨料的潛力。十二烷基苯磺酸鈉為白色堿性物質(zhì)，常用于制作輕質(zhì)回填材料。偏鋁酸鈉為一種白色堿性物質(zhì)，可顯著加速水泥的水化反應(yīng)。

1.2 試驗(yàn)方法

如表2所示，通過將各因素收集到正交表L16（44）中分析了各成分的用量對(duì)輕質(zhì)回填材料性能的影響。表2中所有研究材料的用量范圍都是根據(jù)以往的填充工程經(jīng)驗(yàn)和多次初步試驗(yàn)確定的。使用錐形模具來評(píng)估輕質(zhì)回填材料的流動(dòng)性。采用倒杯法測(cè)定輕質(zhì)回填材料的凝膠時(shí)間。試驗(yàn)按照《水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時(shí)間、安定性檢驗(yàn)方法》（GB/T1346-2001）進(jìn)行。滲水率和體積收縮率測(cè)試按照規(guī)范要求方法進(jìn)行。輕質(zhì)回填材料的干密度采用環(huán)剪法測(cè)定。28 d無壓強(qiáng)度（UCS）測(cè)量在數(shù)顯電子萬能試驗(yàn)機(jī)（WDS-XD型）上進(jìn)行，試驗(yàn)按照《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E30-2005）標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。如表3所示為用于確定輕質(zhì)回填材料特性的試驗(yàn)方法和參考值［8］。

1.3 隧道棄土的回收利用原則

回收隧道棄土作為輕質(zhì)回填原材料（LBM），用于回填隧道襯砌背后的空隙，是一種既環(huán)保又廉價(jià)的處理方法。在第一階段，人工清理廢土樣本中的雜質(zhì)，并將土壤晾干，然后用破碎機(jī)對(duì)廢土樣本進(jìn)行破碎（出料粒度lt;5 mm），其次通過篩分試驗(yàn)確定棄土的細(xì)度模數(shù)（MX）。如果2.1lt;MXlt;3.2，則棄渣可用作輕質(zhì)回填材料，用于填充隧道襯砌后的過斷層；如果MXgt;3.2或MXlt;2.1，則棄渣不能用于填充。在第三階段，將廢渣（2.1lt;MXlt;3.2）、水泥、十二烷基苯磺酸鈉、偏鋁酸鈉和水按適當(dāng)比例混合，然后用攪拌器以1 000 rpm的轉(zhuǎn)速攪拌約5 min，以制備輕質(zhì)回填材料。將廢渣作為輕質(zhì)回填原材料進(jìn)行回收利用，用于隧道襯砌后的過斷層填充以及其他類型的填充或灌漿。在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中，作為回填材料的棄土由機(jī)械在地表進(jìn)行破碎和制備，并通過垂直進(jìn)料系統(tǒng)將輕質(zhì)回填材料運(yùn)送到儲(chǔ)料倉，經(jīng)過泵送系統(tǒng)，將輕質(zhì)回填材料直接泵送到隧道襯砌后面的過斷層填土處進(jìn)行回填［9］。

2 結(jié)果分析

2.1 流動(dòng)性和凝膠時(shí)間分析

如表3所示為L(zhǎng)BM的流動(dòng)性和凝膠時(shí)間值范圍。就流動(dòng)性指標(biāo)而言，最佳混合比為A4/B1/C4/D1，影響流動(dòng)性的因素依次為水灰比、偏鋁酸鈉含量、十二烷基苯磺酸鈉含量和排出的隧道土含量，其重量比分別為58.36%、19.28%、15.42%和6.94%。對(duì)于凝膠時(shí)間指標(biāo)，最佳混合料配比為A4/B4/C4/D1，影響延性的因素依次為十二烷基苯磺酸鈉含量、偏鋁酸鈉含量、水灰比和隧道棄土含量，其重量比分別為45.35%、26.46%、20.79%和7.41%。上述分析表明，水灰比對(duì)LBM流動(dòng)性的影響最大，十二烷基苯磺酸鈉含量對(duì)LBM的凝膠時(shí)間有明顯影響，排出的隧道土含量對(duì)流動(dòng)性和凝膠時(shí)間的影響最小，可以忽略其影響。

2.2 滲水率和體積收縮率分析

如表4所示為L(zhǎng)BM的滲水率和體積收縮率范圍分析。在滲水率方面，最佳混合料配比為A1/B1/C1/D1，影響滲水率的因素依次為十二烷基苯磺酸鈉含量、水灰比、隧道棄渣含量和偏鋁酸鈉含量，其重量比分別為56.50%、42.37%、0.56%和0.56%。在體積收縮率方面，最佳混合比為A1/B3/C1/D1，影響體積收縮率的因素依次為十二烷基苯磺酸鈉含量、水灰比、隧道廢渣含量和偏鋁酸鈉含量，其重量比分別為38.98%、32.95%、12.76%和15.31%。上述結(jié)果表明，滲水率和體積收縮率的重要程度順序相同。與其他因素相比，十二烷基苯磺酸鈉含量和水灰比更為重要，偏鋁酸鈉含量的影響較小，而排出的隧道土含量在4項(xiàng)因素中的重要性最小。如表4所示。

2.3 微觀表征

如下頁圖1（a）所示為L(zhǎng)BM的TG、DTG和DSC曲線圖。圖1（a）中的紅色曲線顯示了從35 ℃～1 050 ℃的TG分析結(jié)果。結(jié)果顯示，在35 ℃～250 ℃，重量損失約為4.1%；在250 ℃～415 ℃，重量損失約為2.3%；在415 ℃～510 ℃，重量損失約為1.5%。相比之下，在510 ℃～725 ℃，重量損失約為6.2%。當(dāng)溫度gt;800 ℃時(shí)，重量損失lt;2%。上述結(jié)果的分析表明，在100 ℃～1 500 ℃，損失的部分質(zhì)量與化學(xué)鍵水有關(guān)，而在500 ℃～700 ℃，損失的大部分質(zhì)量與礦物（方解石和綠泥石）的分解有關(guān)。從DTG和DSC曲線可以看出，在140 ℃～180 ℃、460 ℃～500 ℃、680 ℃～740 ℃和740 ℃～780 ℃有4個(gè)放熱峰，分別與3CaO-Al2O3-CaSO4-12H2O和Ca（OH）2、十二烷基苯磺酸鈉、方解石以及綠泥石的分解有關(guān)。

通過XRD確定了LBM的化學(xué)結(jié)構(gòu)和成分。XRF結(jié)果顯示，LBM的主要成分是無機(jī)物和有機(jī)物，其中O、Ca、Si、Al、Fe元素分別占試樣重量的46.50%、20.54%、12.02%、5.24%和2.59%，總計(jì)為86.89%。從圖1（b）可以看出，在2θ=21.00°、26.87°、36.83°、50.21°、59.85°和68.22°處，存在相對(duì)較強(qiáng)和較窄的衍射峰，這是石英的特征峰（9.7%）；2θ=17.83、33.57、46.52、51.26和54.33處的衍射峰相對(duì)較強(qiáng)、較窄，是方解石的特征峰（10.2%）；2θ=8.84、11.58和17.50處的衍射峰是云母的特征峰（7.1%）；2θ=23.31、29.56、36.11、39.23、42.68、47.12和48.36處的衍射峰為方解石的特征峰（23.4%）；2θ=3.21、12.42、18.22、25.07和46.03處的衍射峰可歸屬于綠泥石（8.5%）的XRD圖像；2θ=28.67、40.08和43.22處相對(duì)較小的衍射峰與長(zhǎng)石（4.8%）的特征峰相符。

LBM較好的力學(xué)性能與微觀結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。如圖2所示為L(zhǎng)BM的SEM圖像。SEM圖像顯示，斷裂表面完全致密，孔隙率低，有機(jī)相互連接，形成多孔團(tuán)聚或團(tuán)簇狀結(jié)構(gòu)。且顆粒之間的結(jié)合力進(jìn)一步增強(qiáng)，LBM的滲出能力降低，并且LBM的黏度增強(qiáng)。此外，由于固化過程中產(chǎn)生的CO2，LBM試樣中仍然存在許多不規(guī)則的小孔。進(jìn)一步提高穩(wěn)定性。因此，LBM具有以下特點(diǎn)：重量輕、強(qiáng)度高、穩(wěn)定性好。

2.4 經(jīng)濟(jì)和環(huán)境評(píng)估

通常，隧道開挖輪廓后空隙的填充材料成本已成為施工單位關(guān)注的問題，因?yàn)樘畛洳牧系某杀局苯佑绊懫涔こ踢m用性。對(duì)于該項(xiàng)目，傳統(tǒng)水泥砂漿和LBM的平均注入率分別為120%和100%。根據(jù)當(dāng)?shù)卦牧系氖袌?chǎng)價(jià)格（傳統(tǒng)水泥砂漿約為400元/m3，LBM約為300元/m3），該方法將隧道開挖輪廓后空隙的原材料成本降低了100元/m3。此外，考慮到隧道棄土的收集、運(yùn)輸和處理成本（約60元/m3）。因此，將回收的隧道棄土作為隧道開挖輪廓后空隙的輕質(zhì)填充材料，總成本每立方米減少120元。此外，隧道棄土的回收利用還可以減少對(duì)環(huán)境的影響：（1）減少灰塵、滲濾液（含火藥）和垃圾填埋場(chǎng)氣體的排放；（2）隧道棄土運(yùn)輸至棄土場(chǎng)會(huì)將灰塵和滲濾液帶入道路；（3）減少碳排放。

為了驗(yàn)證LBM的最佳配方（水灰比為1.2，排出的隧道土壤含量為80%，十二烷基苯磺酸鈉含量為5%，偏鋁酸鈉含量為1%），制備了新的LBM，并按照2 h的滲水率（0%）和體積收縮率（0.7%）遠(yuǎn)低于工程的最低要求，LBM在30 min（22.5 mm）內(nèi)保持良好的流動(dòng)性；干密度為1.19 g/cm3，28 d抗壓強(qiáng)度達(dá)到3.75 MPa。此外，成本約為335元/m3，因此LBM是一種用于隧道襯砌后超挖填充的優(yōu)質(zhì)且廉價(jià)的材料。

3 結(jié)語

本文提出將回收隧道棄土作為回填材料，并通過室內(nèi)試驗(yàn)驗(yàn)證其可行性，并對(duì)LBM的組成和配方的影響進(jìn)行了表征，以按照根據(jù)相關(guān)施工現(xiàn)場(chǎng)要求找到LBM的最佳配比。主要結(jié)論如下：

（1）LBM原料豐富，成本低是一種環(huán)保的輕質(zhì)灌漿材料，具有良好的可泵性、穩(wěn)定性（2 h泌水率為0，體積收縮率為0.7%）和力學(xué)性能。這種輕質(zhì)填充材料可用于隧道襯砌后的超挖填充，以避免高材料消耗和大體積收縮，如使用其他灌漿材料（如水泥漿和水泥砂漿）通常會(huì)遇到的挑戰(zhàn)。

（2）LBM的性能在很大程度上取決于其組成和配方。LBM的流動(dòng)性、干密度和28 d UCS受水灰比的影響很大，而其凝膠時(shí)間、泌水率和體積收縮率主要取決于十二烷基苯磺酸鈉。LBM的推薦配方如下：水灰比為1.2，排出的隧道土壤含量為80%，十二烷基苯磺酸鈉含量為5%，偏鋁酸鈉含量為1%。

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